1、目錄一、設(shè)計任務(wù) 3二、系統(tǒng)建模 4三、系統(tǒng)設(shè)計 8四、系統(tǒng)調(diào)試16五、系統(tǒng)評估19六、心得體會22附、原始實驗數(shù)據(jù)清單一、設(shè)計任務(wù)雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計：為了使電動機在起動過程中只有電流反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋而無電流負(fù)反饋，我們可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者嵌套相連，電流環(huán)在內(nèi)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外，形成雙閉直流環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。設(shè)計時，應(yīng)由內(nèi)而外，先確定電流調(diào)節(jié)器ACR，再確定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。調(diào)速控制系統(tǒng)的一般動態(tài)性能指標(biāo)：跟隨性能：超調(diào)量s（%） 反映系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性能上升時間 tr 反映系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)快速性能調(diào)節(jié)時間 ts

2、反映系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)過渡周期抗擾性能：動態(tài)降落比 Cmax% 反映系統(tǒng)擾動引起的最大動態(tài)誤差恢復(fù)時間 tr 反映系統(tǒng)的動態(tài)抗擾調(diào)節(jié)快速性能1. 設(shè)計目標(biāo)性能指標(biāo)：靜態(tài)： s% 5% D = 3動態(tài)： si% 5% sn% 10% 已知條件：最大速度給定 U*nm = 5v最大電流給定 U*im = 5v最大電樞電流 Idm = 1.4A電流反饋強度 b = 5v/ 1.4A速度反饋強度 a = 5v/ 1450rpm調(diào)節(jié)器輸入電阻 R0 = 20KW調(diào)節(jié)器輸入濾波電容 C0i = 0.224mF Con= 0.104mF2. 實驗設(shè)備（1）MCL-型電力電子及電氣傳動教學(xué)實驗臺（容量1.5KW

3、質(zhì)量150Kg 體積1.60.751.6m3。）（2）TDS1012型示波器（帶寬100MHz,實時采樣率1GS/s）（3）GDM-8145型數(shù)字萬用表二、 系統(tǒng)建模待測參數(shù)：1. 電動機 電樞內(nèi)阻 Ra 電勢轉(zhuǎn)速系數(shù) Ce2. 整流電源 等效內(nèi)阻 Rn 放大系數(shù) Ks3. 平波電感 直流內(nèi)阻 Rd4. 電樞回路 總電阻 R= Ra+ Rn+ Rd 電磁時間常數(shù) TL 機電時間常數(shù) Tm（1）確定電樞回路總電阻RId/A0.70.80.9Ud/V374247電機靜止，調(diào)節(jié)Uct大小測得電樞回路的總電阻 R = (Ud2-Ud1)/(Id2-Id1) = 50（2）確定電樞內(nèi)阻Ra、平波電感內(nèi)阻

4、Rd、變流電源內(nèi)阻Rn1. 電機靜止，電樞回路外串限流電阻2. 固定控制信號 Uct 大小，Id 1A(額定負(fù)載熱效點)3. 使電樞處于三個不同位置（約120對稱）進(jìn)行三次測量(Ura，Urd，Id)，求 Ra ，Rd 的平均值0120240Ura/V20.5020.2820.35Urd/V12.0412.1412.09Ra=(20.50+20.28+20.35)/3=20.38Rd=(12.04+12.14+12.09)/3=12.09Rn=R-Ra-Rd=17.53(3)確定電動機電勢轉(zhuǎn)速系數(shù)Ce1. 空載啟動電機并穩(wěn)定運行（Id0大小基本恒定）2. 給定兩個大小不同的控制信號 Uct ，

5、測量兩組穩(wěn)定運行時的Ud、n數(shù)據(jù)n/rpmId/AUd/VUct/V13830.11971.510480.11501.0Ce = (197-150)/(1383-1048) = 0.14 V/rpm(4) 確定整流電源放大系數(shù)Ks電機靜止，電樞回路外串限流電阻1. 分級調(diào)節(jié)控制信號 Uct 大小，并保持Id 1A2. 在Ud0有效范圍內(nèi)，測量每一組 Uct ，Ud，Id，數(shù)據(jù)應(yīng)大于10 組以上，測量上限不低于最大理想空載整流輸出電壓Ud0max3. 按 Ud0 = Ud+IdRn 作出電源輸入-輸出特性曲線(用Excel生成)4. 取線性段3段以上斜率，求其平均值得KsUct/V0.0170.

6、2500.5000.7501.0001.2531.5001.7522.000Ud/V7234380120151176197213Id/A0.010.10.180.300.420.520.600.690.75Uct/V2.2502.5002.7523.0563.2503.5003.7504.0004.220Ud/V227239248258263269274278282Id/A0.800.820.880.900.920.950.980.991.00用EXCEL計算Ud0(圖中D為Ud0)，并擬合曲線：我們小組的每個成員都取了幾段斜率，并計算了Ks的值，最后取平均值得：Ks=96（5）確定電樞回路電

7、磁時間常數(shù)Tl1.斷開電樞回路連線2.使用電感表測量電樞回路總電感量 L測得：La=0.671H Ld=0.355HL=La+Ld=1.026HTl = L/R = 1.026/50 = 0.02052s(6) 確定電樞回路機電時間常數(shù)Tm1. 電機空載，突加給定，并使起動峰值電流達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定最大電流Idm2. 記錄 id 波形，由下列公式計算TmId波形：Tm=0.085s三、 系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計原則：由內(nèi)而外，先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器ACR，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。設(shè)計步驟：（1）從電流環(huán)開始，對其進(jìn)行必要的變換和近似處理；（2）根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正成典型I型系統(tǒng)（電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主）；

8、（3）按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型；（4）按動態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)；（5）將電流環(huán)等效成為轉(zhuǎn)速換中的一個環(huán)節(jié)；（6）用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)。系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖：性能指標(biāo)：靜態(tài)： s% 5% D = 3動態(tài)： si% 5% sn% 10% 已知條件：最大速度給定 U*nm = 5v最大電流給定 U*im = 5v最大電樞電流 Idm = 1.4A電流反饋強度 b = 5v/ 1.4A速度反饋強度 a = 5v/ 1450rpm調(diào)節(jié)器輸入電阻 R0 = 20KW電樞回路總電阻 R=50調(diào)節(jié)器輸入濾波電容 Coi = 0.224mF Con= 0.104mF時間常數(shù) Tm=0.08

9、5s Tl=0.02052s 電勢轉(zhuǎn)速系數(shù) Ce=0.14V/rpm1.設(shè)計電流調(diào)節(jié)器ACR，要求電流超調(diào)量si% 5%（1）確定時間常數(shù) 1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s 2）電流濾波時間常數(shù)ToiToi = R0*Coi/4 = 0.00112s3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和 Ti = Ts + Toi = 0.00282s(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求si% 5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計ACR。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：Wacr(s) = Ki(tis+1)/tisTl/ Ti = 0.0

10、2052/0.00282 = 7.28(3) 計算ACR參數(shù)ti = Tl =0.02052 = 5/1.4 = 3.57取KI Ti=0.25, kI=0.25/0.00282 = 88.7s-1ACR比例系數(shù)為：Ki=KItiR /Ks=88.7*0.02052*50/96*3.57=0.266(4) 校驗近似條件Wci=KI=88.7 s-11）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件1/3Ts = 1/(3*0.0017) = 196.1 s-1 Wci 滿足近似條件2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3*（1/Tm*Tl）= 3*(1/0.085*0.0282) = 61.28

11、 s-1 Wci 滿足近似條件(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容，R0=20kRi = Ki*R0 = 0.266*20 = 5.32 kCi = ti/Ri = 0.02052/5320 = 3.86 uFCoi = 4Toi/R0 = 4*0.00112/20000 = 0.224 uF2.設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，要求sn% 10%已知a = 5v/ 1450 =0.0034 rpm（1）確定時間常數(shù)1）電流等效時間常數(shù),取KI Ti=0.25 1/KI = 4*TI = 4*0.00282 = 0.011282）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton Ton = R0*Con/4 = 0.00052s3）轉(zhuǎn)速環(huán)小

12、時間常數(shù)Tn=1/KI + Ton = 0.0118s(2) 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求si% 10%，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以可按典型II型系統(tǒng)設(shè)計ASR。其傳遞函數(shù)為：Wacr(s) = Kn(tns+1)/tns(3) 計算ASR參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，ASR的超前時間常數(shù)為：tn=h* Tn = 5*0.0118 = 0.059轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN = (h+1)/2*h2* Tn2 = 6/(2*25*0.0118

13、2)=861.82ASR比例系數(shù)：Kn = (h+1) bCeTm / 2haR Tn = 6*3.57*0.14*0.085/(2*5*0.0034*50*0.0118)= 12.71(4) 校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：Wcn = KN/w1 = KN tn = 50.851）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件：(（KI/ Ti）)/3= (88.7/0.00282)）/3 = 59.12 s-1 Wcn 滿足簡化條件2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：(（KI/ Ton）)/3= (88.7/0.00052)/3 = 137.67s-1 Wcn 滿足近似條件(5)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容，R0=20kRn

14、= Kn*R0 = 12.71*20 = 254.2 kCn = tn/Rn = 0.059/ = 0.23 uFCon = 4Ton/R0 = 4*0.00052/20000 = 0.104 uF初始方案：根據(jù)之前求得的參數(shù)Ks、Tm、Tl等，限幅值為+5和-5。ACR的比例系數(shù)：Ki = 0.266ACR的超前時間常數(shù)：ti =0.02052ASR的比例系數(shù)：Kn = 12.71ASR 的超前時間常數(shù)：tn = 0.059慢慢調(diào)節(jié)ASR和ACR的參數(shù)（雙擊模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置），使得系統(tǒng)達(dá)到無靜差用simulink構(gòu)建的結(jié)構(gòu)圖：波形圖：轉(zhuǎn)速放大圖：% = （1490-1450）/1450 =

15、2.76%系統(tǒng)無靜差電流放大圖：最終方案：經(jīng)小組成員討論之后，我們決定采用如下方案：波形圖：Idm = 1.4A,Id = Id0變?yōu)镮d = Idm/2當(dāng)Un*=5V時：轉(zhuǎn)速放大圖：%=（1500-1450）/1450=3.45%系統(tǒng)無靜差電流放大圖：當(dāng)Un*=5/3=1.67V時：轉(zhuǎn)速放大圖：%=（540-480）/480=12.5%電流放大圖：四、 系統(tǒng)調(diào)試ASR、ACR的PI參照參數(shù)：Ri = 5.32 k Rn = 254.2 kCi = 3.86 uF Cn = 0.23 uFCoi = 0.224 uF Con = 0.104 uF調(diào)試步驟：1. 單元調(diào)試整定ACR、ASR的運放

16、輸出限幅值（1） 將零速封鎖器置于“解除”狀態(tài)；（2） 按調(diào)節(jié)器設(shè)置參數(shù)Rn、Ri、Cn、Ci將ASR、ACR接成PI調(diào)節(jié)器；（3） 選擇有效輸入端，加輸入電壓信號；（4） 根據(jù)已知給定及Ks曲線調(diào)試ASR、ACR的輸出信號大小，并調(diào)節(jié)各自的限幅電位器RP1、RP2，直至輸出電壓為設(shè)定限幅值。2. 系統(tǒng)調(diào)試電流環(huán)整定：（1） 斷開電流勵磁電源，電樞回路串聯(lián)限流電阻置于最大值；（2） 接通總電源，設(shè)定Uct為2.5V，再接通主回路電源，適當(dāng)減小可調(diào)電 阻使得Id = Idm/2；（3） 測量并調(diào)整電流反饋輸出信號Ui =2.5V（調(diào)整電流反饋系數(shù)）；（4） 斷開總電源，將Ui接入ACR輸入端，并

17、完成電流環(huán)全部連線。轉(zhuǎn)速環(huán)整定：（1） 完成速度環(huán)、電流環(huán)的完整連線；（2） 將測速裝置輸出信號接入速度變換器輸入端，其輸出端分別接ASR的輸入端和零速封鎖器的2端（同時將其1端接入給定信號Un*）；（3） ASR的輸入2端接給定信號，輸出端接ACR任意有效輸入端；（4） 接通電機勵磁電源，并切除電樞回路串聯(lián)電阻；（5） 將零速封鎖器置于封鎖狀態(tài)；（6） 加給定信號Un*，電機啟動后加入發(fā)電負(fù)載，當(dāng)Un* =5V時，同步調(diào)節(jié)和負(fù)載強度，滿足n=nN ,Id = IN。電路連線圖：系統(tǒng)性能測定：1. 靜態(tài)性能測試：在保證穩(wěn)定的前提下，在調(diào)速范圍內(nèi)，對應(yīng)Uct =5V和5/3V（即1.67V）時分

18、別測量2條電動機靜態(tài)性能曲線（1） Uct=5VId/A1.11.00.90.80.70.6Ud/V240239240240240240n/rpm145014541453145214531454數(shù)據(jù)擬合曲線：（2） Uct=1.67VId/A0.70.60.50.40.30.25Ud/V858080808384n/rpm442440443450454455數(shù)據(jù)擬合曲線：實驗時我們犯了一個嚴(yán)重的錯誤，我們沒有調(diào)節(jié)參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定，便直接開始測量機械特性，所以系統(tǒng)一直不穩(wěn)定，速度及電流的震蕩很大。這給我們的讀數(shù)造成了很大的困擾，我們只能取一個大概，直接導(dǎo)致讀數(shù)誤差特別大。調(diào)節(jié)參數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定之后我們

19、也沒有記錄數(shù)據(jù)，所以這兩條機械特性曲線并不可靠，估算靜差率s % = 1.17%2. 動態(tài)性能測定：分別在空載和0.5倍額定負(fù)載時，突加最大給定Un* = 5V，觀察Id和n的波形，在之前設(shè)計的參數(shù)的基礎(chǔ)上調(diào)整ACR、ASR的PI參數(shù)，使其滿足設(shè)計要求。波形圖：由圖知： 電樞電流無超調(diào)，i% = 0穩(wěn)態(tài)誤差：4.7-5 = -0.3V ； 速度超調(diào) n% = （5.2-4.9）/4.9 = 6.12 % 速度穩(wěn)態(tài)誤差為： 4.9-5 = -0.1V。ASR、ACR最終整定PI參數(shù)：Rn = 70.4 k Cn = 0.2 uFRi = 9.9 k Ci = 1.9 uF五、 系統(tǒng)評估1. 系統(tǒng)

20、實際性能評價在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的過程中，我們發(fā)現(xiàn)將計算出的結(jié)果帶入實際系統(tǒng)中時，系統(tǒng)出現(xiàn)了等幅振蕩，而且超調(diào)，轉(zhuǎn)速均不滿足要求，暫態(tài)特性不是很好，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在經(jīng)過調(diào)試后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速超調(diào)量滿足條件，調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的暫態(tài)特性有所改善，而且系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。采用PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高時，單閉環(huán)往往難以滿足要求。為了使電動機在起動過程中只有電流反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋而無電流負(fù)反饋，我們可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，二者嵌套相連，電流環(huán)在內(nèi)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外，形成雙閉直流環(huán)調(diào)速

21、系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)器ACR的作用：（1） 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，使電流緊緊跟隨給定電壓Ui*的變化；（2） 對電網(wǎng)電壓的波動及時抗擾；（3） 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程；（4） 當(dāng)電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的作用：（1） ASR是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它是轉(zhuǎn)速n很快跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差；（2） 對負(fù)載變化起抗擾作用；（3） 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能好，具有較好的動態(tài)性能，過渡過程短，啟動時

22、間短，且穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，兩個調(diào)節(jié)器分別設(shè)計整定，調(diào)節(jié)方便。2. 系統(tǒng)誤差分析在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時，我們將通過第一次實驗計算出的ASR、ACR的PI參數(shù)作為參考，在其附近慢慢調(diào)試，使得波形達(dá)到我們所認(rèn)為的最佳狀態(tài)，然后確定最終參數(shù)：Rn = 70.4 k Cn = 0.2 uFRi = 9.9 k Ci = 1.9 uF不難看出，理論設(shè)計與仿真的結(jié)果和最終結(jié)果有一定的區(qū)別。在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，由于ACR、ASR的分別選用的是典型I和II型系統(tǒng)，I型、II型系統(tǒng)的特性會使設(shè)計的系統(tǒng)本身具有一定的誤差。從穩(wěn)態(tài)要求上考慮，希望電流無靜差，以得到理想堵轉(zhuǎn)特性，從動態(tài)要求上考慮，實際系統(tǒng)不允許電樞電流

23、在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用是次要因素，所以電流調(diào)節(jié)器ACR按典型I型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。I型系統(tǒng)對階躍輸入是無差系統(tǒng)，I型系統(tǒng)能跟隨斜坡輸入，但是存在穩(wěn)態(tài)偏差，斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)偏差與開環(huán)增益成反比，可以通過增加K值來減少偏差。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR選用的是II型系統(tǒng)。II型系統(tǒng)對階躍信號和斜坡信號時無差系統(tǒng)，且能跟隨拋物線輸入，但是存在穩(wěn)態(tài)偏差，穩(wěn)態(tài)偏差是有限值，與開環(huán)增益成反比。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大的問題，是按照線性系統(tǒng)理論計算的數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中ASR的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，ASR、ACR各自的限幅電

24、位器RP1、RP2等十分靈敏，調(diào)解=節(jié)時需一手按住螺母，一手用改刀緩緩調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時只能調(diào)至近似，想要調(diào)到精確值十分困難。實驗設(shè)備中的電容只精確到0.1，沒有理論計算所得到的值精確。所以我們在調(diào)節(jié)的時候只能在計算值附近取值。這也是誤差原因之一。3. 實驗問題分析在設(shè)計系統(tǒng)的過程中，我們組遇到了一些問題：系統(tǒng)建模時，需先測得整流電源的等效內(nèi)阻Rn，此時應(yīng)保持Uct固定不變，Id介于0.5A-1A之間，然后測量幾組Ud、Id的數(shù)據(jù)根據(jù)式： Rn = (Ud2 Ud1)/(Id2 Id1)求得Rn。而我們組調(diào)節(jié)了Uct,測得Ud、Id的數(shù)據(jù)后計算出的Rn為50。這樣一來我們算出的R達(dá)到了82.47之高，這與要求的R為50相差了許多?；剡^頭來查找原因時我們才發(fā)現(xiàn)之前測得的50是電樞的總電阻，Rn = 50-Ra-Rd =17.53 值得一提的是，實驗時我們沒有調(diào)節(jié)參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定，便直接開始測量機械特性，所以系統(tǒng)一直不穩(wěn)定，速度及電流的震蕩很大。這給我們的讀數(shù)造成了很大的困擾，我們只能取一個大概，直接導(dǎo)致讀數(shù)誤差特別大。調(diào)節(jié)參數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定之后我們也沒有記錄數(shù)據(jù)，事后寫報告時我們才發(fā)現(xiàn)了這個嚴(yán)肅的問題。以后一定要吸取教訓(xùn)！出于對實驗設(shè)備的安全保護(hù)，我們在調(diào)整調(diào)整電流反饋系數(shù)時，將輸出電壓信號Ui和電機點數(shù)電流Id都減半，變?yōu)?.5V和0.7A。在系統(tǒng)調(diào)試的過程中，ASR、ACR各自的限幅電位