自動化專業(yè)畢業(yè)設計論文邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)設計

1、畢業(yè)設計(論文) 題目名稱邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)系別電氣信息工程學院專業(yè)/班級自動化09101學生鄭景輝學號40509103指導教師（職稱）霍利敏 摘 要直流電動機具有良好的起制動性能，易于在廣泛范圍內平滑調速，在需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以首先應該掌握好直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉速來實現(xiàn)的，因而調速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。在

2、許多生產(chǎn)機械中，常要求電動機既能正反轉，又能快速制動，需要四象限運行的特性，此時必須采用可逆調速系統(tǒng)。而本文著重介紹應用廣泛的“邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)”的設計與仿真。對于系統(tǒng)的設計，采用工程上對調節(jié)器的設計方法。而對系統(tǒng)的仿真，則采用matlab中的simulink工具箱對模型仿真。關鍵詞：邏輯無環(huán)流調速，直流電機，matlab仿真- 9 - abstractthe direct current electric motor has a good starting and braking quality, and can be modulating smoothly and easily

3、in a wide rang. it is used frequently in controllable electric drive with high quality. direct current drives the control system in theoretic- cally quite to be all mature with the practice in, moreover looked from the feedback closed-loop control angle, it also is the exchange drives the control sy

4、stem the found ation, therefore first should grasp the direct current system.looked from the production machinery request control physical quantity that, the electric power drives the automatic control system to have the speed control system, the position servo system, the tension control system, mu

5、lti-electric motors synchronization control system and so on many kinds of types, but each kind of system often all is to achieve by controlling the speed. through the speed control system is the most basic drives control system. in many produces in the machinery, the electric motor often is request

6、ed both to be able to reverse, and can fast apply the brake, to need four quadrants movements the char- acterristic, this time must use the reversible speed control system. this article introduced emphatically the application widespread logic does not have the circulation reversible direct current s

7、peed control system design and the simulation.for the systems design, engineering design of the regulator method is adopted. while for the system simulation, matlab/simulink to the model simulation is adopted.key words: logic non-loop-current speed control，dc motor，matlab simulation目 錄1.可逆調速系統(tǒng)概述- 1

8、-1.1 緒論- 1 -1.2 可逆調速系統(tǒng)- 2 -1.2.1 直流電動機的調速特點- 2 -1.2.2 晶閘管整流電路- 3 -1.2.3 可逆直流調速系統(tǒng)- 5 -1.3 直流調速系統(tǒng)的技術指標- 6 -2. 調速系統(tǒng)與調節(jié)器- 7 -2.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)及其靜特性- 7 -2.1.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成- 8 -2.1.2 兩個調節(jié)器的作用- 9 -2.2 調節(jié)器的設計- 9 -2.2.1 調節(jié)器結構的選擇- 10 -2.2.2 電流調節(jié)器的設計- 11 -2.2.3 轉速調節(jié)器的設計- 12 -3. 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)- 14 -3.1 晶閘管-電動機系統(tǒng)

9、的可逆線路及其環(huán)流分析- 14 -3.2 系統(tǒng)的組成和工作原理- 16 -3.3 可逆系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求- 17 -3.4 無環(huán)流邏輯控制器的實現(xiàn)- 18 -3.5 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)點- 19 -4. 系統(tǒng)建模與仿真- 20 -4.1 matlab軟件介紹- 20 -4.2 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的建模- 21 -4.2.1 電力系統(tǒng)（power system）工具箱- 21 -4.2.2 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)主電路的建模- 21 -4.2.3 邏輯控制器dlc封裝- 23 -4.3 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的仿真參數(shù)- 25 -4.3.1 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的仿真參數(shù)- 25 -結 論- 27

10、-致 謝- 28 -參 考 文 獻- 29 -1.可逆調速系統(tǒng)概述1.1 緒論在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，幾乎無處不使用電力傳動裝置。軋鋼機、電鏟、提升機、起重機、機床、紡織機、泵、壓縮機、造紙機、運輸機等各類生產(chǎn)機械都要采用電動機來傳動。隨著對生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調速。對可調速的傳動系統(tǒng)，按照傳動電動機的類型可分為兩大類：直流調速系統(tǒng)和交流調速系統(tǒng)。由于直流電動機的電壓、電流和磁通之間的耦合較弱，使直流電動機具有良好的機械特性，能夠在大范圍內平滑調速，啟動、制動性能良好，故其在20世紀70年代以前一直在高精度、大調速范圍的傳動領域內占據(jù)主導

11、地位。但隨著生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，直流拖動的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯示出來。由于換向器的存在，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、最高轉速以及使用環(huán)境都受到限制。近年來，以電力電子器件為核心配合電力電子技術、控制技術、計算機技術等，開創(chuàng)了電力電子技術蓬勃發(fā)展的新時代。從20世紀80年代起，在電氣傳動自動化領域中出現(xiàn)了一個革命性的變化，這就是交流電動機調速技術取得了突破性進展。眾所周知，交流感應電動機結構簡單，堅固耐用，成本低，制造維修容易，但是由于它的電壓、電流和磁通之間具有強耦合，調速性能差，因此以往交流調速系統(tǒng)不受重視?，F(xiàn)在，借助于新興的電力電子技術，特別是變頻和矢量控制技術的完善，很好地解決了交

12、流調速存在的問題，使交流調速系統(tǒng)發(fā)生了質的飛躍。隨著電子工業(yè)與技術的發(fā)展，高性的交流調速系統(tǒng)的應用范圍逐漸擴大并大有取代直流調速系統(tǒng)發(fā)展趨勢。由于直流調速系統(tǒng)的調速范圍廣，靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能，目前絕大多數(shù)對調速要求較高的生產(chǎn)機械，仍采用直流電動機來傳動。作為一個延用了近百年的調速系統(tǒng)，了解其基本的工作原理，并加深對自動控制原理的理解還是有必要的。1.2 可逆調速系統(tǒng)1.2.1 直流電動機的調速特點直流電動機具有良好的運行和控制特性，長期以來直流調速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。近年來交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，但就目前而言，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋

13、剛、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調速的場合得到廣泛應用。而且，直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術來看，又是交流調速的基礎。調速系統(tǒng)的轉速控制是各式各樣的，歸納起來，有以下三個方面：(1) 調速在一定的最高轉速和最低轉速的范圍內，分檔地(有級)或平滑地(無級)調節(jié)轉速；(2) 穩(wěn)速以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉速波動，已確保產(chǎn)品質量；(3) 加、減速頻繁起、制動的設備要求盡快地加、減速以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。直流他勵電動機的調速方案：他勵直流電動機的轉速公式： (1-1)式中：u為他勵電動的電樞電壓；

14、 i為電樞電流； e為電樞電動勢； r為電樞回路的總電阻； n為電機的轉速； 為勵磁磁通； ce為由電機結構決定的電動勢系數(shù)。(1) 調節(jié)電樞電壓的調速。當磁通和電阻r一定時，改變電樞電壓ud，可以平滑地調節(jié)轉速n，機械特性將上下平移，但電樞電壓只能向小于額定電壓的方向變化，所以這種調速方式只能在電動機額定轉速以下調速。(2) 減弱勵磁磁通的調速。當ud和r不變時，減小勵磁磁通，電動機轉速將高于額定轉速，其機械特性上移。(3) 改變電樞回路電阻調速。在電樞回路中串接附加電阻，損耗較大，只能進行有級調速。直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源：(1) 旋轉變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可

15、調的直流電壓。(2) 靜止可控整流器用靜止的可控整流器，如晶閘管可控整流器，以獲得可調的直流電壓。(3) 直流斬波器或脈寬調制變換器用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調制變換器生產(chǎn)可變的直流平均電壓。1.2.2 晶閘管整流電路(1) 晶閘管元件的額定電流是用最大通態(tài)平均電流來度量的。電動機的轉矩與電樞電流成正比，所以電動機的轉矩也是與整流電流的平均值成正比的。而晶閘管元件和電動機的發(fā)熱，卻和整流電流的平方成正比的，亦即與整流電流的有效值成正比。因此，當電流斷續(xù)時，導通角小，同樣的平均電流，與它對應的有效值要大得多，發(fā)熱也嚴重的多。這個特點是在選擇晶閘管元件、電機容量、整流

16、電路形式和電抗器時必須注意的。(2) 晶閘管整流電路的工作，是交流側電流中含有較多的諧波成份，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。因此在大、中功率整流電路的交流側大多采用交流電抗器或通過整流變壓器供電以抑制諧波分量。(3) 晶閘管元件的過載能力很小，因此不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓上升率(dv/dt)和電流上升率(di/dt)。所以晶閘管整流電路設有許多保護環(huán)節(jié)。(4) 晶閘管直流調速系統(tǒng)中，采用的整流電路的形式有單相半控橋式，單相全控橋式，三相半控橋式和三相全控橋式等幾種。優(yōu)點：晶閘管整流裝置不但經(jīng)濟、可靠而且其功率放大倍數(shù)在104以上，門極可直接采用電子電路控制，響應速度為毫秒級。缺點：

17、由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。另一問題是當晶閘管導通角很小時，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動殃及同電網(wǎng)中的用電設備，造成“電力公害”2。晶閘管整流電路的調節(jié)特性為輸出的平均電壓uc與觸發(fā)電路的控制電壓ud之間的關系，即ud =f(uc)。圖1-1為晶閘管整流裝置的調節(jié)特性。由圖可見，它既有死區(qū)，又會飽和。 圖1-1 晶閘管整流裝置的調節(jié)特性如果在一定范圍內將非線性特性線性化，可以把它們之間的關系視為由死區(qū)和線性放大區(qū)兩個部分級成。其中線性放大區(qū)有：(1-2)死區(qū)：晶閘管觸發(fā)裝置和整流裝置之間之是存在滯后作用的，這主要是由于整

18、流裝置的失控時間造成的。由電力電子學可知，晶閘管是一個半控型電子器件，在陽極正向電壓下，供給門極觸發(fā)脈沖才能使其導通，晶閘管一旦導通，門極便失去了作用。改變控制電壓uc，雖然可以使觸發(fā)脈沖的相位產(chǎn)生移動，但是也必須等正處于導通的元件完成其導通周期并自然關斷后，整流電壓ud才能與新的脈沖相位相適應。因此這就造成整流電壓ud滯后于控制電壓uc的情況。晶閘管觸發(fā)可控整流裝置的傳遞函數(shù)可以看成是由兩個環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的。即：可以把它的觸發(fā)電壓uc與整流輸出電壓ud之間的放大系數(shù)k視為常數(shù)，而把晶閘管電路和整流裝置可以看成是一個具有純滯后環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)。這樣就有：(1-3)式中，0是晶閘管觸發(fā)裝置和整流裝置的

19、失控時間，單位為秒。若再考慮到0的延遲時間一般很小(三相橋式01.7ms，單相全波0=5ms)。這樣晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)為： (1-4)1.2.3 可逆直流調速系統(tǒng)生產(chǎn)實踐中許多生產(chǎn)機械要求電動機能夠正、反轉，或在停車時要有電氣制動，以縮短制動時間，如可逆軋機的來回軋制，龍門刨床工作臺往返運動，礦井卷揚機和電梯的提升和下降，電氣機車的前進和后退等。有些生產(chǎn)機械雖不要求可逆運行，但卻要求快速電氣制動。因此，這些生產(chǎn)機械都要求電動機的電磁轉矩能夠自由地改變方向，此類系統(tǒng)統(tǒng)稱為可逆調速系統(tǒng)。對于晶閘管供電的直流調速系統(tǒng)，由于晶閘管的單向導電性，電流不能反向，要實現(xiàn)可逆，只能采用兩組變流裝置，各負

20、責一個方向的電流。直流電動機的電磁轉矩方向可由磁場和電樞電流的方向來決定。在要求頻繁正反轉的生產(chǎn)機械上，經(jīng)常采用的是兩組晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路。如圖1-2所示。電動機正轉時，由正組晶閘管裝置vf供電；反轉時，由反組晶閘管裝置vr供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。圖1-2 兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆線路但在一般情況下，不允許兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將會造成電源短路。因此，這種線路對控制電路提出了嚴格的要求，這是反并聯(lián)可逆線路的一個特別要注意的問題。當其中一組向電動機供電的同時，正、反兩組之間還可能產(chǎn)生不流過電動機的電流(稱為環(huán)流)，這電流對系

21、統(tǒng)有弊也有利。因此，根據(jù)對系統(tǒng)性能的不同要求，處理環(huán)流的方法也不同，允許環(huán)流存在的稱為有環(huán)流系統(tǒng)。其中又分配合控制的有環(huán)流，給定環(huán)流和可控環(huán)流的可逆系統(tǒng)。另一類系統(tǒng)則為不允許環(huán)流存在，稱為無環(huán)流可逆系統(tǒng)，其中又分為邏輯無環(huán)流和錯位無環(huán)流可逆系統(tǒng)。1.3 直流調速系統(tǒng)的技術指標(1) 調速系統(tǒng)的靜態(tài)指標：主要是靜差率(s)和調速范圍(d)。靜差率是表示負載變化時轉速波動的程度，一般是指最低速時的靜差率。它反映了系統(tǒng)靜態(tài)精度。調速范圍是指一定靜差率條件下的調速比，它反映了系統(tǒng)的適應性。調速范圍：生產(chǎn)機械在額定負載時要求電動機提供的最高轉速nmax最低轉速nmin之比稱為調速范圍，用d表示。即：(1

22、-5)靜差率：調速系統(tǒng)在某一轉速下穩(wěn)定運行時，負載由理想空載增加到規(guī)定負載時，所對應的轉速降落n與理想轉速n0之比，用s表示。即：(1-6)兩者之間的關系是： (1-7)(2) 調速系統(tǒng)的動態(tài)指標：對給定信號而言，主要是最大超調量()、調整時間(ts)和振蕩次數(shù)(n)；對擾動信號而言，為最大動態(tài)速降(nmax)、恢復時間( tf)和振蕩次數(shù)(n)。最大超調量(或最大動態(tài)速降)反映了系統(tǒng)的動態(tài)精度，它和振蕩次數(shù)又反映了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。調整時間(或恢復時間)反映了系統(tǒng)的快速性。2. 調速系統(tǒng)與調節(jié)器2.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)及其靜特性雙閉環(huán)(轉速環(huán)、電流環(huán))直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟

23、，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和pi調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(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，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的

24、單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖2-1a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機最大電流(轉矩)受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流(轉矩)為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖2-1b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流(轉矩)受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快速起動過

25、程 圖2-1 調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。2.1.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋

26、分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器asr和acr一般都采用pi調節(jié)器。因為pi調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用pi調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能

27、。圖2-2 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)asr轉速調節(jié)器 acr電流調節(jié)器 tg測速發(fā)電機ta電流互感器 upe電力電子變換器2.1.2 兩個調節(jié)器的作用(1) 轉速調節(jié)器的作用： 使轉速n跟隨給定電壓um*變化，當偏差電壓為零時，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差； 對負載變化起抗擾作用； 其輸出限幅值決定允許的最大電流。(2) 電流調節(jié)器的作用： 在轉速調節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓ui*變化； 對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用； 起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得最大加速度起動； 當電機過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護作用。當故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。2.2 調節(jié)器

28、的設計設計過程分作兩步：(1) 先選擇調節(jié)器的結構，使系統(tǒng)典型化，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。(2) 再選擇調節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。圖2-3 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖tci 電流反饋濾波時間常數(shù) ton 轉速反饋濾波時間常數(shù)2.2.1 調節(jié)器結構的選擇選擇調節(jié)器，將控制對象校正成為典型系統(tǒng)。 (1) 典型i型系統(tǒng)作為典型i型系統(tǒng)，其開環(huán)傳函選擇為(2-1)式中：t 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；k 系統(tǒng)的開環(huán)增益。它的閉環(huán)系統(tǒng)結構框圖如圖2-4所示，選擇參數(shù)，保證ct t，使系統(tǒng)足夠穩(wěn)定。 圖2-5 典型型系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)結構框圖(3) i型和ii型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)

29、別：典型i型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調小，但抗擾性能稍差；典型ii型系統(tǒng)的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。2.2.2 電流調節(jié)器的設計(1) 電流環(huán)結構的簡化： 忽略反電動勢的動態(tài)影響； 等效成單位負反饋系統(tǒng)； 小慣性環(huán)節(jié)近似處理；則圖2-3中電流環(huán)結構框圖最終簡化成圖2-6。圖2-6 電流環(huán)結構框圖化簡(2) 電流調節(jié)器結構的選擇：采用典型i型系統(tǒng)設計，acr選pi調節(jié)器。為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大事件常數(shù)極點對消，選擇(2-3)則電流環(huán)的動態(tài)結構框圖邊成圖2-7所示的典型形式，其中 (2-4)圖2-7 動態(tài)結構框圖2.2.3 轉速調節(jié)器的設計(1) 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)： (2

30、-5)原來雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。 電流閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是內環(huán)控制的一個重要功能。 (2) 轉速調節(jié)器結構的選擇：為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點的前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器asr中?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)。因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型ii型系統(tǒng)。asr采用pi調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：(2-6)圖2-8 轉速環(huán)的動態(tài)結構框圖簡化令轉速開環(huán)增益kn為(2-7)則：(2-8)校正后的調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖如下：圖 2-9 校正后的系統(tǒng)

31、動態(tài)結構框圖其中： n =htn (2-9) (2-10)因此 (2-11)中寬頻h的選擇要看動態(tài)性能的要求決定，無要求時，一般選擇h=5為好。(3) 轉速環(huán)與電流環(huán)的關系：外環(huán)的響應比內環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做，雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調試工作非常有利。 (4) 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點： 具有良好的靜特性； 具有較好的動態(tài)特性，起動時間短(動態(tài)響應快)，超調量也較??； 系統(tǒng)抗擾動能力強，電流環(huán)能較好地克服電網(wǎng)電壓波動的影響，而轉速環(huán)能抑制被它包圍的各個環(huán)節(jié)擾動的影響，并最后消除轉速偏差； 由兩個調節(jié)器分別調節(jié)電流和轉

32、速。這樣，可以分別進行設計，分別調整(先調好電流環(huán)，再調轉速環(huán))，調整方便。 3. 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)3.1 晶閘管-電動機系統(tǒng)的可逆線路及其環(huán)流分析(1) 兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路：較大功率的可逆直流調速系統(tǒng)多采用晶閘管-電動機系統(tǒng)。由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖3-1所示。電動機正轉時，由正組晶閘管裝置vf供電；反轉時，由反組晶閘管裝置vr供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活的地控制電動機的起、制動和升、降速。但在一般情況下不允許讓兩組晶閘管同時處在整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對控制電路提出了嚴格的要求。圖3-1

33、 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路(2) 兩組晶閘管裝置的可逆運行模式： 正組晶閘管裝置vf整流正向電動運行(i)； 反組晶閘管裝置vr整流反向電動運行(iii)； 正組vf逆變反向回饋制動(iv)； 反組vr逆變正向回饋制動(ii)；實現(xiàn)四象限運行。在可逆調速系統(tǒng)中，正轉運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉運行時同樣可以利用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，歸納起來?？蓪⒖赡婢€路正反轉時晶閘管裝置和電機的工作狀態(tài)列于下表中。表3-1 v-m系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)v-m系統(tǒng)的工作狀態(tài)正向運行正向制動反向運行反向制動電樞端電壓極性+-電樞電流極性+-+電機旋轉方向+-電機運行狀態(tài)電動回饋發(fā)電

34、電動回饋發(fā)電晶閘管工作的組別和狀態(tài)正組整流反組逆變反組整流正組逆變機械特性所在象限一二三四注：表中各量的極性均以正向電動運行時為“+”。(3) 可逆v-m系統(tǒng)中的環(huán)流問題采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆v-m系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。如圖3-2中的i。一般地說，這樣的環(huán)流對負載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負擔，消耗功率。環(huán)流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑制或消除。在不同情況下，會出現(xiàn)下列不同性質的環(huán)流：靜態(tài)環(huán)流。兩組可逆線路在一定控制角下穩(wěn)定工作時出現(xiàn)的環(huán)流，其中又分兩類：a、直流平均環(huán)流：由晶閘管裝置輸出的直流

35、平均電壓差所產(chǎn)生的環(huán)流稱作直流平均環(huán)流。b、瞬時脈動環(huán)流：兩組晶閘管輸出的直流平均電壓差雖為零，但因電壓波形不同，存在瞬時的電壓差，仍會產(chǎn)生脈動的環(huán)流，稱作瞬時脈動環(huán)流。圖3-2 反并聯(lián)可逆v-m系統(tǒng)中的環(huán)流rrec-整流裝置內阻 動態(tài)環(huán)流。僅在可逆v-m系統(tǒng)處于過渡過程中出現(xiàn)的環(huán)流。由圖3-2可以看出，如果讓正組vf和反組vr都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應該在正組處于整流狀態(tài)、ublf為正時，強迫讓反組處于逆變狀態(tài)，使ublr為負，且幅值與ublf相等，使逆變電壓ublr把整流電壓ublf頂住，則直流平均環(huán)流為零。(4)

36、直流平均環(huán)流與配合控制如果正組vf和反組vr同時處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生，可采取的措施如下： 采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時候，只允許一組晶閘管裝置工作無環(huán)流系統(tǒng)。 采用=配合控制，當一組晶閘管裝置工作在整流狀態(tài)時，另一組工作在逆變狀態(tài)，則消除了直流平均環(huán)流，但仍有脈動環(huán)流有環(huán)流系統(tǒng)。3.2 系統(tǒng)的組成和工作原理有環(huán)流可逆系統(tǒng)雖然具有反向快，過渡平滑等優(yōu)點，但必需設置幾個笨重而昂貴的環(huán)流電抗器，增加了設備投資。因此，當工藝過程對系統(tǒng)過渡特性的平滑性要求不高時，特別是對于大容量的系統(tǒng)，從生產(chǎn)可靠性要求出發(fā)，常采用既沒有直流

37、平均環(huán)流，又沒有瞬時脈動環(huán)流的無環(huán)流系統(tǒng)。按實現(xiàn)無環(huán)流原理的不同而分為兩大類：邏輯控制無環(huán)流系統(tǒng)和錯位控制無環(huán)流系統(tǒng)。當一組晶閘管工作時，用邏輯電路封鎖另一組晶閘管的觸發(fā)脈沖，使它完全處于阻斷狀態(tài)，確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環(huán)流的通路。這就是邏輯控制的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。邏輯控制的無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)的原理框圖如圖3-3 所示。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路，由于沒有環(huán)流，不用設置環(huán)流電抗器。但為了保證穩(wěn)定運行時電流波形連續(xù)，仍保留平波電抗器ld?？刂葡到y(tǒng)采用典型的轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，為了保證不出現(xiàn)環(huán)流，設置了無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)dlc，這是系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)，它按照系統(tǒng)的工作狀

38、態(tài)指揮正、反組的自動切換。其輸出信號ublf用來控制正組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放，ublr用來控制反組觸發(fā)脈沖的封鎖或開放。在任何情況下，兩個信號必須是相反的，決不允許兩組晶閘管同時開放脈沖，以確保主電路沒有出現(xiàn)環(huán)流的可能。圖3-3 邏輯控制的無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)的原理框圖3.3 可逆系統(tǒng)對無環(huán)流邏輯控制器的要求無環(huán)流邏輯控制環(huán)節(jié)是邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，它的任務是，當需要切換到正組晶閘管vf工作時，封鎖反組觸發(fā)脈沖而開放正組脈沖；當需要切換到反組vr工作時，封鎖正組而開放反組。(1) 由電流給定信號un* 的極性和零電流檢測信號ui0共同發(fā)出邏輯切換指令。當ui*改變極性，且零電流檢測器發(fā)出

39、“零電流”信號時，允許封鎖原工作組，開放另一組。(2) 發(fā)出切換指令后，須經(jīng)過封鎖延時時間才能封鎖原導通組脈沖；再經(jīng)過開放延時，才能開放另一組脈沖。(3) 無論在何種情況下，兩組晶閘管絕對不允許同時加觸發(fā)脈沖，當一組工作時，另一組的觸發(fā)脈沖必須被封鎖住。3.4 無環(huán)流邏輯控制器的實現(xiàn)依據(jù)要求，得出邏輯控制器的組成和輸入輸出信號(圖3-4)。其輸入為電流給定(轉矩極性)信號ui*和零電流檢測信號ui0，輸出是正組和反組脈沖的控制信號ublf和ublr，dlc可由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和聯(lián)鎖保護四個基本環(huán)節(jié)組成。圖3-4 邏輯控制器的組成和輸入輸出信號(1) 電平檢測器 電平檢測器的任務是將

40、控制系統(tǒng)中連續(xù)變化的模擬量轉化成“1”或“0”兩種狀態(tài)的數(shù)字量。無環(huán)流邏輯控制器中設立“轉矩極性鑒別”和“零電流檢測”兩個電平檢測器，分別將電流給定的極性和電流“是零”或“非零”轉換成相應的“1”或“0”數(shù)字量，供邏輯判斷使用。(2) 邏輯判斷電路邏輯判斷的任務是根據(jù)兩個電平檢測器的輸出信號，正確地發(fā)出切換信號，輸出均有“l(fā)”和“0”兩種狀態(tài)。(3) 延時電路邏輯切換指令發(fā)出后并不能馬上執(zhí)行，還須經(jīng)過兩段延時時間，以確保系統(tǒng)的可靠工作，這就是封鎖延時tdbl和開放延時tdt。從發(fā)出切換指令到真正封鎖掉原來工作地那組晶閘管之間應該留出來的一段等待時間叫作封鎖延時。由于主電流的實際波形是脈動的，而

41、電流檢測電路發(fā)出的零電流數(shù)字信號ui0時，總有一個最小動作電流i0，如果脈動的主電流瞬時低于i0就立即發(fā)出ui0信號。實際上電流仍在連續(xù)地變化，這時本組正處在逆變狀態(tài)，突然封鎖觸發(fā)脈沖將產(chǎn)生逆變顛覆。從封鎖本組脈沖到開放它組脈沖之間也要留一段等待時間，這是開放延時。因為在封鎖觸發(fā)脈沖后，已導通的晶閘管要過一段時間后才能關斷，再過一段時間才能恢復阻斷能力。如果在此以前就開放它組脈沖，仍有可能造成兩組晶閘管同時出現(xiàn)導通，產(chǎn)生環(huán)流。(4) 聯(lián)鎖保護電路4在正常工作時，邏輯判斷與延時電路的兩個輸出和總是一個為“1”態(tài)，另一個為“0”態(tài)。一旦出現(xiàn)故障，兩個輸出和如果同時為“1”態(tài)，將造成兩組晶閘管同時開

42、放而導致電源短路。3.5 邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的優(yōu)點邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)是目前應用比較成熟而且系列化的系統(tǒng)。它的特點是：用邏輯切換裝置封鎖不工作組晶閘管的觸發(fā)脈沖，開放工作組晶閘管的觸發(fā)脈沖，在任何時候不準兩組晶閘管都有脈沖，從而切斷了產(chǎn)生環(huán)流的通路，實現(xiàn)了無環(huán)流控制。與有環(huán)流系統(tǒng)比較，省去了均衡電抗器，沒有環(huán)流損耗，設備體積和成本均有降低。缺點是存在切換死區(qū)，快速性不如有環(huán)流可逆系統(tǒng)。但是，對于切換快速性要求不高的設備，它的應用是很廣泛的。在實際生產(chǎn)中，有許多機械要求電動機既能正轉，又能反轉，而且常常還需要快速地啟動和制動，邏輯無環(huán)流直流可逆調速系統(tǒng)設計即可較好地實現(xiàn)這些功能，并具有較好的動

43、態(tài)性能和能量利用率。因此，我們選擇這樣的系統(tǒng)不僅可節(jié)省成本，而且增強了系統(tǒng)的可靠性。4. 系統(tǒng)建模與仿真4.1 matlab軟件介紹電子計算機的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學技術的巨大成就之一。它對科學技術的幾乎一切領域，特別對數(shù)值計算，數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析，人工智能以及自動控制等方面產(chǎn)生了極其深遠的影響。熟練掌握利用計算機進行科學研究和工程應用的技術，已經(jīng)成為廣大科研設計人員必須具備的基本能力之一。為了準確的把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入給計算機，然后對之進行進一步的分析與仿真，1990年mathworks軟件公司為matlab提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為simulnk，該工具很快在

44、控制界得到了廣泛的應用。但因其名字與著名的軟件simula類似，所以在1992年正式改名為simulink。此軟件有兩個明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標器在模型窗口上畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來對系統(tǒng)直接進行仿真。很明顯，這種做法使得一個很復雜系統(tǒng)的輸入變得相當容易。simulink的出現(xiàn)，更使得matlab為控制系統(tǒng)的仿真與其在cad中的應用打開了嶄新的局面。目前的matlab已經(jīng)成為國際上最為流行的軟件之一，它除了傳統(tǒng)的交互式編程外，還提供了豐富可的矩陣運算，圖形繪制，數(shù)據(jù)處理，圖像處理，方便的windows編程等便利工具，由各個領域的專家學者相繼推出了以m

45、atlab為基礎的實用工具箱工具箱,其中主要有信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像處理、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設計、系統(tǒng)辨識、最優(yōu)化、分析與綜合、模糊邏輯、小波、樣條等工具箱,而且工具箱還在不斷增加。借助其強大的功能，matlab廣泛應用于自動控制、圖像信號處理，生物醫(yī)學工程，語音處理，雷達工程，信號分析，振動理論，時序分析與建模，化學統(tǒng)計學，優(yōu)化設計等領域，并表現(xiàn)出一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。由于matlab和simulink是集成在一起的,因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自已的模型進行仿真、分析和修改。4.2 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的建模4.2.1 電力系統(tǒng)（power system）工具箱電

46、力系統(tǒng)工具箱以simulink為運行環(huán)境，涵蓋了電工學科中常用的基本元件庫。它由電源、基本元件、電力電子、電機、連接件、測量等6個模塊庫組成，根據(jù)需要可以組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到有關模塊庫中。matlab 60以上版本還有附加模塊庫，其控制子模塊庫中有6脈沖觸發(fā)器、三相子模塊庫中有晶閘管三相全控橋模塊、附加電機子模塊庫中有直流電機模塊，如圖5-1所示。 圖5-1 6脈沖觸發(fā)器、晶閘管全控橋、直流電機模塊符號4.2.2 邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)主電路的建模組成邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的主要子模塊包括：三相交流電源、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發(fā)器、速度和電流調節(jié)器a

47、sr及acr、邏輯切換裝置dlc、直流電動機。除了延時電路和邏輯切換裝置dlc模塊需要自己封裝外，其余均可從有關模塊庫中直接復制。系統(tǒng)主電路采用兩組整流器反并聯(lián)方案，系統(tǒng)的控制電路有轉速調節(jié)器，電流調節(jié)器，邏輯控制器等組成，且兩組整流器分別由兩個電流調節(jié)器控制，其中反組整流器vr的電流調節(jié)器acr2輸入經(jīng)過了倒相器，以確保兩組整流器的控制角=。兩組整流器的工作或封鎖由邏輯控制器控制。4.2.3 邏輯控制器dlc封裝邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)通常采用典型的轉速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結構，關鍵是設置了一套無環(huán)流邏輯切換裝置(dlc)。邏輯控制器模塊dlc是根據(jù)控制器輸入來判斷輸出的邏輯狀態(tài)的。設計的邏輯控制器

48、如圖5-3所示。邏輯控制器由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和聯(lián)鎖保護等四個環(huán)節(jié)組成。圖5-3下方的是封裝后的邏輯控制器圖標。圖5-3 邏輯控制器(1) 電平檢測電平檢測是將輸入的模擬信號(ui*、ui)轉換為數(shù)字信號(ut、ui)，轉換由兩個滯環(huán)控制模塊(relay)實現(xiàn)，轉換的要求如下： 轉矩極性檢測。當ui* 0時，ut=1；當ui 0時，ut=0。 零電流檢測。當有電流即ui 0時，ui=0；當電流為零(ui =0)時，ui=1。表5-1 邏輯真值表5utuiublfublr111010100010010100011001在滯環(huán)控制模塊(relay)的設置如圖5-4所示。 a)轉矩極性檢測 b)零電流檢測圖5-4 電平檢測對話框(2) 邏輯判斷電路按表5-1可以得到邏輯控制器輸入和輸出的邏輯關系表達式為(用與非門實現(xiàn)) (5-1) (5-2) 邏輯判斷電路由與非門yf1yf4(見圖5-3)組成，其輸入為轉矩極性和零電流信號ut、ui；輸出為邏輯切換信號uf、ur。(3) 延時電路邏輯判斷電路