#直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

第一部分并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作原理并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組相并聯(lián)，作為并勵(lì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是電機(jī)本身發(fā)出來(lái)的端電壓為勵(lì)磁繞組供電；作為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁繞組和電樞共用同一電源，從性能上講和他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同。導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞一個(gè)力矩，這個(gè)力矩在旋轉(zhuǎn)電機(jī)里稱為電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針?lè)较?，企圖使電樞逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載轉(zhuǎn)矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)了 °后，導(dǎo)體轉(zhuǎn)到極下，導(dǎo)體轉(zhuǎn)到極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷流入，經(jīng)導(dǎo)體、后，從電刷流出。這時(shí)導(dǎo)體受力方向變?yōu)閺挠蚁蜃螅瑢?dǎo)體 受力方向是從左向右，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍為逆時(shí)針?lè)较?。因此，電樞一?jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體和流入，使線圈邊只要處于極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷流入的方向，而在極下時(shí)，總是從電刷流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，從而形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)原理轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成，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 。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)。限幅的作用：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 的輸出限幅電壓――電流給定電壓的最大值，即限制了最大電流；T電流調(diào)節(jié)器 的輸出限幅電壓――的最大值，即限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 。第二部分算法的基本原理調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用i比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) ，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。、微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)變化速率，并能在偏差信號(hào)的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。下面對(duì)控制點(diǎn)所采用的PID控制算法進(jìn)行說(shuō)明。

控制點(diǎn)目前包含三種比較簡(jiǎn)單的PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。這三種PID算法雖然簡(jiǎn)單，但各有特點(diǎn)，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(hào)含義如下u(t);;;;;控制器的輸出值。e(t);;;;;控制器輸入和設(shè)定值之間的誤差。Kp;;;;;;;比例系數(shù)。Ti;;;;;;;積分時(shí)間常數(shù)。Td;;;;;;;微分時(shí)間常數(shù)。T;;;;;;;;調(diào)節(jié)周期。對(duì)于增量式算法，可以選擇的功能有：(1)濾波的選擇可以對(duì)輸入加一個(gè)前置濾波器，使得進(jìn)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(dòng)態(tài)過(guò)程加速在增量式算法中，比例項(xiàng)和積分項(xiàng)的符號(hào)有以下關(guān)系：如果被控量繼續(xù)偏離給定值，則這兩項(xiàng)符號(hào)相同，而當(dāng)被控量向給定值方向變化時(shí)，則這兩項(xiàng)的符號(hào)相反。由于這一性質(zhì)，當(dāng)被控量接近給定值的時(shí)候，反號(hào)的比例作用阻礙了積分作用，因而避免了積分超調(diào)以及隨之帶來(lái)的振蕩，這顯然是有利于控制的。但如果被控量遠(yuǎn)未接近給定值，僅剛開(kāi)始向給定值變化時(shí)，由于比例和積分反向，將會(huì)減慢控制過(guò)程。為了加快開(kāi)始的動(dòng)態(tài)過(guò)程，我們可以設(shè)定一個(gè)偏差范圍v,當(dāng)偏差|e⑴|<B時(shí)，即被控量接近給定值時(shí)，就按正常規(guī)律調(diào)節(jié)，而當(dāng)|e(t)|>=B時(shí)，則不管比例作用為正或?yàn)樨?fù)，都使它向有利于接近給定值的方向調(diào)整，即取其值為|e(t)-e(t-1)|,其符號(hào)和積分項(xiàng)一致。利用這樣的算法，可以加快控制的動(dòng)態(tài)過(guò)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(jī)械或物理的積分儲(chǔ)存單元，如果給定值發(fā)生突變時(shí)，由算法的比例部分和微分部分計(jì)算出的控制增量可能比較大，如果該值超過(guò)了執(zhí)行元件所允許的最大限度，那么實(shí)際上執(zhí)行的控制增量將時(shí)受到限制時(shí)的值，多余的部分將丟失，將使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程變長(zhǎng)，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(bǔ)償法，當(dāng)超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行能力時(shí)，將其多余部分積累起來(lái)，而一旦可能時(shí)，再補(bǔ)充執(zhí)行。第三部分各單元模塊設(shè)計(jì)晶閘管直流傳動(dòng)年代前后在我國(guó)得到大力的推廣和使用，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展歷史，還停留在分立器件的基礎(chǔ)上，體積大，接線復(fù)雜，使用極不方便而且價(jià)格昂貴。我公司開(kāi)發(fā)的雙閉環(huán)直流調(diào)速模塊，本著集成和使用方便的原則將直流調(diào)速系統(tǒng)模塊化。先進(jìn)的工藝流程和高性能的電路設(shè)計(jì)大大提高了模塊的使用壽命和可靠性，而且性價(jià)比很高，為直流調(diào)速領(lǐng)域增添了新的活力。

一、模塊內(nèi)部的電路構(gòu)成本模塊內(nèi)含功率晶閘管、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速電路、積分電路、電流反饋電路、以及缺相和過(guò)流保護(hù)電路，其方框圖見(jiàn)圖1圖雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流及轉(zhuǎn)速變化圖（一）功率晶閘管完成變流及功率調(diào)整，采用進(jìn)口方形芯片、高級(jí)芯片支撐板，經(jīng)特殊燒結(jié)工藝，保證焊接層無(wú)空洞，使用板及其它高級(jí)導(dǎo)熱絕緣材料，導(dǎo)熱性能好，基板不帶電，使用安全可靠。熱循環(huán)次數(shù)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)近倍，具有很長(zhǎng)的使用壽命。（二）積分環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)軟起動(dòng)，并且起動(dòng)時(shí)間可調(diào)，設(shè)計(jì)時(shí)給用戶預(yù)留兩個(gè)端口，其連接如圖，調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，可改變積分時(shí)間長(zhǎng)短，從而達(dá)到改變電機(jī)起動(dòng)時(shí)間的目的。積分環(huán)節(jié)適用于起動(dòng)過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)的場(chǎng)合，如高爐卷?yè)P(yáng)機(jī)、礦井提升機(jī)、冷熱連軋機(jī)等。當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，通過(guò)給定積分器變換成有一定斜率的線性漸變輸出信號(hào)，作為速度調(diào)節(jié)器的給定輸入，給定積分器的穩(wěn)定輸出即為電機(jī)的速度給定，給定積分器輸出的變化斜率即為電機(jī)的加速度，其啟動(dòng)電流波形圖見(jiàn)圖2如果用戶要求在負(fù)載一定的條件下，電機(jī)以最大的等加速度起動(dòng)，可把積分環(huán)節(jié)去掉，模塊留出兩個(gè)端口作為電流環(huán)和速度環(huán)的輸出限幅（如圖），調(diào)節(jié)電流環(huán)的輸出限幅，

改變電機(jī)的最大起動(dòng)電流，獲得理想的過(guò)渡過(guò)程。其起動(dòng)電流波形圖見(jiàn)圖（三）轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)電路 速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動(dòng)，采用雙調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。設(shè)計(jì)過(guò)程采用“二階最佳”參數(shù)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)效果選擇最佳參數(shù)。從抑制超調(diào)的觀點(diǎn)出發(fā)，電流環(huán)校正成典型型系統(tǒng)。為使系統(tǒng)在階躍擾動(dòng)時(shí)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，并具有較好的抗擾性能，速度環(huán)設(shè)計(jì)成典型型系統(tǒng)。內(nèi)外環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性的比較，圖畫(huà)出了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性:從上圖可以看出，圖中轉(zhuǎn)折頻率和截止頻率點(diǎn)一個(gè)比一個(gè)小，這是一個(gè)必然的規(guī)律。這樣設(shè)計(jì)的雙環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)總比內(nèi)環(huán)慢。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)整過(guò)程一般是先外環(huán)后內(nèi)環(huán)，電流環(huán)要想提高系統(tǒng)的動(dòng)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(guān)系是1 3速度環(huán)要想提高動(dòng)態(tài)效果，從典型型系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)中得出，它的動(dòng)態(tài)效果是一個(gè)中間的參數(shù)，需要反復(fù)調(diào)試，增大電阻可提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，相應(yīng)的減小電阻可獲得良好的動(dòng)態(tài)效果，具體情況可根據(jù)用戶的系統(tǒng)參數(shù)要求調(diào)節(jié)，其關(guān)系是 （電流超調(diào)量=），模塊設(shè)計(jì)過(guò)程留出四個(gè)端口（其聯(lián)接如圖），作為速度環(huán)和電流環(huán)的阻容端，用戶可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)。（四） 電流反饋 采用國(guó)外進(jìn)口霍爾傳感器，并置于模塊內(nèi)部。主要完成電流信號(hào)的取樣，具有極高的線性度，簡(jiǎn)化Y系統(tǒng)的外圍器件。（五）保護(hù)電路模塊內(nèi)部設(shè)置過(guò)流和缺相保護(hù)電路，保證Y電機(jī)的安全運(yùn)行，而且留出一個(gè)端口作為過(guò)流保護(hù)給定信號(hào)輸入（其聯(lián)接如圖），用戶可以根據(jù)自己設(shè)備的過(guò)載能力調(diào)節(jié)，更加突出了本模塊的使用靈活性。三、模塊的使用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速電路，因其具有極高的調(diào)速范圍、很好的動(dòng)靜態(tài)性能及抗擾性能，在調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的使用。實(shí)驗(yàn)條件：模塊為一一，直流電動(dòng)機(jī)： ， ,0允許過(guò)載倍數(shù)為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：速度超調(diào)量 ％,電流超調(diào)量 ％,調(diào)整時(shí)間 。振蕩次數(shù)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路圖TA---1—CZP-II-

2CRLM0-U.|>LM凡—+Jrp2系統(tǒng)各環(huán)節(jié)計(jì)算()直流電機(jī)參數(shù)②T=0.03s

aV/r-min-1④T=0.18s

m整流器②k=400電流反饋環(huán)節(jié)■闔一.揪T=0.001sf（）速度反饋環(huán)節(jié)①aT=0.002sfn電流環(huán)設(shè)計(jì)（二階優(yōu)化）①T②TFT=0.001sf⑤電流調(diào)節(jié)器電路參數(shù)R11=R22=20KQ， Rf=1.275*20*1000=25.5KQM M速度優(yōu)化設(shè)計(jì)（三階）Tei=2*0.003=0.006sTen=0.008stn=0.032sKn=0.18*0.049*0.132/0.016*0.0068*0.5=0.00116424/0.0000544=21.4Ta=4*0.024+5*0.002=0.106s⑥速度調(diào)節(jié)器電路參數(shù)R11=R22=20KQ， Rf=Kn*R11=428KQMf M總結(jié)和體會(huì)這次電機(jī)控制課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩個(gè)星期，在整整兩個(gè)星期的日子里，可以說(shuō)得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到過(guò)的知識(shí)。.學(xué)習(xí)是沒(méi)有止境的。在做這個(gè)課程設(shè)計(jì)之前，我一直以為自己的理論知識(shí)學(xué)的很好了。但是在完成這個(gè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我總是被一些小的，細(xì)的問(wèn)題擋住前進(jìn)的步伐，讓我總是為了解決一個(gè)小問(wèn)題而花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。最后還要查閱其他的書(shū)籍才能找出解決的辦法。并且我在做設(shè)計(jì)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有很多東西，我都

還不知道。其實(shí)在計(jì)算設(shè)計(jì)的時(shí)候，基礎(chǔ)是一個(gè)不可缺少的知識(shí)，但是往往一些核心的高層次的東西更是不可缺少。.多和同學(xué)討論。我們?cè)谧稣n程設(shè)計(jì)的工程中要不停的討論問(wèn)題，這樣，我們可以盡可能的統(tǒng)一思想，這樣就不會(huì)使自己在做的過(guò)程中沒(méi)有方向，并且這樣也是為了方便最后程序和