直流電機調速系統(tǒng)分析與設計.doc

1、第一部分 并勵直流電動機的工作原理并勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵發(fā)電機來說，是電機本身發(fā)出來的端電壓為勵磁繞組供電；作為并勵電動機來說,勵磁繞組與電樞共用同一電源，從性能上講與他勵直流電動機相同.導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩，這個力矩在旋轉電機里稱為電磁轉矩，轉矩的方向是逆時針方向，企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩（例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩)，電樞就能按逆時針方向旋轉起來.當電樞轉了180°后,導體 cd轉到 N極下，導體ab轉到S極下時，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A流

2、入，經導體cd 、ab 后，從電刷B流出.這時導體cd 受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃?導體ab 受力方向是從左向右,產生的電磁轉矩的方向仍為逆時針方向。因此，電樞一經轉動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由導體 ab和cd 流入，使線圈邊只要處于N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷A 流入的方向,而在S 極下時，總是從電刷 B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向,從而形成一種方向不變的轉矩，使電動機能連續(xù)地旋轉。這就是直流電動機的工作原理.轉速電流雙閉環(huán)原理轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成，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)器的輸出去控制電

3、力電子變換器UPE。     從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán);轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。     這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng). 限幅的作用：轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim   電流給定電壓的最大值，即限制了最大電流;電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm   Uc的最大值，即限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm.第二部分PID算法的基本原理PID調節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1、比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產

4、生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差。2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大,積分作用越弱,反之則越強。3、微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢（變化速率),并能在偏差信號的值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度,減小調節(jié)時間.下面對控制點所采用的PID控制算法進行說明。 控制點目前包含三種比較簡單的控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 這三種算法雖然簡單，但各有特點,基本上能滿足一般控制的大多數(shù)要求。1) PID增量式算法離散化公式： 注：各符號含義如下 u(t）;；; 控制器的輸出值

5、。 e（t）；;； 控制器輸入與設定值之間的誤差。 Kp;；;； 比例系數(shù)。 Ti；;； 積分時間常數(shù). Td;；; 微分時間常數(shù)。 T;；;；; 調節(jié)周期。 對于增量式算法,可以選擇的功能有: （1） 濾波的選擇可以對輸入加一個前置濾波器，使得進入控制算法的給定值不突變，而是有一定慣性延遲的緩變量。 (2） 系統(tǒng)的動態(tài)過程加速在增量式算法中，比例項與積分項的符號有以下關系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項符號相同，而當被控量向給定值方向變化時，則這兩項的符號相反。 由于這一性質，當被控量接近給定值的時候，反號的比例作用阻礙了積分作用，因而避免了積分超調以及隨之帶來的振蕩,這顯然是有利于控制

6、的。但如果被控量遠未接近給定值，僅剛開始向給定值變化時，由于比例和積分反向,將會減慢控制過程。 為了加快開始的動態(tài)過程，我們可以設定一個偏差范圍v，當偏差|e（t) 時，即被控量接近給定值時，就按正常規(guī)律調節(jié)，而當|e（t）|>= 時，則不管比例作用為正或為負，都使它向有利于接近給定值的方向調整，即取其值為e（t）e（t1）|，其符號與積分項一致。利用這樣的算法,可以加快控制的動態(tài)過程。 （3） PID增量算法的飽和作用及其抑制 在PID增量算法中，由于執(zhí)行元件本身是機械或物理的積分儲存單元，如果給定值發(fā)生突變時，由算法的比例部分和微分部分計算出的控制增量可能比較大，如果該值超過了執(zhí)行元

7、件所允許的最大限度，那么實際上執(zhí)行的控制增量將時受到限制時的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動態(tài)過程變長，因此，需要采取一定的措施改善這種情況。 糾正這種缺陷的方法是采用積累補償法，當超出執(zhí)行機構的執(zhí)行能力時，將其多余部分積累起來,而一旦可能時，再補充執(zhí)行.第三部分 各單元模塊設計晶閘管直流傳動70年代前后在我國得到大力的推廣和應用，經過30多年的發(fā)展歷史，還停留在分立器件的基礎上,體積大，接線復雜，使用極不方便而且價格昂貴。我公司開發(fā)的雙閉環(huán)直流調速模塊，本著集成和使用方便的原則將直流調速系統(tǒng)模塊化。先進的工藝流程和高性能的電路設計大大提高了模塊的使用壽命和可靠性,而且性價比很高，為直流調速

8、領域增添了新的活力.    一、模塊內部的電路構成    本模塊內含功率晶閘管、移相控制電路、轉速電流雙閉環(huán)調速電路、積分電路、電流反饋電路、以及缺相和過流保護電路，其方框圖見圖1.        圖1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)框圖      圖 2 雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流及轉速變化圖    （一）功率晶閘管完成變流及功率調整,采用進口方形芯片、高級芯片支撐板，經特

9、殊燒結工藝，保證焊接層無空洞，使用DCB板及其它高級導熱絕緣材料,導熱性能好，基板不帶電，使用安全可靠。熱循環(huán)次數(shù)超過國家標準近10倍，具有很長的使用壽命。      （二）積分環(huán)節(jié)可實現(xiàn)直流電機軟起動，并且起動時間可調,設計時給用戶預留兩個端口，其連接如圖6，調節(jié)兩個電位器，可改變積分時間長短,從而達到改變電機起動時間的目的。積分環(huán)節(jié)適用于起動過渡過程平穩(wěn)的場合,如高爐卷揚機、礦井提升機、冷熱連軋機等。當輸入為階躍信號時,通過給定積分器變換成有一定斜率的線性漸變輸出信號，作為速度調節(jié)器的給定輸入,給定積分器的穩(wěn)定輸出即為電機的速度給

10、定，給定積分器輸出的變化斜率即為電機的加速度，其啟動電流波形圖見圖2.如果用戶要求在負載一定的條件下,電機以最大的等加速度起動，可把積分環(huán)節(jié)去掉，模塊留出兩個端口作為電流環(huán)和速度環(huán)的輸出限幅(如圖6），調節(jié)電流環(huán)的輸出限幅,改變電機的最大起動電流，獲得理想的過渡過程。其起動電流波形圖見圖3。    （3） 轉速電流雙閉環(huán)電路  速度調節(jié)及抗負載和電網擾動，采用雙PI調節(jié)器，可獲得良好的動靜態(tài)效果.設計過程采用“二階最佳”參數(shù)設計法設計，結合系統(tǒng)動靜態(tài)效果選擇最佳參數(shù).從抑制超調的觀點出發(fā)，電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動時

11、無穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設計成典型II型系統(tǒng)。    內外環(huán)對數(shù)幅頻特性的比較,圖4畫出了電流環(huán)和轉速環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性：        從上圖可以看出，圖中轉折頻率和截止頻率點一個比一個小，這是一個必然的規(guī)律.這樣設計的雙環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)總比內環(huán)慢。一般來說,調整過程一般是先外環(huán)后內環(huán)，電流環(huán)要想提高系統(tǒng)的動態(tài)效果,可增大電流環(huán)阻容端的電阻，但要減小電容,其關系是C10。03/R1。速度環(huán)要想提高動態(tài)效果，從典型II型系統(tǒng)的各項指標中得出，它的動態(tài)效果是一個中

12、間的參數(shù)，需要反復調試，增大電阻R2可提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，相應的減小電阻可獲得良好的動態(tài)效果,具體情況可根據用戶的系統(tǒng)參數(shù)要求調節(jié)，其關系是C2  0.87/R2(電流超調量<5），模塊設計過程留出四個端口（其聯(lián)接如圖6），作為速度環(huán)和電流環(huán)的阻容端，用戶可根據實際情況調節(jié)。        （四）  電流反饋  采用國外進口霍爾傳感器，并置于模塊內部.主要完成電流信號的取樣，具有極高的線性度，簡化了系統(tǒng)的外圍器件。   

13、 （五）保護電路  模塊內部設置過流和缺相保護電路，保證了電機的安全運行,而且留出一個端口作為過流保護給定信號輸入（其聯(lián)接如圖6），用戶可以根據自己設備的過載能力調節(jié)，更加突出了本模塊的使用靈活性。     三、模塊的應用     電流轉速雙閉環(huán)調速電路，因其具有極高的調速范圍、很好的動靜態(tài)性能及抗擾性能，在調速領域得到廣泛的應用。    實驗條件:模塊為MSZ-ZLTS400，直流電動機：Ued=220V，Ied=41A,N

14、ed=1500r/min，允許過載倍數(shù)為1。5.    實驗結果：速度超調量Vp<5,電流超調量Ip<0.5,調整時間Ts<0.5S，振蕩次數(shù)H<=2,轉速穩(wěn)定度Vb<=0.02，轉速穩(wěn)定度Vs0.5（如圖5）     個人收集整理，勿做商業(yè)用途文檔為個人收集整理，來源于網絡 圖5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)主電路圖系統(tǒng)各環(huán)節(jié)計算（1） 直流電機參數(shù)Ka=1/Ra=2Ce =0.132（2)整流器To=2ms(3）電流反饋環(huán)節(jié)=10/1。5*136=0。049（4）速度反饋環(huán)節(jié)=10/1460=

15、0。00682.電流環(huán)設計（二階優(yōu)化）Ti=To+Tfi=0.003si=Ta=0.03sKi=0。03/22*40*0.0490。003=1。275T=電流調節(jié)器電路參數(shù)R11=R22=20K ， Rf=1。275*20*1000=25。5 KCf=0.03/25500=1.18F， CB=0。004/2000=0。2F3。速度優(yōu)化設計（三階）Tei=2*0.003=0。006sTen=0。008stn=0.032sKn=0。180。0490。132/0.016*0.00680.5=0。00116424/0.0000544=21.4Ta=4*0。024+50。002=0.106s速度調節(jié)器電

16、路參數(shù)R11=R22=20K ， Rf= KnR11=428 KCf=0。032/428000=0.075F， CA=40.106/20000=21.2F總結與體會這次電機控制課程設計歷時兩個星期，在整整兩個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。       1.學習是沒有止境的。在做這個課程設計之前，我一直以為自己的理論知識學的很好了。但是在完成這個設計的時候，我總是被一些小的，細的問題擋住前進的步伐，讓我總是為了解決一個小問題而花費很長的時間.最后還要查閱其他的書籍才能找出解決的辦法。并且我在做設計的過程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都還不知道.其實在計算設計的時候，基礎是一個不可缺少的知識,但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少.      2.多和同學討論。我們在做課程設計的工程中要不停的討論問題,這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會使自己在做的過程中沒有方向，并且這