運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)題 目雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系 信息工程系專 業(yè)自動(dòng)化班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)指導(dǎo)教師2011年6月21日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1081班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程系 題 目: 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件：1.直流電機(jī)參數(shù)： 10kw， 220v， 55a， 1000 r/min ，電樞電阻ra0.5電機(jī)過(guò)載倍數(shù)1.5，ks40，tl0.03 s，tm0.18 s，設(shè)0.07 v.min/r,=0.05 v/a2.測(cè)速發(fā)電機(jī)參數(shù)：23w，110v，0.21a，1900 r/min，永磁式3.主電路采用三相全控橋，進(jìn)線交流電源

2、：三相380v要求完成的主要任務(wù): 1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr及電流調(diào)節(jié)器acr的設(shè)計(jì)2.轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路設(shè)計(jì)3.集成觸發(fā)電路設(shè)計(jì)4. 主電路及其保護(hù)電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅(jiān)決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。滿足如下要求： 1轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無(wú)差，電流超調(diào)量小于5，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10。 2. 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證，說(shuō)明系統(tǒng)工作原理。 3. 畫(huà)出單元電路圖，說(shuō)明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程。4. 畫(huà)出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間安排：2011.6.132011.6.15 收集課程設(shè)計(jì)相關(guān)資料2011.6.162011.

3、6.23 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2011.6.242011.6.26 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)及答辯指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日 緒 論 在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)等各領(lǐng)域中領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。因此研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要的意義。電機(jī)調(diào)速問(wèn)題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問(wèn)題。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 本文設(shè)計(jì)分析直流

4、雙閉環(huán)的組成，設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)的系統(tǒng)電路圖，同時(shí)采用采用工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流雙閉環(huán)的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)殡娏髡{(diào)節(jié)器是內(nèi)環(huán)，因此首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，對(duì)其進(jìn)行必要的變化和近似處理，電流環(huán)設(shè)計(jì)完后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理，從而設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。同時(shí)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析及其原理進(jìn)行了一些說(shuō)明，介紹了其主電路、檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，并介紹電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和一些參數(shù)選擇、計(jì)算，使其設(shè)計(jì)參數(shù)要求的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 原理圖 工程設(shè)計(jì) 參數(shù)整定 觸發(fā)電路目 錄1、設(shè)計(jì)任務(wù)與分析1 1.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2、設(shè)計(jì)要求11.3、設(shè)計(jì)方案綜合分析12、雙閉環(huán)直流

5、調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3 2.1系統(tǒng)快速啟動(dòng)過(guò)程類比分析3 2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體框圖43雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)63.1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)63.2系統(tǒng)保護(hù)和整流電路的設(shè)計(jì)63.3系統(tǒng)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)73.4轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)83.5電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)84雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)94.1電流調(diào)節(jié)器9 4.1.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)9 4.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇9 4.1.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)10 4,2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器11 4.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)12 4.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇134.2.3校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量144.3兩調(diào)節(jié)器啟動(dòng)過(guò)程分析155心得與體會(huì)17參考文獻(xiàn) 18附錄19雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

6、、設(shè)計(jì)任務(wù)與分析1.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr及電流調(diào)節(jié)器acr的設(shè)計(jì)；2.轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路設(shè)計(jì)；3.集成觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；4.主電路及其保護(hù)電路設(shè)計(jì)；1.2、設(shè)計(jì)要求1采用配合控制，能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行，轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無(wú)差，電流超調(diào)量小于5，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10。2. 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證，說(shuō)明系統(tǒng)工作原理。3. 畫(huà)出單元電路圖，說(shuō)明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程。4. 畫(huà)出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。1.3、設(shè)計(jì)方案綜合分析 同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只

7、要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用pi控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，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)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值 idcr 以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速

8、發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)的影響，而維持被調(diào)量很少的變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。因

9、此，在直流調(diào)速系統(tǒng)中把轉(zhuǎn)速反饋給系統(tǒng)，便形成轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，其有一定的抗擾動(dòng)性能，如采用轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器，還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差系統(tǒng)。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求比較高，例如：要求快速起動(dòng)、制動(dòng)；突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因?yàn)檗D(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，如采用電流負(fù)反饋能夠得到近似的恒流過(guò)程。但是，我們希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。怎樣才能做到

10、這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題。所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，所以掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。本課程設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來(lái)完成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行工

11、程設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對(duì)控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個(gè)組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)。2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1、系統(tǒng)快速啟動(dòng)過(guò)程類比分析帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程如圖1-1 所示，起動(dòng)電流達(dá)到最大值 idm 后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過(guò)程延長(zhǎng)。理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖1-2所示，這時(shí)，理起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過(guò)程。 idlntidoid

12、midcr 圖 1-1 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)idlntidoidm 圖1-2理想的快速起動(dòng)過(guò)程通過(guò)分析可知，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值idm的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。雙閉環(huán)控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理的分析，可以根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

13、來(lái)分析，分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關(guān)鍵是要了解pi調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般都會(huì)存在著兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。在實(shí)際的正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。而當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，asr輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系

14、統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，asr的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí)取決于轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流。pi調(diào)節(jié)器的輸出量在動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性比帶電流截止

15、負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好 最后是對(duì)其動(dòng)態(tài)抗干擾性能的分析，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗干擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗干擾效果是一樣的。但從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)不同，存在著能否及時(shí)調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動(dòng)能夠比較快地反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用電力被調(diào)量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動(dòng)的性能要差一點(diǎn)。 綜上所述，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗干擾

16、性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體框圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(asr)和電流調(diào)節(jié)器(acr), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，兩者之間實(shí)行嵌套連接，電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)。雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)原理如圖21所示。 圖2-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg測(cè)速發(fā)電機(jī)ta電流互感器 upe電力電子變換器 圖22 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中2-2表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出

17、限幅電壓u*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓udm。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖23所示： 圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1、系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì) 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱v-m系統(tǒng)，又稱靜止的ward-leonard系統(tǒng)），圖中vt是晶閘管可控整流器

18、，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 gt 的控制電壓 uc 來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖3-1所示為v-m系統(tǒng)的主電路圖。 圖31 v-m系統(tǒng)主電路原理圖3.2、系統(tǒng)保護(hù)和整流電路的設(shè)計(jì) 圖3-2整流及晶閘管保護(hù)電路 晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)，晶閘管的過(guò)電壓能力比一般的電器元件差，當(dāng)它承受超過(guò)反向擊穿電壓時(shí)，也會(huì)被反向擊穿而損壞。如果正向超過(guò)管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會(huì)造成晶閘管硬開(kāi)通，不僅使電路可能出現(xiàn)的過(guò)電壓，常采用簡(jiǎn)單有效的過(guò)電壓保護(hù)措施。對(duì)于晶閘管的過(guò)電壓保護(hù)可參考主電路的過(guò)電壓保護(hù)，我們使用阻容保護(hù)。 晶閘管的過(guò)電流。當(dāng)保護(hù)電網(wǎng)電壓波動(dòng)太大負(fù)載超過(guò)允許值，電路中管子誤導(dǎo)通

19、以及管子擊穿短路等。所以我們要設(shè)置保護(hù)措施，以避免損害管子?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo(hù)是最有效，使用最廣泛的一種措施。3.3、系統(tǒng)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 晶閘管可控整流電路，通過(guò)控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的交流器廣泛應(yīng)用的是晶閘管觸發(fā)電路，其中以同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多。可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功率低，調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。此外就是采用集成觸發(fā)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路如圖如圖3-3

20、所示： 圖3-3 集成觸發(fā)電路 為了讓變流器按規(guī)律正確工作，同步電壓的相位極為重要，它應(yīng)能準(zhǔn)確提供自然換相點(diǎn)，保證在移相范圍內(nèi)對(duì)晶閘管元件進(jìn)行移相控制，從而可對(duì)輸出電壓進(jìn)行連續(xù)控制。在已知整流變壓器的接線組別，選擇同步變壓器時(shí)的定相步驟如下：1）據(jù)整流變壓器的接線組別，繪制主電路變壓器次級(jí)電壓的向量圖，有vt1的移相范圍和觸發(fā)電路移相控制原理，確定觸發(fā)電路需要的同步信號(hào)us2的相位。2）選取超前us2相位/3或/6的電壓為同步電壓us1，確定阻容濾波器；由相控觸發(fā)電路同步方式確定同步變壓器次級(jí)相數(shù)；由主電路電壓向量圖及對(duì)us1的相位要求確定同步變壓器的接線組別。3）按相位關(guān)系選取其他元件的同步

21、電壓。當(dāng)為三相橋式全控變流電路且為按元件獨(dú)立同步時(shí)，各元件的同步電壓應(yīng)按順序滯后/3，從而可以確定其他各元件的同步電壓us13.4 、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖3-4所示。圖3-4 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路3.5、電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)使用霍爾電流傳感器可以檢測(cè)電流，把接到霍爾傳感器上?；魻栃?yīng)傳感器，可以測(cè)量任意波形的電流和電壓。輸

22、出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖3-5所示 圖3-5 電流檢測(cè)電路4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)4.1、電流調(diào)節(jié)器4.1.1、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)用工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。因此，電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)，首先進(jìn)行電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示： 圖4-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成u*i(s) / ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。圖4-2電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)（等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)）最后，由于ts 和 toi 一

23、般都比tl 小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為 ti = ts + toi 查表得，三相橋式電路的平均失控時(shí)間為，電流濾波時(shí)間常數(shù).三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.33ms，因此取=0.002s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和ti = ts + toi=0.0037s。簡(jiǎn)化的近似條件為：電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖4-3。 圖4-3電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn)（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理）4.1.2、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求：電流超調(diào)量小于5，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10,可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用p

24、i型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為： 式中 ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇i=tl則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3-7所示的典型形式 圖3-7電流環(huán)的典型形式電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：tl=0.03s。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： ，參照典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表1，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。 表1 典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系4.1.3、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，查表得，應(yīng)選取，因此，有：于是，acr的比例系數(shù)為：。（4）校驗(yàn)近似條件 電流

25、環(huán)截止頻率：1） 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件，滿足近似條件。2） 校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件，滿足近似條件。3） 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件。 （5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-4所示，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下：，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為：，滿足設(shè)計(jì)要求。 圖5-3 含濾波環(huán)節(jié)的pi型電流調(diào)節(jié)器4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)用電流環(huán)的等效代替圖4-1的電流環(huán)后，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為進(jìn)行工程近似計(jì)算后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示4.2.1所示 圖4.2

26、.1用等效環(huán)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的代替結(jié)構(gòu)框圖 若把轉(zhuǎn)速的給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改為u*n/，再把時(shí)間常數(shù)為1/ki和ton兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)即： 則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖可以簡(jiǎn)化成如圖4.2.2所示。 圖4.2.2等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr中，現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)傳統(tǒng)函數(shù)因共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能的要求。在理論計(jì)算中，線性系統(tǒng)的階躍超調(diào)量較大，但在實(shí)際中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

27、的飽和非線性的性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。故而，asr也用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 這樣的調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為校正為典后轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2.3所示 圖4.2.3 校正成典型的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇（1）確定時(shí)間常數(shù) 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。由電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí)，已取，則 2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用速發(fā)電機(jī)汶波情況，取。 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 （2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并且轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，因此可選擇pi調(diào)節(jié)器，其含給定濾波與反饋濾波結(jié)構(gòu)如圖35所示，其傳遞函數(shù)為：（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則

28、asr的超前時(shí)間常數(shù)為：則轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)壞增益為：。則直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)系數(shù)為：因此，可計(jì)算出asr比例系數(shù)為： （4）檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：。1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件，滿足簡(jiǎn)化條件2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件（5）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-5所示，取，則，取，取1.28，取4.2.3校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí)，查表2得，不能滿足的設(shè)計(jì)要求。但實(shí)際上，系統(tǒng)在突加階躍給定時(shí)，asr飽和，此時(shí)不符合線性系統(tǒng)的前提，因此應(yīng)按asr退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。則實(shí)際上超調(diào)量計(jì)算如下：式中，理想空載時(shí)，查表3得出。因此，以上所述參數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求。表2典型型系統(tǒng)階躍輸入

29、系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)式中，理想空載時(shí)，查表4得出。因此，以上所述參數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求。表3典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗干擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖4.2.4 含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4.3、兩調(diào)節(jié)器啟動(dòng)過(guò)程分析前已指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過(guò)程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓u*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖4.3.1。idl id n n* idm ooiiiiiit4 t3 t2 t1 圖4.3.1調(diào)節(jié)器冬天過(guò)程示意圖對(duì)其起動(dòng)過(guò)程的分析，由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr經(jīng)歷了不飽和、飽和

30、、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成i、ii、iii三個(gè)階段。第i階段（電流上升階段）。突加給定電壓后，經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、都跟著上升，但是在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差電壓仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。第ii階段（恒流升速階段）。這是起動(dòng)過(guò)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(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)，對(duì)電

31、流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，e是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。第iii階段（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段）。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸入偏差減小到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，asr輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，當(dāng)時(shí)，直到穩(wěn)定。5、心得與體會(huì) 通過(guò)兩周的課程設(shè)計(jì)，我首先對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。我想無(wú)論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是這次設(shè)計(jì)給我的一點(diǎn)小小的感悟。以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我們很遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，才