畢業(yè)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、第1章 緒論1.1 課題的背景、目的與意義電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織，軍工等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)90年代前的大約50年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來(lái)直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)與其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的

2、控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是應(yīng)用自動(dòng)控制理論和工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，設(shè)計(jì)出能夠達(dá)到性能指標(biāo)要求的電力拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，通過(guò)在DJDK-1型電力電子技術(shù)與電機(jī)控制試驗(yàn)裝置上的調(diào)試,并應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正以達(dá)到滿足控制指標(biāo)的目的。1.2 本課題國(guó)、外研究應(yīng)用情況近30年來(lái)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但技術(shù)革新是永無(wú)止盡的，為了進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)：1.2.1 采用新型電力電子器件電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保

3、證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。智能功率模塊（IPM）的廣泛應(yīng)用，使得新型電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的體積更小，可靠性更高。傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的整流裝置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢(shì)，但其控制復(fù)雜，對(duì)散熱要求也較高。電力電子器件的發(fā)展，使稱(chēng)為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來(lái)越普遍的趨勢(shì)。1.2.2 應(yīng)用現(xiàn)代控制理論在過(guò)去，人們感到自動(dòng)控制理論的研究發(fā)展很快，但是在應(yīng)用方面卻不盡

4、人意。但近年來(lái)，現(xiàn)代控制理論在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺景象，這主要?dú)w功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的運(yùn)算得以實(shí)時(shí)完成。第二是在辨識(shí)，參數(shù)估值以與控制算法魯棒性方面的理論和方法的成熟，使得應(yīng)用現(xiàn)代控制理論能夠取得更好的控制效果。1.2.3 采用總線技術(shù)現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢(shì)，總線化使得各種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用一樣的硬件結(jié)構(gòu)。1.2.4 含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息化的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)上工作，控制系統(tǒng)自身就

5、具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷與維護(hù)提供了方便。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開(kāi)放式自由軟件Linux操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。1.3 本課題采用的技術(shù)方案與技術(shù)難點(diǎn)根據(jù)本課題的實(shí)際情況，宜從以下三個(gè)方面入手分析：1.直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學(xué)模型2雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì)3應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正本課題所涉與的調(diào)速方案本質(zhì)上是改變電樞電壓調(diào)速。該調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)大圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。但電機(jī)的開(kāi)環(huán)運(yùn)行性能（靜差率和調(diào)速圍）遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。轉(zhuǎn)

6、速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式?？梢獙?shí)現(xiàn)高精度和高動(dòng)態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時(shí)還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程可知，加速度與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩成正比關(guān)系，而轉(zhuǎn)矩又與電動(dòng)機(jī)的電流成正比。因而同時(shí)對(duì)速度和電流進(jìn)行控制，成為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能電機(jī)控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。關(guān)于工程設(shè)計(jì)：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)高階系統(tǒng),其設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。本設(shè)計(jì)利用階次優(yōu)化的原理對(duì)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)應(yīng)綜合考慮各方面的因素,按全局最優(yōu)的觀點(diǎn)正確選擇合理的階次4。工程設(shè)計(jì)方法的基本思路是先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)滿足所

7、需要的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。應(yīng)用到雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，先從電流環(huán)入手，按上述原則設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)等效環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。1.4 本設(shè)計(jì)的主要研究容1.4.1建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，列寫(xiě)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并畫(huà)出其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 1.4.2經(jīng)典控制部分首先了解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理，然后應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法，分別進(jìn)行主電路、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì),并應(yīng)用MATLAB語(yǔ)言中的SIMULINK工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。1.4.3仿真部分簡(jiǎn)單介紹MATLAB語(yǔ)言與SIMULINK工具箱，重點(diǎn)運(yùn)用SIM

8、ULINK工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線與其頻率特性曲線。結(jié)合曲線對(duì)由不同方法設(shè)計(jì)出的調(diào)速系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較研究，從而得到性能指標(biāo)較為理想的系統(tǒng)模型。并嘗試性地提出改進(jìn)方案。第2章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學(xué)模型2.1 數(shù)學(xué)模型的參數(shù)測(cè)定本調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方案是建立在對(duì)典型系統(tǒng)作比較深入的研究,把它們的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性,弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系,寫(xiě)成簡(jiǎn)單的公式或制成簡(jiǎn)明的圖表基礎(chǔ)上的。因此我們需要先對(duì)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。這樣，在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí),只要根據(jù)上述工程設(shè)計(jì)方法把它校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。但參

9、數(shù)測(cè)定不是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，只作為輔助容。所以將其提前敘述，使數(shù)學(xué)模型的闡述部分和工程設(shè)計(jì)方法部分聯(lián)系緊密，銜接自然。2.1.1測(cè)定電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)TL2.1.1.1 測(cè)定電樞回路總電阻R通過(guò)測(cè)定Rn,RD,RP得到R其中 Rn晶閘管等效電阻 RP平波電抗器等效電阻R電樞回路的總電阻 RD電動(dòng)機(jī)電樞電阻考慮到參數(shù)的非線性，應(yīng)用伏安法測(cè)量。通過(guò)改變變阻器的阻值，改變Id,測(cè)出不同的Ud, Up, UD.測(cè)試時(shí)，為防止因電樞轉(zhuǎn)軸不同心，而影響電刷接觸電阻。將電樞轉(zhuǎn)動(dòng)三次，取測(cè)量的平均值。應(yīng)用公式：可得計(jì)算值： Rn=1.60,RP=0.101RD=1.41所以有 R=Rn+RP+RD=3.11

10、2.1.1.2 測(cè)定電樞回路的總電感LL= LP+ LD+ LB式中 LP平波電抗器電感LD電動(dòng)機(jī)電樞電感LB變壓器漏感先測(cè) LS=LP+LD, 利用以下公式: Z=RS+j XS =U d /Id-XS=(Z2- X2)1/2LS=XS /2f=XS/314再來(lái)測(cè)定變壓器的漏感LB根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式:L/B= KB*( UK% /100)*(U2/Id),在三相橋中 LB= 2*L/B因此 L=LS + LB計(jì)算得L=74.58mH.綜上，有 TL= L/R= 74.58/3.11 =23.98(ms)2.1.2測(cè)定電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm2.1.2.1 測(cè)定電動(dòng)機(jī)的Ce 在給定電壓下選穩(wěn)態(tài)時(shí)

11、實(shí)驗(yàn)測(cè)量所需數(shù)據(jù)，因穩(wěn)態(tài)時(shí) 而 故 取平均值后代入計(jì)算可得V/rpm2.1.2.2 測(cè)定電動(dòng)機(jī)的飛輪力矩GD2使電動(dòng)機(jī)在空載下自由停車(chē) (這時(shí)MD=0, Mfz=M0),其中M0為電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩.由 MD-Mfz=GD2dn/375dt得 GD2=-375M0 / (dn /dt) 375M0 /(n /t)(1)測(cè)n=f(M0)利用空載損耗 P0=UDId-RDI2，得M0. 測(cè)定n=f(M0)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并在坐標(biāo)紙上做出n=f(M0)曲線(2)測(cè)dn/dt測(cè)定dn/dt數(shù)據(jù), 在示波器上畫(huà)出n=f(t)曲線, 并轉(zhuǎn)移到坐標(biāo)紙上。GD2=375M0Q/(n/t)Q=0.5932Kg.m2=5

12、.8132N.m2此時(shí)有 Tm=RGD2/375CeCm=RGD2/(30/)Ce2=3.11*5.8134/375*(30/3.14)*0.1292=329.28(ms)2.1.3測(cè)定觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)KS 在按線性系統(tǒng)規(guī)律進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該把這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)KS當(dāng)作常數(shù)，但實(shí)際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作圍近似成線性環(huán)節(jié)。因此，最好應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，即. 設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性圍，并有一定的余量，調(diào)節(jié)放大系數(shù)KS可由工作圍的特性斜率決定經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得KS=40. UdUctUdUct調(diào)速工作范圍圖2-1 晶閘管觸

13、發(fā)與整流的輸入輸出特性和KS的測(cè)定2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)生產(chǎn)工藝對(duì)控制系統(tǒng)性能的要求經(jīng)量化和折算后可以表達(dá)為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中給出了本系統(tǒng)調(diào)速指標(biāo)的要求。深刻理解這些指標(biāo)的含義是必要的，也有助于我們構(gòu)想后面的設(shè)計(jì)思路。在以下四項(xiàng)中，前兩項(xiàng)屬于穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，后兩項(xiàng)屬于動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)2.2.1.1 調(diào)速圍D 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)速圍，即 （2-1）2.2.1.2 靜差率s 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所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱(chēng)作靜差率，即 （2-2）靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)

14、在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。2.2.1.3 跟隨性能指標(biāo) 在給定信號(hào)R（t）的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述。具體的跟隨性能指標(biāo)有下列各項(xiàng)：上升時(shí)間，超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間.2.2.1.4 抗擾性能指標(biāo) 此項(xiàng)指標(biāo)表明控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力，它由以下兩項(xiàng)組成：動(dòng)態(tài)降落，恢復(fù)時(shí)間.2.2.2調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)基本矛盾在理解了本設(shè)計(jì)需滿足的各項(xiàng)指標(biāo)之后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在權(quán)衡這些基本指標(biāo)的兩個(gè)矛盾，即1) 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)放大倍數(shù)的要求互相矛盾；2) 起動(dòng)快速性與防止電流的沖擊對(duì)電機(jī)電流的要求互相矛盾5。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),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下,實(shí)現(xiàn)

15、轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，解決了第一個(gè)矛盾。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電流和轉(zhuǎn)矩。無(wú)法解決第二個(gè)基本矛盾。在電機(jī)最大電流受限的條件下，希望充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)速馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只是在超過(guò)臨界電流Idcr值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很

16、理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖2-2a所示。t0nIdnnIdnIdlt0Idla) b)圖2-2 調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程 b) 理想快速啟動(dòng)過(guò)程當(dāng)電流從最大值降低下來(lái)以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下,希望充分地利用電機(jī)的過(guò)載能力,最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng),到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又讓電流立即

17、降低下來(lái),使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖2-2b所示,起動(dòng)電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實(shí)現(xiàn)。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)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,希望只有轉(zhuǎn)速反饋,不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。2.2.3調(diào)速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)原理見(jiàn)圖2-3：圖2-3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋

18、分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級(jí)連接.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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。2.2.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理

19、想快速起動(dòng)過(guò)程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動(dòng)過(guò)程中的飽和與不飽和狀況，可將起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了在電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個(gè)特點(diǎn)，就是起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速一定有超調(diào)。其起動(dòng)過(guò)程波形如圖2-4所示。圖2-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 從圖2-4知,整個(gè)起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段：第I階段是電流上升階段。突加給定電壓Un*后,通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，當(dāng)IdIdL后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始

20、轉(zhuǎn)動(dòng)。由于機(jī)械慣性作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓Un=Un*-Un數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值Uim*，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)IdIdm時(shí)，UiUim*，電流調(diào)節(jié)器的作用使I不再迅猛增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值n*為止，屬于恒流升速階段，是啟動(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)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定，因而拖動(dòng)系統(tǒng)

21、的加速度恒定，轉(zhuǎn)速成線性增長(zhǎng)。第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim*，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR的輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓與ACR的給定電壓Ui*立即從限幅值下來(lái)，主電流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于負(fù)載電流IdL，在一段時(shí)間，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)距Te=TL，則dn/dt=0，轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值。此后，電動(dòng)機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一小段小與IdL的過(guò)程，直到穩(wěn)定。綜

22、上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個(gè)特點(diǎn)： 1）飽和非線性控制：隨著ASR的飽和和不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。在不同情況下，表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的現(xiàn)行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。 2）準(zhǔn)時(shí)間控制：?jiǎn)?dòng)過(guò)程中主要階段實(shí)第II階段，即恒流升速階段。它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使啟動(dòng)過(guò)程盡可能更快。這個(gè)階段屬于電流受限制的條件下的最短時(shí)間控制，或稱(chēng)時(shí)間最優(yōu)控制。 3）轉(zhuǎn)速超調(diào)：由于采用了飽和非

23、線性控制,啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入第III階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這就是說(shuō)，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)6。2.2.5轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um*變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；2）對(duì)付在變化起抗擾作用；3）其輸出限幅決定允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用：1）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起與時(shí)抗擾作用；2）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨起給定電壓U

24、m*變化；4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)最用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常7。2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型2.3.1主電路與其化簡(jiǎn)見(jiàn)圖2-5:圖2-5 主電路的原理圖與化簡(jiǎn)a) 三相橋式整流電路的主電路b)等效電路c)化簡(jiǎn)后的等效電路其中： Rb變壓器兩相繞阻的等效阻 Ra變壓器兩相繞阻漏抗引起換向壓降所對(duì)應(yīng)的電阻 Rn兩個(gè)可控硅原件的正相等效電阻 Rp平波電抗器等效電阻 Rd電動(dòng)機(jī)電樞等效阻 Lb變壓器兩相繞阻的漏感 Lp平波電抗器電感 Ld電動(dòng)機(jī)電樞繞阻電感 Ud0=2.34U2COS理想空載整流電壓 E=Ce*n直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)

25、RN=Rb+Ra+Rn整流裝置阻 RS =Rp+Rd電動(dòng)機(jī)電樞電阻 R=RN+RS主電路總電阻 L=Lb+Lp+Ld主電路總電感2.3.2額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)描述 由圖2-5中的c)可列出微分方程如下：(主電路,假定電流連續(xù)) (額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)) (牛頓動(dòng)力學(xué)定律,忽略粘性摩擦) (額定勵(lì)磁下的電磁轉(zhuǎn)矩)式中 TL包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm；GD2電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分折算到電機(jī)軸上的飛輪轉(zhuǎn)矩，單位為Nm2；Cm=30Ce/電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩電流比，單位為Nm/A；定義下列時(shí)間常數(shù)：TL=L/R電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，單位為s； Tm=(GD2R)/(375CeC

26、m)電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，單位為s。整理后得式中 IdL=TL/Cm負(fù)載額定電流.在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉式變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (2-3)電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為 (2-4)由以上傳遞函數(shù)，可以得到額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示：圖2-6 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由上圖可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量。一個(gè)是理想空載整流電壓Ud0，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中把電流Id表現(xiàn)出來(lái)，可將擾動(dòng)量IdL的綜合點(diǎn)前移，并進(jìn)行等效變換，如圖2-7所示圖2-7 直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化和變換a) b) 2.3

27、.3晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳函2.3.3.1 失控時(shí)間 以單相全波純電阻負(fù)載整流電路為例來(lái)討論滯后時(shí)間的大小。假設(shè)在t1時(shí)刻某一對(duì)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，控制角為1；如果控制電壓Vct在t2時(shí)刻發(fā)生變化，但由于晶閘管已經(jīng)導(dǎo)通，Vct的改變對(duì)它已不起作用，平均整流電壓Vdo1并不會(huì)立即產(chǎn)生反應(yīng)，必須等到t3時(shí)刻該組件關(guān)斷以后，觸發(fā)脈沖才有可能控制另外一 對(duì)晶閘管。設(shè)Vct2對(duì)應(yīng)的控制角為2，則另一對(duì)晶閘管在t4時(shí)刻才導(dǎo)通，平均整流電壓變成Vd02。假設(shè)平均整流電壓是在自然換相點(diǎn)變化的，則從Vct發(fā)生變化到Vd0發(fā)生變化之間的時(shí)間Ts便是失控時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路，平均失控時(shí)間Ts =1.67(m

28、s)，實(shí)際取1.7(ms)2.3.3.2晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳函用單位階躍函數(shù)來(lái)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入輸出為 Ud0=KsUct1(t-Ts)按拉氏變換的位移定理,則傳遞函數(shù)為 (2-5)考慮到Ts很小,忽略其高次項(xiàng),則晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)(2-6)式中 Ks=觸發(fā)和整流裝置的放大倍數(shù)； Ts=觸發(fā)和整流裝置的平均失控時(shí)間。工程近似條件c1/3Ts (2-7)2.4 調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)在理解了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路的數(shù)學(xué)模型和工作原理之后，可以計(jì)算出各個(gè)組成部分的選用型號(hào)與取值。這一部分已有成熟理論，所以本文在此處只是簡(jiǎn)要的給予部分計(jì)算過(guò)程。本設(shè)

29、計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)在系統(tǒng)中的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。2.4.1整流變壓器的計(jì)算2.4.1.1 整流變壓器的次級(jí)相電壓的有效值U22.4.1.2 變壓器初級(jí)電流、電壓和次級(jí)電流、電壓的有效值變壓器接成/ Y 形，可以得到零線，同時(shí)濾除三次諧波。（1） 次級(jí)線電壓： U線 = 1.732U2 = 234（V）（2） 次級(jí)相電流： I2 = 0.816Id = 12.7（A）（3） 初級(jí)線電壓： U1線 = U1相 =380（V）（4） 初級(jí)相電流： I1相 = (U2相/U1相)*I2 = 4.5（A）（5） 變壓器的變比： K = U1相 /U2相 = 2.82.4.1.3 變壓器的容量S(視在功率) (1) 初

30、級(jí)容量(損耗為5%)S1 = 3 U1 I1(1+5%)= 5.39(KVA) (2) 次級(jí)容量 S2 = 3U2I2 = 5.14(KVA) (3) 變壓器容量 S = ( S1+ S2)/2 = 5.23(KVA) 取 S = 5(KVA)2.4.2晶閘管組件的計(jì)算與選擇2.4.2.1 SCR的額定電流IT = (1.5-2)KF Id /1.57KB = 12.9-17.2(A)取IT =20(A)2.4.2.2 SCR的額定電壓:UKED = (2-3)ULMAX = 661.4-992.1(V)取UKED =1000(V)式中 ULMAX = 330.7(V)次級(jí)線電壓最大值所以可選

31、 KP20-10 SCR 6只檢驗(yàn) 電壓裕量: KV = (URED+100)/U2 =3.35 > 2 符合要求2.4.3主電路的過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)2.4.3.1 過(guò)電壓保護(hù)（1） 交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù):用壓敏二極管抑制事故過(guò)電壓壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓：U1MA1.33*1.414*UB =1.33*1.414*234 =440.1(V)通流容量: IPM110KFU2L/U1MA*I200.95=110*0.5*234*0.2540.95÷440.1=7.95(A)選用MY31-440V/500A的壓敏電阻,其殘壓比<1.8（2）直流側(cè)過(guò)壓保護(hù): 利用電組和電容吸收操作過(guò)壓A

32、. 電容C的參數(shù): C = 2LBKL2ID2 /(KV2-1)UD2= 2*2.94*103*0.52*15.62/(22-1)*2202 = 2.5(µF)取 C = 4µFUC > 2UD= 2*220 = 440(V)取 UC= 630(V)B. 電阻R的參數(shù):R = UD(KV-1) / KIID =220*(2-1)/0.5*15.6 = 28()取 R = 30PR PD/800 = 2.8*103/800 = 3.7(W)取 PR = 10W所以選定CD= 4µF/630V,RB = 30/10W2.4.3.2 過(guò)電流保護(hù)每個(gè)橋臂串個(gè)快速融斷

33、器額定電流：Irn KITIdmax /2KInp =0.367*1.5*15.6/2*1.1= 13.4（A）取 Irn= 20A額定電壓: Urn KVTUUb/1.414 = 233.9（V）取 Urn = 400V實(shí)際選用 RSO20A/400V 6只2.4.4平波電抗器的參數(shù)計(jì)算2.4.4.1 限制電流脈動(dòng)的電感量LmL =(Udm/UL)*103*U2 / 2fbSiId = 0.46*103*135/ 2*300*(5-10)%*15.6= 42.3mH21.1mH2.4.4.2 使電流連續(xù)的電感量LlLl = KLUL/Idmax = 0.693*135/1.25 = 74.8

34、mH2.4.4.3電動(dòng)機(jī)電樞電感LD和變壓器電感LBLD=KDUD*103/2PnID =(8-12)220000/4*1500*15.6=18.8-28.2mHLB =1.3mH 實(shí)際選定PBK-1型(50mH/20A)平波電抗器一臺(tái)。2.5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理與控制單元見(jiàn)圖2-8:圖28 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖其中GL給定器 LSF零速封鎖器ASR轉(zhuǎn)速調(diào)速器材ACR電流調(diào)節(jié)器SB轉(zhuǎn)速變速器材LB電流變送器GL過(guò)流保護(hù)器材CF觸發(fā)器本小節(jié)有助于加深對(duì)電氣組成部分的工作原理的整體理解。以下各圖電子組件型號(hào)和參數(shù)的取值是根據(jù)后續(xù)計(jì)算與工程例所得。其關(guān)鍵取值在電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中，他們保證

35、了系統(tǒng)性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。這在第三章會(huì)有詳盡的闡述。2.5.1過(guò)流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)見(jiàn)圖2-9:圖2-9 過(guò)流保護(hù)器(GL)、電流變送器(LB)2.5.2電流調(diào)節(jié)器(ACR)見(jiàn)圖2-10:圖2-10 電流調(diào)節(jié)器(ACR)2.5.3零速封鎖器(LSF)見(jiàn)圖2-11:圖2-11零速封鎖器(LSF)2.5.4給定器(GD)見(jiàn)圖2-12:圖2-12給定器(GD)2.5.5轉(zhuǎn)速變送器(SB)見(jiàn)圖2-13:圖2-13 轉(zhuǎn)速變送器(SB)2.5.6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)見(jiàn)圖2-14:圖2-14 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)2.5.7鋸齒波觸發(fā)器(GT)本調(diào)速系統(tǒng)須6個(gè)可控硅輪流觸發(fā)，圖2-15是1GT的觸

36、發(fā)器電路，其余五個(gè)可類(lèi)推。圖2-15鋸齒波觸發(fā)器(GT)2.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在對(duì)調(diào)節(jié)器具體設(shè)計(jì)之前，為了從整體理解整個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，這里先給出了各調(diào)節(jié)器和變送器的傳遞函數(shù)。他們的理論根據(jù)在第三章具體闡述。2.6.1電流調(diào)節(jié)器和電流變送器的傳函2.6.1.1 電流調(diào)節(jié)器ACR的傳遞函數(shù)Uct (s ) /Un*( s )-Id(s)= Ki (is+1) /is（Tois+1）其中： Ki=Ri/Ro電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i=RiCi電流調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)Toi=0.25RiCoi電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) 電流反饋系數(shù)2.6.1.2 電流變送器LB的傳遞函數(shù) Id (s) / Id

37、 (s)= (v/A)2.6.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速變送器的傳函2.6.2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)U i*(s) / U n*(s) -n(s) =Kn (ns+1) /ns（Tons+1）其中：Kn=Rn/R0轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)n=RnCn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)Ton=0.25RnCon轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)2.6.2.2 轉(zhuǎn)速變送器SB的傳遞函數(shù)Un(s)/n(s)=a（v/rpm）2.6.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，由上述各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波

38、時(shí)間常數(shù)Toi按需要給定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號(hào)中的交流分量，但同時(shí)也給反饋信號(hào)帶來(lái)延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號(hào)通道中加入一個(gè)一樣時(shí)間常數(shù)Toi的慣性環(huán)節(jié)，稱(chēng)作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：使給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)同樣的延滯，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰?lái)設(shè)計(jì)上的方便。同樣，由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機(jī)的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)由Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，也需要在轉(zhuǎn)速給定通道配上時(shí)間常數(shù)為T(mén)on為濾波環(huán)節(jié)6。所以實(shí)際的電路需增加電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波、和兩個(gè)給定濾波環(huán)節(jié)，見(jiàn)圖2-16:圖2-16 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.7 本章小結(jié)本章在簡(jiǎn)要介

39、紹了本設(shè)計(jì)所涉與的參數(shù)測(cè)定后，重點(diǎn)分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與數(shù)學(xué)模型，得出了其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。對(duì)主電路設(shè)計(jì)計(jì)算和各主要電氣控制單元也做了必要的闡述。第3章 按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.1 設(shè)計(jì)要求本論文首先應(yīng)用經(jīng)典控制理論的工程設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標(biāo)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法, 設(shè)計(jì)此調(diào)速系統(tǒng)。3.1.1基本數(shù)據(jù)（其中包括銘牌數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)）（1）被控直流電動(dòng)機(jī) Pnom=2.8 kw Unom=220 v Inom=15.6 A Nnom=1500 rpm RD=1.41 Ce=0.129 V/rpm=1.

40、5 Cm=0.125 kg.m/A（2）整流裝置 三相全控橋式整流電路 Rn=RB+R+RN=1.60 Ks=Ud/Uk=40 Ts=1.7 ms（3）電樞回路總電阻 RRn+Rs=RB+R+RN+Rp+RD=3.11（4）電樞回路總電感 L=LB+Lp+LD=74.58 mH（5）電動(dòng)機(jī)軸一總飛輪矩 GD2=0.5932 kg.m2（6）系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) Tl0.02398 s Tm=0.30460 s（7）反饋濾波時(shí)間常數(shù) Toi=0.005 s Ton=0.01 s（8）調(diào)節(jié)器最大給定電壓 U*nm=U*im=8 v（9）調(diào)節(jié)器輸入回路電阻 R0=40 k3.1.2設(shè)計(jì)指標(biāo) （1）負(fù)載：恒轉(zhuǎn)

41、矩負(fù)載 Idl=0.8Inom（2）起動(dòng)方式：空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，Ido=0.05Inom（3）性能指標(biāo)： 1）調(diào)速圍：D10 2）靜差率：S4% 3）電流超調(diào)量i%5% 4）轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10% 5)突加負(fù)載的動(dòng)態(tài)速降3% 6）恢復(fù)時(shí)間t1.5秒3.2 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器必須同時(shí)解決自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能要求8。作為工程設(shè)計(jì)方法,首先要使問(wèn)題簡(jiǎn)化,突出主要矛盾。簡(jiǎn)化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過(guò)程分為兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)

42、態(tài)性能指標(biāo)這樣做，就把穩(wěn)、準(zhǔn)、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問(wèn)題分成兩步來(lái)解決，第一步先解決主要矛盾動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進(jìn)一步滿足其它動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時(shí)，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時(shí)只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計(jì)算以下就可以了。這樣就使設(shè)計(jì)犯法規(guī)化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量6。在2.6.1和2.6.2中已給出了電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，此處詳細(xì)討論其理論依據(jù)與工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。3.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.3.1 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化 設(shè)計(jì)電流環(huán)首先遇到的問(wèn)題是反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的交叉反饋?zhàn)饔?。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對(duì)電流環(huán)的影響。實(shí)際

43、系統(tǒng)中的電磁時(shí)間常數(shù)TL一般遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過(guò)程往往比轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程快得多，也就是說(shuō)，比反電動(dòng)勢(shì)E的變化快得多。反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程中可以近似的認(rèn)為E不變，即E=0。這樣，在設(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)作用，而將電動(dòng)勢(shì)反饋?zhàn)饔脭嚅_(kāi)，從而得到忽略電動(dòng)勢(shì)影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi6。圖3-1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與其化簡(jiǎn)3.3.2確定電流環(huán)的時(shí)間常數(shù) 以下數(shù)據(jù)Ts和Toi,設(shè)

44、計(jì)任務(wù)書(shū)已給定。3.3.2.1三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=1.7ms 3.3.2.2 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi Toi =5ms3.3.2.3 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)TI = Ts+Toi=6.7ms (3-1)3.3.3電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先應(yīng)決定要把電流環(huán)校正成哪一類(lèi)典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值,因而在突加控制作用時(shí)不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā),應(yīng)該把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)?？呻娏鳝h(huán)還有另一個(gè)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)與時(shí)調(diào)節(jié)的作用,為了提高其抗擾性能,又希望把電流環(huán)校正成典系統(tǒng)。一般情況下,當(dāng)控制對(duì)象的兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比TL/TI 10時(shí),典系統(tǒng)

45、的抗擾恢復(fù)時(shí)間還是可以接受的。因此,一般多按典系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)電流環(huán)6。本設(shè)計(jì)因?yàn)?i% 5%且TL/TI =23.98/6.7<10。所以 按典系統(tǒng)設(shè)計(jì),選PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (3-2)式中 Ki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)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇=TL, 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡(jiǎn)為圖3-2：圖3-2 電流環(huán)簡(jiǎn)化成典系統(tǒng)3.3.4電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算3.3.4.1 計(jì)算時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù): I =Tl =23.98ms電流開(kāi)環(huán)增益: 要求i%5%, 應(yīng)取KITi=0.5因此 KI = 0.5/Ti=0.5/0.00

46、67=74.6（1/s）電流反饋系數(shù) (3-3)于是，ACR的比例系數(shù) : (3-4)3.3.4.2 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運(yùn)放取R0 =40k(),則Ri = KiR0 = 16.4k() (3-5)Ci =i /Ri= 0.02398/16.4k= 1.5F (3-6)Coi =4Toi /R0 =4*0.005/(40*103)=0.5F(3-7)在工程實(shí)際中Ri取16k.3.3.5校驗(yàn)近似條件電流環(huán)的截止頻率ci =KI =74.63.3.5.1 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件ci 1/3Ts現(xiàn)在，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1>ci ，滿足近似條件。3.3.5.

47、2 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 (3-8)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.30460*0.02398)1/2=35.10ci =KI =74.63.3.5.3 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 (3-9)1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.002)1/2=180.78>ci =74.6按上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)指標(biāo)I%=4.3%<5%。3.3.6電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)3.3.6.1 頻域指標(biāo) 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示,其開(kāi)環(huán)頻率特性為: (3-10)L()=20lgKI-20lg-20lg(1+Ti22)½(3-11)()=-9

48、0o-tg-1Ti (3-12)()=90o-tg-1Ti (3-13)根據(jù)典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨指標(biāo)和頻域指標(biāo)的參數(shù)的關(guān)系,當(dāng)KITi=0.5時(shí), 阻尼比=0.707，振蕩指標(biāo)MP=1，截止頻率 ci=KI=74.6因此 ()=-90o-tg-1Ti=-116.6o (ci)=180-()=63.4o3.3.6.2 跟隨性能指標(biāo)i%=4.3%<5% 上升時(shí)間tr=4.72Ti=4.72*0.0067=31.62ms 超調(diào)時(shí)間tm=6.5Ti=6.5*0.0067=43.55ms 調(diào)節(jié)時(shí)間tS=6Ti=6*0.0067=40.2ms3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)3.4.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)

49、在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)：(3-14) (3-15)近似條件: (3-16)式中 cn為轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計(jì)算完成后,需校驗(yàn)此近似條件。3.4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與其近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3-3（a）所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)，同時(shí)將給定信號(hào)改為U*n(s)/；再把時(shí)間常數(shù)為T(mén)on和2Ti的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén)n的慣性環(huán)節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖3-3（b）。圖3-3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)

50、結(jié)構(gòu)圖與其近似處理3.4.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇3.4.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型型系統(tǒng)的原因1). 系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)作用下，動(dòng)態(tài)速降要小。2). ST飽和時(shí)，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。 3). 速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。3.4.3.2 典型型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標(biāo)的關(guān)系為了分析方便起見(jiàn)，引入一個(gè)新的變量h，令h=/T=2/1(3-17)h是斜濾為-20dB/dec的中頻斷的寬度(對(duì)數(shù)坐標(biāo))，稱(chēng)作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此h只是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。從頻率特性上還可看出，由于T一定，改變就等于改變了中頻寬h；在確定以后，再改變K相當(dāng)于是開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性上下平移，從

51、而改變了截止頻率c。因此在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)，選擇兩個(gè)參數(shù)h和c，就相當(dāng)于選擇參數(shù)和K。由“振蕩指標(biāo)法”中所用的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則，對(duì)于一定的h值，只有一個(gè)確定的c(或K)，可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin，這時(shí)c和1，2之間的關(guān)系是 2/c = 2h/(h+1) (3-18)c/1 = (h+1)/2 (3-19)而 1+2 = 2c/(h+1)+2hc/(h+1)=2c因此 c=(1/2)(1+2)=(1/2)(1/+1/T) (3-20)對(duì)應(yīng)的最小M峰值是Mrmin=(h+1)/(h-1) (3-21)確定了h和c以后,可以很容易的計(jì)算和K。由h的定義知=hT (3-22)9

52、 (3-23)3.4.4轉(zhuǎn)速調(diào)解器參數(shù)的計(jì)算 要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 (3-24)式中 Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù). 這樣,調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 (3-25)其中,轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 KN =KnR/(nCeTm) (3-26)上述近似的假定條件如下(1) cn1/(5TI)=29.85rad/sec 見(jiàn)(3-11)(2)小時(shí)間常數(shù)近似條件: (3-27)即cn(1/3)(1/(2*0.0067*0.01)1/2=28.80(rad/sec)其中轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù): Ton = 0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù): Tn = 2TI + Ton = 0.0234s 按跟隨性能和抗擾性能都比較好的原則,取h=5則ASR的超前時(shí)間常數(shù):n=hTn=5*0.0234=0.117(s)再由式(3-23),轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 KN =(h+1)/(2h2Tn2)