電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

1、摘摘 要要電流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在工程中應(yīng)用廣泛，為了使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前廣泛應(yīng)用的是基于一些標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便。計(jì)算機(jī)仿真可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過程。通過對(duì)數(shù)字仿真模型的運(yùn)行過程的觀察和設(shè)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。本文介紹的是用一臺(tái) 1.1kw 的電流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，并利用 matlab 中的 simulink 工具箱，對(duì)電流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析及參數(shù)調(diào)

2、試。主要是從主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及調(diào)試等幾個(gè)方面來進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。關(guān)鍵詞：電流調(diào)速 雙閉環(huán)系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 simulinkabstractcurrent motor double closed loop speed regulation system is widely used in engineering. system design must be executed in order to make the system has a good dynamic performance. it is used widely is based

3、 on some standard forms of the system design, its advantage is easy and convenient. computer simulation can not run real system, as long as the actual system is built on computer digital simulation model by simulation object, imitate the running status and changes with time process. through the proc

4、ess of digital simulation model of observation and design, get simulation system simulation output parameters and basic characteristics, in order to estimate and inferred the real actual system parameters and the real performance. this paper designs current double closed loop speed regulation system

5、 composed with a 1.1 kw current motor. based on the theory of design in the current double closed loop speed regulation system, simulation analysis and parameter system commissioning are completed using matlab toolbox for current speed simulink, which mainly concluding the main circuit design, contr

6、ol circuit design, establishing mathematics model, the system of computer simulation and debugging and so on .keywords: speed control of dc-drivers double-closed-loop system current regulatorspeed regulator simulink toolbox目目 錄錄摘摘 要要 1目目 錄錄 2第一章第一章 引言引言 1第二章第二章 調(diào)速方案的選擇調(diào)速方案的選擇 32.0 設(shè)計(jì)任務(wù)與分析32.1 調(diào)速系統(tǒng)總體

7、設(shè)計(jì)32.1.1 理想的起動(dòng)波形42.1 主電路的方案選擇52.1.1 可控整流器的選擇52.1.2 可逆線路的選擇52.2 控制電路的方案選擇62.3 仿真工具的選擇6第三章第三章 主電路的設(shè)計(jì)主電路的設(shè)計(jì) 83.1 設(shè)定數(shù)據(jù)83.2 電源的選擇83.3 整流電路的選擇93.3.2 整流元件的選擇103.3.3 勵(lì)磁電路元件的選擇103.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)103.4.1 交流側(cè)過電壓保護(hù)103.4.2 電流側(cè)過電壓保護(hù)123.4.3 晶閘管兩端的過電壓保護(hù)133.4.4 過電流保護(hù)143.5 觸發(fā)電路的選擇14第四章第四章 控制電路的設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì) 164.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)164

8、.2 電流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型164.3 電流環(huán)的設(shè)計(jì)184.3.1 電流調(diào)節(jié)器的工作原理184.3.2 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化194.3.3 參數(shù)的確定204.3.4 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計(jì)算204.4 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)224.4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理224.4.2 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)224.4.3 參數(shù)的確定234.4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計(jì)算24第五章第五章 系統(tǒng)的仿真分系統(tǒng)的仿真分析析 275.1 matlab 仿真軟件介紹 275.1.1 matlab 軟件275.1.2 simulink 仿真環(huán)境 285.2 數(shù)學(xué)模型的建立285.3 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析295.3.1 仿

9、真波形分析315.4 結(jié)論32致致 謝謝 33參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 34第一章第一章 引言引言現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動(dòng)裝置。因此調(diào)速系統(tǒng)成為當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。隨著生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求不斷提高和產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使得越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。對(duì)可調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。近幾年，雖然交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢(shì)。但是直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論是現(xiàn)代控制理論的基石，直流調(diào)速的研究同樣也是交流調(diào)速研究的前奏。首先應(yīng)該更好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

10、的方法有：調(diào)節(jié)電樞供電電壓 u 、減弱勵(lì)磁磁通 、改變電樞回路電阻 r 。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，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(jiǎn)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、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。50 年代末出現(xiàn)的晶閘管，它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、

11、壽命長(zhǎng)、維修簡(jiǎn)便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。因而，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展，晶閘管變流技術(shù)也日益成熟，直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。直流調(diào)速系統(tǒng)憑借優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、范圍寬、精度高、過載能力大、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)中各種不同的特殊運(yùn)行要求，所以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。至今在金屬切削機(jī)床、軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙機(jī)等需要高調(diào)速性能的各類可控電力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，直流調(diào)速到目前為止仍是調(diào)速系統(tǒng)的主要形式1957 年，晶閘管（俗稱可控硅整流元件，簡(jiǎn)稱可控硅）問世，

12、到了 60 年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生根本性的變革，開始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。到今天，晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱 v-m 系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。本文采用的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即先設(shè)計(jì)好電流環(huán)后將其等效成速度環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再對(duì)速度環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前廣泛應(yīng)用的直流調(diào)速設(shè)計(jì)方法是基于某些標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行的，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，但設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能指標(biāo)是相同的，實(shí)際系統(tǒng)所要求的指標(biāo)往往是不同的，所以采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不一定都能得到滿意的結(jié)果。如果我們?cè)诎瓷鲜鲈O(shè)計(jì)法確定調(diào)節(jié)器形式的基礎(chǔ)上，再找出調(diào)節(jié)器參數(shù)改變時(shí)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)性能指標(biāo)的變化趨勢(shì)，那么在實(shí)際系

13、統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)就可以根據(jù)得到的變換趨勢(shì)，按系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求來調(diào)整和選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)，從而獲得實(shí)際系統(tǒng)要求的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在設(shè)計(jì)中，基于理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)情況作參數(shù)的調(diào)整是非常重要的，也是必不可少的。這是因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)的參數(shù)，往往與計(jì)算值或銘牌數(shù)據(jù)有一定的差別，系統(tǒng)某些環(huán)節(jié)的非線性影響等因素存在，使系統(tǒng)在配置設(shè)計(jì)參數(shù)后并不能馬上獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。傳統(tǒng)的調(diào)試方法是將整個(gè)系統(tǒng)按理論設(shè)計(jì)的結(jié)果建立一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，然后將系統(tǒng)分成若干個(gè)控制單元，并對(duì)每個(gè)控制單元進(jìn)行調(diào)試，最后將各個(gè)單元構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，并進(jìn)行調(diào)試，這種傳統(tǒng)的調(diào)試方法在使用過程中不僅費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且不易產(chǎn)生滿意的結(jié)果。因此我們采用計(jì)算

14、機(jī)仿真技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過程。通過對(duì)數(shù)字仿真模型的運(yùn)行過程的觀察和設(shè)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。matlab 語(yǔ)言是一個(gè)具有高級(jí)數(shù)值分析、處理與計(jì)算功能的軟件。其中的工具箱simulink 是基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，利用 simulink 工具箱可以非常有效的對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，可以非常直觀的觀察電動(dòng)機(jī)電流和轉(zhuǎn)速相應(yīng)情況進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，是目前國(guó)際上廣泛流行的工程仿真技術(shù)。本文就是利用matlab 中的 simulink

15、 工具箱，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，通過仿真方法來調(diào)整理論設(shè)計(jì)所得的參數(shù)，找出系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在工程中應(yīng)用廣泛，為了使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前廣泛應(yīng)用的是基于一些標(biāo)準(zhǔn)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便。計(jì)算機(jī)仿真可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過程。通過對(duì)數(shù)字仿真模型的運(yùn)行過程的觀察和設(shè)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。本文介紹的是用一臺(tái) 1.1kw 的直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了直流雙閉環(huán)調(diào)速系

16、統(tǒng)，并利用 matlab 中的 simulink 工具箱，對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析及參數(shù)調(diào)試。主要是從主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真及調(diào)試等幾個(gè)方面來進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。第二章第二章 調(diào)速方案的選擇調(diào)速方案的選擇2.0 設(shè)計(jì)任務(wù)與分析設(shè)計(jì)任務(wù)與分析直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以應(yīng)該首先掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。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)是比較基礎(chǔ)比較容易掌握的，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)

17、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。原因是因?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。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 的恒流過程，采用電流負(fù)反饋就可以得到近似的恒流過程。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個(gè)問題。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)

18、律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，所以掌握直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。本設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實(shí)現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對(duì)控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個(gè)組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)。2.12.1 調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)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)

19、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。兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。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*imucmu變換器的最大輸出電壓。dmu由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 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，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖 2-1 所示：圖 2-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)2.1.12.1.1 理想的起動(dòng)波形理

20、想的起動(dòng)波形下面為理想的起動(dòng)波形圖：圖 2-2 止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 2-3 理想的快速起動(dòng)過程2.1 主電路的方案選擇主電路的方案選擇2.1.1 可控整流器的選擇可控整流器的選擇由于晶閘管是只具備控制接通、無自關(guān)斷能力的半控制型器件，因此在電流調(diào)速系統(tǒng)中，最常采用的可控整流器就是晶閘管可控整流器。其特點(diǎn)是：無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省；而且工作可靠、功耗小、效率高。一般來說，對(duì)于晶閘管整流裝置我們均采用三相整流電路。三相整流電路的類型很多，包括三相半波可控整流電路、三相橋式全控整流電路等，這里我們采用后一種。因?yàn)槿喟氩煽卣麟娐凡还苁枪碴帢O還是共陽(yáng)極接法，都只用三

21、個(gè)晶閘管，其繞組利用率低，且電流是單方向的，為防止鐵心飽和必須加大變壓器鐵心的截面積，因而還要引起附加損耗。整流的負(fù)載電流要流入電網(wǎng)零線，亦引起額外損耗，特別是增大零線電流，須加大零線的截面。而三相橋式全控整流電路，由于共陰極組在正半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的是正向電流；共陽(yáng)極組在負(fù)半周導(dǎo)電，流經(jīng)變壓器的是反向電流。因此變壓器繞組中沒有電流磁通勢(shì)，每相繞組正負(fù)半周都有電流流過，提高了變壓器繞組的利用率。2.1.2 可逆線路的選擇可逆線路的選擇由一組晶閘管裝置供電的單閉環(huán)和多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)都只是朝著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的，因此只能獲得單象限的運(yùn)行，然而由許多生產(chǎn)機(jī)械卻要求電動(dòng)機(jī)既能正、反轉(zhuǎn)，又能快速制動(dòng)

22、，需要四象限運(yùn)行的特性，此時(shí)必須采用可逆調(diào)速系統(tǒng)。在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，可逆線路由兩種方式，即電樞反接可逆線路和勵(lì)磁反接可逆線路。本設(shè)計(jì)采用電樞反接可逆線路。2.2 控制電路的方案選擇控制電路的方案選擇采用轉(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。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。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)速。對(duì)于像龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)那樣的經(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)距）受限的條件下

23、，希望充分利用電機(jī)的容許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)距）為容許的最大值，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)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)距馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)在容許條件下最快起動(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，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該能得到近似的恒流過程。我們希望在起動(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，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，因此，我們采用雙閉環(huán)電流調(diào)速系統(tǒng)。2.3 仿真工具

24、的選擇仿真工具的選擇計(jì)算機(jī)仿真可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過程。通過對(duì)數(shù)字仿真模型的運(yùn)行過程的觀察和設(shè)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。matlab是一個(gè)高級(jí)的數(shù)值分析、處理與計(jì)算功能的軟件；simulink是基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是 matlab的一個(gè)工具箱。simulink不需過多的了解 “數(shù)值問題 ” ，而是側(cè)重于系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計(jì)問題。它是一個(gè)用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包，不但支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿

25、真，也可進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真或二者的混合系統(tǒng)仿真，同時(shí)它支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。計(jì)算機(jī)仿真可以不運(yùn)行實(shí)際系統(tǒng)，只要在計(jì)算機(jī)上建立數(shù)字仿真模型，模仿被仿真對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的過程。通過對(duì)數(shù)字仿真模型的運(yùn)行過程的觀察和設(shè)計(jì)，得到被仿真系統(tǒng)的仿真輸出參數(shù)和基本特征，以此來估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能。matlab 是一個(gè)高級(jí)的數(shù)值分析、處理與計(jì)算功能的軟件；simulink 是基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是 matlab 的一個(gè)工具箱。仿真軟件 matlab 的介紹matlab 是美國(guó) math works 公司的軟件產(chǎn)品，是一個(gè)高級(jí)的數(shù)值分析、處理與計(jì)算軟件；si

26、mulink 是基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件，是 matlab 的一個(gè)工具箱。70 年代中期，cleve moler 博士和他的同事在美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下開發(fā)了linpack 和 eispack 的 fortran 子程序庫(kù)，這兩個(gè)程序庫(kù)是用于解線性方程和特征值問題的，代表了當(dāng)時(shí)矩陣計(jì)算軟件的最高水平，matlab 逐漸為人們所接受并成為應(yīng)用數(shù)學(xué)界的術(shù)語(yǔ)。80 年代初期，工程師 john little 領(lǐng)悟到 matlab 的潛在應(yīng)用天地是工程領(lǐng)域，具有較高的商業(yè)價(jià)值。因此，他與 moler、steve bangert 等人一起開發(fā)了第二代專業(yè)版matlab（增加了數(shù)據(jù)圖形功能

27、） ，并與 1984 年共同創(chuàng)造了 math works 公司，將matlab 正式推向市場(chǎng)。在 matlab 之前，國(guó)內(nèi)外已有大量的數(shù)值計(jì)算軟件，他們大多是用 fortran 或c 語(yǔ)言編寫，其共同的缺點(diǎn)是：適應(yīng)面窄，可擴(kuò)充性差、不開放等等，推廣應(yīng)用比較難。matlab 的出現(xiàn)打破了這一局面，它的高度適應(yīng)性、可擴(kuò)充性等優(yōu)良性能吸引了眾多的科技界人士，很多人先后在 matlab 上開發(fā)出自己的“工具箱” ，從而使得 matlab 一步步的壯大起來。simulink 使數(shù)字仿真技術(shù)進(jìn)入到一個(gè)嶄新的階段，它不需要過多的了解“數(shù)值問題” ，而使側(cè)重于系統(tǒng)的建模、分析與設(shè)計(jì)問題，其良好的人機(jī)界面即周到

28、的幫助功能使得它廣為科技界與工程界的人們所應(yīng)用。simulink 是一個(gè)用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包，它不但支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真，也可進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真或二者的混合系統(tǒng)仿真，同時(shí)它支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。simulink 提供了使用系統(tǒng)模型框圖進(jìn)行組態(tài)的仿真平臺(tái)，使用 simulink 進(jìn)行仿真和分析可以像在紙上繪圖一樣簡(jiǎn)單。它比傳統(tǒng)的仿真軟件包更直觀、方便。它是matlab 的進(jìn)一步擴(kuò)展，它不但實(shí)現(xiàn)了可視化的動(dòng)態(tài)仿真，也實(shí)現(xiàn)了與 matlab、c 或者 fortran 甚至和硬件之間的相互數(shù)據(jù)傳遞，大大的擴(kuò)展了它的功能。simuli

29、nk 不但可以進(jìn)行仿真，也可以進(jìn)行模型分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。simulink 不需過多的了解“數(shù)值問題” ，而是側(cè)重于系統(tǒng)的建模、分析和設(shè)計(jì)問題。它是一個(gè)用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、建模和分析的軟件包，不但支持線性系統(tǒng)仿真，也支持非線性系統(tǒng)仿真，既可以進(jìn)行連續(xù)系統(tǒng)仿真，也可進(jìn)行離散系統(tǒng)仿真或二者的混合系統(tǒng)仿真，同時(shí)它支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)仿真。這里我們就借助于 simulink 來分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。第三章第三章 主電路的設(shè)計(jì)主電路的設(shè)計(jì)3.1 設(shè)定數(shù)據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)電流電機(jī)為 z2-32 型，額定功率 pd=1.1kw，額定電壓ud=220v，額定電流id=6.58a，額定轉(zhuǎn)數(shù) n=1000 轉(zhuǎn)

30、/分，電樞電阻 rd=4.92 歐，整流電源的內(nèi)阻為 rt=0.18 歐，電樞回路附加電阻 rp=1.88 歐，電樞電感 ld=0.03h 磁電壓 220v，勵(lì)磁電流為 1.6a。測(cè)速發(fā)電機(jī)的額定功率 23.1w，額定電壓 110v，額定電流 210ma，額定轉(zhuǎn)數(shù) 1900 轉(zhuǎn)/分。電抗器電感 l=0.0313h，整流變壓器電感 lt=0.017h。3.2 電源的選擇電源的選擇給定電壓的穩(wěn)定與否直接影響系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)精度影響甚大。為此在調(diào)速系統(tǒng)中，給定電壓一般由穩(wěn)壓電源供給。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)調(diào)速精度的要求不同，可以采用不同型式的穩(wěn)壓電源。根據(jù)電路要求可選用穩(wěn)壓管、晶體管、集成穩(wěn)壓

31、器等組成的穩(wěn)壓電源。由于用集成穩(wěn)壓器組成的穩(wěn)壓電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓精度高，故廣泛應(yīng)用在調(diào)速系統(tǒng)中。這里選用cm7815和cm7915三端集成穩(wěn)壓器作為控制電路電源，如圖3-1所示。圖 3-1 15v 電流穩(wěn)壓電源原理圖原理圖器件明細(xì)表序號(hào)代號(hào)名稱規(guī)格數(shù)量1b1,b2橋堆2a,200v22c1,c2電解電容2200f,63v23c3,c4電容0.1f247815三端集成穩(wěn)壓器+15v,1.5a157915三端集成穩(wěn)壓器-15v,1.5a16c5,c6電容0.33f27vd1,vd2二極管2cp1223.3 整流電路的選擇整流電路的選擇3.3.1 整流變壓器的計(jì)算一般情況下，整流裝置所要求的交流供電電壓

32、與電網(wǎng)電壓不一致，因此需要使用整流變壓器。此外，整流變壓器還可以減小電網(wǎng)和整流裝置的相互干擾。 （1）二次相電壓的計(jì)算2u取，考慮裕量，0.90=30查表可知 a2.34, b=coscos0.866o30則 d2uu =ab(11.2)220= (11.2)2.340.9 0.866121145v取 130v 2u因此，電壓比為 （2）一次和二次相電流 和的計(jì)算1i2i查表可知 =0.816, =o.8161ik2ik則 i1d11.05k ii =k (取 2a,)1.05 0.816 6.581.932.92v1i (取 )2i2di= k i = 0.8166.58 = 5.37a2i

33、 = 6a （3）變壓器的容量計(jì)算查表可知 12m = m = 3則 1111s = m u i = 2.28kva3 380 2 2222s = m u i=kva3 130 6 = 2.3412uk =u380= 2.92130 12s + ss =kva22.28+2.34= 2.3123.3.2 整流元件的選擇整流元件的選擇 由于本系統(tǒng)采用晶閘管整流電路，故整流元件為晶閘管。 （1）晶閘管的額定電壓tnm2u=u=u(2 3)(2 3) 6 =v(2 3) 6 130 = 637 955取 tnu=v800 （2）晶閘管的額定電流未接電抗器的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，負(fù)載性質(zhì)介于電阻與電感負(fù)載之間，

34、為了晶閘管工作可靠，按電阻負(fù)載選擇系數(shù) k。查表可知 k0.367按最大負(fù)載電流計(jì)算ddbii2 . 1則 t(av)dbi=ki(1.5 2) （1.52）0.3671.26.58 4.35.8a故取 t(av)i=a10故選用 kp108 晶閘管元件。3.3.3 勵(lì)磁電路元件的選擇勵(lì)磁電路元件的選擇整流二極管耐壓與主電路晶閘管相同，故取800v。額定電流為akiilavd2 . 188. 06 . 1367. 0)25 . 1 ()25 . 1 ()(故選用 zp38 型的二極管。3.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必

35、要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠的正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。3.4.1 交流側(cè)過電壓保護(hù)交流側(cè)過電壓保護(hù) （1）阻容保護(hù)在變壓器二次并聯(lián)電阻 r和電容c進(jìn)行保護(hù)，本系統(tǒng)采用如圖 3-2所示的三相變壓器二次側(cè) y聯(lián)接，阻容保護(hù) y聯(lián)接的接法。由于 1em22sc 6iu圖3-2 阻容保護(hù)的接法電容的耐壓 1c11.5cmuu emshiusur2213 . 2電阻功率 2rc1p (3 4)i r 61102ccufci其中， s為變壓器容量（va） ； u2為變壓器二次相電壓有效值（v） ； ir為通過電阻的電流 （a） ； iem為變壓器勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，一般為410； u

36、sh為變壓器的短路比，一般為 510； um為阻容兩端正常工作時(shí)交流電壓峰值（v） 。取 iem10， ush5則 2216usicem 322.31 106 108.2130f 耐壓 11.5cmuu1.56 130478v取 1c = 10f emshiusur2213 . 2 231305= 2.3= 11.92.31 1010取 115r 61102ccufci 6250 10 130 100.14a其中 ,為電源頻率， 50hzff 12)43(ripcr 2340.41157.610.1=( ）取 10rpw （2）非線性電阻保護(hù)在這里我們選用壓敏電阻作交流側(cè)浪涌過電壓保護(hù)。其保護(hù)

37、電路如圖3-3所示。圖3-3 壓敏電阻保護(hù)的接法圖中rv1為壓敏電阻，其主要參數(shù)為 標(biāo)稱電壓：指漏電流為 1ma時(shí)壓敏電阻上的電壓；aum1 通流量：在規(guī)定沖擊電流波形（前沿8 ，波形寬20 ）下，允許通過的浪涌峰值電ss流。其值應(yīng)大于實(shí)際可能產(chǎn)生的浪涌電流值，一般取5ka以上。1m1.3 2auu1.32 130239v其中， u為壓敏電阻兩端正常工作電壓的有效值（v） 。取 ， 通流量取 5ka，故選用 my240/5 的壓敏電阻。1m240auv3.4.2 電流側(cè)過電壓保護(hù)電流側(cè)過電壓保護(hù)由于阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會(huì)造成加大，因此，一般采用壓敏電阻作電流di dt側(cè)保護(hù)，如圖

38、3-4 所示。1madcu（1.82）u=(1.82)220396440v其中，為正常工作時(shí)加在壓敏電阻兩端的電流電壓（v） 。dcu選my430/3作電流側(cè)過電壓保護(hù)。圖 3-4 電流側(cè)壓敏電阻保護(hù)電路的接法3.4.3 晶閘管兩端的過電壓保護(hù)晶閘管兩端的過電壓保護(hù)為了抑制晶閘管的關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路的方法，如圖3-5所示。圖3-5 晶閘管兩端阻容保護(hù)電路接法阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定，見表3-6。表3-6管并聯(lián)的阻容經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)晶閘管額定電流/a1020501002005001000電容/f0.10.150.20.250.512電阻/100840201052由上表可

39、知，=0.1,=1002cf2r電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.11.5倍。則mu電容耐壓（ 1.11.5）（1.11.5）mu62u （1.11.5）130350477v6電阻的功率為2rr2p26r22mp= fc u * 10 26= 50* 0.1* (6 * 130) * 10= 0.5w其中， 為電源頻率（ hz） ；f 為晶閘管工作電壓峰值（v） 。mu3.4.4 過電流保護(hù)過電流保護(hù)過電流保護(hù)措施很多，其中快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施。快速熔斷器的接法如圖3.4.4所示。 （a）交流側(cè)快熔 （b）元件串聯(lián)快熔圖3-7 速熔斷器的接

40、法在本系統(tǒng)中，接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管電流有效值3.8a，故選rls10的熔斷器，容體電流為 10a。tdi= i /3 = 6.58/33.5 觸發(fā)電路的選擇觸發(fā)電路的選擇門極電壓又叫觸發(fā)電壓，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)的電路叫觸發(fā)電路。觸發(fā)電路性能的好壞，不但影響系統(tǒng)的調(diào)速范圍和調(diào)速精度，而且對(duì)系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。因此觸發(fā)電路必須保證迅速、準(zhǔn)確、可靠的送出脈沖。為達(dá)到這個(gè)目的，正確選用或設(shè)計(jì)觸發(fā)電路是很重要的，一個(gè)觸發(fā)電路性能的優(yōu)劣常用下列幾條來衡量：（1）觸發(fā)脈沖必須保持與主電路的交流電源同步，以保證每個(gè)周期都在相同的延遲角 處觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。（2）觸發(fā)脈沖應(yīng)能在一定的范圍內(nèi)移相。

41、對(duì)于不同的主電路要求的移相范圍也不同。對(duì)于三相全控橋式電路，電阻負(fù)載時(shí)為 ，既要整流又要逆變時(shí)，其移相范圍為 ，oo1200 oo30 150為保證逆變可靠，對(duì)最小逆變角 應(yīng)加以限制。min（3）觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（電壓和電流）。為使所有合格的器件在各種可能的工作條件下都能可靠觸發(fā)，觸發(fā)電路送出的觸發(fā)電壓和電流，必須大于器件門極規(guī)定的觸發(fā)電壓 和觸發(fā)電gtu流 。觸發(fā)電壓在 4v以上、 10v以下為宜，這樣就能保證任何一個(gè)合格的器件換上去都能正常工作。gti在觸發(fā)信號(hào)為脈沖形式時(shí)，只要觸發(fā)功率不超過規(guī)定值，觸發(fā)電壓、電流的幅值在短時(shí)間內(nèi)可大大超過額定值。（4）不該觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的漏電壓應(yīng)

42、小于0.150.2v，以防誤觸發(fā)。（5）觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡。否則，因溫度、電源電壓等因素變化時(shí)將造成晶閘管的觸發(fā)時(shí)間不準(zhǔn)確。設(shè)脈沖的幅值為 ，脈沖前沿是指由 0.1上升到0.9所需要的時(shí)間，一般mumumu要在10 以內(nèi)為宜。s（6）觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度。一般晶閘管的開通時(shí)間為6 左右，故觸發(fā)脈沖的寬度至s少應(yīng)在6以上，最好應(yīng)有 2050 。對(duì)于三相橋式全控整流電路，若采用寬脈沖觸發(fā)，則脈ss沖寬度應(yīng)大于，一般設(shè)計(jì)成（5ms） 。o60o90由于集成觸發(fā)電路的體積小、功耗低、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，這里我們選用集成六脈沖觸發(fā)器實(shí)用電路，如圖 3-8所示。圖3-8 集成六脈沖觸發(fā)器實(shí)

43、用電路該電路需要三個(gè)互差，且與主電路三個(gè)相電壓、同相的三個(gè)同步電壓，o120uuvuwu因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)三相同步變壓器。但同步變壓器功率很小，一般每相不超過 1w，故可用三個(gè)單相變壓器接成三相變壓器組來代替，并聯(lián)成 dy0，即可獲得與主電路二次側(cè)相電壓同相的三個(gè)電壓、。uuvuwu第四章第四章 控制電路的設(shè)計(jì)控制電路的設(shè)計(jì)4.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即先設(shè)計(jì)好電流環(huán)后將其等效成速度環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再對(duì)速度環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙閉環(huán)電流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4-1示。系統(tǒng)外環(huán)是速度環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，分別對(duì)轉(zhuǎn)速和電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，兩者之間實(shí)行串行聯(lián)接。用于串聯(lián)校

44、正和改變系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及綜合輸入和反饋信號(hào)。圖4-1 雙閉環(huán)電流調(diào)速系統(tǒng)其中，asr 代表轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，acr 代表電流調(diào)節(jié)器，gtb 代表晶閘管觸發(fā)裝置，sdr 代表晶閘管橋組。4.2 電流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型電流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可逆晶閘管電流調(diào)速系統(tǒng)被控對(duì)象是電流電動(dòng)機(jī)，則 )(dtdidddtdiddddtirlrieu對(duì)上式取拉式變換得 1)()()(1stsesusidrdd其中 , r= rd+2 rt +rp +rr, rr為晶閘管重疊角等效電阻。 r、l、td的數(shù)值依次為r=4.92+20.18+1.88+1.6=8.76l= ld+2lt +lp=0.03h+0.0313h+

45、20.017h=0.095htd= l/ r=0.095h/8.76=0.011s電流電動(dòng)機(jī)軸上的力矩方程為 dtdngdicicmmfzdfz3752 dtrdetdtdncgdiimfzd3752對(duì)式 (2.4) 取拉式變換得 strsiisemfzd)()( ecen 其中，m為電動(dòng)機(jī)電磁力矩；mfz為電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩；ifz為電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流；n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；c為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；ce為電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)；gd2為拖動(dòng)系統(tǒng)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部分折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量；tm=（gd2 r）/（375cce）為拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。查電流電動(dòng)機(jī) z2-32的技術(shù)數(shù)據(jù)表可知： 飛輪矩 gd2=1.03

46、nm2根據(jù)已知條件，可估算出電動(dòng)機(jī)的電勢(shì)常數(shù)為cenddiru100058. 676. 8220 0.162vmin/r電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)為c9.55ce=9.550.162=1.547vmin/r拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)為tm=（gd2 r）/（375cce）=(1.038.76)/(3751.5470.162)=0.096s因此，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 4-2所示。圖 4-2 電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4.3 電流環(huán)的設(shè)計(jì)電流環(huán)的設(shè)計(jì)4.3.1 電流調(diào)節(jié)器的工作原理電流調(diào)節(jié)器的工作原理電流調(diào)節(jié)器有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào) ，一個(gè)是由交giu流互感器測(cè)出的反映主回路電流反

47、饋信號(hào) ，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在fiu最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)距和最大加速度，使起、制動(dòng)過程時(shí)間最短。如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變（如降低）時(shí)，整流器輸出電壓也會(huì)隨之變化（降低），引起主回路電流變化（減?。捎诳焖傩院?，不經(jīng)過電動(dòng)機(jī)機(jī)械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化（增大），則 也變化（變?。?，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)（增加）至原來的數(shù)值，這就抑制了主回路電流的變化。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時(shí)，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機(jī)械負(fù)載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較

48、好的快速電流負(fù)反饋，當(dāng)整流器電流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴(yán)重故障時(shí)，電流負(fù)反饋也及時(shí)的把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護(hù)晶閘管和電流電動(dòng)機(jī)不致因電流過大而損壞。電流調(diào)節(jié)器acr的作用：(1) 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起抗干擾作用(2) 啟動(dòng)時(shí)保證獲得容許的最大電流mdi(3) 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電樞電流跟隨給定電壓變化(4) 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速的過流安全保護(hù)，如故障消失，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)工作。4.3.2 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖 4-3所示。圖4-3 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于突加給定階躍后，速度調(diào)節(jié)器輸出馬上達(dá)到飽

49、和限幅值，電流環(huán)投入工作使電機(jī)電樞電流很快上升，相對(duì)電流來說，速度變化很緩慢。因此，可以認(rèn)為反電勢(shì)對(duì)電產(chǎn)生的影響很小，令e=0，則圖4-4通過結(jié)構(gòu)圖變換，簡(jiǎn)化為圖 4. 4圖4-4 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)一最后， ts和toi都比td小得多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取 oisttt則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖 4-5.圖 4-5 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)二4.3.3 參數(shù)的確定參數(shù)的確定（1）三相橋式電路的平均失控時(shí)間 ts一般三相橋式電路晶閘管最大失控時(shí)間在00.0033s之間隨機(jī)分布，取其平均值，即ts0.0017s（2）電流濾波時(shí)間常數(shù) toi三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是

50、3.33ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）toi3.33ms即 toi0.002s（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) ti按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取0.0017s+0.002s=0.0037soisttti（4）晶閘管裝置放大系數(shù) ks令本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器最大輸出電壓ukm2.54v，晶閘管最大輸出整流電壓為 udo=245.34v，則ks96.59kmdouu54. 234.245（5）電流反饋系數(shù) 令其限幅值為 5v，則5v/1.5id0.51v/a58. 65 . 154.3.4 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計(jì)算 （1）結(jié)構(gòu)的選擇電流環(huán)的一項(xiàng)重要作用就是保持電樞電流在動(dòng)態(tài)過

51、程中不超過容許值，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?？呻娏鳝h(huán)還有另一個(gè)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)的作用，因此還要提高其抗擾性能。為了使本系統(tǒng)電流環(huán)超調(diào)小，有好的動(dòng)態(tài)性能，我們采用典型型來設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器選用pi型。令電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 sskswiiiacr1)(（2）參數(shù)的計(jì)算.acr超前時(shí)間常數(shù)i 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消除控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇td0.011si. .電流環(huán)的比例系數(shù) ki設(shè)計(jì)時(shí)要求超調(diào)量要小，我們假設(shè)i5，則=0.5iitk因此，電流環(huán)的開環(huán)增益為sltkii1 .1350037. 05 . 05 . 0于是acr的比例系數(shù)為264.

52、059.9651. 076. 8011. 01 .135siiikrkk（3）檢驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率 ciki=135.1l/s 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：cis31t現(xiàn)在， ，滿足近似條件。s11196.11/33 0.0017scist 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：cimd13t t現(xiàn)在， ,滿足近似條件。m1113392.31/0.096 0.011cidst ts 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 113cisoitt現(xiàn)在， ,滿足近似條件。11111180.81/330.0017 0.002cisoistts （4）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的 pi型電流調(diào)節(jié)器原理

53、圖如圖 4-6所示。圖4-6含給定濾波及反饋濾波的 pi型電流調(diào)節(jié)器其中，ugi為電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是觸發(fā)裝置的控制電壓uk。按所用運(yùn)算放大器取r040k，各電阻和電容值計(jì)算如下rikir00.13340 k5.32k (取5 k) ci2.2f ( 取2f)fr63ii10105011. 0 ( 取 0.2f )6oi3o44 0.002100.240 10oitcffr4.4 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)4.4.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理在主電機(jī)上安裝一電流測(cè)速發(fā)電機(jī)，發(fā)出正比于主電機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓 與給定電壓fnu相比較，其偏差送

54、到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr中去，如欲調(diào)整，可以改變給定電壓。例如提高，gnunugnu則有較大加到asr輸入端， asr自動(dòng)調(diào)節(jié)gt，使觸發(fā)脈沖前移（ 減小） ，整流電壓提高，電nudu動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，與此同時(shí)，也相應(yīng)增加。當(dāng)?shù)扔诨蚪咏o定值時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)在fnu給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動(dòng)，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動(dòng)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。比如，當(dāng)電機(jī)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前移（ 變?。?，提高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)其恢復(fù)到原來數(shù)值時(shí)，又等于給定電壓，dufnu系統(tǒng)又達(dá)到平衡狀態(tài)。如果擾動(dòng)不是來自負(fù)載而是

55、來自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會(huì)按上述過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速維持在給定值上運(yùn)行。同樣道理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載下降，或交流電壓提高時(shí)，系統(tǒng)將按與上述相反過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后仍能維持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速近似不變。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr作用如下：(1) 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓ugn變化，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差(2) 對(duì)負(fù)載變化起抗干擾的作用(3) 輸出限幅值決定電樞主回路的最大容許電流值 idm4.4.2 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)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)器的一個(gè)環(huán)節(jié)，為此必須求出它的等效傳遞函數(shù)。圖 4-7給出了校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

56、圖4-7 校正成典型 型系統(tǒng)的電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 11) 1(1) 1()(2iiiiiiiclikssktstskstsksw若按=0.5選擇參數(shù)，則iik t 1211221)(22stststswiiicli由圖4.4.2可知電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為 / )()()(susiswgidcli因此電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)應(yīng)相應(yīng)地改成 121)()(stsusiigid原來電流環(huán)的控制對(duì)象可以近似看成是個(gè)雙慣性環(huán)節(jié)（見圖 4. 3.2c） ，其時(shí)間常數(shù)是和，dtit閉環(huán)后，整個(gè)電流環(huán)等效近似為只有小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流閉環(huán)后，改造i2t了控制對(duì)象，加快了電流跟隨作用。4.4.3 參數(shù)的確

57、定參數(shù)的確定（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)i2t20.0037s0.0074sit2（2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)ont根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)波紋情況，取 0.01sont（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)nt按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 0.0174sntit2ont（4）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 由于本系統(tǒng)的限幅值為 5v，則=5v/n5/10000.005vmin/r4.4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇及參數(shù)計(jì)算 （1）結(jié)構(gòu)的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖 4-6的電流閉環(huán)后 整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖就如圖4-8所示。圖4-8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與電流環(huán)相似，我們可以將轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)為圖4-9.圖4-9

58、 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡(jiǎn)由于設(shè)計(jì)要求穩(wěn)態(tài)無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)該按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故 asr選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為sskswnnnasr1)(（2）參數(shù)的計(jì)算 asr超前時(shí)間常數(shù) n按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h5，則50.0174s0.087snnht 轉(zhuǎn)速環(huán)的比例系數(shù) nk轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為222224 .396/0174. 0252621sslthhknn于是， asr的比例系數(shù)為2 . 60174. 076. 8005. 052096. 0162. 051. 062) 1(nmentrhtchk（3）檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率=396

59、.40.087 34.5ncnnks11s 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：n15cit現(xiàn)在，54.1l/s，滿足簡(jiǎn)化條件。it51s0037. 051nc 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： ncn2131oitt現(xiàn)在， ,滿足近似條件。n1111138.751/3232 0.0037 0.01cniost ts（4）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容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 4-10所示。圖4-10 含給定濾波及反饋濾波的 pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中，ugn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定電壓，n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓ugi。按所用運(yùn)算放大器取 r040k，各電阻和電容值計(jì)算如下rn

60、knr06.240 k248k 取250 k 取0.4f6n3n0.087100.348250 10ncffr 取1fffrtcon110104001. 04463oon （5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量如果轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器沒有飽和限幅的約束，可以在很大范圍內(nèi)線性工作，那么，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速過渡過程的超調(diào)量時(shí)很大的（如圖4-12 a） 。實(shí)際上，突加給定電壓后不久，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器就進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出恒定的電壓ugim，使電動(dòng)機(jī)在恒流條件下起動(dòng)，起動(dòng)電流id=idm=ugim/，而轉(zhuǎn)速n則按線性規(guī)律增長(zhǎng)（如圖 4-12 b） 。雖然這時(shí)的起動(dòng)過程要比調(diào)節(jié)器沒有限幅時(shí)慢的多，但是為了保證電流不超過容許值，這是