畢業(yè)論文轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院2014屆畢業(yè)論文1 引言1.1 研究背景 直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。隨著交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主要設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用1。 對(duì)于那些在實(shí)際調(diào)試過程中存在很大風(fēng)險(xiǎn)或?qū)嶒?yàn)費(fèi)用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2、然而沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究是不能將設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接放到生產(chǎn)實(shí)際中去的。因此就必須對(duì)其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這種方法十分費(fèi)時(shí)而且費(fèi)用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。 但是長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件2。由于對(duì)模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對(duì)

3、決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在simulink中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化3。 simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對(duì)象的類型

4、廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。simulink會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對(duì)各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真4。 自70年代以來，國內(nèi)外在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，大量地采用了“晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速”技術(shù)(簡稱VM調(diào)速系統(tǒng))。盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中VM系統(tǒng)的應(yīng)用量還是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在工程設(shè)計(jì)與理論學(xué)習(xí)過程中，會(huì)接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)問題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)

5、點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛5。1.2 課題研究的目的和意義直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起制

6、動(dòng)性能，易于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該掌握好直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)，位置隨動(dòng)系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因而調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流調(diào)速的電樞和勵(lì)磁不是耦合的，是分開的，對(duì)電樞電流和勵(lì)磁電流能夠做到精確控制；而交流調(diào)速，電樞電流和勵(lì)磁電流是耦合的，是無法做到精確控制的。因此在軋機(jī)、造紙等對(duì)力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)

7、速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。我們知道采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。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，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)

8、的應(yīng)用研究有實(shí)際意義6。在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)并且要求有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。由于直流電動(dòng)機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制性能，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式7。1.3 論文的主要內(nèi)容本課題以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動(dòng)機(jī)的基本方程給出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果分析、研究，驗(yàn)證控制方案的合理性。主要完成

9、如下工作：(1) 數(shù)學(xué)模型的建立認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)資料，根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)基本方程，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并給出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。(2) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)通過國內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(3) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究深入學(xué)習(xí)和掌握MATLAB下的simulink系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn)行模型搭建和仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與探究。2 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)造較復(fù)雜，價(jià)格也比交流電動(dòng)機(jī)昂貴，維護(hù)維修也比較困難。近年來，由于變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，在中小功率的電動(dòng)機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中，交流電動(dòng)機(jī)正取代直流電電動(dòng)機(jī)。盡管如此，由于直流電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、便于大范

10、圍平滑調(diào)速、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大等優(yōu)點(diǎn)。因此廣泛應(yīng)用于要求進(jìn)行平滑、穩(wěn)定、大范圍的調(diào)速或需頻繁正、反轉(zhuǎn)和啟、停，多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械等8。2.1 直流電機(jī)的工作原理圖2.1表示是一臺(tái)最簡單的兩極直流電機(jī)模型，它的固定部分(定子)上，裝設(shè)了一對(duì)用直流勵(lì)磁的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞鐵心上裝置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個(gè)圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片,換向片之間互相絕緣。由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器，固定在轉(zhuǎn)軸上。在換向片上放置著一對(duì)固定不動(dòng)的電刷B1 和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。

11、 圖2.1 最簡單的兩極直流電機(jī)模型 如果將直流電壓直接加到線圈AX上，導(dǎo)體中就有直流電流通過。設(shè)導(dǎo)體中的電流為，載流導(dǎo)體在磁場中將受到電磁力的作用，線圈上的電磁轉(zhuǎn)為： （2-1）式中，Da為電樞的外徑。由于電流為恒定，一周中磁通密度的方向?yàn)橐徽回?fù)，因此電磁轉(zhuǎn)矩將是交變的，無法使電樞持續(xù)旋轉(zhuǎn)。然而在直流電動(dòng)機(jī)中，外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷B1、B2和換向器再加到線圈上，這樣情況就不同了。因?yàn)殡娝1 和B2靜止不動(dòng)，電流總是從正極性電刷B1 流入，經(jīng)過處于N極下的導(dǎo)體，再經(jīng)處于S極下的導(dǎo)體，由負(fù)極性電刷B2流出；故當(dāng)導(dǎo)體輪流交替地處于N極和S極下時(shí)，導(dǎo)體中的電流將隨其所處磁極極性

12、的改變而同時(shí)改變其方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變，并使電動(dòng)機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交流的“逆變”作用。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理9。2.2 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異，下面主要對(duì)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性加以研究。工作特性是指電動(dòng)機(jī)的端電壓，勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩和效率與輸出功率的關(guān)系，即n，。由于實(shí)際運(yùn)行中較易測(cè)得，且隨的增大而增大，故也可把工作特性表示為n，。上述條件中，為額定勵(lì)磁電流，即輸出功率達(dá)到額定功率、轉(zhuǎn)速達(dá)到額定

13、轉(zhuǎn)速時(shí)的勵(lì)磁電流。先看轉(zhuǎn)速特性。從電動(dòng)勢(shì)公式和電壓方程可知 （2-2） 上式通常稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式。此式表示，在端電壓U、勵(lì)磁電流均為常值的條件下，影響并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有兩個(gè)：一是電樞電阻壓降；二是電樞反應(yīng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載增加時(shí)，電樞電流增大，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速趨于下降；電樞反應(yīng)有去磁作用時(shí)，則使轉(zhuǎn)速趨于上升；這兩個(gè)因素的影響部分地互相抵消，使并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化很小。實(shí)用上，為保證并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性10。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開。若勵(lì)磁繞組斷開，=0，主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。此時(shí)若負(fù)載為輕載，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升，造

14、成“飛車”；若負(fù)載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩克服不了負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)可能停轉(zhuǎn)，使電樞電流增大到起動(dòng)電流，引起繞組過熱而將電機(jī)燒毀。這兩種情況都是危險(xiǎn)的。機(jī)械特性是指，勵(lì)磁回路電阻=常值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系11。2.3 直流電機(jī)的調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行、設(shè)備制造方便、價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場合12。30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動(dòng)機(jī)得

15、到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和平滑的調(diào)速性能。但此方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)重量大、占地多、效率低及維修困難。近年來，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中IGBT等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。 （1） 改變電樞回路電阻調(diào)速 當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻R的增大，電樞回路總電阻增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低

16、。 （2）改變電樞電壓調(diào)速 連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。（3） 采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法 變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。 （4）采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法 （5）改變勵(lì)磁電流調(diào)速 當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速升高；反之，則降低。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是磁通和電樞電流的乘積，電樞電流不變時(shí)，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小13。2.4 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一

17、定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級(jí)調(diào)速還是無級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：（1）調(diào)速 在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。（2）穩(wěn)速 以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。（3） 加、減速 頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)14。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義

18、兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。（1）調(diào)速范圍生產(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，用字母D表示，即 （2-3）其中，和一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。（2）靜差率當(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時(shí)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s，即 （2-4）或用百分?jǐn)?shù)表示 （2-5） 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率

19、與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。（3）直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率

20、應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 （2-6）于是，最低轉(zhuǎn)速為 （2-7）而調(diào)速范圍為 （2-8）將上面的式代入，得 （2-9） 式（2-9）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由式（2-9）可見，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小15。3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有控制容易、能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。許多生產(chǎn)機(jī)械，由于加工和運(yùn)行的要求，使

21、電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的過渡過程中，因此起動(dòng)和制動(dòng)過程的時(shí)間在很大程度上決定了生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率。為縮短這一部分時(shí)間，僅采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過程。 我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：（1）過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；（2）穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(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，

22、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。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)16。3.1.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(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。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接，如圖3.1所示。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)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)

23、節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖3.2所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個(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的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓17。 圖3.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)其中： 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 轉(zhuǎn)速給定電壓 轉(zhuǎn)速反饋電壓 電流給定電壓 電流反饋電壓 圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系

24、統(tǒng)電路原理圖+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE3.1.2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3.3所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：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，飽和的調(diào)

25、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)總為零18。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE 圖 3.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實(shí)際上，在正常運(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，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(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，因此 （3-1） （3-2）由第一個(gè)關(guān)系式可得 （3-3） 從而得到圖3.4所示靜特性的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知。

26、這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) （3-4）其中，最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式(3-2)所描述的靜特性對(duì)應(yīng)于圖3.4中的AB段，它是一條垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻瑒t，ASR將退出飽和狀態(tài)。 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)

27、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)為電流無靜差，得到過電流的自動(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。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大。靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖3.4中的虛線?？傊?，雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號(hào)的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運(yùn)行中表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)19。 n n C A B0 I I I 圖3.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性3.1.3 直流電動(dòng)

28、機(jī)模型假設(shè)電機(jī)補(bǔ)償良好，忽略電樞反應(yīng)、渦流效應(yīng)和磁滯的影響，并設(shè)勵(lì)磁電流恒定，得直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)方程分別為： （3-5） （3-6） 對(duì)上述兩式進(jìn)行拉普拉斯變換后，得到電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如圖3.5所示。其中為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，為電機(jī)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。 圖3.5 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型3.1.4 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型晶閘管觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個(gè)具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管裝置的失控時(shí)間引起的，考慮到失控時(shí)間很小，忽略其高次項(xiàng)，則其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)20。 （3-7） 3.1.5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可

29、繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.6所示。 圖3.6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.6所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。（2）動(dòng)態(tài)抗擾性能分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。 抗負(fù)載擾動(dòng)由圖3.6可以看出，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來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。和都作用在被轉(zhuǎn)

30、速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾效果是一樣的。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)的作用點(diǎn)離被調(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)的性能要差一些。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過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，抗擾性能大有改善。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。（3）轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸

31、納如下： 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。b 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。c 其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器的作用：a 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。b 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。c 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的21。3.1.6 啟動(dòng)過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要

32、獲得接近理想起動(dòng)過程，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)過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程示于圖3.7。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)階段。 圖3.7 轉(zhuǎn)速和電流的啟動(dòng)動(dòng)態(tài)過程曲線第階段：突加給定電壓后，上升，當(dāng)小于負(fù)載電流時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電機(jī)開始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。直到，=，=電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)

33、束。第階段： 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)，系統(tǒng)成為在恒值電壓給定下的電流調(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。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。第階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機(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)，使它開始退出飽和狀

34、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=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值(t=t3時(shí))。此后，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)(t3t4)，<，直到穩(wěn)定22。3.2 電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在按動(dòng)態(tài)性能設(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)影響，即DE0。這時(shí)，電流環(huán)如圖3.8所示。 圖3.8 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響） 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是： （3-8）式中 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率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)

35、內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成 ，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。 圖3.9 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)） 最后，由于和 一般都比小得多,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: （3-9）簡化的近似條件為: （3-10）電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖3.10 圖3.10 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理）（2）電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動(dòng)態(tài)要求看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過程中不超過允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素

36、，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)可以寫成: （3-11） 式中K電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 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 （3-12）則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖3.11所示的典型形式。 圖3.11 校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖其中 （3-13）（3）電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.12所示。圖中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。 圖3.12

37、含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出 （3-14） （3-15） （3-16）3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（1）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。 （3-17）忽略高次項(xiàng)，可降階近似為： （3-18）近似條件式為： （3-19）式中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為： （3-20） 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加

38、快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)(內(nèi)環(huán))控制的一個(gè)重要功能。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3.6中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.13所示: 圖3.13 用等效環(huán)代替電流環(huán) 和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波的反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 （3-21）則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡成圖3.14 圖3.14 等效成單位負(fù)反饋和小慣性的近似處理為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，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?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因轉(zhuǎn)速環(huán)開

39、環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那是線性系統(tǒng)的計(jì)算數(shù)據(jù)，實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-22）式中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 圖3.15 校正后成為典型系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： （3-23）令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： （3-24）則 （3-25）上述結(jié)果所需服從的近似條件歸納如下： （3-26） （3-27）（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算 在典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，時(shí)間常數(shù)是控制對(duì)象固定的

40、，待定的參數(shù)有和。為 了分析方便，引入一個(gè)新的變量，令 （3-28） 圖3.16 典型系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性和中頻寬 由圖可見，是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬。由于中頻段的狀態(tài)對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)器決定性的作用，因此是一個(gè)很重要的參數(shù)。在一般情況下，點(diǎn)處在特性段，由圖3.16可以看出 因此 （3-29）在工程設(shè)計(jì)中，如果兩個(gè)參數(shù)都任意選擇，工作量顯然很大，為此采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個(gè)參數(shù)之間的一種最佳配合。這一準(zhǔn)則表明，對(duì)于一定的值，只有一個(gè)確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值，這時(shí)和，之間的關(guān)系是： （3-30） （3-31）以上兩式稱作準(zhǔn)則的“最佳

41、頻比”，因而有 （3-32） （3-33）確定之后即可分別求得和?？傻?（3-34）由式（4-12）可知轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： （3-35）因此 （3-36） 至于中頻寬h應(yīng)選擇多少，要看動(dòng)態(tài)性能的要求決定，無特殊要求時(shí)，一般以選擇h=5為好。（4）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.17所示，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓23。 圖3.17 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為： （3-37） （3-38） （3-39）3.3 設(shè)計(jì)方案雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用

42、三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：220V，55A，1000r/min，Ce=0.1925Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5；(1)晶閘管裝置放大系數(shù)=44；(2)電樞回路總電阻R=1.0；(3)時(shí)間常數(shù)：=0.03s；(4)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：=0.075s；(5)調(diào)節(jié)器輸入電阻：=20k；(6)電流反饋系數(shù):=0.121V/A ；(7)速反饋系數(shù):=0.01Vmin/r。設(shè)計(jì)指標(biāo)：(1)靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；(2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量24。3.3.1 電流環(huán)參數(shù)計(jì)算（1）確定時(shí)間常數(shù)1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：按表3.1三相橋式電路的平均失控時(shí)間=0.

43、0017s 表3.1 不同形式整流電路的失控時(shí)間電路形式單相半波單相橋式三相半波三相橋式一周內(nèi)脈動(dòng)次數(shù)m1236失控時(shí)間1053.331.67 2)電流濾波時(shí)間常數(shù):=0.002s（三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有=3.33ms，因此取=2ms=0.002s）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。s(Ts和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：5% ，無靜差，可按典型I型系統(tǒng)涉及電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能: （3-40）參照表3.2的典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。 表3.2 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 續(xù)表3.2 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系55.5%33.2%18.5%12.9%4.030.4（3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益:要求，按表3.3應(yīng)取=0.5，有 （3-41）ACR的比例系數(shù): = （3-42） 表3.3 典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量01.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間6.6