直流電動機的轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器設計畢業(yè)設計

寧夏理工學院畢業(yè)設計摘要轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)是性能很好的直流調速系統(tǒng)，更是一種當前應用廣泛、經濟、適用的電力傳動系統(tǒng)，它具有調速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎，所以在電力傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用?；谠O計題目，直流電動機調速控制器選用了轉速、電流雙閉環(huán)調速控制電路，調速系統(tǒng)的主電路采用了三相全控橋整流電路來供電。本論文首先確定整個設計的方案和框圖；然后確定主電路的參數以及框圖中所需的電動機參數；本論文的重點設計是直流電動機的轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的設計，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，在直流調速系統(tǒng)起動過程中只有電流負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉速后，只要轉速負反饋，二者之間實行串級聯接。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱做外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。轉速和電流兩個調節(jié)器都采用PI調節(jié)器，這樣構的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)就能獲得良好的靜、動態(tài)性能。最后采用MATLAB/SIMULINK對整個調速系統(tǒng)進行了仿真分析，使其滿足工程設計參數指標。關鍵詞：力傳動；雙閉環(huán)；直流調速系統(tǒng)；電流調節(jié)器；轉速調節(jié)器I

寧夏理工學院畢業(yè)設計AbstractSpeed,loopcontrolofDCspeedregulationsystemaverygoodofDCmotorspeedcontrolsystem,alsoakindofwideapplications,tosystem,ithasaspeedhighgooddynamicperformanceandtocontrol,isallofAC,electricdriveautomaticcontrolsystemimportantsoinelectricdrivesystembeenwidelyused.onofmotorspeedspeed,loopcontrolcircuit,system'sathree-phasefull-bridgecontrolledrectifiersupplyThispaperfirstlydeterminewholedesignschemediagram;todetermineofblockoftheparameters;theofthispaperisthedesignDCmotorspeedregulatortoadjusttheandwhichrespectivelyintroducedintospeedfeedbackandfeedback,instartonlythecurrentnegativetospeed,asspeednegativefeedback,betweenimplementationofconnection.thestructure,thecurrentloopknownasinnerring;speedloopoutside,calledring.ThisformofspeedregulationregulatorshaveadoptedPIregulator,theDCspeedcontrolcangooddynamicperformance.usingtheMATLAB/onspeedanalysisout,totheengineeringparameters.Keywords:

；doubleloop；DCspeed；currentregulatorspeedII

寧夏理工學院畢業(yè)設計目錄摘Abstract........................................................................................................................................II目..............................................................................................................................................III第1章

緒.........................................................................................................................-11.1課題的背景、目的及意........................................................................................--1.2課題研究的現狀和發(fā)展趨....................................................................................-1-1.3本課題采用的技術方案及技術難........................................................................21.4本設計的主要研究內............................................................................................--1.4.1建立系統(tǒng)的數學模.....................................................................................-31.4.2經典控制部.................................................................................................--1.4.3仿真部..........................................................................................................--第2章

雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理及數學模.............................................................-42.1系統(tǒng)的參數測........................................................................................................--2.2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原....................................................................................-6-2.2.1轉速控制的要求和調速指.........................................................................62.2.2調速系統(tǒng)的兩個基本矛.............................................................................72.2.3調速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調節(jié)原.........................................................................82.2.4雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程分.................................................................92.2.5動態(tài)性能和轉速、電流兩個調節(jié)器的作.................................................--2.3晶閘管—電動機主電路的設...............................................................................-122.4主電路參數計......................................................................................................-132.5主電路的過電壓和過電流保..............................................................................-142.5.1過電壓保...................................................................................................-142.5.2過電流保...................................................................................................-14第3章按工程設計方法設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電流調節(jié)器和轉速調節(jié).153.1設計要...................................................................................................................--3.1.1基本數據（其中包括銘牌數據和測試數據.............................................-153.1.2設計指.......................................................................................................-16III

寧夏理工學院畢業(yè)設計3.1.3工程設計方法的基本思...........................................................................163.2電流調節(jié)器額定設...............................................................................................-173.2.1電流環(huán)動態(tài)結構圖的簡............................................................................173.2.2電流調節(jié)器結構的選................................................................................183.2.3電流調節(jié)器參數的計...............................................................................193.2.4電流環(huán)的動態(tài)性能指................................................................................203.3轉速調節(jié)器的設...................................................................................................-213.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函........................................................................213.3.2轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及其近似處............................................................--3.3.3

轉速調節(jié)器結構的選.............................................................................223.3.4轉速調節(jié)器參數的計...............................................................................243.3.5轉速環(huán)的抗擾性能指...............................................................................263.4電流環(huán)、轉速環(huán)開環(huán)對數幅頻特性的比............................................................-27-第4章調速系統(tǒng)性能指標的數字仿.............................................................................294.1基于工程設計的數字仿......................................................................................--4.2時域分..................................................................................................................30參考文.................................................................................................................................--結束.....................................................................................................................................32致.........................................................................................................................................--IV

寧夏理工學院畢業(yè)設計第章

緒論課題的背景、目的及意義20紀90代前的大約年的時間里直流電動機幾乎是唯一的一種能實現高性能拖動控制的電動機，直流電動機的定子磁場和轉子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動機具有優(yōu)良的起動，制動和調速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點。直流調速仍然是目前最可靠精度最高的調速方法許多生產機械由于加工和運行的要求，電動機經常處于起動，制動，反轉的過渡過程，嚴重制約了生產效率。為了縮短這部分時間僅采用節(jié)器的轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)其性能還不很令人滿意雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是由速度，電流兩個PI調節(jié)器綜合調節(jié)，可獲得良好的靜態(tài)、動態(tài)性能。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調速系統(tǒng)是性能很好應用最廣的直流調速系統(tǒng)更是一種當前應用廣泛經濟適用的電力傳動系統(tǒng)，它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。轉速、電流調節(jié)器分別引入轉速負反饋和電流負反饋，二者實行串級聯接，采用電流負反饋能夠得到近似的恒流過程實現快速起動，達到穩(wěn)態(tài)轉速后，只需要轉速負反饋作用。兩個調節(jié)器組成的雙閉環(huán)的調速系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能和抗干擾能力。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)是不能滿足要求的。在我國許多工業(yè)部門的電力拖動場合仍然采用直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。本次設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調速系統(tǒng)進行設計和控制，設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統(tǒng)的調節(jié)器，并應用MATLAB軟件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。課題研究的現狀和發(fā)展趨勢就目前來看，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，-1-

寧夏理工學院畢業(yè)設計如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調速系統(tǒng)。而且，計算機和直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結合體具有工作可靠、速度控制精度高，并且不受環(huán)境溫度等條件的影響、具有參數自整定、故障報警、故障記憶等功能給用戶的使用、維護提供極大方便。趨勢：近年來，隨著計算機技術、電力電子技術和控制技術的發(fā)展，高性能的交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，直流電動機的缺點日益顯露，交流可調拖動勢必會取代直流可調拖動系統(tǒng)，交流調速取代直流調速后，直流與交流共存。本課題采用的技術方案及技術難點根據本課題的實際情況，宜從以下三個方面入手分析：1．直流雙環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理及數學模型2．雙閉環(huán)流調速的工程設計3．應用MATLAB件對設計的系統(tǒng)進行仿真和校正本課題所涉及的調速方案本質上是改變電樞電壓調速。該調速方法可以實現大范圍平滑調速，是目前直流調速系統(tǒng)采用的主要調速方案。但電機的開環(huán)運行性能（靜差率和調速范圍）遠遠不能滿足要求。按反饋控制原理組成轉速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉速降落的有效途徑。轉速反饋閉環(huán)是調速系統(tǒng)的基本反饋形式。可要實現高精度和高動態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。由電動機的運動方程可知，加速度與電動機的轉矩成正比關系，而轉矩又與電動機的電流成正比。因而同時對速度和電流進行控制，成為實現高動態(tài)性能電機控制系統(tǒng)所必須完成的工作。因而也就有了轉速、電流雙閉環(huán)的控制結構。關于工程設計直流電機調速系統(tǒng)是一個高階系統(tǒng)其設計非常復雜本設計利用階次優(yōu)化的原理對系統(tǒng)的工程設計方法進行了分析。設計電機調速系統(tǒng)時應綜合考慮各方面的因素,全局最優(yōu)的觀點正確選擇合理的階次工程設計方法的基本思路是先選擇調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調節(jié)器的參數，以滿足動態(tài)性能指標應用到雙環(huán)調速系統(tǒng)中先從電流環(huán)入手按上述原則設計好電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個等效環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。-2-

寧夏理工學院畢業(yè)設計本設計的主要研究內容1.4.1建立系統(tǒng)的數學模型分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理，列寫雙閉環(huán)調速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數，并畫出其動態(tài)結構圖。1.4.2經典控制部分首先了解雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本原理然后應用工程設計方法分別進行主電路、電流環(huán)和轉速環(huán)的設計,并應用MATLAB言中的SIMULINK工具箱對系統(tǒng)進行仿真。1.4.3仿真部分簡單介紹MATLAB言及SIMULINK工具箱運用工具箱對系統(tǒng)進行仿真,得系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及其頻率特性曲線合曲線對由不同方法設計出的調速系統(tǒng)的性能進行比較研究，從而得到性能指標較為理想的系統(tǒng)模型。并嘗試性地提出改進方案。-3-

mee寧夏理工學院畢業(yè)設計mee第章系統(tǒng)的參數測定

雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理及數學模型在畫出系統(tǒng)的方塊圖，進行調節(jié)器的設計之前，必須先要求出傳遞函數有關的各個參數，這是很重要的一步。若參數不對或不正確，調節(jié)器的計算那就必然是不合要求的。在方塊圖中涉及到電動機的有四個參數電時間常T,電氣時間常T包D括可控硅整流器等其它部分）內和電勢常C。為了便于說明調節(jié)器的設計、計算起見我們先選定一種直流電動機的銘牌參數額定功率=22kW,額定電UN額定電流I=116A，額定轉n電樞內R0.112。包括其它部分后，電ND樞回路內阻可測得為R0.32電樞回（包括所串濾波器抗器等電感實測）37.22。由此出發(fā)我們來計算方塊圖中所需的電動機參數。1電氣時間常數l

LmH1160.1162由電勢平衡方程（靜態(tài)）IeNND得，電勢常數U0.112CNNDN由電機原理可知C僅差一常系數，em

V/r/30Cr/min3內R0.32,這是實際測量的。4機電時間常，為求它還需測量電機的轉動慣GD-4-

。由力矩平衡方程

m寧夏理工學院畢業(yè)設計mTimLdn當勻速時，。0

GD2dt因此

TCi。LmD將電動機的供電斷開，i=0，則T=0，得DTL

2dn

Cim整理后得

GD

2

imDdndt實驗測量時，先將電機上加一定電壓，達到均速后，記下此時轉和電樞電i，然后0D切斷電樞供電，測出此時的即可求2。若摩擦力是均勻的，則測可如圖2.1a，否則按2.1b計算。dnnt

t(a)摩擦力均勻情況（）摩擦力不均勻情況圖自停車曲線及再求后，按下式代入數據后，可得2375C5測定觸發(fā)和整流裝置的放大倍數Ks

dn在按線性系統(tǒng)規(guī)律進行分析和設計時，應該把這個環(huán)節(jié)的放大系數K當作常數，但-5-

寧夏理工學院畢業(yè)設計實際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內近似成線性環(huán)節(jié)。因此，最好應用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸—輸出特性，U

fU).設計時希望整個ct調速范圍的工作點都落在特性的近似線性范圍內，并有一定的余量，調節(jié)放大系數K可由工作范圍內的特性斜率決定K

d經實驗測得K=40SUd調速工作范圍

ΔUdΔUctUct圖2.2晶閘管觸發(fā)與整流的輸—輸出特性和K的測定雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作原理2.2.1轉速控制的要求和調速指標生產工藝對控制系統(tǒng)性能的要求經量化和折算后可以表達為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標。設計任務書中給出了本系統(tǒng)調速指標的要求。深刻理解這些指標的含義是必要的，也有助于我們構想后面的設計思路。在以下四項中，前兩項屬于穩(wěn)態(tài)性能指標，后兩項屬于動態(tài)性能指標1）調速范圍D生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，即D

naxnin

（式2.1）2）靜差率s當系統(tǒng)在某一轉下運行時負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率，即-6-

dcr寧夏理工學院畢業(yè)設計dcrs100%n0

（式2.2）靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度的。3）跟隨性能指標在給定信號（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來描述。具體的跟隨性能指標有下列各項：上升時t，超調r

，調節(jié)時t4）抗擾性能指標此項指標表明控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力，它由以下兩項組成：動態(tài)降落

，恢復時tv2.2.2調速系統(tǒng)的兩個基本矛盾在理解了本設計需滿足的各項指標之后，我們會發(fā)現在權衡這些基本指標的兩個矛盾，即1動態(tài)穩(wěn)定性與靜態(tài)準確性對系統(tǒng)放大倍數的要求互相矛盾；2動快速性與防止電流的沖擊對電機電流的要求互相矛盾。采用轉速負反饋和PI節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng),在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現轉速無靜差解決了第一個矛盾但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高例如要求快速啟制動，突加負載動態(tài)速降小等等，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流和轉矩。無法解決第二個基本矛盾。在電機最大電流受限的條件下，希望充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)后，又讓電流立即降低下來，使轉速馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流I值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖2.3a所示。Id

nnIdl

Idlt

-7-

寧夏理工學院畢業(yè)設計ab

ab圖2.3調速系統(tǒng)啟動過程的電流轉速波形帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速統(tǒng)的啟動過程理想快速啟動過程當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于經常正反轉運行的調速系統(tǒng)盡量縮短起制動過程的時間是提高生產率的重要因素為此，在電機最大電(矩)受限的條件,希望充分地利用電機的過載能力最好是在過渡過程中始終保持電(矩)為允許的最大,使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動達穩(wěn)定轉速,又電流立即降低下來,轉矩馬上與負載平衡而轉入穩(wěn)態(tài)運行.這樣的理想起動過程波形如圖2.2b所示起動電流呈方形波而轉速是線性增長的。這是在最大電流轉矩)受限的條件下，調速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖2.2b示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的實現。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后,希望只有轉速反不再靠電流負反饋發(fā)揮主要作用,而雙閉環(huán)系統(tǒng)就是在這樣的基礎上產生的。2.2.3調速系統(tǒng)的雙閉環(huán)調節(jié)原理如圖2.4-8-

**d0ACR寧夏理工學院畢業(yè)設計**d0ACR圖2.4雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理框Un

-

Un

W(s)ASR

Ui

-

Ui

UKUWT

T1l

Id

-

Idl

Ts

1

n圖2.5雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構框為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié),分別調節(jié)轉速和電流,二者之間實行串級連.把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸,再用流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了獲得良好的動靜態(tài)性能雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器轉速調節(jié)器的輸出限幅電壓

nmax

，它決定了電流調節(jié)器給定電壓的最大值；電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓

i

，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)調速系統(tǒng)的起動過程分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照轉速調節(jié)器在起動過程中的飽和與不飽和狀況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉速調節(jié)階段。從起動時間上看，第二段恒流升速是主要階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現了在電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制帶PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)還有一個特點就是起動過程中轉速一定有超調。其起動過程波形如圖所示。-9-

*d*寧夏理工學院畢業(yè)設計*d*圖雙環(huán)調速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形從圖2.6知整個起動過程分為三個階段：第I階段是電流上升階段。突加給定電壓n

后,過兩個調節(jié)器的控制作用,U、、I都上升，當I后，電動機開始轉動。由于機械慣性作用，轉速的增長不會很dddl快，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電Un

n

數值較大，其輸出很快達到限幅n值U，強迫電流I迅速上升。當II時U，電流調節(jié)器的作用使I不再迅猛imddmiim增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調節(jié)作用。第II段是恒流升速階段。從電流升到最大I開始，到轉速升到給定值n為止，dm屬于恒流升速階段是啟動過程中的主要階段在這個階段中終是飽和的轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現為在恒值電流給定

im

作用下的電流調節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流I恒定，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉速成線性增長。d第III階段是轉速調節(jié)階段。在這階段開始時，轉速已經達到給定值，轉速調節(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U

*所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉速超調。轉速超調以后ASR的輸入端出現負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓及的給定電U-10

i

立即從限幅值下來，主

寧夏理工學院畢業(yè)設計電流I也因此下降。但是，由I仍大于負載電流I，在一段時間內，轉速仍繼續(xù)上升。dddlII時，轉T，dn/dt，轉速n達到峰值。此后電動機才開始在負載的ddll阻力下減速，與此相應，電I也出現一小段小于I的過程，直到穩(wěn)定。ddl綜上所述，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)有如下三個特點：1）飽和非性控制：隨著的飽和和不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩個狀態(tài)。當和時轉速環(huán)開環(huán)系統(tǒng)表現為恒流電流調節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)當飽和時，轉速閉環(huán)，整個系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)，而電流內環(huán)則表現為電流隨動系統(tǒng)。在不同情況下，表現為不同結構的現行系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。2）準時間制：啟動過程中主要階段是第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)揮電動機的過載能力，使啟動過程盡可能更快。這個階段屬于電流受限制的條件下的最短時間控制，或稱時間最優(yōu)控制。3轉速超調由于采用了飽和非線性控制啟動過程結束進入第III段即轉速調節(jié)階段后,須使轉速調節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調節(jié)器的特性，只使轉速超調，ASR輸入偏差電為負值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速n系統(tǒng)的轉速動態(tài)響應必然有超調。2.2.5動態(tài)性能和轉速、電流兩個調節(jié)器的作用一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。1動態(tài)跟隨性能。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對于電流內環(huán)來說，在設計調節(jié)器時應強調有良好的跟隨性能。2．動態(tài)抗擾性能（1）抗負載擾動。負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉速調節(jié)器來產生抗擾作用。因此，在突加減)負載時，必然會引起動態(tài)速降升)。為了減少動態(tài)速降升)，必須在設計，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標。對于設計來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。（2抗電網電壓擾動網電壓擾動和負載擾動在系統(tǒng)動態(tài)結構圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾效果也不一樣。單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，電網電壓擾動和負載電流擾動都-11

寧夏理工學院畢業(yè)設計作用在被負反饋環(huán)包圍的前向通道上僅就靜特性而言統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但是從動態(tài)性能上看，由于擾動作用的位置不同，還存在著及時調節(jié)上的差別。負載擾動作用在被調量的前面它的變化經積分后就可被轉速檢測出來從而在調節(jié)器得到反映。電網電壓擾動的作用點則離被調量更遠，它的波動先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經過機電慣性的滯后才能反映到轉速上來，等到轉速反饋產生調節(jié)作用，已經嫌晚。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，這個問題便大有好轉。由于電網電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調節(jié)，不必等到影響到轉速后才在系統(tǒng)中有所反應。因此，在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由電網電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為1．轉速調節(jié)器的作用：1）使轉n跟隨給定電

n

變化，穩(wěn)態(tài)無靜差；2）對負載化起抗擾作用；3）其輸出幅決定電動機允許的最大電流。2．電流調節(jié)器的作用：1）對電網壓波動起及時抗擾作用；2）起動時證獲得允許的最大電流；3）在轉速節(jié)過程中，使電流跟隨起給定電U即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化；i4）當電動過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。2.3晶晶閘管-電動機調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖2.7所示：-12

2寧夏理工學院畢業(yè)設計2圖2.7V-M系統(tǒng)主電路原理圖圖中VT是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖所示：圖2.8三相全控橋式整流電路通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電，c從而實現平滑調速。主電路參數計算34d2

c

（式2.3）220VdNUU

o

220V其中系數0.9為電網波動系數系數1-1.2為考慮各種因素的安全系數這里取1.1。

U*nm0.0067NU*U*8imII-13

（式2.4）（式2.5）

寧夏理工學院畢業(yè)設計主電路的過電壓和過電流保護2.5.1過電壓保護1交流側過電壓保護：用壓敏二極管抑制事故過電壓。2直流側過電壓保護：利用電阻和電容吸收操作過電壓。2.5.2過電流保護每個橋臂串個快速熔斷器。-14

oi寧夏理工學院畢業(yè)設計oi第章

按工程設計方法設計雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器3.1設本論文首先應用經典控制理論的工程設計方法計出轉速和電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng),然后利用現代控制理論中的線性二次型性能指標最優(yōu)設計方法設計此調速系統(tǒng)。3.1.1基本數據（其中包括銘牌數據和測試數據）（1）被控直流電動機=22KWU=220VIANNr/minD

0.1mire

=1.5C=1.318kg.m/A（2）整流裝置

三相全控橋式整流電路K=40T=1.7mss（3）電樞回路總電阻R=0.32（4）電樞回路總電感LD（5）系統(tǒng)時間常數TslT=0.157s

d=37.22（6）反饋濾波時間常數TTon（7）調節(jié)器最大給定電壓-15

寧夏理工學院畢業(yè)設計U*U*=8v（8）調節(jié)器輸入回路電阻Rk03.1.2設計指標（1）負載：恒轉矩負IIdl（2）起動方式：空載起動到額定轉速I

d

（3）性能指標：1）調速范：D＝102）靜差率S3）電流超i4）轉速超n5)突加負載的動態(tài)速6）恢復時t≤1.5秒?3.1.3工程設計方法的基本思路用經典的動態(tài)校正方法設計調節(jié)器必須同時解決自動控制系統(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)、動態(tài)性能要求。作為工程設計方法,首先要使問題簡,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調節(jié)器的設計過程分為兩步：第一步，先選擇調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調節(jié)器的參數，以滿足動態(tài)性能指標這樣做，就把穩(wěn)、準、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾—動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進一步滿足其它動態(tài)性能指標。在選擇調節(jié)器結構時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數與性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數時只須按現成的公式和表格中的數據計算一下就可以了。這樣就使設計犯法規(guī)范化，大大減少了設計工作量。-16

寧夏理工學院畢業(yè)設計3.2電3.2.1電流環(huán)動態(tài)結構圖的簡化設計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產生的交叉反饋作用。它代表轉速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數一般遠小于機電時間常T，因而電流的調l節(jié)過程往往比轉速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調節(jié)器的調節(jié)過程中可以近似的認為E不變，0。這樣，在設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結構圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內。最后一般的多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)soil處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，oiU*(i

oi

U)

Kss

U

1/Rl

Is)oiU*(s)i

Toi

a)ACR

U()

K/RsTTslU

*()i

/(sTsl

I(sc圖3.1電流環(huán)的動態(tài)結構圖及其化簡-17

I寧夏理工學院畢業(yè)設計I3.2.2電流調節(jié)器結構的選擇首先應決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許因而在突加控制作用時不希望有超或者超調量越小越對電網電壓波動的抗擾作用只是次要因素以電流環(huán)應以跟隨性能為主i應該把電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)可電流環(huán)還有另一個對電網電壓波動及時調節(jié)的作用為了提高其抗擾性,又希望把電流環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。一般情況,當制對象的兩個時間常數之T/,Ⅰ系統(tǒng)的抗擾恢復時間還是可以接受的因此一般多按典Ⅰ系統(tǒng)來l設計電流環(huán)。圖表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，應采用PI型的電流調節(jié)器，其傳遞函數為W

()

K

i

ii

(式3.1)式中—電流調節(jié)器的比例系數i電流調節(jié)器的超前時間常數。iTs檢查對電源電壓的抗擾性能：l31.35參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)擾性能Ts指標與參數的關系表格，可知各項指標都是可以接受的。為了讓調節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數極點，選擇則電流環(huán)的動態(tài)ilKK結構圖可以化簡為圖3.2所示的典型形式，其Kisi

*i

(s)

KI(

I()圖電流環(huán)簡化成Ⅰ系統(tǒng)-18

寧夏理工學院畢業(yè)設計3.2.3電流調節(jié)器參數的計算1.確定時間常數1）三相橋式電路的平均失控時間s。s2流濾波時間常相橋式電路每個波頭的時間是了基本濾平波頭，oi應有（1~2Toi

=3.33，因此Tms0.002。oi3）電流環(huán)小時間常數之s。oi2.計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數：

i

0.116s。l電流環(huán)開環(huán)增益要

i

5%時應0.5因KII

0.50.5sT0.0037s

ACR的比例系數為Ki3.檢驗近似條件

K0.1160.32Ii2.73K0.046s電流環(huán)截至頻率K135.1ciI

機電時間常Tm

2375CC

1）晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件11sT30.0017ss

ci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11322.23sTT0.157ssml

ci滿足近似條件。3）電流環(huán)小時間常數近似處理條件111sTT0.0017s0.002ssoi

ci-19

ioiI2)oo-1ciI寧夏理工學院畢業(yè)設計ioiI2)oo-1ciI滿足近似條件。4.計算調節(jié)器電阻和電容由圖3.3，按所用運算放大器40k，各電阻和電容值為0RKR109.2k，取09kiiCiRi

F，取.1uF109T40.002CoiFuF，0.2uFR30按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為4.3%，滿足設計要i求。U

*i-Id圖3.3含給定濾波與反饋濾波的型電調節(jié)器3.2.4電流環(huán)的動態(tài)性能指標1頻域指標電流環(huán)的動態(tài)結構圖如圖所示其開環(huán)頻率特性為:G(jK

j

KIjT

(式3.2)L(ω)=20lgK-ω-20lg(1+T

∑i

2

ω

?

(式3.3)Φ(-90-tgTω∑iγ(ω)=90Tω∑i

(式3.4)(式3.5)根據典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨指標和頻域指標的參數的關系當KT時,阻尼比I∑iξ=0.707，振蕩指標M，截止頻率ω=K=135.1-20

oociciiclis*oociciiclis*因此

Φ(ω)=

寧夏理工學院畢業(yè)設計T=-116.6∑iγ(ω)=180-ω)

o2跟隨性能指標電流超調量σ%=4.3%<5%上升時間

t4.720.0037ri超調時間

tT

6.0.07

5s調節(jié)時間

tT600Si

2.2s3.3轉3.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數：I(s)1(s)dUiKI

(式3.6)I()W)cliU*(si

KI

s

(式3.7)近似條件:1KIT

(式3.8)式為轉速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率其一般較低。在后續(xù)計算完成,需校驗此近似條件。3.3.2轉速環(huán)的動態(tài)結構圖及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，整個轉速調節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如3.4（）所示。把轉速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內，同時將給定信號改為U(s)/α再n-21

on寧夏理工學院畢業(yè)設計on1把時間常數為T和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數為T的慣性環(huán)KI節(jié)，TTon

1，則轉速環(huán)結構圖可轉化成圖（KI

I()dlU*()

s

U*i

)

1/1sI

I(

C

()soi)U*()n

s

I)

I)dl

CT

n(s)U

*()

K(Ts

n())圖3.4轉環(huán)的動態(tài)結構圖及其近似處理3.3.3轉速調節(jié)器結構的選擇1轉速調節(jié)環(huán)選用典型Ⅱ型系統(tǒng)的原因1)系統(tǒng)在負載擾動作用下，動態(tài)速降要小。2)飽和非線性性質使超調量降低。3)轉速環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。-22

c12cc12ccc寧夏c12cc12ccc2典型Ⅱ型系統(tǒng)參數和性能指標的關系為了分析方便起見，引入一個新的變量h，令

2

(式3.9)h是斜濾為-的中頻斷的寬度(對數坐標)，稱作中頻寬”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質起著決定性的作用，因此只是一個很關鍵的參數。一般情況下，點處dB特性段，由圖3.5可以看出20lgK40(lglg1)20(lg)20lg11因此

1c

(式3.10)從圖還可看出，由T一定，改于改變了中頻寬h；以后，再改K相當于是開環(huán)對數幅頻特性上下平移，從而改變了截止頻率ω。因此在設計調節(jié)器時，選擇兩個參數h，就相當于選擇參K。c-40dB/dec圖3.5典Ⅱ型系統(tǒng)的開環(huán)對數幅頻特性和中頻寬由“振蕩指標法”中所用的閉環(huán)幅頻特性峰M最小準則對于一定的值只有一個r確定(或K)，可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰Mc系是

rmin

，這和ω，ω之間的關cω/ω=ω/ω=(h+1)/2

(式3.11)(式3.12)而

ω+ω=2ω/(h+1)+2hω/(h+1)=2ω-23

11c1nnNK11c1nnNK因此對應的最小M峰值是

寧夏理工學院畢業(yè)設計=(1/ω+ω)=(1/2)(1/τ+1/T)c

(式3.13)M

ri

(式3.14)確定了h以后可以很容易的計K。由h定義知c

(式3.15)h1hK)222h3.3.4轉速調節(jié)器參數的計算要把轉速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng)，ASR也應采用節(jié)器，其傳遞函數

(式3.16)為

W(s)AR

(式3.17)n式中

K—轉速調節(jié)器的比例系數;nτ—轉速調節(jié)器的超前時間常數調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為K(K(nnCs(Ts2(T令轉速環(huán)開環(huán)增益K為KKnTem

(式3.18)則

(

K(N2(Ts

（式3.19）1.確定時間常數1）電流環(huán)等效時間常數：T0.00370.0074sKI2）轉速濾波時間常數：3）轉速環(huán)小時間常數：2.選擇轉速調節(jié)器結構

TonT000.0.74nI-24

non寧夏理工學院畢業(yè)設計non按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為KsW(sss(Tsmn3.計算轉速調節(jié)器參數

KsnTs2en按跟隨和抗擾性能都較好的原則，h則ASR的超前時間常數為

n

s0.087s轉速開環(huán)增益：N

h2220.01742

s

ASR的比例系數為：Kn4.檢驗近似條件

(0.0460.157m220.0174轉速環(huán)截止頻率：

K1

n

s

34.48s

1）電流環(huán)傳遞函數簡化條件為1I3T30.0037

s

63.7s

滿足簡化條件。2）轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為1I3

38.74

滿足簡化條件。5.計算調節(jié)器電阻和電容取R40，則0RKRk640kn00.087CF0.14uF，uFRnTCFuF取uFR400-25

0.138寧夏理工學院畢業(yè)設計0.138U

*n

U

*i-圖含定濾波與反饋濾波的型轉速調節(jié)器6.校核轉速超調量，

n

37.6%，不能滿足設計要求。由于上述是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應按飽和的情況重新計算超調量。7.按飽和重新計算超調量II過載倍II當時，查典型Ⅱ型抗擾性能指標表得

Cb

116

n

2()(81.2%C*b

15000.157能滿足設計要求。3.3.5轉速環(huán)的抗擾性能指標1）突加負的動態(tài)速降指標：因為有I0.8I，所以dlN

(I)dmdlCTm

（式3.20）-26

f寧夏理工學院畢業(yè)設計f因此

(ax%)*C*b2.26%3%%滿足設計要求。

（式3.21）2)恢