可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究目錄TOC\o"1-3"\h\u140531.概述 ②壓敏電阻的計(jì)算 （4-15）選流通量為5KA的MY31-330/5型壓敏電阻。允許偏差在+10%內(nèi)。4.3平波電抗器參數(shù)計(jì)算通常把整流輸出電路串入帶有氣隙的鐵芯電抗器，使直流負(fù)載能夠得到平滑的直流電流。主要已知參數(shù)流過電抗器的電流。故可以計(jì)算電感量。計(jì)算出電流連續(xù)的臨界電感量，由以下式可見： （4-16）式—整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，查表可知：是最小負(fù)載電流，取電動(dòng)機(jī)的額定電流為來計(jì)算。查得，得出限制輸出電流脈動(dòng)臨界電感量根據(jù)晶閘管整流裝置的輸出電壓和電流波形是脈動(dòng)的，因此可以把一個(gè)恒定直流分量以及交流分量看成一部分。對于電動(dòng)機(jī)負(fù)載是需要直流分量，不需要交流分量，因?yàn)榻涣鞣至坑羞^大的鐵耗和電動(dòng)機(jī)換向問題存在，所以在直流分量串入平波電抗器來限制輸出電流的電感量。 （4-17）式—與整流電路相關(guān)系數(shù)，—最大允許電流的脈動(dòng)系數(shù)，三相電路。查得，則。電動(dòng)機(jī)電感量和變壓器漏電感量 （4-18）式、、—分別是直流電動(dòng)機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，通常額定值直接代入；—電動(dòng)機(jī)的磁極對數(shù)；—計(jì)算系數(shù)。表3所示補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)系數(shù)取值范圍：電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償無補(bǔ)償快速無補(bǔ)償有補(bǔ)償系數(shù)取值范圍本文設(shè)計(jì)中取、、、、。則 （4-19）變壓器漏電感量的計(jì)算式為： （4-20）式—計(jì)算系數(shù)，查表可知；—變壓器的短路比值，取。本文設(shè)計(jì)取、，故。串入平波電抗器的實(shí)際電感量考慮輸出電流的連續(xù)性，實(shí)際電感量為： （4-21）電樞回路總電感： （4-22）勵(lì)磁電路元件的選擇取700V，額定電流查表可得。 （4-23）選用ZP型3A、700V的二級(jí)管?？梢杂脕砀淖儎?lì)磁電流的大小。5.控制電路設(shè)計(jì)5.1觸發(fā)電路設(shè)計(jì)晶閘管控制整流電路通過控制觸發(fā)角來控制輸出電壓，即控制觸發(fā)脈沖的起始相位，稱為相位控制電路。為了保證相控電路的正常工作，保證觸發(fā)角對電路中的晶閘管在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間施加有效的觸發(fā)脈沖非常重要。用于晶閘管相位控制電路的場合，又稱觸發(fā)控制或觸發(fā)電路。觸發(fā)電路應(yīng)確保每個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加在晶閘管上的交流電壓保持固定和正確的相位關(guān)系。用三相整流橋的晶閘管觸發(fā)電路來控制觸發(fā)電路和主電路的同步性，就是要根據(jù)觸發(fā)電路輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)和電源頻率要相同，要有正確的相位關(guān)系。在設(shè)計(jì)中我們選用的是一個(gè)同步變壓器，將它的一次測接到主電路的供電電網(wǎng)上，再由二次側(cè)提供同步信號(hào)來接入觸發(fā)電路中，這樣是為了保證觸發(fā)電路和主電路頻率相同。大功率變換器對觸發(fā)電路的精度和輸出觸發(fā)功率的要求很高，因此晶體管觸發(fā)電路得到了廣泛的應(yīng)用。故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用集成觸發(fā)電路。圖5-1KC04集成觸發(fā)電路考慮倍的裕量，則集成觸發(fā)電路是采用KC04來作為核心控制，它與分立元件的鋸齒波相觸發(fā)電路相似，由同步環(huán)節(jié)、脈沖形成和功率發(fā)大，還有移相等幾部分組成。如圖3-4b所示KC04有16個(gè)引腳，第16端子接電源，第3端子通過電阻和電位器接電源，7端子接地。正弦同步電壓經(jīng)電阻接到8端子上，進(jìn)入同步環(huán)節(jié)。3、4端接電容和集成電路內(nèi)部三極管形成了電容負(fù)反饋鋸齒波發(fā)生器。9端是鋸齒波電壓、負(fù)直流偏壓中的控制移相電壓與比較輸入。11、12端接電容后接電阻，再接電源和電路內(nèi)部三極管形成脈沖環(huán)節(jié)。脈寬的時(shí)間常數(shù)是由和來決定的。13和14端來提供脈沖列調(diào)制以及封鎖控制端。1、15端是輸出相位差180°的兩個(gè)雙窄脈沖。5.2系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)由整流電路和濾波電路組成的直流穩(wěn)壓電源，它是將交流電變成直流電。主要是依靠二極管的單向?qū)▉砉ぷ鞯?，在小功率的整流電路中，常見的有單相半波、全波、橋式以及倍壓整流電路。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用橋式整流電路。因?yàn)樗妮敵鲭妷翰坏?，波形電壓小，二?jí)管所能承受的反向最大電壓比較低，變壓器的電源可以得到充分地利用，而且效率高。圖5-2輔助電源原理圖濾波電路是來過濾掉整流電路中輸出的電壓紋波，是由電抗器組成的電路，比如：負(fù)載電阻的兩側(cè)并聯(lián)了一個(gè)電容器；或是在整流電路的輸出端和負(fù)載間串入一個(gè)電感L，還有電容和電感組成的各種復(fù)式濾波電路。如圖5-2所示的±15V雙電源電路，本系統(tǒng)中還有別的電源。6.轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)的設(shè)計(jì)一般的設(shè)計(jì)多環(huán)系統(tǒng)控制的原則是：從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，首先是由電流環(huán)開始，設(shè)計(jì)完電流調(diào)節(jié)器后，再來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。6.1系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)定電動(dòng)機(jī)的基本數(shù)據(jù)：；；；；允許過載倍數(shù)：；放大倍數(shù)：；電樞回路總電阻：；時(shí)間常數(shù)：；，電流反饋系數(shù)：；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：。6.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)模型工程設(shè)計(jì)方法以頻率理論為基礎(chǔ)。對于現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，僅以典型I型系統(tǒng)和典型II型系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性作為調(diào)速性能指標(biāo)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考之間的定量關(guān)系。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正設(shè)計(jì)可以通過查表和簡單計(jì)算來實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和更好的穩(wěn)態(tài)精度，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都是典型I型和典型II型系統(tǒng)。它們的開環(huán)傳遞函數(shù)是：典型I型系統(tǒng)： （6-1）典型II型系統(tǒng)： （6-2）在典型I型系統(tǒng)中，為了保證有足夠的頻帶寬要參數(shù)選擇才行，還得有足夠穩(wěn)定裕量，系統(tǒng)就會(huì)穩(wěn)定。此時(shí)，應(yīng)該確保： 或 （6-3）在典型II型系統(tǒng)中，為了保證： （6-4）系統(tǒng)會(huì)處在穩(wěn)定狀態(tài)。兩個(gè)調(diào)速器的模型是采用工程設(shè)計(jì)方法來確定的。先從動(dòng)態(tài)校正出發(fā)，來解決轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)上選型及參數(shù)設(shè)計(jì)的問題。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求和系統(tǒng)的雙閉環(huán)特性（電流環(huán)主要考慮跟隨性，速度環(huán)主要考慮抗干擾性），電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)為典型I或典型II系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性能指標(biāo)驗(yàn)證。6.3電流環(huán)的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數(shù)據(jù)如下:6.3.1確定時(shí)間常數(shù)整流結(jié)束后的時(shí)間常數(shù)：。電流濾波的時(shí)間常數(shù)：。能夠使濾波一定滿足系統(tǒng)要求，因此取。則電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和為。按照小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。6.3.2選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中，能使電樞電流保持在允許的范圍內(nèi)只有電流環(huán)，并利用突加的控制效果對系統(tǒng)進(jìn)行無超調(diào)控制，或者超調(diào)量很好，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖如下圖6-1所示。圖6-1電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖要求，因此 （6-5）根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量為，而系統(tǒng)調(diào)速范圍D=10，，選用PI型電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)具有雙慣性，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)無靜差。其傳遞函數(shù)公式為：。式中：電流調(diào)機(jī)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間系數(shù)?？刂拼蟮臅r(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，可以減小調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對系統(tǒng)消耗，則。電流調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖6-2所示，其中公式為：。圖6-2加入控制器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖6.3.3選擇電流環(huán)的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)：;電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此： ACR的比例系數(shù)為： （6-6）6.3.4校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率==135.1。晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： >，滿足條件。忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件： ，則滿足條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： ，則滿足條件。6.3.5計(jì)算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容取運(yùn)算放大器，各電阻值和電容值為：，??；，?。?，取。故，其結(jié)構(gòu)圖6-3如下所示：圖6-3電流調(diào)節(jié)器6.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)6.4.1確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：取則 （6-7）轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù):根據(jù)所用測速發(fā)電機(jī)紋波情況，取，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)，取 （6-8）6.4.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，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)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。圖6-4轉(zhuǎn)速環(huán)等效動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，我們可以將設(shè)計(jì)的電流作為調(diào)速系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)部分，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （6-9）轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率一般較低，因此可以認(rèn)為是降階近似為： （6-10）若按,選擇參數(shù),則: （6-11）按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器： （6-12）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。6.4.3計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好原則，取,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為： （6-13）轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：。ASR的比例系數(shù)為：6.4.4檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為： 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：，滿足條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。6.4.5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻及電容取，則，取；，取；，取。故，其結(jié)構(gòu)圖6-5如下所示：圖6—5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器校驗(yàn)轉(zhuǎn)速的超調(diào)量：由，查得，不滿足設(shè)計(jì)要求，使退飽和，根據(jù)退飽和情況來重新計(jì)算。設(shè)置理想控制為，時(shí)，查得：，所以滿足設(shè)計(jì)要求。7.系統(tǒng)仿真模型7.1建立仿真模型采用工程設(shè)計(jì)建立了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，確定了控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制仿真圖。仿真參數(shù)選擇，ode23；開始時(shí)間starttime設(shè)置為0，停止時(shí)間stoptime設(shè)置為10。完成建模和參數(shù)設(shè)置后，就可以開始仿真，得到輸出電流、轉(zhuǎn)速仿真波形。如圖7-1所示可以看出，雙閉環(huán)在啟動(dòng)過程中主要階段是強(qiáng)制電流建立、恒流升速和調(diào)速。圖7-1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)模型根據(jù)電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)，電流環(huán)是采用PI調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速環(huán)是采用PI調(diào)節(jié)器，把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成為II型系統(tǒng)。仿真運(yùn)行停止時(shí)間設(shè)置為10，系統(tǒng)的上下限幅值是[10,-10]。7.1.1電流環(huán)仿真結(jié)果分析當(dāng)PI調(diào)節(jié)器取1.89，取33.7時(shí)，仿真結(jié)果如圖（6-2a）所示。圖7-2a參數(shù)為1.89/33.7時(shí)電流環(huán)仿真波形從圖7-2a可知，在直流電動(dòng)機(jī)的恒流上升之前，最低電流值小于200A。由于電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)是受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢的干擾。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器取0.945，取16.85時(shí)，仿真結(jié)果如圖（7-2b）所示。圖7-2b參數(shù)為0.945/16.85時(shí)電流仿真結(jié)果當(dāng)PI調(diào)節(jié)器取3.78，取67.4時(shí)，仿真結(jié)果如圖（7-2c）圖7-2c參數(shù)為3.78/67.4時(shí)電流環(huán)仿真波形由以上圖7-2b可見，電流環(huán)輸出是幾乎沒有超調(diào)量的；圖7-2c所示是有超調(diào)量，而且比較大。7.1.2轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果分析（1）轉(zhuǎn)速環(huán)在空載啟動(dòng)時(shí)，取5.1，取，階躍輸入和調(diào)節(jié)時(shí)間為0，階躍值為10。設(shè)置Step模塊階躍初始時(shí)間、階躍時(shí)間、還有階躍初始值和階躍值都為0，則雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)初始狀下為空載啟動(dòng)，仿真波形如圖7-3a所示。圖7-3a轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速啟動(dòng)仿真波形轉(zhuǎn)速環(huán)滿載情況下啟動(dòng)設(shè)置模塊Step模塊階躍初始時(shí)間和階躍時(shí)間為0，它們的初始值為135，故滿足雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)滿載啟動(dòng)。圖7-3b滿載情況下啟動(dòng)波形從圖7-3a和7-3b可見，不管是負(fù)載時(shí)系統(tǒng)是空載，還是滿載時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎接近于保持穩(wěn)定狀態(tài)，通過以上波形圖可以合理設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。總結(jié)隨著信息時(shí)代技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對科技的認(rèn)識(shí)也更加清晰，在生活上使用數(shù)字控制技術(shù)應(yīng)用多?？梢钥闯鋈藗冸x不開這些先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。在論文設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了很多元器件，都是我們在書本上常見器件。本論文設(shè)計(jì)了V-M系統(tǒng)，通過選擇電機(jī)供電方案，還有運(yùn)用到的晶閘管三相橋式全控整流電路，這個(gè)電路是可控的整流電路。主電路及控制電路的設(shè)計(jì)，都是使用晶閘管變壓器來控制電流和電壓的大小。對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行仿真出模擬波形。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程包括方案論證、查詢數(shù)據(jù)、計(jì)算出相關(guān)的參數(shù)以及建模仿真。在計(jì)算過程中，許多數(shù)據(jù)參數(shù)是不容易計(jì)算出來的，只能進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。每一步設(shè)計(jì)都是連著的，而且設(shè)計(jì)中很容易出錯(cuò)，我就在模擬或數(shù)字控制存在問題。后來通過胡老師的悉心指導(dǎo)下，完成了整個(gè)論文設(shè)計(jì)。在今后我們要把書本上的理論知識(shí)弄懂，還要結(jié)合實(shí)踐，這樣我們會(huì)加深我們所學(xué)到的知識(shí)點(diǎn)，所以我們要對研究的重視。通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了很多東西。在設(shè)計(jì)過程中，我查找了大量的資料，有書本上的相關(guān)知識(shí)，在網(wǎng)絡(luò)上收集資料。為了對電路的理解和仿真軟件調(diào)試中得到的結(jié)論。于是，繼續(xù)研究轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與方法。在這段時(shí)間里，讓我加深了對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理，以及系統(tǒng)的無靜差調(diào)速，還有系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。對雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的整個(gè)設(shè)計(jì)過程，其基本構(gòu)思是由內(nèi)環(huán)再到外環(huán)，簡化了傳遞函數(shù)，從而使問題得到簡化。其實(shí)，可以大大簡化分析過程，卻很少影響分析結(jié)果的方法是很有價(jià)值的。在使用MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真波形時(shí)，遇到調(diào)試問題，經(jīng)過指導(dǎo)老師的指導(dǎo)后，慢慢地熟練軟件操作。通過書本以及在網(wǎng)上查找的資料進(jìn)行學(xué)習(xí)，來進(jìn)行轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建立模型，再運(yùn)行系統(tǒng)，進(jìn)行仿真。參考文獻(xiàn)陳伯時(shí)編.電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997，201-215王貴明.數(shù)控實(shí)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社2001年薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析一MATLAB語言應(yīng)用.清華大學(xué)出版社2000年王智興主編.自動(dòng)控制原理.機(jī)械工業(yè)出版社1987年陳伯時(shí)主編.自動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社1981年郭志堅(jiān)，張?jiān)蕾t.Matlab仿真在邏輯無環(huán)流可逆調(diào)速實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用.電子技術(shù)2017,46(02)于海生等編.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).清華大學(xué)出版社1999年緒方勝彥編.現(xiàn)代控制工程.科學(xué)出版社1987年許鐘尤.基于單片機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì).輕工科技.2012.28(07)胡壽松主編.自動(dòng)控制原理.國防工業(yè)出版社1994年謝海云，霍巖巖.可逆冷軋機(jī)主傳動(dòng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì).科技創(chuàng)新與應(yīng)用2014年24期周世成.全數(shù)字直流調(diào)速裝置在棒線材連軋生產(chǎn)線上的應(yīng)用.冶金自動(dòng)化1999年1期吳燕翔等.全數(shù)字式直流傳動(dòng)系統(tǒng)串聯(lián)順序控制法的設(shè)計(jì).電工技術(shù)雜志1998年5期姚建紅等.基于Matlab/Simulink的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào).2006.24(4):521-523陳中等.基于Matlab雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào).2009.22(3):40-43阮毅等.電力傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律.電氣傳動(dòng)1999年5期趙暇.直流調(diào)速系統(tǒng)的二自由度內(nèi)模控制方法.電氣傳動(dòng)1997年1期劉文勝等.龍門刨床控制系統(tǒng)的技術(shù)改造.電氣自動(dòng)化1998年5期陳樹新.由單片機(jī)控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng).電子技術(shù)1997年2期江春冬.二類可逆直流調(diào)速系統(tǒng)功率器件對比分析.中國教育技術(shù)裝備2020年4期王洪瑞等