畢業(yè)設(shè)計(jì)-----雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　緒論</b></p><p>　　課題的背景、目的及意義</p><p>　　電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　20世紀(jì)90年代前的大

2、約50年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。</p>&l

3、t;p>　　本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動(dòng)控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，通過在DJDK-1型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制試驗(yàn)裝置上的調(diào)試,并應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。</p><p>　　本課題國內(nèi)、外研究應(yīng)用情況</p><p>　　近30年來，電力拖動(dòng)系統(tǒng)得到了迅猛的

4、發(fā)展。但技術(shù)革新是永無止盡的，為了進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開：</p><p>　　采用新型電力電子器件</p><p>　　電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。智能功率模塊（IPM）的廣泛應(yīng)用，使得新型電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。</p>

5、<p>　　傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的整流裝置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢(shì)，但其控制復(fù)雜，對(duì)散熱要求也較高。電力電子器件的發(fā)展，使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來越普遍的趨勢(shì)。</p><p><b

6、>　　應(yīng)用現(xiàn)代控制理論</b></p><p>　　在過去，人們感到自動(dòng)控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應(yīng)用方面卻不盡人意。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要?dú)w功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的運(yùn)算得以實(shí)時(shí)完成。第二是在辨識(shí)，參數(shù)估值以及控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。</

7、p><p><b>　　采用總線技術(shù)</b></p><p>　　現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢(shì)，總線化使得各種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。</p><p>　　內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域</p><p>　　當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息化的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。

8、這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)上工作，控制系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開放式自由軟件Linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。</p><p>　　1.3 本課題采用的技術(shù)方案及技術(shù)難點(diǎn)</p><p>　　根據(jù)本課題的實(shí)際情況，宜從以下三個(gè)方面入手分析：</p>&l

9、t;p>　　1．.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2．雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì)</p><p>　　3．應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正</p><p>　　本課題所涉及的調(diào)速方案本質(zhì)上是改變電樞電壓調(diào)速。該調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。但電機(jī)的開環(huán)運(yùn)行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠(yuǎn)

10、遠(yuǎn)不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式?？梢獙?shí)現(xiàn)高精度和高動(dòng)態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時(shí)還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)矩又與電動(dòng)機(jī)的電流成正比。因而同時(shí)對(duì)速度和電流進(jìn)行控制，成為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能電機(jī)控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。</p>&l

11、t;p>　　關(guān)于工程設(shè)計(jì)：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)高階系統(tǒng),其設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。本設(shè)計(jì)利用階次優(yōu)化的原理對(duì)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素,按全局最優(yōu)的觀點(diǎn)正確選擇合理的階次[4]。工程設(shè)計(jì)方法的基本思路是先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。應(yīng)用到雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，先從電流環(huán)入手，按上述原則設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)

12、速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)等效環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容</p><p>　　1.4.1 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，列寫雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并畫出其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 </p><p>　　1.4.2 經(jīng)典控制部分</p><p>　　首

13、先了解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，然后應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法，分別進(jìn)行主電路、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì),并應(yīng)用MATLAB語言中的SIMULINK工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。</p><p>　　1.4.3 仿真部分</p><p>　　簡單介紹MATLAB語言及SIMULINK工具箱，重點(diǎn)運(yùn)用SIMULINK工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及其頻率特性曲線。結(jié)合曲線對(duì)由不同方法設(shè)計(jì)出的調(diào)速

14、系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較研究，從而得到性能指標(biāo)較為理想的系統(tǒng)模型。并嘗試性地提出改進(jìn)方案。</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.1 數(shù)學(xué)模型的參數(shù)測(cè)定</p><p>　　本調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方案是建立在對(duì)典型系統(tǒng)作比較深入的研究,把它們的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性,弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系,寫成簡單的公式或制成

15、簡明的圖表基礎(chǔ)上的。因此我們需要先對(duì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。這樣，在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí),只要根據(jù)上述工程設(shè)計(jì)方法把它校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。但參數(shù)測(cè)定不是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，只作為輔助內(nèi)容。所以將其提前敘述，使數(shù)學(xué)模型的闡述部分和工程設(shè)計(jì)方法部分聯(lián)系緊密，銜接自然。</p><p>　　2.1.1 測(cè)定電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)TL </p><p>　　

16、2.1.1.1 測(cè)定電樞回路總電阻RΣ 通過測(cè)定Rn,RD,RP 得到RΣ </p><p>　　其中 Rn—晶閘管等效電阻 RP—平波電抗器等效電阻</p><p>　　RΣ—電樞回路的總電阻 RD—電動(dòng)機(jī)電樞電阻</p><p>　　考慮到參數(shù)的非線性，應(yīng)用伏安法測(cè)量。通過改變變阻器的阻值，改變Id,測(cè)出不同的Ud, Up, UD.測(cè)試時(shí)，為防

17、止因電樞轉(zhuǎn)軸不同心，而影響電刷接觸電阻。將電樞轉(zhuǎn)動(dòng)三次，取測(cè)量的平均值。應(yīng)用公式：</p><p>　　可得計(jì)算值： Rn=1.60Ω, RP=0.101Ω RD=1.41Ω</p><p>　　所以有 RΣ=Rn+RP+RD=3.11Ω</p><p>　　2.1.1.2 測(cè)定電樞回路的總電感L</p><p>

18、;　　L= LP+ LD+ LB</p><p>　　式中 LP—平波電抗器電感</p><p>　　LD—電動(dòng)機(jī)電樞電感</p><p><b>　　LB—變壓器漏感</b></p><p>　　先測(cè) LS=LP+LD, </p><p>　　利用以下公式: Z=R

19、S +j XS =U d /Id-</p><p>　　XS=(Z2- X2)1/2</p><p>　　LS=XS /2πf=XS/314</p><p>　　再來測(cè)定變壓器的漏感LB</p><p>　　根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式: L/B = KB*( UK% /100)*(U2 /Id ),</p><p>

20、;　　在三相橋中 LB = 2*L/B</p><p>　　因此 L=LS + LB</p><p>　　計(jì)算得L=74.58mH.</p><p>　　綜上，有 </p><p>　　TL= L/RΣ = 74.58/3.11 =23.98(m

21、s)</p><p>　　2.1.2 測(cè)定電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm</p><p>　　2.1.2.1 測(cè)定電動(dòng)機(jī)的Ce 在給定電壓下選穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量所需數(shù)據(jù)，因穩(wěn)態(tài)時(shí) </p><p>　　而 </p><p>　　故 </p><p>　　取平

22、均值后代入計(jì)算可得V/rpm</p><p>　　2.1.2.2 測(cè)定電動(dòng)機(jī)的飛輪力矩GD2使電動(dòng)機(jī)在空載下自由停車 (這時(shí)MD=0, Mfz=M0),其中M0為電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩.</p><p>　　由 MD-Mfz=GD2dn/375dt</p><p>　　得 GD2=-375M0 / (dn /d

23、t) ≈375M0 /(?n /?t)</p><p>　　(1)測(cè)n=f(M0)</p><p>　　利用空載損耗 P0=UDId-RDI2，得M0. 測(cè)定n=f(M0)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)紙上做出n=f(M0)曲線</p><p><b>　　(2)測(cè)dn/dt</b></p><p>　　測(cè)定dn/dt數(shù)據(jù), 在示波

24、器上畫出n=f(t)曲線, 并轉(zhuǎn)移到坐標(biāo)紙上。</p><p>　　GD2=375M0Q/(?n/?t)Q=0.5932Kg.m2=5.8132N.m2</p><p>　　此時(shí)有 Tm=RΣGD2/375CeCm</p><p>　　=RΣGD2/(30/ )Ce2</p><p>　　=3.11*5.8134/37

25、5*(30/3.14)*0.1292</p><p>　　=329.28(ms)</p><p>　　2.1.3 測(cè)定觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KS</p><p>　　在按線性系統(tǒng)規(guī)律進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該把這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)KS當(dāng)作常數(shù)，但實(shí)際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似成線性環(huán)節(jié)。因此，最好應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入—輸出特性，

26、即. 設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的余量，調(diào)節(jié)放大系數(shù)KS可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定</p><p>　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得KS=40.</p><p>　　圖2-1 晶閘管觸發(fā)與整流的輸入—輸出特性和KS的測(cè)定</p><p>　　2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　2.2.1 轉(zhuǎn)速控制的

27、要求和調(diào)速指標(biāo)</p><p>　　生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求經(jīng)量化和折算后可以表達(dá)為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標(biāo)的要求。深刻理解這些指標(biāo)的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想后面的設(shè)計(jì)思路。在以下四項(xiàng)中，前兩項(xiàng)屬于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，后兩項(xiàng)屬于動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)</p><p>　　2.2.1.1 調(diào)速范圍D 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，即<

28、/p><p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　2.2.1.2 靜差率s 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)

29、速的穩(wěn)定度的。</p><p>　　2.2.1.3 跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。具體的跟隨性能指標(biāo)有下列各項(xiàng)：上升時(shí)間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間.</p><p>　　2.2.1.4 抗擾性能指標(biāo) 此項(xiàng)指標(biāo)表明控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力，它由以下兩項(xiàng)組成：動(dòng)態(tài)降落，恢復(fù)時(shí)間.</p><p>　　2.2.2 調(diào)速

30、系統(tǒng)的兩個(gè)基本矛盾</p><p>　　在理解了本設(shè)計(jì)需滿足的各項(xiàng)指標(biāo)之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標(biāo)的兩個(gè)矛盾，即</p><p>　　動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；</p><p>　　起動(dòng)快速性與防止電流的沖擊對(duì)電機(jī)電流的要求互相矛盾[5]。</p><p>　　采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在保證

31、系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，解決了第一個(gè)矛盾。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程中的電流和轉(zhuǎn)矩。無法解決第二個(gè)基本矛盾。</p><p>　　在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速

32、度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-2a所示。</p><p>　　a) b

33、)</p><p>　　圖2-2 調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程 </p><p>　　b) 理想快速啟動(dòng)過程</p><p>　　當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的

34、重要因素。為此，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機(jī)的過載能力,最好是在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即降低下來,使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.這樣的理想起動(dòng)過程波形如圖2-2b所示,起動(dòng)電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過程。</p><p&g

35、t;　　實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實(shí)現(xiàn)。問題是希望在啟動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。</p><p>　　2.2.3 調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理</p><p><b&g

36、t;　　見圖2-3：</b></p><p>　　圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級(jí)連接.把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣

37、就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。</p><p>　　2.2.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程分析</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波

38、形是接近理想快速起動(dòng)過程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動(dòng)過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動(dòng)過程分為三個(gè)階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。其起動(dòng)過程波形如圖2-4所示。</p><p>　　

39、圖2-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　從圖2-4知,整個(gè)起動(dòng)過程分為三個(gè)階段：</p><p>　　第I階段是電流上升階段。突加給定電壓Un*后,通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，當(dāng)Id≥IdL后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)械慣性作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓△Un=Un*-Un數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值Ui

40、m*，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)Id≈Idm時(shí)，Ui≈Uim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　第II階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，屬于恒流升速階段，是啟動(dòng)過程中的主要階段。在這個(gè)階段中ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為

41、在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長。</p><p>　　第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR的輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓及ACR

42、的給定電壓Ui*立即從限幅值下來，主電流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于負(fù)載電流IdL，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)距Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一小段小與IdL的過程，直到穩(wěn)定。</p><p>　　綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　1）飽和非線性控制：隨

43、著ASR的飽和和不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在不同情況下，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。</p><p>　　2）準(zhǔn)時(shí)間控制：啟動(dòng)過程中主要階段實(shí)第II階段，即恒流升速階段。它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便

44、充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過載能力，使啟動(dòng)過程盡可能更快。這個(gè)階段屬于電流受限制的條件下的最短時(shí)間控制，或稱時(shí)間最優(yōu)控制。</p><p>　　3）轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非線性控制,啟動(dòng)過程結(jié)束進(jìn)入第III階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓△Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這就是說，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)[6]。

45、</p><p>　　2.2.5 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為</p><p>　　1．轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：</p><p>　　1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um*變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；</p><p>　　2）對(duì)付在變化起抗擾作用；</p&g

46、t;<p>　　3）其輸出限幅決定允許的最大電流。</p><p>　　2．電流調(diào)節(jié)器的作用：</p><p>　　1）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；</p><p>　　2）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；</p><p>　　3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨起給定電壓Um*變化；</p><p>　　4

47、）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)最用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常[7]。</p><p>　　2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.3.1 主電路及其化簡</p><p><b>　　見圖2-5:</b></p><p>　　圖2-5 主電路的原理

48、圖及化簡</p><p>　　三相橋式整流電路的主電路</p><p><b>　　b)等效電路</b></p><p>　　c)化簡后的等效電路</p><p>　　其中： Rb—變壓器兩相繞阻的等效內(nèi)阻 </p><p>　　Ra—變壓器兩相繞阻漏抗引起換向壓降所對(duì)應(yīng)的電阻 &l

49、t;/p><p>　　Rn—兩個(gè)可控硅原件的正相等效電阻 </p><p>　　Rp—平波電抗器等效電阻 </p><p>　　Rd—電動(dòng)機(jī)電樞等效內(nèi)阻 </p><p>　　Lb—變壓器兩相繞阻的漏感 </p><p>　　Lp—平波電抗器電感 </p><p>　　Ld—電動(dòng)機(jī)電樞繞阻電感 &

50、lt;/p><p>　　Ud0=2.34U2COSα—理想空載整流電壓 </p><p>　　E=Ce*n—直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì) </p><p>　　RN=Rb+Ra+Rn—整流裝置內(nèi)阻 </p><p>　　RS =Rp+Rd—電動(dòng)機(jī)電樞電阻 </p><p>　　R=RN+RS—主電路總電阻 </p>

51、<p>　　L=Lb+Lp+Ld—主電路總電感</p><p>　　2.3.2 額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)描述</p><p>　　由圖2-5中的c)可列出微分方程如下：</p><p>　　(主電路,假定電流連續(xù))</p><p>　　(額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))</p><p>　　(牛頓動(dòng)力學(xué)定律,忽略

52、粘性摩擦)</p><p>　　(額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩)</p><p>　　式中 TL—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；</p><p>　　GD2—電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2；</p><p>　　Cm=30Ce/Л—電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；</p>

53、;<p><b>　　定義下列時(shí)間常數(shù)：</b></p><p>　　TL=L/R—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，單位為s； </p><p>　　Tm=(GD2R)/(375CeCm)—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，單位為s。</p><p><b>　　整理后得</b></p><p&

54、gt;　　式中 IdL=TL/Cm—負(fù)載額定電流.</p><p>　　在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉式變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(2-4)</b></p>

55、<p>　　由以上傳遞函數(shù)，可以得到額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示：</p><p>　　圖2-6 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量。一個(gè)是理想空載整流電壓Ud0，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中把電流Id表現(xiàn)出來，可將擾動(dòng)量IdL的綜合點(diǎn)前移，并進(jìn)行等效變

56、換，如圖2-7所示</p><p>　　圖2-7 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化和變換</p><p><b>　　a) b) </b></p><p>　　2.3.3 晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函</p><p>　　2.3.3.1 失控時(shí)間 以單相全波純電阻負(fù)載整流電路為例來討論滯后時(shí)間的大小。假設(shè)在t1時(shí)刻某一對(duì)晶閘

57、管觸發(fā)導(dǎo)通，控制角為а1；如果控制電壓Vct在t2時(shí)刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，Vct的改變對(duì)它已不起作用，平均整流電壓Vdo1并不會(huì)立即產(chǎn)生反應(yīng)，必須等到t3時(shí)刻該組件關(guān)斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一 對(duì)晶閘管。設(shè)Vct2對(duì)應(yīng)的控制角為а2，則另一對(duì)晶閘管在t4時(shí)刻才導(dǎo)通，平均整流電壓變成Vd02。假設(shè)平均整流電壓是在自然換相點(diǎn)變化的，則從Vct發(fā)生變化到Vd0發(fā)生變化之間的時(shí)間Ts便是失控時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路，

58、平均失控時(shí)間Ts =1.67(ms)，實(shí)際取1.7(ms)</p><p>　　2.3.3.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函 用單位階躍函數(shù)來表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為 </p><p>　　Ud0=KsUct1(t-Ts)</p><p>　　按拉氏變換的位移定理,則傳遞函數(shù)為</p><

59、p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　考慮到Ts很小,忽略其高次項(xiàng),則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié) </p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　式中 Ks=—觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)；</p>&

60、lt;p>　　Ts= —觸發(fā)和整流裝置的平均失控時(shí)間。</p><p><b>　　工程近似條件</b></p><p>　　ωc≤1/3Ts (2-7)</p><p>　　2.4 調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在理解了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型和

61、工作原理之后，可以計(jì)算出各個(gè)組成部分的選用型號(hào)及取值。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡要的給予部分計(jì)算過程。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)在系統(tǒng)中的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。</p><p>　　2.4.1 整流變壓器的計(jì)算</p><p>　　2.4.1.1 整流變壓器的次級(jí)相電壓的有效值U2</p><p>　　2.4.1.2 變壓器初級(jí)電流、電壓和次級(jí)電流、電壓的有效值<

62、/p><p>　　變壓器接成Δ/ Y 形，可以得到零線，同時(shí)濾除三次諧波。</p><p>　　次級(jí)線電壓： U線 = 1.732U2 = 234（V）</p><p>　　次級(jí)相電流： I2 = 0.816Id = 12.7（A）</p><p>　　初級(jí)線電壓： U1線 = U1相 =380（V）</p><p

63、>　　初級(jí)相電流： I1相 = (U2相/U1相)*I2 = 4.5（A）</p><p>　　變壓器的變比： K = U1相 /U2相 = 2.8</p><p>　　2.4.1.3 變壓器的容量S(視在功率)</p><p>　　(1) 初級(jí)容量(損耗為5%)</p><p>　　S1 = 3 U1Ф I1Ф(1+5%)=

64、 5.39(KVA)</p><p>　　(2) 次級(jí)容量 </p><p>　　S2 = 3U2ФI2 = 5.14(KVA)</p><p>　　(3) 變壓器容量 </p><p>　　S = ( S1+ S2)/2 = 5.23(KVA)</p><p>　　取 S = 5(KVA)</p

65、><p>　　2.4.2 晶閘管組件的計(jì)算與選擇</p><p>　　2.4.2.1 SCR的額定電流</p><p>　　IT = (1.5-2)KF Id /1.57KB = 12.9-17.2(A)</p><p>　　取IT =20(A)</p><p>　　2.4.2.2 SCR的額定電壓:</p&g

66、t;<p>　　UKED = (2-3)ULMAX = 661.4-992.1(V)</p><p>　　取UKED =1000(V)</p><p>　　式中 ULMAX = 330.7(V)——次級(jí)線電壓最大值</p><p>　　所以可選 KP20-10 SCR 6只</p><p>　　檢驗(yàn) 電壓裕量: KV

67、 = (URED+100)/U2 =3.35 > 2 符合要求</p><p>　　2.4.3 主電路的過電壓和過電流保護(hù)</p><p>　　2.4.3.1 過電壓保護(hù)</p><p>　?。?） 交流側(cè)過電壓保護(hù):用壓敏二極管抑制事故過電壓</p><p>　　壓敏電阻的標(biāo)稱電壓：</p><p>　　U1

68、MA≥1.33*1.414*UB =1.33*1.414*234 =440.1(V)</p><p><b>　　通流容量: </b></p><p>　　IPM≥110KFU2L/U1MA*I200.95=110*0.5*234*0.2540.95÷440.1=7.95(A)</p><p>　　選用MY31-440V/500A

69、的壓敏電阻,其殘壓比<1.8</p><p>　?。?）直流側(cè)過壓保護(hù): 利用電組和電容吸收操作過壓</p><p>　　A. 電容C的參數(shù):</p><p>　　C = 2LBKL2ID2 /[(KV2-1)UD2]</p><p>　　= 2*2.94*103*0.52*15.62/[(22-1)*2202] = 2.5(µ

70、;F)</p><p><b>　　取 C = 4µF</b></p><p>　　UC > 2UD = 2*220 = 440(V)</p><p>　　取 UC = 630(V)</p><p>　　B. 電阻R的參數(shù):</p><p>　　R = UD(KV-1) /

71、KIID =220*(2-1)/0.5*15.6 = 28(Ω)</p><p><b>　　取 R = 30Ω</b></p><p>　　PR ≥ PD/800 = 2.8*103/800 = 3.7(W)</p><p>　　取 PR = 10W</p><p>　　所以選定CD = 4µF/630V,

72、 RB = 30Ω/10W</p><p>　　2.4.3.2 過電流保護(hù)</p><p>　　每個(gè)橋臂串個(gè)快速融斷器</p><p><b>　　額定電流：</b></p><p>　　Irn ≥ πKITIdmax /2KInp = 0.367*1.5*15.6π/2*1.1 = 13.4（A）</p>

73、<p>　　取 Irn = 20A</p><p><b>　　額定電壓: </b></p><p>　　Urn ≥ KVTUUb/1.414 = 233.9（V）</p><p>　　取 Urn = 400V</p><p>　　實(shí)際選用 RSO20A/400V 6只</p><p&

74、gt;　　2.4.4 平波電抗器的參數(shù)計(jì)算</p><p>　　2.4.4.1 限制電流脈動(dòng)的電感量Lm</p><p>　　L = (Udm/UL)*103*U2 / 2πfbSiId</p><p>　　= 0.46*103*135/ 2π*300*(5-10)%*15.6</p><p>　　= 42.3mH—21.1mH</p&

75、gt;<p>　　2.4.4.2 使電流連續(xù)的電感量Ll</p><p>　　Ll = KLUL/Idmax = 0.693*135/1.25 = 74.8mH</p><p>　　2.4.4.3電動(dòng)機(jī)電樞電感LD和變壓器電感LB</p><p>　　LD=KDUD*103/2PnID =(8-12)220000/4*1500*15.6=18.8-

76、28.2mH</p><p><b>　　LB =1.3mH</b></p><p>　　實(shí)際選定PBK-1型(50mH/20A)平波電抗器一臺(tái)。</p><p>　　2.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理及控制單元</p><p><b>　　見圖2-8:</b></p><p>

77、;　　圖2－8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　GL—給定器 LSF—零速封鎖器</p><p>　　ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)速器材ACR—電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　SB—轉(zhuǎn)速變速器材LB—電流變送器</p>&l

78、t;p>　　GL—過流保護(hù)器材CF—觸發(fā)器</p><p>　　本小節(jié)有助于加深對(duì)電氣組成部分的工作原理的整體理解。以下各圖電子組件型號(hào)和參數(shù)的取值是根據(jù)后續(xù)計(jì)算及工程范例所得。其關(guān)鍵取值在電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，他們保證了系統(tǒng)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這在第三章會(huì)有詳盡的闡述。</p><p>　　2.5.1 過流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)</p><p&

79、gt;<b>　　見圖2-9:</b></p><p>　　圖2-9 過流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)</p><p>　　2.5.2電流調(diào)節(jié)器(ACR)</p><p><b>　　見圖2-10:</b></p><p>　　圖2-10 電流調(diào)節(jié)器(ACR)</p><p

80、>　　2.5.3 零速封鎖器(LSF)</p><p><b>　　見圖2-11:</b></p><p>　　圖2-11 零速封鎖器(LSF)</p><p>　　2.5.4 給定器(GD)</p><p><b>　　見圖2-12:</b></p><p>　　圖2

81、-12 給定器(GD)</p><p>　　2.5.5 轉(zhuǎn)速變送器(SB)</p><p><b>　　見圖2-13:</b></p><p>　　圖2-13 轉(zhuǎn)速變送器(SB)</p><p>　　2.5.6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)</p><p><b>　　見圖2-14:</b

82、></p><p>　　圖2-14 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)</p><p>　　2.5.7 鋸齒波觸發(fā)器(GT)</p><p>　　本調(diào)速系統(tǒng)須6個(gè)可控硅輪流觸發(fā)，圖2-15是1GT的觸發(fā)器電路，其余五個(gè)可類推。</p><p>　　圖2-15 鋸齒波觸發(fā)器(GT)</p><p>　　2.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)

83、態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在對(duì)調(diào)節(jié)器具體設(shè)計(jì)之前，為了從整體理解整個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，這里先給出了各調(diào)節(jié)器和變送器的傳遞函數(shù)。他們的理論根據(jù)在第三章具體闡述。</p><p>　　2.6.1 電流調(diào)節(jié)器和電流變送器的傳函</p><p>　　2.6.1.1 電流調(diào)節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)</p><p>　　Uct (s ) /〔Un*( s

84、)-βId(s)〕= Ki (τis+1) /τis（Tois+1）</p><p>　　其中： Ki=Ri/Ro—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) </p><p>　　τi=RiCi—電流調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　Toi=0.25RiCoi—電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)</p><p><b>　　β—電流反饋系數(shù)</b&

85、gt;</p><p>　　2.6.1.2 電流變送器LB的傳遞函數(shù) </p><p>　　βId (s) / Id (s)= β (v/A)</p><p>　　2.6.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速變送器的傳函</p><p>　　2.6.2.1 轉(zhuǎn)

86、速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)</p><p>　　U i* (s) / {U n* (s) -αn (s)} =Kn (τns+1) /τns（Tons+1）</p><p>　　其中：Kn=Rn/R0—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p>　　τn=RnCn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　Ton=0.25RnCon—轉(zhuǎn)速反饋濾波

87、時(shí)間常數(shù)</p><p><b>　　α—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)</b></p><p>　　2.6.2.2 轉(zhuǎn)速變送器SB的傳遞函數(shù)</p><p>　　Un(s)/n(s)=a（v/rpm）</p><p>　　2.6.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基

88、礎(chǔ)上，由上述各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時(shí)間常數(shù)Toi按需要給定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)相同時(shí)間常數(shù)Toi的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：使給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?/p>

89、設(shè)計(jì)上的方便。同樣，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)由Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，也需要在轉(zhuǎn)速給定通道配上時(shí)間常數(shù)為Ton為濾波環(huán)節(jié)[6]。所以實(shí)際的電路需增加電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波、和兩個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，見圖2-16:</p><p>　　圖2-16 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　2.7 本章小結(jié)<

90、/b></p><p>　　本章在簡要介紹了本設(shè)計(jì)所涉及的參數(shù)測(cè)定后，重點(diǎn)分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型，得出了其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。對(duì)主電路設(shè)計(jì)計(jì)算和各主要電氣控制單元也做了必要的闡述。</p><p>　　按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　3.1 設(shè)計(jì)要求</b></p>

91、;<p>　　本論文首先應(yīng)用經(jīng)典控制理論的工程設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法, 設(shè)計(jì)此調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　3.1.1 基本數(shù)據(jù)（其中包括銘牌數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)）</p><p>　?。?）被控直流電動(dòng)機(jī) </p><p>　　Pnom=2.8 kw Unom=220

92、v Inom=15.6 A</p><p>　　Nnom=1500 rpm RD=1.41Ω Ce=0.129 V/rpm</p><p>　　=1.5 Cm=0.125 kg.m/A</p><p>　?。?）整流裝置 三相全控橋式整流電路</p><p>　　Rn=RB

93、+Rγ+RN=1.60Ω</p><p>　　Ks=ΔUd/ΔUk=40 Ts=1.7 ms</p><p>　?。?）電樞回路總電阻</p><p>　　R＝Rn+Rs=RB+Rγ+RN+Rp+RD=3.11Ω</p><p>　　（4）電樞回路總電感</p><p>　　L=LB+Lp+LD=74.58 mH

94、</p><p>　?。?）電動(dòng)機(jī)軸一總飛輪矩</p><p>　　GD2=0.5932 kg.m2</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　Tl＝0.02398 s</p><p>　　Tm=0.30460 s</p><p>　?。?

95、）反饋濾波時(shí)間常數(shù)</p><p>　　Toi=0.005 s Ton=0.01 s</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)器最大給定電壓</p><p>　　U*nm=U*im=8 v</p><p>　?。?）調(diào)節(jié)器輸入回路電阻</p><p><b>　　R0=40 kΩ</b></p

96、><p>　　3.1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)</p><p>　?。?）負(fù)載：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 Idl=0.8Inom</p><p>　?。?）起動(dòng)方式：空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，Ido=0.05Inom</p><p><b>　?。?）性能指標(biāo)：</b></p><p>　　1）調(diào)速范圍：D＝10</p>

97、;<p>　　2）靜差率：S≤4%</p><p>　　3）電流超調(diào)量σi%≤5%</p><p>　　4）轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%≤10%</p><p>　　5) 突加負(fù)載的動(dòng)態(tài)速降≤3%</p><p>　　6）恢復(fù)時(shí)間t?≤1.5秒</p><p>　　3.2 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路</p>

98、<p>　　用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器必須同時(shí)解決自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能要求[8]。作為工程設(shè)計(jì)方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分為兩步：</p><p>　　第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。</p><p>　　第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足

99、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)</p><p>　　這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾—?jiǎng)討B(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進(jìn)一步滿足其它動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。</p><p>　　在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算以下就可以了。這樣就使設(shè)計(jì)犯法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作

100、量[6]。</p><p>　　在2.6.1和2.6.2中已給出了電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，此處詳細(xì)討論其理論依據(jù)及工程實(shí)現(xiàn)問題。</p><p>　　3.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化 </p><p>　　設(shè)計(jì)

101、電流環(huán)首先遇到的問題是反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的交叉反饋?zhàn)饔?。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對(duì)電流環(huán)的影響。實(shí)際系統(tǒng)中的電磁時(shí)間常數(shù)TL一般遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動(dòng)勢(shì)E的變化快得多。反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)來說只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認(rèn)為E不變，即△E=0。這樣，在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)作用，而將電動(dòng)勢(shì)反饋?zhàn)饔脭嚅_，從而得到忽略電動(dòng)勢(shì)影響的電流環(huán)

102、近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取T∑i=Ts+Toi[6]。 </p><p>　　圖3-1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡</p><p>　　3.3.2 確定電流環(huán)的時(shí)間常數(shù) </p><p>　　以下數(shù)據(jù)Ts和Toi,設(shè)計(jì)任務(wù)書已給定。</p>

103、<p>　　3.3.2.1三相橋式電路的平均失控時(shí)間 Ts=1.7ms </p><p>　　3.3.2.2 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi Toi =5ms</p><p>　　3.3.2.3 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p><p>　　T∑I = Ts+Toi=6.7ms (3-1)</p><p>

104、　　3.3.3 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　首先應(yīng)決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā),應(yīng)該把電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)。可電流環(huán)還有另一個(gè)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。一般情況下,當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比TL/T∑I ≥1

105、0時(shí),典Ⅰ系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的。因此,一般多按典Ⅰ系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流環(huán)[6]。</p><p>　　本設(shè)計(jì)因?yàn)?δi% ≥5%且TL/T∑I =23.98/6.7<10。所以 按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計(jì),選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 </p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　式中 Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系

106、數(shù)</p><p>　　—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇=TL, 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖3-2：</p><p>　　圖3-2 電流環(huán)簡化成典Ⅰ系統(tǒng)</p><p>　　3.3.4 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　3.3.4.1

107、 計(jì)算時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù): τI =Tl =23.98ms</p><p>　　電流開環(huán)增益: 要求σi%≤5%, 應(yīng)取</p><p><b>　　KIT∑i=0.5</b></p><p>　　因此 KI = 0.5/T∑i=0.5/0.0067=7

108、4.6（1/s）</p><p><b>　　電流反饋系數(shù)β </b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù) :</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　3.3.4.2 計(jì)

109、算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　按所用運(yùn)放取 R0 =40k(Ω),則</p><p>　　Ri = KiR0 = 16.4k(Ω) (3-5)</p><p>　　Ci =τi /Ri= 0.02398/16.4k= 1.5μF (3-6)</p><p>　　Coi =4To

110、i /R0 =4*0.005/(40*103)=0.5μF (3-7)</p><p>　　在工程實(shí)際中Ri取16kΩ.</p><p>　　3.3.5 校驗(yàn)近似條件</p><p>　　電流環(huán)的截止頻率ωci =KI =74.6</p><p>　　3.3.5.1 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件</p><

111、p>　　ωci ≤1/3Ts</p><p>　　現(xiàn)在 ，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1>ωci ，滿足近似條件。</p><p>　　3.3.5.2 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 </p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0

112、.30460*0.02398))1/2=35.10≤ωci =KI =74.6</p><p>　　3.3.5.3 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 </p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.002))1/2=180.78>ωci =74.6<

113、;/p><p>　　按上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)指標(biāo)σI%=4.3%<5%。</p><p>　　3.3.6 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)</p><p>　　3.3.6.1 頻域指標(biāo) 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示,其開環(huán)頻率特性為:</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p&g

114、t;　　L(ω)=20lgKI-20lgω-20lg(1+T∑i2ω2)½ (3-11)</p><p>　　Φ(ω)=-90o-tg-1T∑iω (3-12)</p><p>　　γ(ω)=90o-tg-1T∑iω (3-13)</p><p>　　根據(jù)典型I型系統(tǒng)動(dòng)

115、態(tài)跟隨指標(biāo)和頻域指標(biāo)的參數(shù)的關(guān)系,當(dāng)KIT∑i=0.5時(shí), 阻尼比ξ=0.707，振蕩指標(biāo)MP=1，截止頻率 ωci=KI=74.6</p><p>　　因此 Φ(ω)=-90o-tg-1T∑iω=-116.6o</p><p>　　γ(ωci)=180-Φ(ω)=63.4o</p><p>　　3.3.6.2 跟隨性能指標(biāo) σi%=4.

116、3%<5%</p><p>　　上升時(shí)間tr=4.72T∑i=4.72*0.0067=31.62ms</p><p>　　超調(diào)時(shí)間tm=6.5T∑i=6.5*0.0067=43.55ms</p><p>　　調(diào)節(jié)時(shí)間tS=6T∑i=6*0.0067=40.2ms </p><p>　　3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p>&

117、lt;p>　　3.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>&

118、lt;b>　　近似條件:</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　式中 ωcn為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計(jì)算完成后,需校驗(yàn)此近似條件。</p><p>　　3.4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理</p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，

119、整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3-3（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改為U*n(s)/α；再把時(shí)間常數(shù)為Ton和2T∑i的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T∑n的慣性環(huán)節(jié)，且T∑n=Ton+2T∑I,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖3-3（b）。</p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理</p><p>　　3.4.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)