1、摘要直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，前者通過電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達(dá)到給定值；穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)起主要作用，使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外

2、環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。并通過Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。自70年代以來，國(guó)外在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，大量地采用了“晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速”技術(shù)（簡(jiǎn)稱KZD調(diào)速系統(tǒng)），盡管當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中KZD系統(tǒng)的應(yīng)用還是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在工程設(shè)計(jì)與理論學(xué)習(xí)過程中，會(huì)接觸到大量關(guān)于調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設(shè)計(jì)問題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干

3、擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)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值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許

4、過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過程。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)

5、，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，包括主電路和控制回路。主電路由晶閘管構(gòu)成，控制回路主要由檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，檢測(cè)電路又包括轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)等部分。雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)可以再保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單

6、閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)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值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過

7、程。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 全數(shù)字直流調(diào)速裝置與早先的模擬直流調(diào)速裝置相比較，全數(shù)字直流調(diào)速裝置具有不可比擬的優(yōu)越性，最顯著的特點(diǎn)是：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、系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定、故障報(bào)警、故障記憶等功能，這樣就給用戶的使用

8、、維護(hù)提供了極大的方便。而且隨著技術(shù)發(fā)展及大批量生產(chǎn)，全數(shù)字直流調(diào)速裝置的價(jià)格已經(jīng)大幅度下降，與模擬直流調(diào)速裝置相比較已相差無幾，所以在短短的幾年內(nèi)全數(shù)字直流調(diào)速裝置幾乎取代了模擬直流調(diào)速裝置。 目前，在直流調(diào)速方面IGBT一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展得很成熟，但脈沖寬度調(diào)制(PWM)直流調(diào)速系統(tǒng)與之相比有著許多無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景。目錄第一章：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)特性與原理11.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理11.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特析 11.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3第二章：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型42.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型42.2調(diào)節(jié)器的具體設(shè)

9、計(jì)42.3速度環(huán)的設(shè)計(jì)62.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真8第三章：直流閉環(huán)PI調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真93.1認(rèn)識(shí)閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)93.2直流電機(jī)閉環(huán)PI調(diào)速控制系統(tǒng)的建模與仿真143.3帶轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速裝置調(diào)試步驟 21附錄22參考獻(xiàn)23第一章：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)特性與原理1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理圖1.1.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速(電壓)低于給定值,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào),經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài),速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器, 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)

10、器輸出移相信號(hào),直流電壓迅速上升,電流也隨即增大直到等于最大給定值, 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的最大電流(堵轉(zhuǎn)電流)可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后, 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài),閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng),速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓,使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化,從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù), 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié),可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí),迅速

11、使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒1 值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的 調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI的作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)

12、，它們的輸入偏差電壓都是零，因此， （2-1） （2-2）由第一個(gè)關(guān)系式可得： （2-3）從而得到圖2.2所示靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，可知，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的=0一直延續(xù)到。一般都是大于額定電流Idn的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)： （2-4）其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合

13、于的情況，因?yàn)槿绻?則,ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm*時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用,但負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí),對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸2出Uim*,這時(shí),電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動(dòng)保護(hù).這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖2.2中虛線。圖1.2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特

14、性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值；不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。圖1.3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。第二章： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

15、為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖2.1.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.2 調(diào)節(jié)器的具體設(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：1)晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=30;2)電樞回路總電阻R=0.18;3)時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)T1=0.012s;4)機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.12s;5)調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=20;設(shè)計(jì)指標(biāo)：41)靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2)動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)： (3-1) (3-2) （1）確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)

16、間常數(shù)；Ts=0.0022s。電流濾波時(shí)間常數(shù): Toi=0.002 s（三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。(Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：%5%，且可按典型型設(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,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的.檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能:（3）選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)ACR超前時(shí)間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益: (3-3) ACR的比例系數(shù):5 (3-4) （4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率

17、:=Ki=135.1S-11）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： (3-5) 即 (3-6)滿足近似條件；2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： (3-7) 即 (3-8) 滿足近似條件；3) 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：， (3-9) 即= (3-10) 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計(jì)要求。2.3 速度環(huán)的設(shè)計(jì)1）確定時(shí)間常數(shù)6（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) (3-11) （2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.014s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理 (3-12) 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié),為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)

18、積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器。典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。3）選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) (3-13) 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： (3-14) ASR的比例系數(shù)： (3-15) （4）近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為： (3-16) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件： (3-17)（5）檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量:7，滿足設(shè)計(jì)要求。2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)仿真圖如圖2.5所示：圖2.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)仿真圖仿真結(jié)果如下：圖2.4.2 轉(zhuǎn)速電流曲線圖藍(lán)線為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，綠

19、線為電機(jī)電流曲線。加電流啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽和狀態(tài)。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。8第三章：直流閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真3.1 認(rèn)識(shí)閉環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)2.1.1、閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)介紹。閉環(huán)控制系統(tǒng)是既有參考輸入控制輸出量的順向控制作用，又有輸出量引回到輸入端的反向控制作用，形成一個(gè)閉環(huán)控制形式。通常理想起動(dòng)過程波形如圖2-3-1所示，這時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程?，F(xiàn)在的問題時(shí)，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過程，只有電流

20、負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。怎么樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使他們只能分別在不同的階段里起作用呢？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。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）連接如圖2-3-2所示。 ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測(cè)速發(fā)電機(jī) TA-電流互感器 UPE-電力電子變換器9圖3.1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中，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去UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速

21、環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖2-3-3所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖3.1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖2.1.2、基于數(shù)學(xué)模型的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真（1）雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)皆空?qǐng)D，如圖2-3-4所示。、圖3.1.3雙閉環(huán)直流調(diào)速

22、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖10雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。其中TOi-電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)TOn-轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)圖中ASR和ACR分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有 例：用線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。已經(jīng)數(shù)據(jù)如下：電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10KW,220V,55A,1000r/min，電樞電阻Ra=0.5；晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，電壓放大系數(shù)Ks=23V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：Rd=1.0;測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.

23、1W,110V,0.21A,1900r/min;直流穩(wěn)壓電源：15V。若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10,靜差率5%，試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫時(shí)不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題）。解：為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)降速應(yīng)為 系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù):轉(zhuǎn)矩常數(shù)：11電磁時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：晶閘管整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)：預(yù)置參數(shù)包括如下內(nèi)容。選取轉(zhuǎn)速輸出限幅值：Um=10V,通過計(jì)算得到晶閘管裝置放大系數(shù)：?jiǎn)?dòng)電流：Idm=1.5Ie=1.555=82.5A選取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出限幅值：Um=10V,可以得到電流反饋系數(shù)：選取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Td=0.002選取轉(zhuǎn)速最大給定值：Un

24、m=10V可以得到轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);再取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Ton=0.01s（2）閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn) 根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其參考數(shù)值，在MATLAB的Simulink環(huán)境下可以輕松的建立系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)如圖2-3-5所示，在IdL=0時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出動(dòng)態(tài)曲線，如圖3.1.4所示。 12 如圖3.1.5閉環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及參數(shù)值 IdL=0時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速輸出動(dòng)態(tài)曲線通過改變給定信號(hào)的大小，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)的目的。在仿真系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過程就是該百年系統(tǒng)給定的階躍信號(hào)的大小。在上面的仿真系統(tǒng)在2s時(shí)刻引入一個(gè)干擾幅度為IdL=50快讀為1s的干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)

25、的干擾?？梢钥闯鲈诟蓴_期間電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速略有波動(dòng)，干擾消失后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速回到原狀態(tài)。 通過改變給定信號(hào)的大小，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)的目的。在仿真系統(tǒng)中的是實(shí)現(xiàn)過程就是改變系統(tǒng)給定的階躍信號(hào)的大小。在上面的仿真系統(tǒng)在2s時(shí)刻引入一個(gè)干擾幅度為IdL=50寬度為1s的干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的干擾。可以看出在干擾期間電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速略有波動(dòng)，干擾消失后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速回到原狀態(tài)。13 圖3.1.6干擾狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出動(dòng)態(tài)曲線3.2 直流電機(jī)雙臂換系統(tǒng)的建模與仿真將各個(gè)功能單元依據(jù)電氣原理圖，進(jìn)行相應(yīng)的電氣連接，最后得到雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的方針模型。如圖2-3-5所示。 圖3.2

26、.1 雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型2.2.1仿真建模與模型參數(shù)設(shè)置 三相電源的建模和參數(shù)設(shè)置：peak amplitude：220V；frequence：50Hz；phaseA相0deg、B相-120deg、C相-240deg14 圖3.2.2 直流電機(jī)建模參數(shù)設(shè)置 晶閘管橋的建模和參數(shù)設(shè)置：橋臂數(shù)3 平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置：Inducetance 5e-3H 直流電機(jī)建模和參數(shù)設(shè)置（見圖2-3-6） 控制電路建模和參數(shù)設(shè)置包括同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置、給定與測(cè)量Frequence of synchronisation voltages：50Hz；給定alta=90，為常量。在

27、電機(jī)的測(cè)量端口取w（轉(zhuǎn)速），Ia（電樞電流），If（勵(lì)磁電流），Te（電磁轉(zhuǎn)矩），用多路復(fù)用分離各測(cè)取量，在示波器上用不同的坐標(biāo)顯示。 PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置見圖2-3-7所示15 圖3.2.3電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置見圖2-3-8所示 圖 3.2.4 電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置2.2.2、其他參數(shù)設(shè)置：觸發(fā)角90deg，參考給定速度Reference speed：step time 2s，initial value 100rad/s，final value 200rad/s，階躍負(fù)載step time：4s，初始負(fù)載給定10n.m，最終給定負(fù)載100

28、n.m（經(jīng)仿真后知：負(fù)載為 100n.m偏大）所有參數(shù)設(shè)置完畢，start simulink 對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果見圖2-3-9所示16 圖3.2.5仿真結(jié)果173.2.5對(duì)仿真結(jié)果的分析如圖所示，在0-2秒的時(shí)間內(nèi)，分三個(gè)階段；電流上升階段（0-0.1秒左右），恒流升速階段（0.1-0.4秒左右），轉(zhuǎn)速調(diào)整階段（0.4-0.7秒左右）。2秒時(shí)給定速度有100變成200rad/s，2-3秒的時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升，電樞電流基本不變，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值時(shí)，電樞電流有大幅的下降，3-4秒時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速基本恒定，電樞電流有一振蕩的環(huán)節(jié)。第4秒時(shí)，負(fù)載給定變化，由10N*m變?yōu)?00

29、N*m.這時(shí)由于系統(tǒng)中由有速度與電流調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的作用，使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速基本沒有變化，電樞電流由小幅的振蕩上升過程最后達(dá)到穩(wěn)定。整個(gè)環(huán)節(jié)勵(lì)磁電流沒有變化。電磁轉(zhuǎn)矩的變化與電樞電流的變化一致，原因是；勵(lì)磁帶電流If與直流電機(jī)的勵(lì)磁瓷廠大小有關(guān)，由公式Te=Ct Ia知，Ct、 不變，Te與Ia成正比關(guān)系。改變其中某些參數(shù)后仿真結(jié)果的變化觸發(fā)角alfa=30時(shí)仿真結(jié)果見圖3.2.6所示。18圖3.2.7觸發(fā)角alfa=30時(shí)仿真結(jié)果19圖3.2.8 負(fù)載在4秒后增大到300n.m的仿真結(jié)果負(fù)載在4秒后增大到300n.m時(shí)，仿真結(jié)果見圖所示。可以看出4秒之后由于負(fù)載過大，調(diào)速系統(tǒng)不能是速度維

30、持恒定，已經(jīng)不能滿足要求。這也與電機(jī)本身的額定數(shù)據(jù)有關(guān)?？梢钥闯?，電樞電流基本沒有小幅振蕩，只是在速度給定（第2秒）和恒流升速階段開始的時(shí)候有很大的電流波動(dòng)，這會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)有較大的電流沖擊，使電動(dòng)機(jī)容易損壞。3.2.8 仿真結(jié)果分析從兩種方法對(duì)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真，分析系統(tǒng)輸出，得到如下結(jié)論。（1） 利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和特性，使系統(tǒng)保持恒定最大允許電流。在盡可能短的時(shí)間內(nèi)建立轉(zhuǎn)速，在退飽和實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無靜差特性。（2） 由于構(gòu)成了無靜差系統(tǒng)，在負(fù)載變化和電網(wǎng)電壓波動(dòng)等擾動(dòng)情況下，保持系統(tǒng)的恒定輸出。（3） 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)可以很好的克服負(fù)載變化和電網(wǎng)電壓波 20動(dòng)等

31、擾動(dòng)影響，特別是電網(wǎng)電壓擾動(dòng)點(diǎn)在電流環(huán)內(nèi)。多數(shù)情況可以在電流環(huán)內(nèi)就克服，而不會(huì)造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)?；跀?shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)系統(tǒng)與基于電氣原理圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)兩種仿真方法得到相近的結(jié)果，同時(shí)說明仿真結(jié)果的正確性。不同之處在于兩者仿真工作量的側(cè)重點(diǎn)不同，基于基于數(shù)學(xué)模型的雙閉環(huán)系統(tǒng)模型仿真方法主要工作量在系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立和控制器的設(shè)計(jì)方面，而基于電氣原理圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真方法主要工作量在模型參數(shù)設(shè)置和控制器的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方面。3.3 帶轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋的雙閉環(huán)直流調(diào)速裝置調(diào)試步驟 1調(diào)試前檢查。根據(jù)電氣圖紙，檢查主電路各部件及控制電路各部件間的連線是否的正確，標(biāo)號(hào)是否符合圖紙要求，連接點(diǎn)是否牢

32、固，焊接點(diǎn)是否有虛焊，連接導(dǎo)線規(guī)格是否符合要求，接插件的接觸是否良好等。 2繼電控制電路的通電調(diào)試。取下各插接板，然后通電，檢查繼電器的工作狀態(tài)和控制順序等，用萬用表查驗(yàn)電源是否通過變壓器和控制觸頭送到了整流電路的輸入端。3系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試（帶電阻性負(fù)載）（1）控制電源測(cè)試：插上電源板，用萬用表校驗(yàn)送至其所供各處電源電壓是否到位，電壓值是否符合要求。（2）觸發(fā)脈沖檢測(cè)：插入觸發(fā)板，調(diào)節(jié)斜率值，使其為6.3V左右。調(diào)節(jié)初相位角，調(diào)節(jié)電位器Wp（Up的值），使得給定電壓（Ug）值最大時(shí)，輸出電壓U=300V；給定電壓（Ug）值為0V時(shí)，輸出電壓U=0V。（3）調(diào)節(jié)板的測(cè)試：插上調(diào)節(jié)板，將調(diào)節(jié)板處于開環(huán)

33、位置。ASR、ACR輸出限幅值的調(diào)整。限幅值的依據(jù)，分別取決于U=f（U）和U=I。是反饋系數(shù)，由W整定，I為主電路電流。ACR輸出限幅值。正限幅：給定電壓（Ug）最大，調(diào)電位器W，使輸出電壓U=270V，取裕量50V。負(fù)限值：給定電壓（Ug）最小，調(diào)電位器W，使U=1V。ASR的限幅值。由ASR的可能輸出最大值與電流反饋環(huán)節(jié)特性U=I的最大值來權(quán)衡選取，應(yīng)取兩者中的較小值，本系統(tǒng)取4.0V。給電位器W一個(gè)翻轉(zhuǎn)電壓。其值也由系統(tǒng)負(fù)載決定，一般取6V，本系統(tǒng)取5.0V。21反饋電壓（Ufn）極性的測(cè)定從零逐漸增加給定電壓（Ug），輸出電壓U應(yīng)從0V300V變化，將輸出電壓U調(diào)節(jié)到額定電壓220V

34、，用萬用表電壓檔測(cè)量電位器W的中間點(diǎn)（對(duì)參考點(diǎn)）的電壓，看其極性是否為正，如為正值則極性正確，將其調(diào)為最大。斷開電源，將電機(jī)勵(lì)磁，電樞接好，測(cè)速發(fā)電機(jī)接好，接通電源，接通主電路，給定回路，緩慢調(diào)節(jié)給定電位器，增加給定電壓，電機(jī)從零速逐漸上升，調(diào)到某一轉(zhuǎn)速，用萬用表電壓檔測(cè)量電位器W的中間點(diǎn)，看其值是否為負(fù)極性，將電壓值調(diào)為最大。4系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試（帶電機(jī)負(fù)載）（1）確認(rèn)速度反饋電位器W的位置（此位置時(shí)，速度反饋電壓值為最大）。將調(diào)節(jié)板K跳線置于閉環(huán)位置。（2）調(diào)整速度環(huán)ASR。接通系統(tǒng)電源，緩慢增加給定電壓（Ug），由于設(shè)計(jì)原因，電機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)達(dá)到額定值。此時(shí)，調(diào)節(jié)速度反饋電位器W，減小轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。（此時(shí)U=220V即可）。速度環(huán)ASR即調(diào)好。（3）調(diào)整電流環(huán)ACR。去掉電機(jī)勵(lì)磁，使電機(jī)堵轉(zhuǎn)（電機(jī)加勵(lì)磁時(shí)，轉(zhuǎn)