存檔日期:存檔編號:本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文題目： 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)名： 學(xué)院： 電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)： 自動(dòng)化 班級、學(xué)號 10電51 師： 江蘇師范大學(xué)教務(wù)處印制直流調(diào)速系統(tǒng)的控制一般都是由轉(zhuǎn)速、電流反饋來完成的，它的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能都是十分杰出的，正是由于它的這些優(yōu)點(diǎn)使其使用范圍也很廣泛。其主要通過晶閘管可控整流電源來調(diào)節(jié)電源的大小。根據(jù)題目的設(shè)計(jì)要求，調(diào)速系統(tǒng)一共有兩個(gè)控制器，它們分別是轉(zhuǎn)速控制器（ASR）和電流控制器（ACR）。速度控制系統(tǒng)的電源電路的設(shè)計(jì)是使用三相全控橋整流電路實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)中，首先對總體規(guī)劃的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行了確定。之后又對主電路的結(jié)構(gòu)形式以及各個(gè)元器件進(jìn)行了確定和設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，對包括晶閘管、電抗器等元件的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。在本文的最后一個(gè)部分，主要圍繞本設(shè)計(jì)最重要的部分，直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使速度和電流兩個(gè)負(fù)反饋可以發(fā)揮一定的作用，因此，應(yīng)該使其嵌套連接在速度和電流負(fù)反饋之間。單純的從布局上來看的話，電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)的內(nèi)部，因此電流環(huán)被叫做內(nèi)環(huán)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速環(huán)就被稱為外環(huán)。這樣設(shè)計(jì)之后，以電流負(fù)反饋、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋為核心的調(diào)速系統(tǒng)就這樣形成了。在對所有部分設(shè)計(jì)都完成了之后，采用MATLAB對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電流負(fù)反饋AbstractThespeedandcurrentfeedbackcontrolofdcspeedcontrolsystemhasexcellentstaticanddynamicperformanceandthemostwidelyapplicationscope.Itthroughthyristorcontrolledrectifyingpowersupplytoadjustthesizeofthepowersupplymainly.Accordingtothedesignrequirementsofthetitle,itusesASRandACRasthecontrollerofspeedcontrolsysteminthecontrolcircuit.ThepowersupplycircuitofthespeedcontrolsystemofdesignusestheSedanfully-controlledbridgerectifiercircuit.Firstly,weneeddeterminetheoverallplananddiagramofthisdesignbeforethedesign.Secondly,weneedidentifyanddesignthestructureofmaincircuitandthevariouscomponents.Atthesametime,includingtheparametersofthyristor,reactor,etc.Finally,focusonthedesignofthemostimportanttwopartswhicharespeedloopandcurrentloopdcspeedcontrolsysteminthedesign.Inthesystemwereintroducedspeednegativefeedbackandcurrentfeedbackandtheimplementationofanestedconnectioncanrealizethespeedandcurrenttwokindofnegativefeedbackeffectbetweenthetworespectively.Onthelayoutofitsimply,currentloopisreferredtoastheinnerring,becauseitisintheinside.Speedringiscalledtheouterring,becausecurrentloopisintheinteriorofthespeedloop.Throughthisdesign,thecoreofthedoubleclosedloopspeedregulationsystem:speednegativefeedbackandcurrentfeedbackisformed.Afterallpartsofthedesignisdone,usingMATLABsimulationtodotheexperimentstothewholesystemandanalyzethedata,wecansafelydrawtheconclusion.Keywords:DCmotor;doubleclosedloop;speedring;currentloopTOC\o"1-5"\h\z摘要 1Abstract....................................................................................................II\o"CurrentDocument"1 概述 1\o"CurrentDocument"1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述 1\o"CurrentDocument"1.2研究課題的目的和意義 1\o"CurrentDocument"1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 2\o"CurrentDocument"1.4.1設(shè)計(jì)要求 2\o"CurrentDocument"1.4.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 2\o"CurrentDocument"2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 3\o"CurrentDocument"3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和數(shù)學(xué)模型 .4\o"CurrentDocument"3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 4\o"CurrentDocument"3.1.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo) 4\o"CurrentDocument"3.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)所要解決的兩個(gè)基本問題 5\o"CurrentDocument"3.1.3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 6\o"CurrentDocument"3.1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程分析 7\o"CurrentDocument"3.1.5數(shù)學(xué)模型的參數(shù)的確定 9\o"CurrentDocument"4系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu) 11\o"CurrentDocument"4.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定 11\o"CurrentDocument"4.1.1可控直流電源的選擇 11\o"CurrentDocument"4.1.2主電路原理圖 12\o"CurrentDocument"4.2 在額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 12\o"CurrentDocument"5主電路各器件的選擇和參數(shù)計(jì)算 .14\o"CurrentDocument"5.1主電路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)的必要性 14\o"CurrentDocument"5.1.1過電壓保護(hù)設(shè)計(jì) 15\o"CurrentDocument"5.1.2過電流保護(hù)設(shè)計(jì) 16\o"CurrentDocument"5.2整流變壓器和晶閘管的選擇與計(jì)算 16\o"CurrentDocument"5.2.1整流變壓器的計(jì)算 17\o"CurrentDocument"5.2.2晶閘管參數(shù)的計(jì)算 17\o"CurrentDocument"5.2.3平波電抗器參數(shù)的計(jì)算 18\o"CurrentDocument"6利用工程設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)電流、轉(zhuǎn)速反饋控制調(diào)節(jié)器 19\o"CurrentDocument"6.1主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 19\o"CurrentDocument"6.2工程設(shè)計(jì)的基本步驟 19\o"CurrentDocument"6.3設(shè)計(jì)所需要的基本數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo) 20\o"CurrentDocument"6.3.1基本數(shù)據(jù) 20\o"CurrentDocument"6.3.2設(shè)計(jì)所要求的指標(biāo) 21\o"CurrentDocument"6.4用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器 22\o"CurrentDocument"6.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的簡化 22\o"CurrentDocument"6.4.2電流環(huán)時(shí)間常數(shù)的確定 23\o"CurrentDocument"6.4.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 23\o"CurrentDocument"6.4.4電流環(huán)參數(shù)計(jì)算 24\o"CurrentDocument"6.4.5校驗(yàn)近似條件 26\o"CurrentDocument"6.4.6電流環(huán)的跟隨性能指標(biāo) 26\o"CurrentDocument"6.5用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 27\o"CurrentDocument"6.5.1電流環(huán)的等效傳遞函數(shù) 27\o"CurrentDocument"6.5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的簡化 27\o"CurrentDocument"6.5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 28\o"CurrentDocument"6.5.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算 30\o"CurrentDocument"6.5.5轉(zhuǎn)速環(huán)性能指標(biāo)的檢測 32\o"CurrentDocument"7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字仿真 33\o"CurrentDocument"7.1基于工程設(shè)計(jì)的方法的數(shù)字仿真 33\o"CurrentDocument"7.2結(jié)果分析 34\o"CurrentDocument"8結(jié)論 37\o"CurrentDocument"致謝 38參考文獻(xiàn) 391概述1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述直流電動(dòng)機(jī)在近三十多年的時(shí)間里在很多方面都有了很大的改進(jìn)，特別是在調(diào)速控制方面，其變革是十分重大且有意義的。代表著先進(jìn)技術(shù)的晶閘管整流技術(shù)以一種全新的姿態(tài)代替了我們已經(jīng)應(yīng)用了很久的其他整流技術(shù)，其中最具有代表性就是直流發(fā)電機(jī)組，不得不說，這種變化使電驅(qū)動(dòng)完成了跨時(shí)代的飛躍。而且隨著科學(xué)技術(shù)的日益更新，調(diào)速控制電路已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了高密集化、高可依賴性和低成本等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也使得直流調(diào)速系統(tǒng)的性能不止進(jìn)步了一點(diǎn)點(diǎn)，而且其應(yīng)用范疇也隨著這一改變而有了更大的突破。直流調(diào)速技術(shù)由于其成熟完美，系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，使之很難在電驅(qū)動(dòng)PWM調(diào)速領(lǐng)域被取代。充分迎合工作設(shè)備的要求，通過各種方法改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速被稱之為直流調(diào)速。為了改變電動(dòng)機(jī)各方面的性能以及它的穩(wěn)速狀態(tài)，必須從其機(jī)械特性入手，盡可能的改變它的外部電壓或者結(jié)點(diǎn)參數(shù)。盡管交流調(diào)速系統(tǒng)隨著調(diào)速技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，正在不斷地吞噬著直流調(diào)速系統(tǒng)的領(lǐng)地，但是就目前的大體局勢看來，直流調(diào)速系統(tǒng)在根本上還是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的主流，仍然在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中占領(lǐng)著不可撼動(dòng)的地位。在我國很多的工業(yè)部門中，比如冶煉軋鋼、采礦、紡織造紙業(yè)等依舊是直流調(diào)速系統(tǒng)占主導(dǎo)地位。直流調(diào)速系統(tǒng)不僅是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而且其理論和實(shí)踐相比于交流調(diào)速更為成熟完善，所以直流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位，而且與我們的生活是密不可分的。1.2研究課題的目的和意義雙閉環(huán)直流調(diào)速相比于單閉環(huán)直流調(diào)速，在抗干擾性能方面是十分突出的，其中，PI調(diào)節(jié)器在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用是十分巨大的，首先他能夠消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩對穩(wěn)態(tài)速降的擾動(dòng)，使系統(tǒng)更加趨向于穩(wěn)定，并且還可以達(dá)成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，與此同時(shí)，利用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流對系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊，但是假如電樞電流是動(dòng)態(tài)的而不是靜態(tài)的，然后單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電流就不能任意的控制了。要想解決這一問題，就必須在調(diào)速系統(tǒng)中引入兩個(gè)十分重要的負(fù)反饋：轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋。而且雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相比于直流單閉調(diào)速系統(tǒng)，在抗干擾性能，特別是抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)方面有了質(zhì)的飛躍。矛盾的存在在于，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的時(shí)候必須考慮到很多方面，比如穩(wěn)定性、快速性以及抗干擾性等，而在使用經(jīng)典的動(dòng)態(tài)校正方法時(shí)，同時(shí)考慮整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，是一個(gè)很難權(quán)衡的過程［1］建立一個(gè)實(shí)用易行的設(shè)計(jì)方法在這個(gè)時(shí)候就顯得十分必要和急迫，同時(shí)進(jìn)行這個(gè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員的理論基礎(chǔ)以及他的實(shí)踐能力都是不可或缺的，剛剛進(jìn)入調(diào)速領(lǐng)域的人是不可能輕易的掌握其中的訣竅的。低階系統(tǒng)可以被用來近似成很多系統(tǒng)，例如在在電力驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中，十分具有代表性和先進(jìn)性的自動(dòng)控制系統(tǒng)。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，我們可以事先研究這個(gè)體系以及圖標(biāo)，將實(shí)際的系統(tǒng)利用低階系統(tǒng)校正簡化，設(shè)計(jì)過程就能相應(yīng)的簡化了，可能產(chǎn)生的工程設(shè)計(jì)方法就可以大大提高。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電機(jī)控制技術(shù)在近三十多年發(fā)生了史無前例的變化，其最根本的原因不僅僅是電力電子技術(shù)，同時(shí)還有自動(dòng)控制技術(shù)有了翻天覆地的進(jìn)步。在20世紀(jì)，特別是70年代，單片機(jī)由于其出眾的性能，被廣泛的應(yīng)用于制作電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中最重要的部分一控制器。恰恰是由于單片機(jī)的應(yīng)用，電機(jī)的速度控制系統(tǒng)，特別是性能方面有了很大的提高。與此同時(shí)，微機(jī)也開始出現(xiàn)，并且由于其出眾的性能使之頻繁的被用于完成各式各樣的控制系統(tǒng)。自80年代中后期起，伴隨著數(shù)字化控制這一理念，數(shù)字化調(diào)速裝置不斷的被世界各大電氣公司所研發(fā)。極其高的精度、優(yōu)良的控制性能加上無可比擬的抗干擾能力為數(shù)字化直流調(diào)速裝置在控制平臺占領(lǐng)了一席之地。1.4設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求1.4.1設(shè)計(jì)要求（1） 系統(tǒng)性能良好，無靜差或者靜差率很小。（2） 系統(tǒng)能夠進(jìn)行平滑無級的調(diào)速，工作范圍廣，在其工作范圍內(nèi)，電機(jī)能穩(wěn)定持續(xù)的運(yùn)行。（3） 調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置有保護(hù)電路。（4） 主電路采用三項(xiàng)全控橋。1.4.2設(shè)計(jì)內(nèi)容（1） 按照設(shè)計(jì)所提供的要求，設(shè)計(jì)出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，清楚的描述出其工作原理，畫出設(shè)計(jì)時(shí)所必要的各個(gè)原理圖和框圖。（2） 確定系統(tǒng)各個(gè)部分的參數(shù)。（3） 確定主電路的各個(gè)組成部分，包括變流變壓器、整流器、平波電抗器、保護(hù)元件等。（4） 完成驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，確定其組成結(jié)構(gòu)。（5） 通過MATLAB/SIMULINK調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖所謂直流電機(jī)，就是需要通過三相直流電機(jī)來供電，使其能夠運(yùn)行的一種電機(jī)類型。在人們的日常生活中，都是直接使用三相交流380V電源，因此需要將交流電整流使其轉(zhuǎn)變成直流電。本設(shè)計(jì)采用三相橋式整流電路，將日常生活中的380V交流電變成三相直流電，然后將滿足供應(yīng)直流電機(jī)的要求［1］系統(tǒng)的總框架如圖2-1：圖2-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總框圖一般在三相交流和三相橋式整流電路中都有一定的電路保護(hù)措施，比如快速熔斷器等。根據(jù)不同的要求和不同的情況我們應(yīng)選擇不同的電壓電流保護(hù)方法和器件，并且還要準(zhǔn)確的計(jì)算各個(gè)器件的參數(shù)。在直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋是系統(tǒng)中的靈魂，有了它們，才有了整個(gè)系統(tǒng)的可行性。他們之間采用的是串級連接。穩(wěn)速精度是整個(gè)系統(tǒng)很重要的一部分，它是由外環(huán)，即轉(zhuǎn)速負(fù)反饋來保障的。而電流負(fù)反饋環(huán)很明顯的是內(nèi)環(huán)，它的存在很好的改善了整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)也為控制轉(zhuǎn)矩和限流提供了可靠的保證。系統(tǒng)要求必須有優(yōu)秀的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，一般調(diào)節(jié)器是無法實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的時(shí)候，要采用PI調(diào)節(jié)器⑹。3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和數(shù)學(xué)模型3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理3.1.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)在直流調(diào)速系統(tǒng)中，其調(diào)速性能的要求是十分苛刻的。例如：最快的速度和最緩的速度比，需要有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在負(fù)載突然變化時(shí)最大的調(diào)速范圍等。但是，總的來說，只需要注意三個(gè)方面，調(diào)速系統(tǒng)就能根據(jù)控制的要求，依照人的意愿進(jìn)行工作：（1） 調(diào)速：在容許的調(diào)速范圍內(nèi)，無級調(diào)速和有級調(diào)速到底是怎樣選擇和應(yīng)用；（2） 穩(wěn)速：保證一定的精度，使調(diào)速系統(tǒng)能夠在所需要的轉(zhuǎn)速上平穩(wěn)的運(yùn)行。即使遭受到種種不確定的擾動(dòng)和干預(yù)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)也不會有超過系統(tǒng)所允許的波動(dòng)；（3） 加、減速：要求調(diào)速系統(tǒng)能夠快速的加速、減速而且起動(dòng)和制動(dòng)過程要盡可能地平穩(wěn)。在滿足定量分析之后，“調(diào)速范圍”和“靜差率”就可以用來定義“調(diào)速”和“穩(wěn)速”這個(gè)兩項(xiàng)要求了。穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)就是指的這兩個(gè)指標(biāo)［1］。I調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)所能達(dá)到的最快轉(zhuǎn)速nmax和最慢轉(zhuǎn)速nmin之比，通常用大寫字母D表示，即D—max （3-1）nminII靜差率運(yùn)行速度，負(fù)載的理想負(fù)載對應(yīng)的轉(zhuǎn)速差，與理想空載轉(zhuǎn)速比值稱為靜差率，通常用字母s表示，即S—nomX100% （3—2）n0特別要注意的是，靜差率S是衡量調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生變化時(shí)的穩(wěn)定度的一個(gè)重要參數(shù)。它與系統(tǒng)的機(jī)械特性硬度有密切的關(guān)系，如果機(jī)械特性硬，靜態(tài)誤差率就小，也就是說該系統(tǒng)穩(wěn)定性高。而且，調(diào)速范圍D和靜差率S并不能分開來討論，它們是緊密聯(lián)系在一起的，必須兩者一起分析。在通常的情況下，電機(jī)在額定功率下的轉(zhuǎn)速nN視為最高轉(zhuǎn)速，假設(shè)在此功率下的轉(zhuǎn)速下降了An，則我們進(jìn)行分析后可以得出結(jié)論：(3-3)D=—nNS—(3-3)An(1-s)Nm跟隨性能指標(biāo)以下性能指標(biāo)是指系統(tǒng)輸出變化跟隨參考信號，跟隨性能指標(biāo)一般是由以下三項(xiàng)指標(biāo)組成：上升時(shí)間t，超調(diào)量a與峰值時(shí)間，，調(diào)節(jié)時(shí)間￡。r p sW抗擾動(dòng)性能指標(biāo)當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)正在穩(wěn)定的運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)突然受到一個(gè)擾動(dòng)量F，然后系統(tǒng)開始波動(dòng)，但是波動(dòng)并不是無止境的，當(dāng)波動(dòng)量慢慢趨近于另外一個(gè)穩(wěn)定值的時(shí)候，一個(gè)抗干擾過程就完成了?？垢蓴_性能指標(biāo)一共有兩個(gè)指標(biāo)組成，其中一個(gè)是動(dòng)態(tài)降落△cmax，另外一個(gè)是恢復(fù)時(shí)間tv[1]3.1.2直流調(diào)速系統(tǒng)所要解決的兩個(gè)基本問題說明和理解系統(tǒng)的幾個(gè)基本指標(biāo)之后，必須解決存在與直流調(diào)速系統(tǒng)中的兩個(gè)基本問題：系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度問題對系統(tǒng)放大率之間的要求；電樞電流和快速啟動(dòng)與電流的突變之間的問題。第一個(gè)問題的解決很簡單，只需要在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中加入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)，同時(shí)應(yīng)用PI調(diào)節(jié)器，即能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，而且保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第二個(gè)問題的解決就比較繁瑣，在通常的調(diào)速系統(tǒng)中，人們都希望制動(dòng)和啟動(dòng)時(shí)間都能盡可能的縮短，以此來提高生產(chǎn)效率。這就要求在起、制動(dòng)時(shí)候的電流要始終保持最大值，這樣調(diào)速系統(tǒng)的加速度(減速度)就能保持為最大值。一旦系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流能瞬間降下來，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。例如，在圖3-1中電流變化的起、制動(dòng)的整個(gè)過程：

Lldm0tndm】dLldm0tndm】dn圖3-1最佳過渡過程時(shí)間雖然這樣的起、制動(dòng)方式充分的優(yōu)化了時(shí)間，但是又衍生出一個(gè)十分重要的問題：如此快速的電流變化，電路中難免出現(xiàn)過大的電流沖擊。為此，在系統(tǒng)中添加一個(gè)電流負(fù)反饋，這樣就很好的解決了這個(gè)問題。在實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)中都是存在電感的，電流突變是不可能的，因此如圖所示的只是理想模型，現(xiàn)實(shí)情況下只能近似與它，不能完全吻合。3.1.3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖對于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖，如圖3-2所示：圖3-2雙閉環(huán)直流調(diào)速原理框圖圖中WaS1(')和叱但(')代表了速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)之間的關(guān)系，這兩個(gè)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，兩者之間串行連接，電流調(diào)節(jié)器的最大給定電壓并不是憑空產(chǎn)生的，它是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的最大輸出電壓所決定的，同是它也決定了晶閘管整流器的最大輸出電壓，這三個(gè)之間的聯(lián)系是密不可分的，應(yīng)該將它們放在一起考慮。3.1.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程是接近理想的啟動(dòng)過程。在啟動(dòng)過程中，速度調(diào)節(jié)器一共有兩種狀態(tài)：飽和和非飽和，而起動(dòng)過程可以分為以下三個(gè)階段：電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在圖3-3中，我們就其它的起動(dòng)過程，繪制了如下的波形圖，改圖充分簡明的闡述了起動(dòng)時(shí)的狀態(tài)：第一個(gè)階段是電流上升階段:給一個(gè)突然的給定電壓un*后，雖然uc、ud0、I都在上升，但是由于剛開始I<I，電動(dòng)機(jī)并不能開始轉(zhuǎn)動(dòng)。但是隨著I的d ddL d不斷增大，終有一刻IdNIdL，就在此時(shí)電動(dòng)機(jī)會開始轉(zhuǎn)動(dòng)，但是電機(jī)是存在慣性作用的，它的轉(zhuǎn)速不會馬上的變得很快，此時(shí)輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的電壓偏差△u=un*-un在數(shù)值上仍然是非常大的，所以電樞電流。將持續(xù)迅速上升，一直到Idwid，u牝u*，七的上升就會由于電流調(diào)節(jié)器而受到制約，這樣電流上升階段就停止了。在此階段中，asr很快速的進(jìn)入了飽和狀態(tài)，而ACR一般是不會進(jìn)入飽和狀態(tài)的。圖3-3在起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的相應(yīng)的波形第二階段恒流加速階段：在這個(gè)階段，在第一階段的速度調(diào)節(jié)器ASR飽和，作為一個(gè)整體的系統(tǒng)速度環(huán)相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)，電流0保持不變，所以這時(shí)候電機(jī)的加速度也是保持恒定的，電機(jī)轉(zhuǎn)速己線性方式上升。第三階段系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：系統(tǒng)的速度在速度調(diào)節(jié)階段已為給定值n*，△u0即輸Aasr的偏差為0，但是輸出卻不能夠突變，繼續(xù)維持在uim*，電動(dòng)機(jī)仍然在加速，只是加速度減小了而已，這樣轉(zhuǎn)速就超調(diào)，使得輸入ASR的偏差電壓變由正轉(zhuǎn)為負(fù)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器就開始退飽和，u*和id由于調(diào)節(jié)器的作用ddL而迅速下降。然而只要Id>I^，轉(zhuǎn)速就回繼續(xù)上升。當(dāng)I=I時(shí)，轉(zhuǎn)速就會達(dá)ddL由于idV、，電機(jī)就會由到一個(gè)最大值，在r由于idV、，電機(jī)就會由3 3 4于負(fù)載的緣故降低轉(zhuǎn)速，到達(dá)一個(gè)穩(wěn)態(tài)值。在第三階段中，ASR起主導(dǎo)作用，主要是調(diào)整速度，ASR和ACR并沒有達(dá)到飽和狀態(tài)。根據(jù)上面的三個(gè)階段，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在啟動(dòng)階段就有三個(gè)很明顯的特點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)了：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)原則。3.1.5數(shù)學(xué)模型的參數(shù)的確定(1)電樞電路的電磁時(shí)間常數(shù)電樞回路的總電阻R=R1+R2+R3=3.1Q其中：R1被視為晶閘管的電阻；R2視為平波電抗器的電阻；R3視為電機(jī)的電樞回路電阻。電樞回路的總電感L=L1+L2+L3=74.5mH其中：L為平波電抗器的電阻；L為電動(dòng)機(jī)的電樞電感；L為變壓器的漏

1 2 3感?？偟膩碚f，電磁時(shí)間常數(shù)可以這樣來定義：T=4=W=24(ms)LR3.1(2)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械時(shí)間常數(shù)在額定磁通下的電機(jī)反電勢系數(shù)代入計(jì)算后，取平均值C=0.13V/rpm電動(dòng)機(jī)的飛輪力矩GD2牝375Mo/(An/At)=5.8N.m2

所以有RGD所以有RGD2375CC=329.3(ms)觸發(fā)放大器、整理放大器的放大系數(shù)在進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，放大系數(shù)K通常都是被看作是系統(tǒng)中一個(gè)常數(shù)，但是事實(shí)的情況是在觸發(fā)和整流電路中，由于各種因素的影響，放大系數(shù)并非是線性的，只有在工作范圍內(nèi)，近似線性。因此，必須利用實(shí)驗(yàn)的方法，根據(jù)輸入和輸出的關(guān)系來確定放大系數(shù)K的大小。雖然不能十分的確定調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都在其特性的線上，但是能大致的將這些點(diǎn)落在其附近，根據(jù)式（3-4）△U（3-4）s △Uct結(jié)合圖3-4：d△Uct調(diào)速工作范圍內(nèi)d△Uct調(diào)速工作范圍內(nèi)△UdUct圖3-4K的測定線形圖在工作范圍內(nèi)，放大倍數(shù)K=務(wù)=40ct4系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)4.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的確定4.1.1可控直流電源的選擇在直流調(diào)速系統(tǒng)中，晶閘管可控整流電源以及直流脈寬調(diào)制電源以其優(yōu)越的特性而被經(jīng)常是用作為很多系統(tǒng)的可控直流電源。因此，能夠被選用應(yīng)用與本設(shè)計(jì)的兩個(gè)電機(jī)系統(tǒng)分別為晶閘管整流器一電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和直流脈寬PWM一電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)［1幻I晶閘管整流器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)C來，整流器的電壓電流輸出Ud就因此而改變了，直流電機(jī)也就能進(jìn)行平滑無級的調(diào)速了。IIPWM直流調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)與直流PWM變頻電機(jī)系統(tǒng)相比，V—M系統(tǒng)，在許多領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢：例如，電路結(jié)構(gòu)簡單，低損耗和高轉(zhuǎn)速電機(jī)。它主要是通過晶閘管的占空比的變化來改變電機(jī)兩端得到的電壓。但是。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)當(dāng)選擇V—M調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.1.2主電路原理圖本設(shè)計(jì)的要求，需要在一定的范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)平滑無級的調(diào)速，最好的方式是調(diào)節(jié)電樞電壓。三相全控整流因其出眾的性能而被廣泛的選用作為很多系統(tǒng)的整流電路，所以本設(shè)計(jì)也選用其來進(jìn)行設(shè)計(jì)。用此電路設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)不僅調(diào)速范圍廣，而且還能實(shí)現(xiàn)多方面的技術(shù)要求，是十分理想的調(diào)速整流電路。其主電路原理圖如圖4-2：圖4-2主電路原理圖三相全控整流電路一共有6個(gè)編號的晶閘管，而組成共陰極組的晶閘管有VT1、VT3和VT5，很明顯VT2、VT4和VT6組成了整流電路的共陽極組。在一個(gè)周期的六個(gè)晶閘管電路必須由關(guān)斷轉(zhuǎn)為通路，兩者之間的觸發(fā)脈沖是有等額的差值的，相位差為60度［1］為了防止電壓和沖擊電流的電路突然斷路，必須加入過電壓和過電流保護(hù)電路。4.2在額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型R L R——| Id+E+Ud0 g圖4-3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖4-3為額定勵(lì)磁下的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路，電樞回路中存在著總電阻

R和總電感L。在一般的情況下，假設(shè)主電路的電流是連續(xù)的，則根據(jù)圖4-3可列出主電路的動(dòng)態(tài)電壓方程：U=RI+lK+E (4-1)d0 ddt為了保證設(shè)計(jì)的可行性，理論上忽略了粘性摩擦，當(dāng)然彈性轉(zhuǎn)矩在這個(gè)時(shí)候也是不可取的，由此就可以寫出電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程了：eLGD2eLGD2dn

375dt(4-2)在上式中 ,一電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩GD2一電機(jī)的飛輪慣量而E=CnT GD2RT— m375CC綜合以上幾個(gè)公式，通過拉普拉斯變換，可以得到電壓與電流之間的傳遞函數(shù):1(4-3)(4-4)—W—-里(4-3)(4-4)U(s)-E(s)Ts+1TOC\o"1-5"\h\zd0 l電流和電動(dòng)勢之間的傳遞函數(shù)為：E(s) _RI(s)-1(s)—Tsd dL m在額定的勵(lì)磁下，上面的傳遞函數(shù)進(jìn)行必要的整理，然后給出理性的分析，我們就能得到直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖了：

圖4-4圖4-4直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖4-4，能夠很明顯的看到直流電機(jī)的兩個(gè)輸入。其中的一個(gè)，它是電機(jī)理想空載電壓Udo（s），而另一個(gè)是負(fù)載電流I"s）。前者的大小是由輸入控制的，而后者則是一個(gè)擾動(dòng)量［1】我們可以關(guān)于擾動(dòng)的點(diǎn)移動(dòng)到前面，然后等效變換，即可以得到等效結(jié)構(gòu)圖在圖4-5。Udo(Udo(f)1/C

e

T*s2+於+1n(s)圖4-5直流電機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的等效變換5主電路各器件的選擇和參數(shù)計(jì)算5.1主電路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)的必要性在眾多的電力半導(dǎo)體元器件中，雖然每種元器件都有其各自突出的優(yōu)點(diǎn)，但是，當(dāng)它們在電路中，受到超過其額定電壓和額定電流的沖擊時(shí)，相比于一般的

電器元件，它們的性能就顯得弱小的多，一個(gè)十分短時(shí)間的過電壓或者過電流沖擊都有可能導(dǎo)致元件不可修復(fù)的損壞，從而就導(dǎo)致整個(gè)整流裝置的故障。由此看來，在主電路中設(shè)計(jì)保護(hù)電路的必要性就顯得非常突出，保護(hù)裝置的完善也是必不可少的。5.1.1過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)過電壓保護(hù)根據(jù)作用地方的保護(hù)可以分為兩種，一是交流測過電壓保護(hù)，二是直流側(cè)過電壓保護(hù)。I交流測過電壓保護(hù)在交流測的過電壓保護(hù)中，壓敏電阻是一種最為廣泛應(yīng)用的保護(hù)元件。壓敏電阻的非線性特性是眾所周知的，而使之具備這種特點(diǎn)的原因就在于它們是由金屬氧化物制成的。之所以采用這種壓敏電阻，其主要原因是在正常的工作情況下，壓敏電阻的通過電流是十分微弱的，幾乎可以忽略不計(jì)，但是一旦電壓超過了電路的最大承受電壓的時(shí)候，壓敏電阻可以允許放電電流達(dá)到幾千安的大小，這樣，電壓可以被抑制在能夠承受的范圍內(nèi)。同時(shí)，壓敏電阻還具有低損耗，小體積，高靈敏度等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是基于三相全控整流電路的，在變壓器的繞組端，是用的A—Y型聯(lián)結(jié)，如圖5-1所示的是放置在變壓器交流測的，壓敏電阻保護(hù)電路:壓敏電阻的標(biāo)稱電壓U1MA的計(jì)算公式為：U1MA>1.33J2UB=1.33x1.414x234=440.1(V)在上式中：氣心代表了壓敏電阻的額定電壓Ub為變壓器二次側(cè)的線電壓有效值壓敏電阻的通流容量：IpM>11QKU2^/UX1200.95=110X0.5X234x0.2540.95-440.1=7.95(A)根據(jù)上兩式計(jì)算，壓敏電阻的參數(shù)應(yīng)當(dāng)選擇額定電壓是440V的，而額定電流是500A的。II直流側(cè)過電壓保護(hù)在直流側(cè)電壓保護(hù)可以通過相同的方法測量電壓保護(hù)，即壓敏電阻器的使用。Uima=(1.8~2.2)U龐=(1.8~220)x220=396~440V因此，額定電壓為450V的壓敏電阻是我們的選擇。5.1.2過電流保護(hù)設(shè)計(jì)當(dāng)電力電子器件處于不正常工作狀態(tài)時(shí)，可能會發(fā)生過電流的情況。過電流的保護(hù)措施有很多種，其中，最為常用的方式有以下三種：直流快速熔斷器可以作用于有大中容量的設(shè)備或者電路會逆變的需要保護(hù)的電路中。使用過電流繼電器，能夠在電路發(fā)生過電流時(shí)，快速的切斷主電路?？梢灾苯哟?lián)快速熔斷器在交流或者直流側(cè)，但要注意的是快速熔斷器的額定電壓和額定電流必須大于正常工作電路的參數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，可以采用快速熔斷器作為過電流保護(hù)的元件。即在每個(gè)橋臂都串入一個(gè)快速熔斷器?？焖偃蹟嗥鞯念~定電流大小計(jì)算：IZnK『d/2Kn=0.367x1.5x15.6兀/2x1.1=13.4A所以，應(yīng)當(dāng)取I=20A快速熔斷器的額定電壓大小計(jì)算：U>七戶仍/1.414=233.9所以，應(yīng)當(dāng)取U=400V綜上所述：選用20A/400V的快速熔斷器6只。5.2整流變壓器和晶閘管的選擇與計(jì)算5.2.1整流變壓器的計(jì)算整流變壓器的次級電壓的有效值：U[1+(r+r)'dmax一r]+nxU

DDPID TU2= d% =135(7) (5-1)Axe[B-C-^x^ma^]100Id次級線電壓：TOC\o"1-5"\h\zU線=-j3U2=234(7) (5-2)次級相電流：12=0.816Id=12.7(A) (5-3)初級線電壓：匕線=匕相=380(7) (5-4)初級相電流：I=烏相xI=4.5(A) (5-5)1相U21相變壓器的初級容量：S]=3U&I冷(1+5%)=5.39(KVA) (5-6)變壓器的次級容量：S2=3U帥12=5.14(KVA) (5-7)變壓器的容量：S=S1；S2=5.23(KVA) (5-8)5.2.2晶閘管參數(shù)的計(jì)算SCR的額定電流計(jì)算：I=2KpId/1.57Kb=17.2(A) (5-9)SCR的額定電壓計(jì)算：U=3UMAx=990（7） （5-10）式中ULMX為次級線電壓的最大值UMAX=回線=J2X234=330（7） （5-11）考慮到安全裕量的關(guān)系，應(yīng)用電壓裕量為2倍的額定裕量，電流裕量為1.5倍的額定裕量，由此可得晶閘管的參數(shù)如下：U^N=2X990=1980（7）y=1?5x17.2=25.8（A）5.2.3平波電抗器參數(shù)的計(jì)算平波電抗器是一種鐵心電抗器，在整流后的直流電路中經(jīng)常使用，它的主要作用是使直流負(fù)載順利的得到平滑的直流電源。在設(shè)計(jì)平波電抗器時(shí)，對其電感量要著重的計(jì)算。（1） 限制輸出電流脈動(dòng)的臨界電感量L1電動(dòng)機(jī)的負(fù)載在工作時(shí)，只需要通入直流分量。但是很不巧的是晶閘管的電流輸出波形由于其輸出電壓波形為脈動(dòng)的，因此其也呈脈動(dòng)。而脈動(dòng)電流的實(shí)質(zhì)是直流分量和交流分量的合成，交流分量的存在對電動(dòng)機(jī)的工作造成十分不良的影響。而平波電抗器的串入，就很好的解決了這一問題。其臨界電感量可利用下式計(jì)算：L=（U/U）x103xU/2nfSI1dmL 2bid=0.46x103x135/2兀x300x（5?10）%x15.6 （5-12）=42.3mH?21.1mH（2） 能夠保證電流連續(xù)的臨界電感量L:2L2=KU^IId=0.693x135/1.25=74.8mH （5-13）（3） 電動(dòng)機(jī)的電樞電感量L。和變壓器的電感Lb:電動(dòng)機(jī)的電感量Ld的計(jì)算公式如下：L=KUDX103 （5—14）2四'D在上面的式子中，七是計(jì)算系數(shù)；UD代表直流電動(dòng)機(jī)的電壓；p是電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)；〃是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；Id是電動(dòng)機(jī)的電流。在此設(shè)計(jì)中，取Kd=8~12、 U°=220V、p=2、n=1500,/min、Id=15.6A所以：L=KUDX103=（8~12）X 220 =18.8~28.2mHDd2pnlD 2X2X1500x15.6變壓器的電感量Lb可以用下式計(jì)算：L=K欄^ （5—15）BB1001D其中，Kb為計(jì)算系數(shù)，Uh為變壓器的短路比。經(jīng)計(jì)算，LB=1.3mH綜上所述，選用的平波電抗器的參數(shù)為50mH/20A。6利用工程設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)電流、轉(zhuǎn)速反饋控制調(diào)節(jié)口口器6.1主要設(shè)計(jì)內(nèi)容在本章中，主要采用工程設(shè)計(jì)的方法對系統(tǒng)中最為重要的兩個(gè)部分電流調(diào)節(jié)器（ACR）和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）進(jìn)行有根據(jù)的設(shè)計(jì)。在前面的章節(jié)中，已經(jīng)很明確的指出電流環(huán)為整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為系統(tǒng)的外環(huán)。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要從ACR開始著手，變換其不要的部分以及對其大致的處理，將它校正成符合設(shè)計(jì)的典型系統(tǒng)，ACR的類型則要根據(jù)被控制的對象來進(jìn)行確認(rèn)，最后根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)和電流環(huán)采用相同的方法，不同的是電流環(huán)將會被等效成轉(zhuǎn)速環(huán)中一個(gè)環(huán)節(jié)。6.2工程設(shè)計(jì)的基本步驟在利用工程設(shè)計(jì)的方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，必須解決很多方面的問題，比如控制系

統(tǒng)的響應(yīng)速度、穩(wěn)定程度和抗干擾性能等。為了簡化問題的解決，使系統(tǒng)中的主要矛盾變得明顯，是工程設(shè)計(jì)中的最為重要的目標(biāo)。為了簡化設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器，可以分為兩個(gè)步驟完成：（1） 為了能夠使系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該首先進(jìn)行選擇，這個(gè)時(shí)候，穩(wěn)態(tài)精度也是不可忽略的。（2） 確定動(dòng)態(tài)性能參數(shù)，使控制器的設(shè)計(jì)能夠滿足要求[1]經(jīng)過上面兩步的工作，就把設(shè)計(jì)中看似亂成一團(tuán)的各種所要解決的問題有序的分成了兩步來逐個(gè)擊破，首先的是解決了動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度、穩(wěn)態(tài)精度這一個(gè)矛盾，第二步又在第一步的基礎(chǔ)上滿足了其他的性能指標(biāo)，這樣一來，設(shè)計(jì)工作在無形中簡化了很多，而且設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)也可以更加的接近于設(shè)計(jì)的要求。在應(yīng)用參數(shù)時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)成的公式等直接計(jì)算，因?yàn)閰?shù)與性能之間的關(guān)系在上面的章節(jié)已經(jīng)闡明，這樣也能夠大大減小設(shè)計(jì)的工作量。6.3設(shè)計(jì)所需要的基本數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)6.3.1基本數(shù)據(jù)（1） 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)P =2.8kw15.6ARD=1.41QX=1.5（2） 電樞回路總電阻R=3.11Q（3） 電樞回路總電感L=LB+L+LD=74.58mH（4） 三相全控整流電路參數(shù)R=1.6QU=220VN=1500rpmC=0.129U=220VN=1500rpmC=0.129V/rpmC=0.125kg.m/AK=40（5） 電動(dòng)機(jī)總飛輪慣量GD2=0.5932kg?m2（6） 給定在調(diào)節(jié)器兩端的最大電壓U=U=8V（7） 調(diào)節(jié)器回路中的輸入電阻R0=40kQ（8） 系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)T=0.02398s1T=0.30460sm（9） 反饋濾波時(shí)間常數(shù)T=0.005soiT=0.01s6.3.2設(shè)計(jì)所要求的指標(biāo)（1） 系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=10（2） 調(diào)速系統(tǒng)所允許的靜差率S<4%（3） 電流超調(diào)量q<5%（4） 轉(zhuǎn)速超調(diào)量q<10%（5） 突加負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)允許的動(dòng)態(tài)速降△C<3%（6） 系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間t<1.5s6.4用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器6.4.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的簡化在設(shè)計(jì)電流環(huán)的時(shí)候，設(shè)計(jì)工作首要解決的問題是反電動(dòng)勢作用時(shí)將于電流反饋產(chǎn)生交叉。事實(shí)的情況是，反電動(dòng)勢的大小與轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出是成正比的，也就是說電流環(huán)會受到轉(zhuǎn)速環(huán)的影響而產(chǎn)生作用。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，機(jī)電時(shí)間常數(shù)r”與電磁常數(shù)。相比的話，前者是大得多的，這也造成了電流的變化程度遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速的變化程度。換一種說法也就是說，反電動(dòng)勢e的變化是很慢的，在電流突變的時(shí)候，可以近似地把反電動(dòng)勢看成是不變量，即△/^0。因此，改變反電動(dòng)勢電流環(huán)的設(shè)計(jì)，不要把它放在考慮的范圍內(nèi)。也就是說，它可以忽略反電動(dòng)勢的影響，得出了電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)圖，最后再把給定濾波和反饋濾波移到環(huán)內(nèi)，如圖6-1：T?+1a)b)c)圖6-1電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化

a）忽略反電動(dòng)勢b）等價(jià)的單位負(fù)反饋c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理T=T+T的原因是，相比T，T和T小得多，它們可以被看作是一個(gè)慣￡i soi lsoi性元件。6.4.2電流環(huán)時(shí)間常數(shù)的確定在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，必須先確定ACR的各個(gè)時(shí)間常數(shù)。根據(jù)選用的器件和設(shè)計(jì)的要求，時(shí)間常數(shù)的大小如下：（1） 三相橋式電路的平均失控時(shí)間：T=1.7ms（2） 濾波時(shí)間常數(shù)：T廣5ms（3） 電流環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)：T￡廣T+T=6.7ms6.4.3電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)之前的第一個(gè)問題，電流環(huán)是一種什么樣的典型系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，電樞電流不可能永遠(yuǎn)處在穩(wěn)定值，它難免會在某段時(shí)間超過電路的允許值，這時(shí)候電流環(huán)的主要作用就體現(xiàn)出來了，超調(diào)量在突加負(fù)載或者說系統(tǒng)有突然的外作用時(shí)，能夠越小越好。在這一目標(biāo)的基礎(chǔ)上，1型系統(tǒng)是電流環(huán)校正的首要選擇。對于抗電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)作用，只是電流環(huán)的次要作用，電流環(huán)還是應(yīng)該以跟隨性能為主。在前面的章節(jié)中，已經(jīng)確定電流調(diào)節(jié)器要選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：(6-1)w (s))K(T廣+D(6-1)ASR Ti在上式中：K代表的是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Ti代表的是電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。根據(jù)圖6-1，根據(jù)圖6-1，電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)就可以很容易的得到:(6-2)w(s)=Ki(V+D &KJR(6-2)opi ts (Ts+1)(TE.s+1)在上面，Tl>>T&，所以，可以選取七=T在上面，Tl的時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，可以利用調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)消除，方便電流環(huán)能夠校正成典型I型系統(tǒng)，就可以得到下式:(6-3)，s=K

ts(T^s+1) s(T^s+1)(6-3)在上式中，由于K在上式中，由于K=KKI因此可以畫出電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6-2：圖6-2圖6-2設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)6.4.4電流環(huán)參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)電流的開環(huán)增益：a電流的開環(huán)增益：a<5%也就是K?￡.=0.5ACR的積分時(shí)間常數(shù)：tI

=T=0.02398s=23.98msi綜上:0.5 =74.6七.0.00670.5(1/s)而電流調(diào)速器的反饋系數(shù)P為0=U=Um=Um0、幻m L5x15.6=0.342(7/A)通過上面的計(jì)算，我們可以求得ACR的比例系數(shù)為:K=K工=W*您39"3.11=0.407ii0K 0.342x40（2） 電流調(diào)節(jié)器電阻、電容的計(jì)算在PI型電流調(diào)節(jié)器中加入一個(gè)給定的濾波器和反饋濾波器，原理圖如下所示：Ui*Ue項(xiàng)圖6-3Ui*Ue項(xiàng)圖6-3將給定濾波和反饋濾波加入到PI型電流調(diào)節(jié)器U*代表的是加在電流調(diào)節(jié)器兩端的電壓，-&Id代表的是電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是控制電壓U°。根據(jù)放大器的電路原理，可以得出:（6-4）（6-5）ToiRToiRC4（6-6）所用的運(yùn)算放大器取R°=40kQ，那么可以得到R=KR=16.4kQt 0.02398 —1.5"R16.4kiCoi4T oiRCoi4T oiR04^005=0.5"40X103在實(shí)際的工程運(yùn)用中，應(yīng)當(dāng)選擇Ri=16kQ。6.4.5校驗(yàn)近似條件由上面的參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算，可得電流環(huán)的截止頻率為七=K,=74.6(1)校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：代入上面的參數(shù)可得:1_ 13F~1_ 13F~3x0.0017s=196.1>w.滿足近似的條件(2)校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件:I—=I—=3x\〕03046:002398=35.1°<w 滿足近似的條件3■gTt校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:1 1七'3(TTso.代入上面的參數(shù)可得：3I壽=3x、|00017:凹皿=180.78>w。，滿足近似的條件。.按照動(dòng)態(tài)類型，系統(tǒng)的跟蹤性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)之間的關(guān)系，電流環(huán)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)可計(jì)算如下:q%=4.3%<5%。6.4.6電流環(huán)的跟隨性能指標(biāo)上升時(shí)間：t=4.72七.=4.72x0.0067=31.62ms超調(diào)時(shí)間：t=6.5七.=6.5x0.0067=43.55ms調(diào)節(jié)時(shí)間：t=6七.=6x0.0067=40.2ms6.5用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.5.1電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)前面已經(jīng)設(shè)計(jì)了電流調(diào)節(jié)器，在進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)的時(shí)候，電流環(huán)將被等效成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)之中的一個(gè)環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以經(jīng)過計(jì)算求得:K

1 I(s) s(Ts+1)（6-7）匕(s)=Ki=lzz（6-7）' s(Ts+1)Ei采用高階降次的方法，上式可被化簡為:（6-8）又因?yàn)閃(s)=■L^) K=-^~cii U*(s) I2T^所以（6-9）I(s)_W(s)_1/p

U*(s)_~^PP 2TEs+1（6-9）6.5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的簡化將電流環(huán)被它的等效環(huán)節(jié)取代了之后，整個(gè)速度系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)就變成了如下的形態(tài)：

U*(s)a XK(s+1)——N n .n(s)X+ /s20s+1)乙nc)圖6-4ASR的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化a）電流環(huán)等效環(huán)節(jié)代替b）作近似處理c）校正成典型II型系統(tǒng)跟電流環(huán)一樣處理，最后可得到圖6-4c。6.5.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)積分環(huán)節(jié)必須加在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)之前，這樣它就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差，同時(shí)由于擾動(dòng)點(diǎn)的后面已經(jīng)存在了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR在這個(gè)積分環(huán)節(jié)的外面，所以一共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以ASR必須被設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性能也能夠因?yàn)榇硕玫綕M足。對控制對象的時(shí)間常數(shù)T，相對于典型的I型系統(tǒng)，也是一樣都必要的。但不同的是，參數(shù)需要有兩個(gè)，K和t，為了計(jì)算的方便，引入一個(gè)新的參數(shù)：(6-10)7TWh=一=—2(6-10)Tw1T是一個(gè)恒值，要想改變h，只需要改變參數(shù)T。在決定了T值之后，如果要改變截止頻率吃，則需要使K的值發(fā)生改變，也就是讓特性上下平移。通過這樣的參數(shù)引入，T和K的確定就相當(dāng)于選擇了參數(shù)h和吃。選擇一個(gè)確定的h的值，運(yùn)用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值Mr最小準(zhǔn)則，能夠證明在這個(gè)h值下只有唯一的吃或者K可得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin，此時(shí)，吃與七、匕之間存在的關(guān)系為：(6-11)(6-12)(6-13)w 2h(6-11)(6-12)(6-13) □-— h w h+1wh+1w2上面的兩個(gè)式子就是M準(zhǔn)則的“最佳頻比”，由此可以得出:rminw+w=丑+也=2w1 2h+1h+1c所以w=2(w+w)=!(L+?) (6-14)相應(yīng)的閉環(huán)幅頻特性的峰值最?。篽+1 、M=-— (6-15)rminh—1T和K的值在確定了h和wc的值之后就能很簡單的計(jì)算出來，由定義可得:t=hT171 ( )2(h+1) 71(6-16)h+1hT h+1(6-16)=w2 = = 12 2 2h2T2Sn下表為不同的h值所對應(yīng)的M和最佳頻比:rmin表6-1不同h值所對應(yīng)的M 和最佳頻比rminh345678910Mrmin21.671.51.41.331.291.251.22w/w1.51.61.671.711.751.781.801.82w/w2.02.53.03.54.04.55.05.56.5.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算由于ASR被校正成典型II型系統(tǒng)，PI調(diào)節(jié)器就必須被用與此設(shè)計(jì)了，則傳遞函數(shù)可被這樣設(shè)定:%(s)=K(6-17)在式中K〃代表的是ASR的比例系數(shù);tn代表的是ASR的超前時(shí)間常數(shù)。因此，該系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:aRK(tS+1)B—KaR(TS+1)

nSnTnsCTs(Ts+1)—T^CTs2(Ts+1)

n em￡n nem ￡n其中，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益(6-18)k_KaRN~tpCT則W(S)—K('nS+1)nS2(TS+1)￡n(6-19)(6-20)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：T—.0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：T￡—2T￡，+T—0.0234s因?yàn)橄到y(tǒng)不僅要求有較高的抗干擾性能，還要求有較好的跟隨性能，所以取h=5，ASR的超前時(shí)間常數(shù)則為:t=hT^=5x0.0234=0.117s轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為KN 2h2T2En=219.15(1/s2)1x25x0.02342K=(h+1)6C[

n 2haRTEn6x0.342x0.129x0.30460 =20.92x5x0.0053x3.11x0.0234檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為wcn=219.15x0.117=25.64n(1)電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)，簡化的條件如下:36.3s-i>wcn

滿足簡化條件(2)速度環(huán)時(shí)間常數(shù)近似條件:滿足簡化條件1K1：T4J…滿足簡化條件= 牝28.8>w3?T30.01 cn取R0=40kQR=KR=836kQ0.117 =0.14"40kCon4T onR0冬1=1"

40k在實(shí)際的工程中，R應(yīng)取840kQ。6.5.5轉(zhuǎn)速環(huán)性能指標(biāo)的檢測轉(zhuǎn)速環(huán)的跟隨性能指標(biāo)當(dāng)h=5的時(shí)候，由“典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)表”可得。廣37.6%,顯然不滿足設(shè)計(jì)的要求。實(shí)際情況是，上述的計(jì)算結(jié)果是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在線性狀態(tài)下的超調(diào)數(shù)值，而符合狀態(tài)的超調(diào)量是退飽和超調(diào)。因此，應(yīng)該重新計(jì)算超調(diào)量。在本設(shè)計(jì)的要求條件下，直流電機(jī)的起動(dòng)是由空載開始的，一直增加到額定轉(zhuǎn)速、=0.051，所以△n=2RJ&(、f0)bCeTm2x3.11Ox0.0234s(1.5x15.6A-0.05x15.6A)V60x0.129——x0.3046srps=1.396rps其中△「是動(dòng)態(tài)的參考價(jià)值的抗干擾性能的代表值。n*=N =1500rpm='，°°rps=25rpsnom 60△C查詢“典型II型抗擾性能指標(biāo)表”可得當(dāng)h=5時(shí)，△—%=81.2%。Cb根據(jù)上式，可得Q%=(△Cmax%)xnC n*=81.2%x苗96"25rps=4.53%<10%因此b%的值是符合設(shè)計(jì)的要求的。n在負(fù)載突然加上時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)速降指標(biāo)根據(jù)要求，在設(shè)計(jì)前，有Idi=0.8Iom，所以△n=2RT(…。)bCeTm=0.722rpm

由此可得由此可得C%=( max%)X bC n*=2.35%<3%因此，動(dòng)態(tài)指標(biāo)的設(shè)計(jì)是符合設(shè)計(jì)要求的。(3)恢復(fù)時(shí)間的指標(biāo)按照“典型II型系統(tǒng)階抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系”表，可得當(dāng)h=5，f=8.80，在同一個(gè)時(shí)間T=T=0.0234，所以T ￡ntf=8.80x0.0234=0.206s<1.5s因此恢復(fù)時(shí)間也是滿足設(shè)計(jì)的要求的。7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字仿真7.1基于工程設(shè)計(jì)的方法的數(shù)字仿真在第6章中，運(yùn)用以下的參數(shù)，設(shè)計(jì)出了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，并且驗(yàn)證了理論上的符合設(shè)計(jì)要求以及可實(shí)施性直流電機(jī):U=220VLUU=220VLU戚6An=n=1500r/minC=0.129V/rpm電動(dòng)機(jī)的總飛輪慣量:GD2=0.5932Kg-m2主回路的總電阻:R=3.110k=R=3.110k=40T=0.0017s T=0.005sT=0.02398s1T=0.01sT=0.30460sm反饋系數(shù):a=a=0.00