轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

1、 洛 陽(yáng) 理 工 學(xué) 院 課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) 課程名稱(chēng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)課題 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 專(zhuān) 業(yè) 電氣自動(dòng)化技術(shù) 班 級(jí) xxxxxx 姓 名 xxxxxx 2012 年3月 1 日 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)電氣工程與自動(dòng)化 系 電氣自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)學(xué)生姓名 xxxx 班級(jí)xxxxxx 學(xué)號(hào)xxxxxxxx 課程名稱(chēng)： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)題目： 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求： （1）調(diào)速范圍D=10，靜差率5%；穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量5%，電流脈動(dòng)系數(shù)10%；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量10%。（2）系統(tǒng)具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載和缺相保護(hù)。（3）

2、觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。 （4）對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)始日期 2012 年2月13日 指導(dǎo)教師 xx 設(shè)計(jì)（論文）完成日期 2012 年3月 1 日 指導(dǎo)教師 xx 2012 年 3 月 1 日 課 程 設(shè) 計(jì) 評(píng) 語(yǔ) 第 頁(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 系 電氣自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)學(xué)生姓名 xxxx 班級(jí) xxxx 學(xué)號(hào) xxxxxxxx 課程名稱(chēng): 運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 設(shè)計(jì)題目： 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)篇幅： 圖 紙 22 張 說(shuō)明書(shū) 19 頁(yè)指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 2012 年 3 月 1 日 指導(dǎo)老師 xx 洛陽(yáng)理工學(xué)院目 錄摘要第一章 概 述第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1

3、設(shè)計(jì)任務(wù)： 2.2 設(shè)計(jì)要求：2.3 理論設(shè)計(jì)第三章 系統(tǒng)建模及仿真實(shí)驗(yàn)3.1 方案論證3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 3.2.1.1確定時(shí)間常數(shù) 3.2.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 3.2.1.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 3.2.1.4 校驗(yàn)近似條件 3.2.1.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容3.2.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 3.2.2.1 確定時(shí)間常數(shù) 3.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 3.2.2.3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 3.2.2.4 校驗(yàn)近似條件 3.2.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 3.2.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量第四章 系統(tǒng)建模及仿真實(shí)驗(yàn)4.1 MATLAB 仿真軟件介紹4.2 仿真建模及

4、實(shí)驗(yàn)4.2.1 單閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)4.2.2 雙閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)4.2.3 仿真波形分析第五章 實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)5.1 系統(tǒng)組成及工作原理5.2 設(shè)備及儀器5.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 5.3.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 5.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟第六章 總結(jié)與體會(huì)參考文獻(xiàn) 摘要從七十年代開(kāi)始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無(wú)噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是一個(gè)典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過(guò)流保護(hù)電路等給定信號(hào)為010V直流信號(hào)，可對(duì)主電路輸出電壓進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)。由于其機(jī)械特性硬，調(diào)速范圍寬，而且是無(wú)級(jí)調(diào)速，所以可對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速

5、。動(dòng)靜態(tài)性能好，抗擾性能佳。速度調(diào)節(jié)及抗負(fù)載和電網(wǎng)擾動(dòng)，采用雙PI調(diào)節(jié)器，可獲得良好的動(dòng)靜態(tài)效果。電流環(huán)校正成典型I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)。根據(jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，用Simulink做了帶電流補(bǔ)償?shù)碾妷贺?fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真綜合調(diào)試，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，并進(jìn)行校正，得出正確的仿真波形圖。 關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 第一章 概 述為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在V-M調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的

6、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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)，形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。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(guò)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)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。應(yīng)該在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。通過(guò)系統(tǒng)建模和仿真，用MATLAB/Simulink工具分析設(shè)計(jì)直流電

7、動(dòng)機(jī)速度控制系統(tǒng)。第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，要求利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路。直流電動(dòng)機(jī)：l 額定功率29.92KW，額定電壓220V，額定電流136A，l 額定轉(zhuǎn)速 1460r/m，=0.132Vmin/r， l 允許過(guò)載倍數(shù)=1.5。l 晶閘管裝置放大系數(shù)：=40l 電樞回路總電阻：R=1l 時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)=0.18s， 電磁時(shí)間常數(shù)=0.03sl 電流反饋系數(shù)：=0.05V/Al 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007v min/rl 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：=0.005s，=0.005sl 總飛輪力矩：GD=2.5N.ml h=52.2設(shè)計(jì)要

8、求（1）調(diào)速范圍D=10，靜差率5%；穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量5%，電流脈動(dòng)系數(shù)10%；啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量10%。（2）系統(tǒng)具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載和缺相保護(hù)。（3）觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。（4）對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置給定積分器。第三章 理論設(shè)計(jì)3.1方案論證系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展設(shè)計(jì)原則（本課題設(shè)計(jì)先設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)，后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速外環(huán)）。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，設(shè)計(jì)和調(diào)試方便，達(dá)到本課程設(shè)計(jì)的要求。雙

9、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖:圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.2.1.1確定時(shí)間常數(shù)(1) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。按書(shū)表1-2，三相電路的平均失控時(shí)間：=0.0017s （3-1）(2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)。=0.005s （3-2）(3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取為：=+=0.0067s (3-3） 3.2.1.2 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型

10、系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為： = （3-4）檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： （3-5）符合典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，并且各項(xiàng)性能指標(biāo)都是可以接受的。3.2.1.3計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：=0.03s。 （3-6）電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求5%是按書(shū)表2-2，應(yīng)取=0.5，因此： （3-7）于是，ACR的比例系統(tǒng)為： （3-8）3.2.1.4 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率： （3-9）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為： （ 3-10）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的近似條件為： （3-11）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： （3-

11、12）3.2.1.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運(yùn)算放大器取得。各電容和電阻值為：、 （2-13） Ri=40k （2-14） 按照上面計(jì)算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%<5%,滿(mǎn)足課題所給要求。3.2.2速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)3.2.2.1 確定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。取=0.5，則： （3-15）(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)波紋情況，?。?0.005s。 （3-16） (3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，?。?（3-17） 3.2.2.2 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （3-18） 3.2.2.

12、3 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： （3-19）并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為： （3-20）則可得ASR的比例系數(shù)為： （3-21）3.2.2.4 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為： （3-22）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為： （3-23）轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為： 32-24）3.2.2.5 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用的運(yùn)算放大器取=40。各電容和電阻值為：， （3-25） （3-26）3.2.2.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由書(shū)可以查得：=37.6%，這并不能滿(mǎn)足課題所給要求。實(shí)際上，由于表2-6是按線(xiàn)性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定

13、時(shí)，ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的前提要求，所以應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。如下： （3-27） 滿(mǎn)足課題所給要求。第四章 系統(tǒng)建模及仿真實(shí)驗(yàn)4.1MATLAB 仿真軟件介紹本設(shè)計(jì)所采用的仿真軟件是MATLAB 7.1。MATLAB 7.1是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專(zhuān)門(mén)以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。 MATLAB 7.1提供了基本的數(shù)學(xué)算法，例如矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析算法， 它還 集成了 2D 和 3D 圖形功能，以完成相應(yīng)數(shù)值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級(jí)編程語(yǔ)言 M 語(yǔ)言，利用 M 語(yǔ)言可以通過(guò)編寫(xiě)腳本或者函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自己的算法。 Simulink 是基于 MATLAB 7.1

14、的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能夠用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模。 4.2仿真建模及實(shí)驗(yàn)4.2.1單閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)采用MATLAB7.1軟件進(jìn)行系統(tǒng)建模。按照課題所給要求，我們先用單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，運(yùn)用MATLAB的simulink進(jìn)行系統(tǒng)建模，單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖4.1所示：圖4.1帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖4.2和電流仿真波形圖4.3 所示： 圖4.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速仿真波形圖4.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電流仿真波形 由圖4.2與圖4.3可以看到，轉(zhuǎn)速和電流波形都不太

15、好，都帶有較大的震蕩，并且?guī)в徐o差，無(wú)法使轉(zhuǎn)速最后維持在1600r/s。經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)節(jié)我們可以都到一組較好的波形圖4.4和調(diào)節(jié)參數(shù)表4-1:表4-1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)列表晶閘管放大系數(shù)Ks機(jī)電時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)允許過(guò)載倍數(shù)ASR限幅值300. 1s0.01s0.005vmin/r1.5330VR0.02s0.002s0.113Vmin/r9.50.2s12轉(zhuǎn)速和電流仿真波形：圖4.4經(jīng)過(guò)多次的調(diào)節(jié)我們可以得到調(diào)節(jié)相關(guān)的參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律：當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)，越小產(chǎn)生的靜差也將越大，但波形震蕩越小，越大的話(huà)產(chǎn)生的靜差越小，但波形震蕩越大。限幅值越大波形震蕩越發(fā)大，限幅值越小波形震蕩越發(fā)小。 由

16、于比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差的全部過(guò)程。因此為了實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速，我們采用PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示：圖4.5單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖和波形圖分別如 圖4.6 圖4.7 所示：圖4.6 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖圖4.7轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真波形圖由上兩圖可以得出：采用PI調(diào)節(jié)的單個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高的話(huà)，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿(mǎn)足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲的控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。而在單閉環(huán)直流調(diào)速

17、系統(tǒng)中，電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔脕?lái)限制電流的沖擊作用，而不能很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)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)電流突破以后，受電流負(fù)反饋?zhàn)饔靡院螅娏髦荒茉偕咭稽c(diǎn)，經(jīng)過(guò)一最大值后，就降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)距也隨之減小，因此加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。而現(xiàn)在我們所希望是能夠?qū)崿F(xiàn)控制：起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。 4.2.2雙閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋，如圖4.8所示。圖

18、4.8 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖8中，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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4.9所示： 圖4.9 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系

19、統(tǒng)仿真模型圖如 圖4.10所示：圖4.10 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形及分析：ASR輸出限幅值 （4-1） ACR輸出限幅值 （4-2）調(diào)節(jié)限度器1將ASR輸出限幅值的Upper Limit和Lower Limit進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。可得到上升時(shí)間最大的波形（=7.7s 限幅值=3.8V）和上升時(shí)間最?。?0.7s限幅值=14V）的波形。上升時(shí)間最大波形如圖4.11所示：圖4.11 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最大波形圖上升時(shí)間最小波形如圖4.12所示：圖4.12 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最小波形圖經(jīng)過(guò)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最大波形與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最小波形對(duì)比可知：限幅值越大上升時(shí)

20、間越小，限幅值越小上升時(shí)間越大；同時(shí)值越大，超調(diào)越??；值越小，超調(diào)越大。在符合設(shè)計(jì)要求的情況下，經(jīng)過(guò)多次的參數(shù)調(diào)整，得到一組較好的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表4.2和圖4.13所示：表4.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)晶閘管放大系數(shù)Ks機(jī)電時(shí)間常數(shù)電磁時(shí)間常數(shù)電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)允許過(guò)載倍數(shù)300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.6159.845500.220.01s圖4.13 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)波形圖由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于P調(diào)節(jié)器的

21、輸出量總是正比與其輸入量，PI調(diào)節(jié)器它的輸出量在動(dòng)態(tài)過(guò)程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來(lái)決定的。4.2.3仿真波形分析從圖4.12的波形中，我們分析可知其起動(dòng)過(guò)程可分三個(gè)階段來(lái)分析：第階段：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，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快。在這一階段中,ASR由不飽和很快達(dá)到飽和,而ACR不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值 n*為止，這是起動(dòng)過(guò)程中的重要階段。在這個(gè)階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)

22、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)，基本上保持恒定。因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線(xiàn)性增長(zhǎng)。第階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開(kāi)始，轉(zhuǎn)速已達(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。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達(dá)到最大值后，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，電機(jī)才開(kāi)始在負(fù)載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于Id0的過(guò)程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流

23、調(diào)速系統(tǒng)中的作用歸納為： 1). 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）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(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 （2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2). 電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)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。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程（4）當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自

24、動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。第五章 實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)5.1 系統(tǒng)組成及工作原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征是系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速分別由兩個(gè)調(diào)節(jié)器控制，由于調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)的主要參量是轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，而電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，可以及時(shí)抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。實(shí)際系統(tǒng)的組成如圖4.1所示 圖5.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE 主電路采用三相橋式全控整流電路供電。系統(tǒng)工作時(shí)，首先給電動(dòng)機(jī)加上額定勵(lì)磁，改變轉(zhuǎn)速給定電壓可

25、方便地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR均設(shè)有限幅電路，ASR的輸出作為ACR的給定，利用ASR的輸出限幅起限制啟動(dòng)電流的作用；ACR的輸出作為觸發(fā)器GT的移相控制電壓，利用ACR的輸出限幅Ucm起限制電力電子變換器的最大輸出電壓的作用。當(dāng)突加給定電壓時(shí)，ASR立即達(dá)到飽和輸出*，使電動(dòng)機(jī)以限定的最大電流加速啟動(dòng)，直到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速并出現(xiàn)超調(diào)，使ASR退出飽和，最后穩(wěn)定運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)速上。5.2 設(shè)備及儀器DJK01 電源控制屏（含“三相電源輸出”、“勵(lì)磁電源”等模塊）DJK02三相變流橋路（含“觸發(fā)電路”、“正橋功放”、“三相全控整流”模塊）DJK04 電機(jī)調(diào)速控制（

26、含“給定”、“電流調(diào)節(jié)器”、“速度變換”等模塊）DJK08 可調(diào)電容DD03-2 電機(jī)導(dǎo)軌、測(cè)速發(fā)電機(jī)及轉(zhuǎn)速表（或DD03-3電機(jī)導(dǎo)軌、光碼盤(pán)測(cè)速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表） DJ14 直流他勵(lì)電機(jī) 銘牌參數(shù)：額定功率0.185KW，額定電壓220V，額定電流1.2A，額定轉(zhuǎn)速 1600r/m，Ce=0.113Vmin/r， DK04 滑線(xiàn)變阻器（串聯(lián)形式0.65A/2K；并聯(lián)形式1.3A/500）慢掃描示波器萬(wàn)用表5.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程5.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟1單元部件參數(shù)整和調(diào)試（1）觸發(fā)器整定。（2）調(diào)節(jié)器調(diào)零。（3）調(diào)節(jié)器輸出限幅整定。2電流環(huán)調(diào)試（1）電流反饋極性的測(cè)定及過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)整定。（2）系統(tǒng)限流性能的檢