運動控制課程設(shè)計

1、運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計學 院： 班 級： 姓 名： 學 號： 前言一、性能指標i5% i10%二、設(shè)計對象參數(shù) 目錄第1章 電力拖動不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計41.1整流電路和整流器件的選擇41.1.1整流電路：三相全控橋式整流電路41.1.2整流器件：功率場效應晶體管71.2整流變壓器參數(shù)的計算111.2.1換相過程與換相重疊角111.2.2換相期間的整流電壓121.2.3換相壓降121.2.4換相重疊角131.3整流器件的保護131.3.1過電壓保護131.3.2過電流保護141.4平波電抗器參數(shù)的計算141.5觸發(fā)電路的選擇15第2章 控制電路的設(shè)計162.1建立雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

2、的動態(tài)數(shù)學模型162.1.1起動動過程分析162.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)172.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算182.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算212.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計212.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇23第3章 設(shè)計心得25第4章 參考文獻25第1章 電力拖動不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計1.1整流電路和整流器件的選擇1.1.1整流電路：三相全控橋式整流電路(1)電路結(jié)構(gòu)目前整流電路中，應用最廣泛的是三相全控橋式整流電路。三相全控橋式整流電路習慣上將其中的陰極連接在一起的三個晶閘管(VT1，VT3，VT5)稱為共陰極組；陽極連接在一起的三個晶閘管(VT4，VT6，VT2)稱謂共陽極組。習慣上希望晶閘管

3、按從1至6的順序?qū)ā９碴帢O組u、v、w三相電源相接的三個晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，共陽極組中與u、v、w三相電源相接的三個晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。電路原理圖如圖。(2)三相全控橋式整流電路（電阻性負載）1) 工作原理（=0º時）圖1-1 三相全控橋式整流電路帶電阻負載=0°時的波形一個周期內(nèi)，晶閘管的導通順序T1VT2VT3VT4 VT5VT6。將一周期相電壓分為六個區(qū)間：在區(qū)間：u相電壓最高，VT1觸發(fā)導通，v相電壓最低，VT6觸發(fā)導通，負載輸出電壓。在區(qū)間：u相電壓最高，VT1觸發(fā)導通，w相電壓最低，VT2觸發(fā)導通，負載輸出電壓。在區(qū)間：v相電壓

4、最高，VT3觸發(fā)導通，w相電壓最低，VT2觸發(fā)導通，負載輸出電壓。在區(qū)間：v相電壓最高，VT3觸發(fā)導通，u相電壓最低，VT4觸發(fā)導通，負載輸出電壓。在區(qū)間：w相電壓最高，VT5觸發(fā)導通，u相電壓最低，VT4觸發(fā)導通，負載輸出電壓。在區(qū)間：w相電壓最高，VT5觸發(fā)導通，v相電壓最低，VT6觸發(fā)導通，負載輸出電壓。圖1-2 三相橋式全控整流電路帶電阻負載 =60度時的波形 圖1-3 三相橋式全控整流電路帶電阻負載 =90度時的波形2)三相全控橋式整流電路的工作特點：任何時候共陰、共陽極組各有一只元件同時導通才能形成電流通路。共陰極組晶閘管VT1、VT3、VT5，按相序依次觸發(fā)導通，相位互差120&

5、#186;，共陽極組VT2、VT4、VT6，相位相差120º，同一相的晶閘管相位相差180º。每個晶閘管導通角120º；輸出電壓ud由六段線電壓組成，每周期脈動六次，每周期脈動頻率為300Hz。晶閘管承受的電壓波形與三相半波同，只與晶閘管導通情況有關(guān)，波形由3段組成：一段為零(忽略導通時的壓降)，兩段為線電壓。晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。 變壓器二次繞組流過正負兩個方向的電流，消除了變壓器的直流磁化，提高了變壓器的利用率。 對觸發(fā)脈沖的要求：要使電路正常工作，需保證應同時導通的2個晶閘管均有脈沖，常用的方法有兩種：一種是寬脈沖觸發(fā)，它要求觸發(fā)脈沖的寬度

6、大于60º（一般為80º100º），另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即觸發(fā)一個晶閘管時，向小一個序號的晶閘管補發(fā)脈沖。寬脈沖觸發(fā)要求觸發(fā)功率大，易使脈沖變壓器飽和，所以多采用雙窄脈沖觸發(fā)。 電阻性負載60º時的ud波形連續(xù)，60º時ud波形斷續(xù)。=120º時，輸出電壓為零Ud=0，三相全控橋式整流電路電阻性負載移相范圍為0º120º。晶閘管兩端承受的最大正反向電壓是變壓器二次線電壓的峰值 (3)三相橋式全控整流電路（阻感性負載）1)工作情況分析當60º時，電感性負載的工作情況與電阻負載相似，各晶閘管的通斷

7、情況、輸出整流電壓ud波形、晶閘管承受的電壓波形都一樣；區(qū)別在于由于電感的作用，使得負載電流波形變得平直，當電感足夠大的時候，負載電流的波形近似為一條水平線。 60º時，電感性負載時的工作情況與電阻負載不同，由于負載電感感應電勢的作用，ud波形會出現(xiàn)負的部分。下圖是帶電感性負載=90º時的波形，可看出，=90º時，ud波形上下對稱，平均值為零，因此帶電感性負載三相橋式全控整流電路的角移相范圍為90度。 圖1-4 三相橋式全控整流電路帶電感性負載 =0度時的波形 圖1-5 三相橋式整流電路帶電感性負載， =90度時的波形1.1.2整流器件：功率場效應晶體管功率場效應

8、晶體管，簡稱P-MOSFET。特點是：屬電壓全控型器件、控制極靜態(tài)內(nèi)阻極高、驅(qū)動功率很小、工作頻率高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬和跨導線性度高等。但P-MOSFET的電流容量小、耐壓低、功率不易做得過大。常用于中小功率開關(guān)電路中。根據(jù)導電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類；根據(jù)零柵壓時器件的導電狀態(tài)分為耗盡型和增強型兩類；目前功率MOSFET的容量水平為50A500 V，頻率為100kHz。(1)P-MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理1）P-MOSFET的結(jié)構(gòu)P-MOSFET和小功率MOS管導電機理相同，但在結(jié)構(gòu)上有較大的區(qū)別。小功率MOS管是一次擴散形成的器件，其柵極G、源極S和漏極

9、D在芯片的同一側(cè)。而P-MOSFET主要采用立式結(jié)構(gòu)，其三個外引電極與小功率MOS管相同，為柵極G、源極S和漏極D，但不在芯片的同一側(cè)。功率場效應管的導電溝道分為N溝道和P溝道，柵偏壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型，柵偏壓大于零（N溝道）才存在導電溝道的稱為增強型。下圖是P-MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖和電氣圖形符號。圖1-6 P-MOSFET的結(jié)構(gòu)示意圖圖1-7 P-MOSFET的電氣符號上圖是P-MOSFET的電氣圖形符號，圖a表示N溝道功率場效應管，電子流出源極；圖b表示P溝道功率場效應管，空穴流入源極。從結(jié)構(gòu)上看，P-MOSFET還含有一個寄生二極管，該寄生二極管的陽極和陰極就

10、是功率MOSFET的S極和D極，它是與MOSFET不可分割的整體，使P-MOSFET無反向阻斷能力。圖中所示虛線為寄生二極管。2）P-MOSFET的工作原理柵源極電壓時，柵極下的P型區(qū)表面呈現(xiàn)空穴堆積狀態(tài)，不可能出現(xiàn)反型層，無法溝通漏源。此時，即使在漏源之間施加電壓，MOS管也不會導通。如圖a所示。當柵源極電壓且不夠充分時，柵極下面的P型區(qū)表面呈現(xiàn)耗盡狀態(tài)，還是無法溝通漏源，此時MOS管仍保持關(guān)斷狀態(tài)。如圖b所示。當柵源極電壓達到或超過一定值時，柵極下面的硅表面從P型反型成N型，形成N型溝道把源區(qū)和漏區(qū)聯(lián)系起來，從而把漏源溝通，使MOS管進入導通狀態(tài)。如圖c所示。 (2) P-MOSFET的特

11、性和參數(shù)1）轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是指在輸出特性的飽和區(qū)內(nèi)，維持不變時，與之間的關(guān)系曲線，如右圖所示。轉(zhuǎn)移特性表征器件輸入電壓對輸出電流的控制作用和放大能力。圖中是P-MOSFET的開啟電壓(又稱閥值電壓)。2）P-MOSFET的輸出特性圖1-8 P-MOSFET的輸出特性曲線P-MOSFET輸出特性反映的是：當一定時， 與間的關(guān)系曲線族.它分為三個區(qū)域，即線性導電區(qū)I，飽和恒流區(qū)II和雪崩擊穿區(qū)III。在線性導電區(qū)內(nèi)，與幾乎呈線性關(guān)系。在飽和恒流區(qū)中，當不變時，趨于不變。當UDS增大至使漏極PN結(jié)反偏電壓過高，發(fā)生雪崩擊穿，突然增加，此時進入雪崩區(qū)，直至器件損壞。當P-MOSFET用作電子開關(guān)時，

12、導通時它必須工作在線性導電區(qū)I。P-MOSFET無反向阻斷能力，在D-S極間加反向電壓時器件導通，可看作是逆導器件。3）P-MOSFET的開關(guān)特性 因為MOSFET存在輸入電容，有充電過程，柵極電壓呈指數(shù)曲線上升，當上升到開啟電壓時，開始出現(xiàn)漏極電流，從脈沖電壓的前沿到出現(xiàn)，這段時間稱為開通延遲時間。隨著增加，上升，從有到達到穩(wěn)態(tài)值所用時間稱為上升時間。開通時間可表示為 當脈沖電壓下降到零時，柵極輸入電容通過信號源內(nèi)阻和柵極電阻開始放電，柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當下降到時，漏極電流才開始減小，這段時間稱為關(guān)斷延遲時間。之后， 繼續(xù)放電，從減小，到溝道關(guān)斷，下降到零。這段時間稱為下降時間。關(guān)斷時

13、間可表示為由上分析可知，改變信號源內(nèi)阻，可改變 充、放電時間常數(shù)，影響開關(guān)速度。 圖1-9 P-MOSFET的開關(guān)特性4)P-MOSFET的主要參數(shù) 漏源擊穿電壓：該電壓決定了P-MOSFET的最高工作電壓。柵源擊穿電壓：該電壓表征了P-MOSFET柵源之間能承受的最高電壓。漏極最大電流：表征P-MOSFET的電流容量。開啟電壓：又稱閾值電壓，它是指P-MOSFET流過一定量的漏極電流時的最小柵源電壓。通態(tài)電阻：通態(tài)電阻是指在確定的柵源電壓下，功率MOSFET處于恒流區(qū)時的直流電阻，是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。極間電容：P-MOSFET的極間電容是影響其開關(guān)速度的主要因素。其極間電容分為兩類

14、；一類為和，它們由MOS結(jié)構(gòu)的絕緣層形成，其電容量的大小由柵極的幾何形狀和絕緣層的厚度決定；另一類是，它由PN結(jié)構(gòu)成，其數(shù)值大小由溝道面積和有關(guān)結(jié)的反偏程度決定。廠家提供的是漏源短路時的輸入電容、共源極輸出電容及反饋電容，它們與各極間電容關(guān)系表達式為 ； ；顯然，和均與漏源電容有關(guān)。1.2整流變壓器參數(shù)的計算前面介紹的各種整流電路都是在理想工作狀態(tài)下的工作情況，即假設(shè)：（1） 變壓器的漏抗、繞組電阻和勵磁電流都可忽略；（2）晶閘管元件是理想的。但實際的交流供電電源總存在電源阻抗，如電源變壓器的漏電抗、導線電阻以及為了限制短路電流而加上的交流進線電抗器等。由于電感電流不能突變，因此換相過程不能瞬

15、時完成。 1.2.1換相過程與換相重疊角以三相半波可控整流電路為例來討論換相過程。假設(shè)三相漏抗相等，忽略交流側(cè)的電阻，負載電感足夠大，則負載電流連續(xù)且平直。以晶閘管從u相換到v相為例，VT1已導通。當=30°時觸發(fā)VT2，由于變壓器漏抗的作用，VT1不立即關(guān)斷，u相電流逐漸減小到零；VT2導通，逐漸增加到。換相過程中，兩個晶閘管同時導通，在電壓作用下產(chǎn)生短路電流，當 ， 時，u相和v相之間完成了換相。 圖1-10 考慮變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形1.2.2換相期間的整流電壓換相回路電壓平衡方程換相期間變壓器漏感LB兩端的電壓 換相期間輸出電壓1.2.3換相壓降由波形可以看

16、出：與不考慮變壓器漏抗的情況比較，整流電壓波形少了一塊陰影部分，缺少部分為：式中 漏感為的變壓器每相折算到二次側(cè)的漏電抗，單相雙半波電路m=2，三相半波m=3，三相橋式電路m=6 說明：對于單相全控橋，換相壓降的計算上述通式不成立，因為單相全控橋雖然每周期換相2次(m=2)，但換相過程中是從-增加到，所以上式)中的應該帶入2，故對于單相全控橋有：1.2.4換相重疊角對下式： 兩邊積分，可得顯然，當一定時，、增大，則增大，換流時間增大； 、一定時，隨角的增大而減小。 （1） 與換相壓降的討論一樣，對單相全控橋有m=2，應該帶入2，故有（2） 對三相橋式電路，m=6，三相橋式電路等效為相電壓為的六

17、相半波整流電路， 變壓器漏感的存在可以限制短路電流，限制電流變化率 。但也會引起電網(wǎng)波形畸變，使加大，影響其他負載；會使功率因數(shù)降低，輸出電壓脈動增大，降低電壓調(diào)整率。 1.3整流器件的保護1.3.1過電壓保護電力電子裝置中可能發(fā)生的過電壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：（1） 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器電磁感應耦合，或由變壓器繞組之間存在的分布電容靜電感應偶合過來。（2） 雷擊過電壓：由雷擊引起的過電壓。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括：（1） 換相過電壓：由

18、于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復阻斷能力，因而有較大的反向電流流過，使殘存的載流子恢復，而當其恢復了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突然會因線路電感而在晶閘管陰陽極之間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。（2） 關(guān)斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。圖1-11 過電壓抑制措施及配置的位置1.3.2過電流保護過電流分為過載和短路兩種情況，常采用快速熔斷器、直流快速熔斷器和過電流繼電器是較為常用的措施。電子電路作為第一保護措施，快速熔斷器僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流

19、快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作。采用快速熔斷器是電力電子裝置最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。在此設(shè)計中亦選用快速熔斷器。快熔對器件的保護方式可分為全保護和短路保護兩種。全保護是指不論過載還是短路均由快熔進行保護，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場合。1.4平波電抗器參數(shù)的計算平波電抗器用于整流以后的直流回路中。整流電路的脈波數(shù)總是有限的，在輸出的整直電壓中總是有紋波的。這種紋波往往是有害的，需要由平波電抗器加以抑制。直流輸電的換流站都裝有平波電抗器，使輸出的直流接近于理想直流。直流供電的晶閘管電氣傳動中，平波電抗器也是不可少的。 平波電

20、抗器與直流濾波器一起構(gòu)成高壓直流換流站直流側(cè)的直流諧波濾波回路。平波電抗器一般串接在每個極換流器的直流輸出端與直流線路之間,是高壓直流換流站的重要設(shè)備之一。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，脈動電流會增加電機的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對機械生產(chǎn)不利。為了避免或減輕這種影響，需采用抑制電流脈動的措施，主要是：（1） 增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)。（2） 設(shè)置平波電抗器平波電抗器的電感一般按低速輕載或只保證電流連續(xù)的條件來選擇。通常首先給定最小電流（以A為單位），再利用它計算所需的總電感量（以mH為單位），減去電樞電感，即得平波電抗器應有的電感值。為了使負載電流得到平滑的直流,通常在整流輸出端串入帶有氣隙

21、鐵心的電抗器。 一般取為電動機額定電流的5%到10%。上式取電動機額定電流10%1.5觸發(fā)電路的選擇晶閘管可控整流電路通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應保證按觸發(fā)角的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。對于相控電路這樣使用晶閘管的場合，習慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的交流器廣泛應用的是晶閘管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應用最多。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。圖1-12 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)

22、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，它應能準確提供自然換相點，保證在移相范圍內(nèi)對晶閘管元件進行移相控制，從而可對輸出電壓進行連續(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的相位。(2）選取超前相位/3或/6的電壓為同步電壓，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相數(shù)；由主電路電壓向量圖及對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電壓。當為三相橋式全控變流電路且為按元件獨立同

23、步時，各元件的同步電壓應按順序滯后/3，從而可以確定其他各元件的同步電壓。第2章 控制電路的設(shè)計2.1建立雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型2.1.1起動動過程分析按照反饋控制規(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，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。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)框圖來分析，分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關(guān)鍵是要了

24、解PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般都會存在著兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，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使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。在實際的正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。而當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電

25、流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于轉(zhuǎn)速和負載電流。PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(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)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達到時，對應于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，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，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好最后是對其

26、動態(tài)抗干擾性能的分析，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗干擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗干擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負載擾動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)電壓擾動的作用電力被調(diào)量稍遠，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一點。綜上所述，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗干擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電

27、網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(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)速負反饋和電流負反饋，兩者之間實行嵌套連接，電流反饋作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)反饋作為外環(huán)。圖2-1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器 圖2-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖2-2中，兩個調(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

28、換器的最大輸出電壓。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、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。 圖2-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算用工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(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，電流反饋作為內(nèi)，首先進行電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計，然后再進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計。圖2-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成 ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋

29、系統(tǒng)。圖2-5 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（等效成單位負反饋系統(tǒng)）最后，由于和一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為查表得，三相橋式電路的平均失控時間為，電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12），因此取電流環(huán)小時間常數(shù)之和。簡化的近似條件為：電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-6。 圖2-6 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理）(1)電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計要求：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)計電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：

30、 式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：,參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系表1，可知各項指標都是可以接受的。27.8%16.6%9.3%6.5%2.83.43.84.014.721.728.730.4表1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標與參數(shù)的關(guān)系(2)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流反饋系數(shù)：電流開環(huán)增益：要求時，查表得，應選取，因此，有：于是，ACR的比例系數(shù)為：。(3)校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：1)校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件，滿足近似條件。2)校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件，滿足近似條件。3)校驗

31、電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件，滿足近似條件。(4)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-7所示，圖2-7 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下：，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為：，滿足設(shè)計要求。2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計計算2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)用電流環(huán)的等效代替圖2-4的電流環(huán)后，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為進行工程近似計算后，整個轉(zhuǎn)速控制動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示2-8所示圖2-8 用等效環(huán)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的代替結(jié)構(gòu)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)，同時將給定信號改為，再把時間常數(shù)為和兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖可以簡化成如圖2-9所示。圖2-9 等效單位負反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它