雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真設(shè)計

1、. . . . V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1設(shè)計任務(wù)與分析有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動和制動，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，也就是說，需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計是V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真，主要包括可逆部分和雙閉環(huán)直流調(diào)速部分?？赡娌糠挚梢杂蓛山M晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)實現(xiàn)，通過控制電路和觸發(fā)電路來實現(xiàn)整流與逆變的轉(zhuǎn)換。而設(shè)計要求調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，具有較寬的調(diào)速圍（D10），系統(tǒng)在工作圍能穩(wěn)定工作，系統(tǒng)靜特性良好，動態(tài)性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%，電流超調(diào)量i5%，動態(tài)速降n10%，調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間

2、（調(diào)節(jié)時間）ts1s ，系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運行圍電流連續(xù)，這些可以按雙閉環(huán)直流調(diào)速部分的知識設(shè)計電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。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)律、性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，所以掌握直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對于電力拖動控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。針對本設(shè)計的仿真，應(yīng)用軟件MATLAB的Simulink軟件包，Simulink是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真的一個集成環(huán)境。它使MATLAB的功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展。它提供的豐富

3、功能塊，可以迅速的創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型；實現(xiàn)了可是換建模，用戶可以通過簡單的鼠標(biāo)操作建立直觀模型進(jìn)行仿真；實現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。使用MATLAB中的Simulink任務(wù)，根據(jù)各個環(huán)節(jié)的函數(shù)模型，建立數(shù)學(xué)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。本課程設(shè)計就要求結(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，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計需先對控制系統(tǒng)的組成與工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個組成部分的作用，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)計并進(jìn)行仿真。2系統(tǒng)原理本設(shè)計是V-M

4、雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，主要包括可逆部分和雙閉環(huán)直流調(diào)速部分?？赡娌糠挚梢詫崿F(xiàn)電動機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，這就需要電力拖動系統(tǒng)具有四象限運行的特性，直流調(diào)速部分可以實現(xiàn)快速地起動和制動以與滿足其他性能指標(biāo)等。 2.1可逆系統(tǒng)原理2.1.1可逆原理改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這本來是很簡單的事。然而當(dāng)電機(jī)采用電力電子裝置供電時，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦裕瑔栴}就變得復(fù)雜起來了，需要專用的可逆電力電子裝置和自動控制系統(tǒng)。中、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開關(guān)器件組成的橋式可逆PWM變換器。較大功率的可逆直流直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管電動機(jī)系

5、統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控直流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖2-1所示。圖2-1兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動機(jī)的起、制動和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對控制電路提出了嚴(yán)格的要求。2.1.2 V-M系統(tǒng)的回饋制動在兩組晶閘管反并聯(lián)線路的V-M系統(tǒng)中，晶閘管裝置可以工作在整流或有源逆變狀態(tài)。當(dāng)控制角為，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)；當(dāng)控制角為，晶閘管裝置處于逆變狀態(tài)。在電流連續(xù)的條件下，晶閘

6、管裝置的平均理想空載輸出電壓為因此在整流狀態(tài)中，為正值；在逆變狀態(tài)中，為負(fù)值。為了方便起見，定義逆變角，則逆變電壓公式可改寫為現(xiàn)以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔?，說明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理。2.1.3兩組SCR反并聯(lián)的整流和逆變a) 正組晶閘管裝置VF整流VF處于整流狀態(tài)：此時，電機(jī)從電路輸入能量作電動運行，如圖2-2所示。圖2-2兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的正組整流和反組逆變狀態(tài)b) 反組晶閘管裝置VR逆變當(dāng)電動機(jī)需要回饋制動時，由于電機(jī)反電動勢的極性未變，要回饋電能必須產(chǎn)生反向電流，而反向電流是不可能通過VF流通的。這時，可以利用控制電路切換到反組晶閘管裝置

7、VR，并使它工作在逆變狀態(tài)。VR處于逆變狀態(tài)：此時，電機(jī)輸出電能實現(xiàn)回饋制動。圖2-3兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的反組逆變狀態(tài)整流狀態(tài)：V-M系統(tǒng)工作在第一象限，逆變狀態(tài)：V-M系統(tǒng)工作在第二象限。2.1.4 V-M系統(tǒng)的四象限運行在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運行時可利用反組晶閘管實現(xiàn)回饋制動，反轉(zhuǎn)運行時同樣可以利用正組晶閘管實現(xiàn)回饋制動。這樣，采用兩組晶閘管裝置的反并聯(lián)，就可實現(xiàn)電動機(jī)的四象限運行。歸納起來，可將可逆線路正反轉(zhuǎn)時晶閘管裝置和電機(jī)的工作狀態(tài)列于表2-1中.表2-1 V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)2.2 a = b配合控制電路采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置的

8、整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流。一般地說，這樣的環(huán)流對負(fù)載無益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。在兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)中，如果讓正組VF 和反組VR都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負(fù)相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生，需要采取必要的措施，比如：采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時候，只允許一組晶閘管裝置工作；采用配合控制的策略，使一組晶閘管裝置工作在整流狀態(tài)，另一組則工作在逆變狀態(tài)。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該當(dāng)正組處于整流狀態(tài)時，強(qiáng)迫讓反組處

9、于逆變狀態(tài)，且控制其幅值與之相等，用逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是由于，其中和分別為VF和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置一樣，兩組的最大輸出電壓是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時，應(yīng)有或如果反組的控制用逆變角表示，則由此可見，按上式來控制就可以消除直流平均環(huán)流，這稱作配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用2.3調(diào)速系統(tǒng)原理2.3.1調(diào)速系統(tǒng)組成直流雙閉環(huán)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。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)時可減

10、小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；對負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器作為環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(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；對電網(wǎng)電壓的波動起與時抗擾的作用；在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用；一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常；這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。兩者之間實行嵌套連接，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

11、電力電子變換器的最大輸出電壓。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2-4所示：圖2-4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)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)。直流雙閉環(huán)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(jī)與轉(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

12、除因脈動電流引起的電機(jī)發(fā)熱以與產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響2.3.2 啟動環(huán)節(jié)原理分析由前面分析可知，設(shè)置轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要目的是實現(xiàn)快速的起動過程。在當(dāng)系統(tǒng)土家給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動過程中，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，把起動過程分為三個階段，如圖2-5所示圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形（1）第I階段電流上升的階段（0t1）當(dāng)突加給定電壓后，上升，調(diào)節(jié)器的跟隨作用使各參數(shù)上升，當(dāng)小于負(fù)載電流時，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)后，電機(jī)開始起動，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，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，

13、強(qiáng)迫電流迅速上升。直到 = ，= 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制的增長。在此過程中ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，ACR一般不飽和。（2）第 II 階段恒流升速階段（t1t2）在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(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。同時，電機(jī)的反電動勢E 也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，和也須按線性增長，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器，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，即應(yīng)略低于。（3）第III階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2 以后）當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，

14、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態(tài)，和很快下降。只要仍大于負(fù)載電流IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值。此后，電動機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，< ，直到穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，ACR則力圖使盡快地跟隨其給定值，電流環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)

15、速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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(hù)。2.4系統(tǒng)原理框圖為了實現(xiàn)配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90°，即當(dāng)控制電壓時，使，此時，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。增大控制電壓Uc 移相時，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號相反就可以了。這樣的觸發(fā)控制電路圖如圖2-6。圖2-6 a = b配合控制可逆V-M系統(tǒng)原理框圖主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，其中：正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)，正轉(zhuǎn)時，VF整流；反轉(zhuǎn)時，VF逆變。反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)，反轉(zhuǎn)時，

16、VR整流；正轉(zhuǎn)時，VR逆變?？刂齐娐凡捎玫湫偷霓D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR控制轉(zhuǎn)速，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流；電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角與最小逆變角。3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲作用，在給定信

17、號通道上加入一個等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。3.1 V-M主電路的設(shè)計3.1.1主電路設(shè)計 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖3-2所示。圖中由晶閘管組成三相全控橋式整流電路，同時設(shè)有過電壓和過電流保護(hù)電路。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速

18、。圖3-2 V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖3.1.2主電路參數(shù)計算，取其中系數(shù)0.9為電網(wǎng)波動系數(shù)，系數(shù)1-1.2為考慮各種因素的安全系數(shù)，這里取1.1。電動勢系數(shù)平波電抗器，取5.5mH。 其中，這里取5%，3.2電流調(diào)節(jié)器3.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-3所示：圖3-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，為電力電子變換器的控制電壓。3.2.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.確定時間常數(shù)1）三相橋式電路的平均失控時間為。2）電流濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給出，即。3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

19、根據(jù)設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量，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：電磁時間常數(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(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項指標(biāo)都是可以接受的。3.計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應(yīng)取，因此ACR的比例系數(shù)為4.檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率：機(jī)電時間常數(shù)初始條件已給出。1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。2） 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） 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖3

20、-4，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計要求。3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-4所示：圖3-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中為轉(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。3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給，即3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時

21、間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益ASR的比例系數(shù)為4.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足簡化條件。5.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則，取，取，取6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)時，不能滿足設(shè)計要求。應(yīng)按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。7. 按ASR退飽和重新計算超調(diào)量過載倍數(shù)能滿足設(shè)計要求。3.4轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速的檢測可把接到一個測速發(fā)電機(jī)上即可檢測轉(zhuǎn)速，如圖3-5所示：圖3-5 轉(zhuǎn)速檢測電路3.5電流檢測電路設(shè)計使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把接到霍爾傳感器上?；魻栃?yīng)傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電

22、壓的波形參數(shù)。如圖3-6所示：圖3-6 電流檢測電路4系統(tǒng)建模與仿真4.1 傳遞函數(shù)根據(jù)以上的計算可以寫出各個部分的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)速濾波：電流調(diào)節(jié)器：電流濾波：電力變換裝置：電壓與電流間的傳遞函數(shù)：電流與電動勢之間的傳遞函數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋傳遞函數(shù)：電流反饋傳遞函數(shù)：4.2雙閉環(huán)建模根據(jù)計算出來的傳遞函數(shù)和圖3-1的系統(tǒng)動態(tài)原理框圖，可以在Simulink中建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真，具體的正啟動數(shù)學(xué)仿真模型如圖4-1所示。反啟動的數(shù)學(xué)模型和正啟動的差別不大，只需要修改它們的仿真輸入信號和限幅環(huán)節(jié)就可以了。圖4-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型相對于圖3-1的系統(tǒng)動態(tài)原理框圖而

23、言，加上了一個限幅環(huán)節(jié)，在仿真中電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出都需要設(shè)置限幅環(huán)節(jié)，僅選擇限幅元件是不夠的，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行特殊處理。模型如圖4-2。圖4-2 限幅環(huán)節(jié)原因是為了接近實際的物理系統(tǒng)，實際的限幅環(huán)節(jié)起作用后，PI調(diào)節(jié)器的輸出端的值也就固定為限幅值，不會在由積分效應(yīng)不斷增加。對轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器引入負(fù)反饋，作用是在限幅元件起作用時使限幅元件輸入輸出相等，輸出不飽和限幅元件不起作用時，限幅元件輸出隨輸入積分增加，實現(xiàn)限幅過程。4.3雙閉環(huán)仿真針對本設(shè)計的仿真，應(yīng)用軟件MATLAB的Simulink軟件包，Simulink是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真的一個集成環(huán)境。它使MATLAB的功能得到進(jìn)一步

24、擴(kuò)展。它提供的豐富功能塊，可以迅速的創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型；實現(xiàn)了可是換建模，用戶可以通過簡單的鼠標(biāo)操作建立直觀模型進(jìn)行仿真；實現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。使用MATLAB中的Simulink任務(wù)，根據(jù)各個環(huán)節(jié)的函數(shù)模型，和圖3-3的動態(tài)框圖以與圖4-2的數(shù)學(xué)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果如圖4-3。圖4-3正啟動轉(zhuǎn)速、電流仿真圖圖4-4反啟動轉(zhuǎn)速、電流仿真圖4.4仿真波形分析比較圖2-6和仿真圖4-4可以知道仿真結(jié)果和預(yù)期結(jié)果一樣。在電動機(jī)正啟動時，系統(tǒng)突加給定電壓后，ASR的輸入偏差數(shù)值很大，輸出電壓保持在限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升，所以可以看到圖4-3中電流波形迅速上升，但是當(dāng)電流

25、小于負(fù)載電流之前，電動機(jī)不能啟動，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速的波形幾乎沒有變化；當(dāng)電流上升到大約Idm時，電流調(diào)節(jié)器抑制電流的迅速增長，可以看到圖中電流下降，ASR進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)。在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)使得電流保持在最大電流值，使得轉(zhuǎn)速迅速上升，如圖中所示電流波形直線上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值后，轉(zhuǎn)速由于慣性繼續(xù)上升，如圖中電壓波形所示，使得反饋電壓為負(fù)值，ASR開始退出飽和，轉(zhuǎn)速得到抑制，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量。相應(yīng)的電流也隨著迅速下降到額定電流，對應(yīng)于圖中的轉(zhuǎn)速上升到額定值1500r/min后，電流迅速下降到額定電流287A，之后進(jìn)入穩(wěn)定運行。反啟動亦是如此，在此不再一一贅述。4.5綜合動態(tài)性能分析雙閉

26、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能包括動態(tài)跟隨性能和動態(tài)抗擾性能。雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能比轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)有了提高。動態(tài)跟隨性能，電流負(fù)反饋能夠?qū)Q的傳遞函數(shù)加以改造，使等效時間常數(shù)減小，經(jīng)過電流環(huán)改造后的等效環(huán)節(jié)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的被控對象，使得轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)跟隨性能得到明顯改善。動態(tài)抗繞性能?？关?fù)載擾動性能：從雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來抑制。但是由于電流環(huán)改變了環(huán)的傳遞函數(shù)，使得它更有利于轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制，因此提高了系統(tǒng)對負(fù)載擾動的抗擾性能?？闺娋W(wǎng)電壓擾動：電網(wǎng)電壓擾動和負(fù)載擾動作用點在系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的位置不同，系統(tǒng)相應(yīng)的動態(tài)抗擾性能也不同

27、。在雙閉環(huán)中電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)，當(dāng)電網(wǎng)的電壓波動時，可以通過電流反饋與時得到抑制，當(dāng)電網(wǎng)電壓擾動上升，Ud0上升，Id上升，Ui上升，上升，Uct下降，Udo下降。所以能有效的提系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓擾動的抗擾功能。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)能夠改造環(huán)的傳遞函數(shù)，使得她更有利于轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制，提高了動態(tài)跟隨性能和對負(fù)載擾動的抗擾性能。環(huán)還可以與時抑制環(huán)電網(wǎng)電壓波動。5總結(jié)5.1設(shè)計總結(jié)本設(shè)計對V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真進(jìn)行了深入研究，此V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)主要由可逆部分和直流雙閉環(huán)調(diào)速組成。本設(shè)計的可逆部分采用兩組晶閘管可控直流裝置反并聯(lián)的可逆線路；直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

28、的設(shè)計主要包括雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以與其靜態(tài)、動態(tài)特性； ASR、ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算；直流電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，參數(shù)的計算等。首先是總體方案設(shè)計，根據(jù)題目要求確定可逆部分和直流調(diào)速部分的基本電路，其次是針對題目中的已知條件選擇計算建模中需要的各種參數(shù)。參數(shù)不僅要滿足題目要求還要有可行性，所以在這次設(shè)計中對于此題就計算了好幾次，在電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計和參數(shù)選擇時，每次計算完參數(shù)都要進(jìn)行檢驗近似條件和校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量等，每次計算檢驗滿足條件之后都要進(jìn)行建模仿真，觀察結(jié)果是否滿足可行，如果效果不好就繼續(xù)改參數(shù)，剛開始仿

29、真的有余差、轉(zhuǎn)速為負(fù)、和不退飽和現(xiàn)象，后來經(jīng)過多次修改，得到了理想的仿真結(jié)果。再次是對其他電路的具體設(shè)計，主要包括觸發(fā)電路，保護(hù)電路和控制電路，經(jīng)過詳細(xì)的設(shè)計，最后得出了總的電路圖，總電路圖見附錄。5.2 心得體會通過課程設(shè)計，我對運動控制系統(tǒng)的相關(guān)知識有了更深入的理解。首先對可逆直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識，加深了理解，對課堂所學(xué)知識的一次很好的應(yīng)用。學(xué)會了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，并能熟練地掌握轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇和計算，在設(shè)計的基礎(chǔ)上更加認(rèn)識到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用之廣泛。同時也對MATLAB有了更加詳細(xì)的認(rèn)識，加深了對課本知識的進(jìn)一步理解，同時也加強(qiáng)了我思考和解決問題的能力。本次的課程設(shè)計，是對于電機(jī)拖動和自動控制的兩種技術(shù)的結(jié)合，通過控制系統(tǒng)中的各種控制策略實現(xiàn)對