機電設(shè)計畢業(yè)論文-----v-m直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機械需要動力的場合，也被廣泛應(yīng)用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設(shè)備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。</p><p>　　本文

2、所論述的是“V-M雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真”。主電路設(shè)計是依據(jù)晶閘管-電動機（V—M）系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器TR、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器L和電動機-發(fā)電機組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器L的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動機-發(fā)電機組提供三相交流電源。</p><p>　　關(guān)鍵詞：V-M系統(tǒng)；直流調(diào)速；雙閉環(huán)</p&g

3、t;<p>　　V-M double closed loop irreversible cocurrent velocity modulation system's design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The electric drive automatic control system is

4、transforms the electrical energy the mechanical energy the installment, it widely is applied in produces the machinery to need generally the power the situation, is also widely applied in the precision machinery and so o

5、n needs the high performance electric drive in the equipment, with controls the position, the speed, the acceleration, the pressure, the tensity and the torque and so on.</p><p>　　What this article elaborate

6、s is “V-M double closed loop irreversible cocurrent velocity modulation system's design”. The main circuit design is rests on the thyristor - electric motor (V-M) the system composition, Its system by rectification t

7、ransformer TR, the thyristor rectification speeder, flat wave reactor L and the electric motor - power set and so on is composed. After rectification transformer TR and the thyristor rectification speeder's function

8、is the alternating current rectification </p><p>　　Key words：The system of V-M; DC converter；Double Loop</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　當前全球經(jīng)濟發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環(huán)境。能源的

9、緊張不僅制約了相當多發(fā)展中國家的經(jīng)濟增長，也為許多發(fā)達國家?guī)砹讼喈敶蟮膯栴}。能源集中的地方也往往成為全世界所關(guān)注的熱點地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災(zāi)難都與能源的開發(fā)與利用有關(guān)。</p><p>　　能源工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，對于社會、經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經(jīng)濟環(huán)境下，中國能源工業(yè)面臨經(jīng)濟增長與環(huán)境保護的雙重壓力。有資料表明，受資

10、金、技術(shù)、能源價格的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。90年代中國高耗能產(chǎn)品的耗能量一般比發(fā)達國家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉(zhuǎn)換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進行單位GNP能耗（噸標準煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤

11、耗為412克標準煤kW/h，是國際先進水平的1.27倍。</p><p>　　由此可見，對能源的有效利用在我國已經(jīng)非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55 —220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家50年代水平。因此，在國

12、家十五計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達500億元左右。所以直流調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。</p><p>　　目前，國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究非常活躍，但是在產(chǎn)業(yè)化方面還不是很理想，市場的很大一部分還是被國外公司所占據(jù)。因此，為了加快國內(nèi)直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對國際直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)的市場需求有一個全面的了解。</p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過程

13、中應(yīng)用最廣泛的電氣傳動裝置之一。廣泛的應(yīng)用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切割機床等很多領(lǐng)域的自動控制中。它在以計算機做為工具的仿真系統(tǒng)應(yīng)用時不僅省錢，而且安全，周期短、見效快。</p><p>　　近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流調(diào)速系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)[1]，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。</p><p

14、>　　現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的驅(qū)動設(shè)備。在各種高精工業(yè)生產(chǎn)中，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(shù)自整定、故障報警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護提供極大方便的調(diào)速系統(tǒng)成為了當今的熱門。而計算機和直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)合體，剛好具有以上特點。應(yīng)而，將來相當長的一段時間內(nèi)，它將具有不可替代的優(yōu)勢。</p><p>　　1 直流調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p

15、>　　調(diào)速系統(tǒng)是當今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的一種系統(tǒng)。目前，需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域多數(shù)都采用直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.1 晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　20世紀50年代末，晶閘管（大功率半導(dǎo)體器件）變流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調(diào)速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動機直流

16、調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱為靜止的Ward-leonard系統(tǒng)。這種系統(tǒng)已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。</p><p>　　圖1.1是V-M系統(tǒng)的簡單原理圖[1,3,5]。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。由于V-M系統(tǒng)具有調(diào)速范圍大、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制

17、等優(yōu)點，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業(yè)國得到普遍應(yīng)用。</p><p><b>　　-</b></p><p>　　圖1.1 晶閘管-電動機直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）</p><p>　　但是，晶閘管還存在以下問題：</p><p>　?。?）由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕o系統(tǒng)的可逆運行造成困難；</p>

18、<p>　?。?） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件；</p><p>　　（3） 當系統(tǒng)處于深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速下運行時，晶閘管的導(dǎo)通角小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響；</p><p&g

19、t;　?。?） 由于整流電路的脈波數(shù)比直流電動機每對極下的換向片數(shù)要小得多，因此，V-M系統(tǒng)的電流脈動很嚴重。</p><p>　　1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　1.2.1 系統(tǒng)的組成</p><p>　　由前面的分析可知，開環(huán)系統(tǒng)不能滿足較高的調(diào)速要求。許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械，常常不允許有很大的靜差率。為了使系統(tǒng)同時滿足D、S的要求，提高調(diào)速

20、質(zhì)量，必須采用閉環(huán)系統(tǒng)。用轉(zhuǎn)速檢測裝置，例如在電動機上安裝一臺測速發(fā)電機TG，檢測出輸出量或被調(diào)量n的大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Ufn，與轉(zhuǎn)速給定電壓Un相比較后，得到偏差電壓△Un，經(jīng)放大產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc，用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。這就組成了轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖1.2。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會產(chǎn)生糾正偏差的自動調(diào)節(jié)過程

21、。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。</p><p>　　圖1.2 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　1.2.2 系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　改變轉(zhuǎn)速給定電壓Un的大小，就可以改變直流電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖1.3所示，設(shè)電動機在Ud1決定的特性上的點1處以轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運行，這時負載電流Id=Id1，控

22、制電壓Uc=Uc1,整流平均電壓Ud=Ud1,當電動機上的負載轉(zhuǎn)矩TL加大時有如下自動調(diào)節(jié)過程,整流電壓平均值的增量△Ud=Ud2-Ud1,用</p><p>　　與補償電阻牙降增量△IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在Ud2決定的特性上的點2處，顯然n2略小于n1。</p><p>　　圖1.3 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)機械特性的關(guān)系</p><p&

23、gt;　　上述自動調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小負載，就相應(yīng)地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機械特性。按上述工作原理在每條開環(huán)機械特性上取一個相應(yīng)的工作點，再將這些點集合起來 ，就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實際上是由許多機械特性上的不同運行點集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。</p><p>　　由此可知，閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)降速的實際在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在

24、于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變整流電路。</p><p>　　1.2.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)</p><p>　　轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律：</p><p>　　（1） 應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的；</p><p>　?。?） 單閉環(huán)系統(tǒng)對于給定輸入絕對服從；&l

25、t;/p><p>　?。?） 單閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗擾性能。</p><p>　　1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡介</p><p>　　1.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，且采用電流截止負反饋作限流保護可以限制啟（制）動時的最大電流。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問題：</p><p

26、>　?。?） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負反饋和轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負載時實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時進行電流調(diào)節(jié)。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時具有良好的動態(tài)品質(zhì)。</p><p>　　（2） 系統(tǒng)中采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流

27、，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。</p><p>　　為了獲得近似的理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.1.1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　圖1

28、.4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動機過載能力的條件下獲得最佳過度過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系，就是將兩者分開，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實現(xiàn)串級調(diào)節(jié)，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作

29、為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器[4]，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負反饋環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖1.4。</p><p>　　1.3.1.2 調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定</p><p>　　在雙閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ui是電流調(diào)節(jié)器ACR的電流

30、給定信號，其限幅值Uim為最大電流給定值，因此，ASR的限幅值完全取決于電動機所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小α角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計算與整定是系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試工作中很重要的一環(huán)。</p><p>　　1.3.1.3 調(diào)節(jié)器鎖零</p><p>　　為使調(diào)速系統(tǒng)消除靜差，并改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，在系統(tǒng)

31、中引入PI調(diào)節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，在調(diào)速系統(tǒng)停車期間，調(diào)節(jié)器會因輸入干擾信號的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號，而使電動機爬行，這在控制上是不允許的，因此對調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用的調(diào)節(jié)器，在沒有給出電動機啟動指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位上，簡稱為調(diào)節(jié)器鎖零[5,6,7]。系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器鎖零是由零速鎖零電路來實現(xiàn)的。并且系統(tǒng)對調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。</p><p>　?。?） 系統(tǒng)處于

32、停車狀態(tài)時，調(diào)節(jié)器必須鎖零；</p><p>　?。?） 系統(tǒng)接到啟動指令或正常運行時，調(diào)節(jié)器鎖零立即解除并正常工作。</p><p>　　根據(jù)上述要求，鎖零電路只需兩個信號來控制調(diào)節(jié)器“鎖零”與“開放”兩個狀態(tài)。</p><p>　　停車時：Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零,無輸出信號。</p><p>　　啟動時：Un≠0，Ufn=0，調(diào)節(jié)

33、器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)運行時：Un=Ufn≠0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　制動停車時：Un=0, Ufn≠0，調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。</p><p>　　必須注意，對于可逆調(diào)速系統(tǒng)，Un=0, Ufn≠0時，調(diào)節(jié)器不能鎖零，以保證調(diào)節(jié)器對其進行制動停車控制。為使鎖零電路對不可逆和可逆系

34、統(tǒng)都具有通用性，Un=0, Ufn≠0時，要求調(diào)節(jié)器不能鎖零。調(diào)節(jié)器鎖零可以采用場效應(yīng)管來實現(xiàn)，如圖1.5所示。</p><p>　　圖1.5 調(diào)節(jié)器鎖零</p><p>　　當Un=Ufn=0時，鎖零調(diào)節(jié)電路使場效應(yīng)管導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器鎖零。</p><p>　　1.3.1.4 系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定</p><p>　　在轉(zhuǎn)

35、速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，要構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流負反饋閉環(huán)，就必須使ASR、ACR的輸入信號Un與Ufn,Ui與Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號的極性呢？</p><p>　　在實際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，要正確的確定上述信號的極性，必須首先考慮晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求，并決定ACR輸出電壓Uc的極性，然后根據(jù)ACR和ASR輸入端的具體接法（是同相輸入還是反相輸入）確定Ui和Un的極性，最后按照負反饋要求確定Ufi

36、和Ufn的極性。</p><p>　　確定各輸入、輸出信號極性的一般方法如下：</p><p>　　① 根據(jù)晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求確定其移相控制電壓Uc的極性；</p><p>　?、?根據(jù)各調(diào)節(jié)器輸入端的具體接法（習(xí)慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調(diào)節(jié)器給定輸入信號的極性；</p><p>　　③ 根據(jù)負反饋的要求確

37、定各調(diào)節(jié)器反饋輸入信號的極性。</p><p>　　1.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性</p><p>　　1.3.2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)圖1.4所示的原理圖可以很方便的畫出圖1.6所示雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖[8]。</p><p>　　其中的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器ASR、ACR這兩個環(huán)節(jié)的輸入

38、與輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系無法用放大系數(shù)表示，而用帶限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的輸出特性表示。</p><p>　　圖1.6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　α—為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β—為電流反饋系數(shù)</p><p>　　1.3.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性仍然表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)速n與電流Id或轉(zhuǎn)矩Te的穩(wěn)態(tài)關(guān)

39、系，即系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)時n=f(Id)或n=f(Te)。分析其靜態(tài)性能的關(guān)鍵是掌握限幅輸出的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般有兩種狀態(tài)：飽和——輸出達限幅值；不飽和——輸出未達限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，且不在受輸入量變化的影響，除非有反向的輸入量使調(diào)節(jié)器退出飽和；當調(diào)節(jié)器不飽和時，其比例積分控制作用總是使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓△U為零。實際上，系統(tǒng)正常運行時，電流調(diào)節(jié)器不會達到預(yù)先設(shè)計好的飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和

40、和不飽和兩種情況。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和</p><p>　　這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差都為零。因此，由ASR的輸入偏差電壓△Un=0得</p><p><b>　　（1.1）</b></p><p><b>　?。?.2）</b></p>

41、<p>　　由ACR的輸入偏差電壓△Ui=0得</p><p><b>　　（1.3）</b></p><p>　　從而可畫出圖1.7所示靜特性的n0—A段。由于ASR不飽和，因此Ui<Uim,由式（1.3）知Id<Idm，這表明n0—A段靜特性從Id=0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到Id= Idm，而在一般情況下Idm>Id，這正是靜特性的運

42、行段。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和</p><p>　　當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR飽和時，ASR輸出達限幅值Uim，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中，最大電流Idm是由設(shè)計者選定的

43、，取決與電動機所允許的最大過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式（1.4）所描述的靜特性如圖1.7中的A—B段。這樣的下垂特性只適合于n≤n0的情況。若n>n0，Ufn>Un,ASR將退出飽和狀態(tài)。</p><p>　　由以上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差；當負載電流達到Idm后表現(xiàn)為電流無靜差，使系統(tǒng)獲得過電流自動保護。這就是采用兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩

44、個閉環(huán)的效果。顯然，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性好。但是，實際上，由于運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為避免零點漂移而采用準PI調(diào)節(jié)器（即在PI調(diào)節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個阻值為若干MΩ的電阻）時，靜特性的兩段都略有很小的靜差，如圖1.7中虛線所示。</p><p>　　1.3.2.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算</p>&

45、lt;p>　　由于轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)無靜差，因此，當系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)，且兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，由圖1.7可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下</p><p>　　圖1.7 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b>&l

46、t;/p><p><b>　　（1.7）</b></p><p>　　上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n由給定電壓Un決定，ASR的輸出Ui由負載電流IL決定，而控制電壓Uc的大小同時由n和Id決定，也就是由Un和IL決定。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器與P調(diào)節(jié)器的不同之處在于：P調(diào)節(jié)器的輸出量正比與輸入量，而PI調(diào)節(jié)器的輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)系，完全由它后面環(huán)節(jié)的需要決定

47、。鑒于此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時，雖然ASR、ACR的輸入偏差電壓都為零，但是二者的積分作用使它們都有恒定的輸出電壓。這時，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為</p><p><b>　　（1.8）</b></p><p><b>　　電流反饋系數(shù)</b></p><p><b>　?。?

48、.9）</b></p><p>　　其中兩個給定電壓的最大值Unm和Uim由運算放大器允許的最大輸入電壓決定。</p><p>　　1.3.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析</p><p>　　1.3.3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型[9—12]</p><p>　　根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖1.4，可畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)

49、圖如圖1.8所示。</p><p>　　圖1.8 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Kn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)</p><p>　　1.3.3.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性</p><p>　　一般來說調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能主要指系統(tǒng)對給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統(tǒng)對擾動輸入（階躍擾動）的抗

50、擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表征一個調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能或稱動態(tài)品質(zhì)。</p><p>　　（1） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時的啟動過程</p><p>　　設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的是要獲得接近于理想啟動過程，因此有必要首先討論雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時的啟動過程。當雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓Un由靜止狀態(tài)開始啟動時，轉(zhuǎn)速和電流隨時間變化的波形如圖1.9所示。由于在啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)

51、節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，因此整個啟動過程分為三個階段，在圖中分別標以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。</p><p>　?、?第Ⅰ階段（0-t1）：強迫電流上升階段</p><p>　　突加給定電壓Un后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當Id≥IL后,轉(zhuǎn)速n從零開始增長，但由于電動機機電慣性較大，轉(zhuǎn)速n及其反饋信號Ufn增長較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR因輸入偏差電壓△U

52、n=Un-Ufn數(shù)值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強迫Id電流迅速上升。當Id=Idm時，Ufi≈Uim,電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再增長，第Ⅰ階段結(jié)束[1,9]。</p><p>　　在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，這些都是在系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮和給予保證的。</p><p>　?、?第Ⅱ階段（t1-t2）:恒流升速階

53、段，即電動機保持最大電流作等加速啟動的階段。</p><p>　　該階段從電流上升到Idm開始，直至轉(zhuǎn)速升至給定值n1為止，是啟動過程的主要階段。</p><p>　　在這個階段中，ASR一直處于飽和狀態(tài)（因△Un未改變極性）,轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，其作用是輸出最大電流給定值Uim，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定Uim作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決與A

54、CR的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速及反電勢線性上升。在電流環(huán)實現(xiàn)恒流調(diào)節(jié)的過程中，反電勢E是一個線性漸增的擾動量。為了克服這個擾動量，Uc 和Ud也必須基本上線性增長，才能保持Id恒定。電流環(huán)對擾動E的恒流調(diào)節(jié)過程如下</p><p>　　n↑→E↑→Id↓→Ufi↓→|△Ui|↑→Uc↑→Ud↑→Id↑</p><p>　　轉(zhuǎn)速n不斷上升，ACR便不斷重復(fù)上述恒流調(diào)節(jié)過程，以

55、維持電流Id恒定，保證轉(zhuǎn)速線性上升。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，因此要使它的輸出量線性增長，就必須使其輸入量偏差電壓△Ui保持為某一恒值，也就是說，Id應(yīng)略低于Idm。</p><p>　　上述情況表明，恒流調(diào)節(jié)過程一直伴隨著對反電勢擾動的調(diào)節(jié)過程，反電勢擾動對電流的影響為ACR的積分作用所補償，為了保證電流環(huán)的這種恒流調(diào)節(jié)作用，在啟動過程中，ACR不能飽和。這就要求ACR的積分時間常數(shù)和被控對象的時間常數(shù)T1要相互

56、配合。同時，晶閘管整流裝置的最大電壓Udm必須留有余地，即晶閘管裝置也不應(yīng)飽和。這些都是在系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)予以考慮和解決的問題。</p><p>　?、?第Ⅲ階段（t2-t4）：轉(zhuǎn)速超調(diào)進入穩(wěn)定的階段，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。</p><p>　　在該階段開始時，即t2時刻，轉(zhuǎn)速已達給定值n1，ASR的給定電壓Un與反饋電壓Ufn相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim上，因此電

57、動機仍在最大電流下繼續(xù)加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，n>n1，Ufn>Un，ASR的輸入偏差△Un由正變負，ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓Ui立即從限幅值Uim降下來，Id隨之迅速減小。但是，在Id>IL的一段時間內(nèi)（即t2-t3）時間內(nèi)，dn/dt<0,電動機在負載阻力下減速，直至系統(tǒng)達穩(wěn)態(tài)。該階段的特點是ASR、ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。但是ASR處于主導(dǎo)地位，它使轉(zhuǎn)速迅速趨于給定值，并使系統(tǒng)穩(wěn)定；而

58、ACR的作用是使Id盡快的跟隨ASR的輸出Ui變化，也就是說，電流內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)過程是由轉(zhuǎn)速外環(huán)支配的，是一個電流隨動子系統(tǒng)。</p><p>　?。?） 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的抗擾性能</p><p>　　負載擾動和電網(wǎng)電壓擾動是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的兩個主擾動，只要系統(tǒng)能有效的抑制它們所引起的動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）和恢復(fù)時間，就說明系統(tǒng)具有較強的動態(tài)抗擾能力。</p><p>　　

59、① 抗負載擾動 由圖1.8所示的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)外，轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升）。為了減小動態(tài)轉(zhuǎn)速降（升），在設(shè)計ASR時，必須要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能。而對ACR的設(shè)計來說，則只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。</p><p>　?、?抗電網(wǎng)電壓擾動 從靜特性上看，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)內(nèi)（如圖

60、1.9）它的影響還未波及到轉(zhuǎn)速就被電流環(huán)所抑制。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降（升）要比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。</p><p>　　圖1.9 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能</p><p>　　2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)方案確定</p><p>　　在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計中，電動機、晶閘管觸發(fā)和整流裝置都可按負載的工藝要求來選擇和設(shè)計，轉(zhuǎn)速和電流反饋

61、系統(tǒng)可以通過穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算得到。最后剩下的是轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動態(tài)校正法，由于該法必須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，比較麻煩；因而本設(shè)計采用另一種方法，工程設(shè)計法。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的工程設(shè)計[13]，包括對某些簡單的典型低階系統(tǒng)進行深入研究，找出適合與給定性能指標的控制規(guī)律；確定系統(tǒng)預(yù)期的開環(huán)傳遞函數(shù)和開環(huán)頻率

62、特性的形式；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，計算調(diào)節(jié)器參數(shù)。這樣將使系統(tǒng)的工程設(shè)計過程簡便、明確且具有一定的準確性。</p><p>　　工程上通常選用以下兩種預(yù)期典型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)分別為：</p><p>　　二階典型系統(tǒng)（典Ⅰ系統(tǒng)）[11]</p><p>　　三階典型系統(tǒng)（典Ⅱ系統(tǒng)）</p><p>　　在具體選擇時，若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能

63、好為主，則可選典Ⅰ系統(tǒng)；若以具有較好的抗擾性能為主，則應(yīng)選典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p><b>　　2.1 總體方案</b></p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。目前都采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)電路原理圖在圖1.4所示。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計時，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，確定把電流

64、環(huán)校正為哪種典型系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設(shè)計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計。每個環(huán)的設(shè)計都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預(yù)期的性能指標。通常，隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標以跟隨性能為主，而調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。</p><p>　　2.2 電流環(huán)設(shè)計方案</p><p>　　2.2.1 電流調(diào)節(jié)器的工

65、作原理</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器也有兩個輸入信號。一個是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號Un，一個是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號Uif，當突加速度給定一個很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時電樞電流為最大值，從而電動機在加速過程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動過渡時間最短。</p><p>　　如果電網(wǎng)電壓發(fā)生突變(如降低)時，整流器輸出電壓也

66、會隨之變化(降低)，引起主回路電流變化(減小)，由于快速性好，不經(jīng)過電動機機械環(huán)節(jié)的電流反饋環(huán)的作用，立即使調(diào)節(jié)器的輸出變化(增大)，則α也變化（變小)，最后使整流器輸出電壓又恢復(fù)(增加)致電原來的數(shù)值，這就抑制了上回路電流的變化。也就是說，在電網(wǎng)電壓變化時，在電動機轉(zhuǎn)速變化之前，電流的變化首先被抑制了。</p><p>　　同樣，如果機械負載或電樞電流突然發(fā)生很大的變化，由于采用了頻率響應(yīng)較好的快速電流負反饋，

67、當整流器直流側(cè)發(fā)生類似短路的嚴重故障時，電流負反饋也及時地把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護晶閘管和直流電動機不致因電流過大而損壞。</p><p>　　2.2.2 電流調(diào)節(jié)器的作用</p><p>　?、?對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；</p><p>　?、?啟動時保證獲得允許的最大電流，實現(xiàn)最佳啟動過程；</p>&

68、lt;p>　?、?在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，能使電流跟隨其給定電壓Ui變化；</p><p>　　④ 依靠ACR的恒流調(diào)節(jié)作用可獲得理想的下垂特性；</p><p>　?、?當電動機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，可限制最大電樞電流，起到快速的安全保護作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能自動恢復(fù)正常。 </p><p>　　電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置，電流檢測及

69、其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)或典Ⅱ系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典Ⅰ系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p><b>　　其具體設(shè)計步驟為：</b></p><p>　?。?） 對電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖進行簡化；</p><p>　　（2） 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇

70、及參數(shù)計算；</p><p>　?。?） 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)。</p><p>　　2.3 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計方案</p><p>　　2.3.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的工作原理</p><p>　　在主電機上安裝一直流測速發(fā)電機，發(fā)出正比于主電機轉(zhuǎn)速的電壓，此電壓Unf與給定電壓Un*相比較，其偏差△Un送到速度調(diào)節(jié)器ASR中去，如欲調(diào)整，可以改變給定電壓，

71、例如提高Un*，則有較大△Un加到ASR輸入端，ASR自動調(diào)節(jié)GT，使觸發(fā)脈沖前移(α減小)，整流電壓Ud提高，電動機轉(zhuǎn)速上升，與此同時，Um也相應(yīng)增加。當?shù)扔诨蚪咏o定值時，系統(tǒng)達到平衡，電動機在給定數(shù)值下以較高的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。</p><p>　　如果電動機負載或交流電壓發(fā)生變化或其它擾動，則經(jīng)過速度反饋后，系統(tǒng)能起到自動調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用，當電機負載增加時轉(zhuǎn)速下降，平衡狀態(tài)被破壞，調(diào)節(jié)器輸出電壓增加，觸發(fā)脈沖前

72、移(α變小)，Ud提高，電動機轉(zhuǎn)速上升。當其恢復(fù)到原來數(shù)值時，Unf又等于給定電壓，系統(tǒng)又達到平衡狀態(tài)。如果擾動不是來自負載而是來自交流電網(wǎng)，比如交流電壓下降，則系統(tǒng)也會按上述過程進行調(diào)節(jié)，使電動機轉(zhuǎn)速維持在給定值上運行。同樣道理，當電動機負載下降，或交流電壓提高時，系統(tǒng)將按與上相反調(diào)節(jié)，最后能維持電動機近似轉(zhuǎn)速不變。</p><p>　　2.3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 </p><p>　

73、?、?實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un變化；</p><p>　　② 對負載變化起抗擾作用；</p><p>　?、?能對電流環(huán)進行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。</p><p>　　電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)的要求，將轉(zhuǎn)速環(huán)校正為合適的典型系

74、統(tǒng)，再由調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標和采用的參數(shù)選擇準則對其主要參數(shù)選擇。并以此為基礎(chǔ)對系統(tǒng)超調(diào)量進行計算，看是否符合設(shè)計需要。</p><p>　　3 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　晶閘管整流裝置供電的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　直流電動機 220V,15.6A,1500r/min,2.8kW,Ra=1

75、.5Ω；</p><p>　　晶閘管整流裝置 Ks=50;</p><p>　　時間常數(shù) TL=0.008s,Tm=0.25s;</p><p>　　電樞回路總電阻 R=2.5Ω;</p><p>　　轉(zhuǎn)速給定的最大電壓為 Unm=10V,其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為 nmax=1200 r/min;</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

76、限幅值 Uim=10V。</p><p><b>　　設(shè)計要求：</b></p><p><b>　　穩(wěn)態(tài)指標 無靜差；</b></p><p>　　動態(tài)指標 電流超調(diào)量 δi%≤5%；空載啟動到1200 r/min時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn%≤6%。</p><p><b>　　有關(guān)參數(shù)的計算。

77、</b></p><p>　　a 電動機的電勢常數(shù)</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　b 三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時間</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　c 電流反饋系數(shù)β 設(shè)最大允許電流Id

78、m=1.25IN，則電流反饋系數(shù)為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p><b>　　d 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α</b></p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　e 電流給定和反饋濾波時間常數(shù)Toi 一般取1—3ms，這里取<

79、/p><p>　　Toi=2ms=0.002s (3.5)</p><p>　　f 轉(zhuǎn)速給定和反饋濾波時間常數(shù)Ton 一般取5—3ms，這里取</p><p>　　Ton=10ms=0.01s (3.6)</p><p>　　3.1 電流環(huán)的設(shè)計<

80、;/p><p>　　電流環(huán)的控制對象由電樞回路形成的大慣性環(huán)節(jié)和晶閘管變流裝置[14—16]，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據(jù)具體系統(tǒng)的要求，將電流環(huán)校正成典Ⅰ系統(tǒng)或典Ⅱ系統(tǒng)。若以電樞電流超調(diào)小，跟隨性能好為主，則可校正成典Ⅰ系統(tǒng)；若以具有較好的抗繞性能為主，則應(yīng)校正成典Ⅱ系統(tǒng)</p><p>　　圖3.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3

81、.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化</p><p>　　圖3.1虛線框內(nèi)就是電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖。為按典型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)，需對其結(jié)構(gòu)圖作以下工程近似和等效處理。</p><p>　　3.1.1.1 忽略反電勢的影響</p><p>　　將電流環(huán)單獨拿出來設(shè)計，首先遇到的問題是反電勢產(chǎn)生的交叉反饋作用。在實際系統(tǒng)中，由于電磁時間常數(shù)TL遠小于機電時間常數(shù)Tm，電流調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的

82、變化過程快得多，因而也比反電勢E的變化快得多。因此，反電勢對電流環(huán)的影響可以看作對恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種變化緩慢的擾動，在電流調(diào)節(jié)器的快速調(diào)節(jié)過程中，可以認為E基本不變，或認為△E=0。這樣，在進行電流環(huán)動態(tài)設(shè)計時，可暫不考慮反電勢變化的影響，而將電勢反饋作用忽略不計，以簡化電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖，如圖3.2（a）所示?？赏茖?dǎo)其近似條件為</p><p><b>　　(3.7)</b></p>

83、<p>　　3.1.1.2 變換成單位反饋系統(tǒng)</p><p>　　利用結(jié)構(gòu)圖的等效變換法，將給定濾波器和反饋濾波器兩個環(huán)節(jié)等效地置于環(huán)內(nèi)，使電流環(huán)變?yōu)閱挝环答佅到y(tǒng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.2（b）所示。</p><p>　　圖3.2 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡化</p><p>　　3.1.1.3 小慣性環(huán)節(jié)的近似處理</p><p>　

84、　由圖3.2(b)可見，電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對象由三個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其中晶閘管變流裝置滯后時間常數(shù)Ts和電流反饋濾波時間常數(shù)Toi都比電磁時間常數(shù)TL小得多，可以當作小慣性環(huán)節(jié)處理，將二者等效成一個時間常數(shù)為</p><p><b>　　(3.8)</b></p><p>　　的小慣性環(huán)節(jié)。其近似條件為</p><p><b>　　(

85、3.9)</b></p><p>　　電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終可簡化成圖3.2(c)</p><p>　　3.1.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇及參數(shù)計算</p><p>　　如前所述，根據(jù)對電流環(huán)的具體要求不同可以按典Ⅰ系統(tǒng)也可按典Ⅱ系統(tǒng)來設(shè)計電流。但是，當控制對象的兩個時間常數(shù)之比</p><p><b>　　(3.10)</

86、b></p><p>　　時，應(yīng)按典Ⅰ系統(tǒng)來計算。</p><p>　　由圖3.2可知，電流環(huán)的控制對象由兩個慣性環(huán)節(jié)組成，若按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計，則應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　式中 Ki——電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；</p><p&

87、gt;　　τi——電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。</p><p><b>　　參數(shù)配合為</b></p><p><b>　　(3.12)</b></p><p>　　這時電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3.3(a)所示典Ⅰ系統(tǒng)的形式，其中電流環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)KI：要求δi≤5%時，應(yīng)按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計，取</p>

88、<p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　相應(yīng)地，電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性入圖3.3（b）所示。</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Ki和τi，已選τi=TL，Ki的確定取決與所需的</p><p>　　ωci和動態(tài)性能指標。因本設(shè)計要求跟隨性能好，超調(diào)量小，固按二階“最佳”系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)，取</p&g

89、t;<p>　　或 (3.14)</p><p><b>　　因此</b></p><p><b>　　(3.15)</b></p><p><b>　　得</b></p><p><b>　　(3.

90、16)</b></p><p>　　3.1.3 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖入圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3 校正成典Ⅰ系統(tǒng)的電流環(huán)</p><p>　　圖3.4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　首先畫出其輸入等

91、效電路如圖3.5所示，圖中A點為虛地點，可以認為它與電容Coi的接地端連在一起。</p><p>　　圖3.5 含濾波環(huán)節(jié)的輸入等效電路</p><p>　　由圖3.5可得流入A點的電流ia的拉氏變換表達式為</p><p><b>　　(3.17)</b></p><p><b>　　式中 </b>

92、;</p><p><b>　　(3.18)</b></p><p>　　為電流濾波時間常數(shù)。</p><p>　　于是圖3.4中虛地點A的電流平衡方程式為</p><p><b>　　(3.19)</b></p><p>　　式中 Ki=Ri/R0,Ti=RiCi。<

93、/p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計</p><p>　　3.2.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)是系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，被包圍在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)。由圖3.3可得按典Ⅰ系統(tǒng)設(shè)計的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>

94、　　(3.20)</b></p><p>　　由于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率ωcn低于電流環(huán)的截止頻率ωci，即ωcn<<ωci，因此，設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)時可把電流環(huán)看成一個小慣性環(huán)節(jié)，WBi(s)可降階近似處理為</p><p><b>　　(3.21)</b></p><p>　　相應(yīng)的近似條件，轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率</p>

95、<p><b>　　(3.22)</b></p><p>　　這種近似的概念可用圖3.6的對數(shù)幅頻特性表示。對數(shù)幅頻特性漸近線入圖3.6中的特性A。近似為一階慣性環(huán)節(jié)后為特性B，當轉(zhuǎn)速環(huán)ωcn較低時，對于轉(zhuǎn)速環(huán)的頻率特性而言，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高頻段有些差異。</p><p>　　由于電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，其輸入應(yīng)為Ui,因此，電流環(huán)的近似等效環(huán)節(jié)應(yīng)為<

96、/p><p>　?。ó?時） </p><p><b>　　(3.23)</b></p><p>　　圖3.6 電流環(huán)原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性</p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　將電流環(huán)用等效傳遞函數(shù)代替后，整個轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3

97、.7（a）所示，且可用前述方法將其簡化成圖3.7（b）。其中</p><p><b>　　(3.24)</b></p><p>　　顯然，轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象由一個積分環(huán)節(jié)和一個小慣性環(huán)節(jié)組成。一方面由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的被控對象在擾動作用點之前已有了一個積分環(huán)節(jié)，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié)；另一方面由于轉(zhuǎn)速環(huán)的主擾動是作用于被控對象積分環(huán)節(jié)前的

98、經(jīng)常性的負載擾動，要求轉(zhuǎn)速環(huán)具有較好的抗擾性能。因此，毫無疑問應(yīng)將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)。</p><p>　　要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典Ⅱ系統(tǒng)，應(yīng)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.25)</b></p><p>　　式中 Kn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　τn——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前

99、時間常數(shù)。</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(3.26)</b></p><p>　　式中轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)放大系數(shù)為</p><p><b>　　(3.27)</b></p><p>　　不考慮負載擾動時，校正后調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于圖3

100、.7(c)中。</p><p>　　圖3.7 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理</p><p>　　3.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇</p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)KN和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)Kn和τn的確定處決與調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能指標要求和采用哪種參數(shù)選擇準則。根據(jù)前面的條件，應(yīng)用Mrmin準則選擇參數(shù)，則</p><p><b>

101、;　　(3.28)</b></p><p><b>　　(3.29)</b></p><p><b>　　(3.30)</b></p><p>　　其中，中頻寬h的大小由系數(shù)對動態(tài)性能指標的要求來決定。若無特殊要求，一般取h=5。</p><p>　　3.2.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和限幅工作狀

102、態(tài)及退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算</p><p>　　若將退飽和過程與負載擾動過程加以比較，則不難發(fā)現(xiàn)它們的變化規(guī)律是相同的，因而可找到一條計算退飽和超調(diào)量的捷徑，那就是用抗擾性能指標來計算退飽和超調(diào)量。</p><p>　　當ASR采用PI調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖入圖3.8（a）。由于我們感性趣的只是穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速以上的超調(diào)部分，所以只考慮實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值</p><

103、p>　　△n=n-ns相應(yīng)地轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變成圖3.8（b）。初始調(diào)件則轉(zhuǎn)化為</p><p><b>　　(3.31)</b></p><p>　　在這里轉(zhuǎn)速超調(diào)量的基準值是ns,在，在抗擾指標中，△C的基準是</p><p><b>　　(3.32)</b></p><p><b

104、>　　對比前面的條件可知</b></p><p>　　， </p><p><b>　　(3.33)</b></p><p>　　圖3.8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　所以動態(tài)升速△n的基準值為</p><p><

105、b>　　(3.34)</b></p><p>　　已知開環(huán)機械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　　(3.35)</b></p><p><b>　　則基準又可以表示為</b></p><p><b>　　(3.36)</b></p>

106、<p>　　于是經(jīng)過基準值換算后，可得退飽和超調(diào)量為</p><p><b>　　(3.37)</b></p><p>　　上述分析表明，ASR的飽和非線性，使轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量的具體數(shù)值與轉(zhuǎn)速環(huán)的兩個時間常數(shù)的比值 TΣn/Tm，開環(huán)機械特性的斜率，最大電流Idm，負載大小有關(guān)，特別是與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速△nmax與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無關(guān)，不會因ns的不同而變化，但是退飽和

107、超調(diào)量δ%卻與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關(guān)，ns=nN與ns=0.2nN時的退飽和超調(diào)量大不相同。</p><p>　　綜上所述，可得如下結(jié)論：</p><p>　　退飽和超調(diào)量的大小與動態(tài)降速的大小是一致的。也就是說，考慮ASR的飽和和非線性后，調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性能與抗擾性能并不矛盾，而是一致的。</p><p>　　3.2.5 轉(zhuǎn)速環(huán)的并聯(lián)微分校正——轉(zhuǎn)速微分負反饋的引入<

108、/p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計方便的優(yōu)點，是一種應(yīng)用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)。然而，其動態(tài)性能的不足之處是轉(zhuǎn)速必然超調(diào)，抗擾性能的提高受到一定限制。為了增強轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾性能，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)甚至消滅轉(zhuǎn)速超調(diào)，以及消除可逆調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的“停車反調(diào)”現(xiàn)象，有必要在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負反饋。可以證明，采用帶微分負反饋的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上符合現(xiàn)代控制理論中的“全狀態(tài)反饋的最

109、優(yōu)控制”，因而可以獲得實際可行的最優(yōu)動態(tài)性能。</p><p>　　3.2.5.1 帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)</p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負反饋，給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3.9所示。其中Cdn的作用主要是對轉(zhuǎn)速信號進行微分，稱作微分電容，而Rdn的主要作用是濾去微分后帶來的高頻嘈聲，稱之為濾波電阻。為了分析帶微分負反饋轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動態(tài)結(jié)構(gòu)，首先必須求出這種

110、調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。微分反饋支路電流的拉氏變換式為</p><p><b>　　(3.38)</b></p><p>　　因此，圖2.9虛地點A的電流平衡方程為</p><p><b>　　(3.39)</b></p><p>　　圖3.9 帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><

111、p><b>　　整理后德</b></p><p><b>　　(3.40)</b></p><p>　　式中 ——轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)；</p><p>　　——轉(zhuǎn)速微分濾波時間常數(shù)。</p><p>　　3.2.5.2 帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理及退飽和時間和轉(zhuǎn)速的計算<

112、/p><p>　　帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別僅在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增加了電容Cdn和電阻Rdn，即在轉(zhuǎn)速反饋的基礎(chǔ)上疊加了一個轉(zhuǎn)速微分負反饋信號。在轉(zhuǎn)速變化過程中，兩個信號一起與給定信號Un相抵，將比普通雙環(huán)系統(tǒng)更早一些達到平衡并開始退飽和。由圖3.10可見，普通雙閉環(huán)系統(tǒng)的退飽和點是O，,現(xiàn)在提前到T點，T點對應(yīng)的轉(zhuǎn)速nt比ns低，因而有可能在進入線性閉環(huán)系統(tǒng)工作之后沒有超調(diào)就趨于穩(wěn)定，如圖3

113、.10中曲線②所示。下面計算其退飽和后，系統(tǒng)的動態(tài)性能取決于轉(zhuǎn)速環(huán)進入線性狀態(tài)后的過度過程，其初始條件就是退飽和點（圖3.10中T點）的轉(zhuǎn)速和電流。T點的電流仍是Idm，其轉(zhuǎn)速nt則要通過退飽和時間tt來計算。</p><p>　　當t≤tt時，ASR仍飽和，Id=Idm，轉(zhuǎn)速線性增長。若將小時間常數(shù)TΣn的影響近似看成是轉(zhuǎn)速開始升高時的純滯后作用，此后便不再影響轉(zhuǎn)速的增長率，入圖3.10中的折線O—TΣn—T所

114、示，則轉(zhuǎn)速上升過程可用下式描述</p><p><b>　　(3.41)</b></p><p>　　圖3.10 轉(zhuǎn)速微分負反饋對啟動過程的影響</p><p>　?、佟胀p閉環(huán)曲線；②—帶微分負反饋的曲線</p><p>　　當t=tt時，ASR開始退飽和，其輸入信號△Un=0,由圖3.10可得</p>