運(yùn) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 大 作 業(yè) 基于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的 不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 Design and Simulation of System Irreversible V-M DC Speed ControlBased on the Speed of Current Double Closed-loop 院（部）： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化2011級(jí)2班 學(xué)生姓名： 原加偉 學(xué)生學(xué)號(hào)： 201102010105 指導(dǎo)教師姓名： 雷 慧 杰 指導(dǎo)教師職稱(chēng)： 講 師 2014 年 12月目 錄摘要.引言.1第一章 緒論.2 1.1設(shè)計(jì)目的.2 1.2 設(shè)計(jì)要求.2第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案.3 2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).3 2.2 主電路設(shè)計(jì)方案.3 2.2.1 整流系統(tǒng)及其主要參數(shù)計(jì)算.3 2.3 控制電路方案設(shè)計(jì).4 2.3.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).5 2.3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì).9 2.3.3 觸發(fā)電路的設(shè)計(jì).9 2.3.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì).10第三章 參數(shù)計(jì)算和選型設(shè)計(jì).14 3.1 整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算.14 3.2 過(guò)電壓保護(hù)和du/dt和di/dt的限制.16 3.3 平波電抗器的參數(shù)計(jì)算.16 3.4 直流側(cè)保護(hù).16 3.5 交流側(cè)保護(hù).16第四章 系統(tǒng)仿真.18 4.1 電流環(huán)的仿真.18 4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真.19結(jié)果與結(jié)論.21收獲與體會(huì).21參考文獻(xiàn).22附錄.23 基于轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的不可逆V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真摘要：電力拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)換，而電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)也即運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電壓，電流和頻率等輸入量，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩，速度和位移等機(jī)械量，是各種工作機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。 我們現(xiàn)在要研究的是晶閘管整流器控制的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路設(shè)計(jì)是依據(jù)晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器和電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組等組成。整流變壓器和晶閘管整流調(diào)速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組提供三相交流電源，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 直流調(diào)速 I引 言隨著社會(huì)化大生產(chǎn)的不斷發(fā)展，電力傳動(dòng)裝置在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高，這就需要越來(lái)越多的生產(chǎn)機(jī)械能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)調(diào)速，因此我們就要對(duì)這樣的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 本次設(shè)計(jì)包括主電路和控制回路的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過(guò)分析直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖。同時(shí)，采用工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后將整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。遵從確定時(shí)間常數(shù)、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、校驗(yàn)近似條件的步驟一步一步的實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)。之后，再對(duì)系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，以了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。24第一章 緒論1.1設(shè)計(jì)目的雙閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋的分別作用，從而獲得良好的靜，動(dòng)態(tài)性能。其良好的動(dòng)態(tài)性能主要體現(xiàn)在其抗負(fù)載擾動(dòng)以及抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)之上。正由于雙閉環(huán)調(diào)速的眾多優(yōu)點(diǎn)，所以在此有必要對(duì)其最優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的探討和研究。本次課程設(shè)計(jì)目的就是旨在對(duì)雙閉環(huán)進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。1.2 設(shè)計(jì)要求具體設(shè)計(jì)要求如下：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，額定功率29.92kW，額定電壓220V，額定電流136A，額定轉(zhuǎn)速1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允許過(guò)載倍數(shù)l=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40，電樞回路總電阻R=1W，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18s，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.03s，電流反饋系b=0.05V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.007Vmin/r，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)T on=0.005s，T oi=0.005s，總飛輪力矩GD2=2.5N.m，h=5。1、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，調(diào)速范圍D=10，靜差率5%；2、動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i 5% ，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 10%；3、畫(huà)出完整詳細(xì)的系統(tǒng)原理圖；4、基于 MATLAB 7.5 ，仿真啟動(dòng)過(guò)程，分析是否滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱(chēng)為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速換包圍電流環(huán)，故稱(chēng)電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。在電路中，ASR和ACR串聯(lián)，即把ASR的輸出當(dāng)做ACR的輸入，再由ACR得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。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)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI調(diào)節(jié)器，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如圖1.1所示。電流檢測(cè)整流觸發(fā)裝置ASRACR負(fù)載電壓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)度檢測(cè) 圖2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.2 主電路設(shè)計(jì)方案2.2.1 整流系統(tǒng)及其主要參數(shù)計(jì)算三相全控橋整流電路是目前應(yīng)用最廣泛的整流電路，其輸出電壓波動(dòng)小，適合直流電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，并且該電路組成的調(diào)速裝置調(diào)節(jié)范圍廣（將近50）。把該電路應(yīng)用于本設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平滑地轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、電動(dòng)機(jī)不可逆運(yùn)行等技術(shù)要求。整理系統(tǒng)示意圖如下;圖2.2 V-M系統(tǒng)主電路示意圖圖2.2會(huì)出了晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)V-M系統(tǒng)）的原理圖，圖中VT是晶閘管整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器的平均輸出電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。本次設(shè)計(jì)采用三相全控橋整流電路，因此，整流電壓Ud為： 當(dāng)最大為1時(shí)，可得到最大整流電壓為電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue，因此：U2為整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。變壓器選擇，原邊相電壓為220V，副邊相電壓U2為94V。電動(dòng)機(jī)額定功率為30Kw，因此變壓器容量可選為50KV*A，聯(lián)結(jié)組別為Y/d-11。晶閘管承受最大反向電壓為U2，因此晶閘管的額定電壓為： U額=（2-3）94V=460-690V因此晶閘管可選額定電壓為500V。電動(dòng)機(jī)額定電流Ie為136A，因此晶閘管額定電流約為： 因此晶閘管的額定電流可選為200A。而晶閘管的觸發(fā)電壓一般為3V左右，因此，控制電壓Uc可選為5V。2.3控制電路方案設(shè)計(jì) 為了提高直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，并且降低靜差，只能減少負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降落。但是開(kāi)環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速降是由電機(jī)參數(shù)決定的，為此，我們引入了轉(zhuǎn)速反饋控制，有效解決了這一難題。而為了解決電動(dòng)機(jī)勻速起動(dòng)以及運(yùn)行故障過(guò)電流的問(wèn)題，我們適當(dāng)引入了電流負(fù)反饋。為了使轉(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。分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套連接。如圖所示，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(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器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里邊，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得較好的靜、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。系統(tǒng)示意圖如下：圖2.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)示意圖 基于轉(zhuǎn)速、電流直流調(diào)速系統(tǒng)，我們可以得出其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)中加入電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)，以減少檢測(cè)信號(hào)和給定信號(hào)的擾動(dòng)。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一屆慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需求來(lái)定。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 圖2.4 V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖注：電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.005s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.005s，電流反饋系b=0.05V/A，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.007Vmin/r。2.3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1.電流調(diào)節(jié)器的工作原理電流調(diào)節(jié)器也有兩個(gè)輸入信號(hào)。一個(gè)是速度調(diào)節(jié)器輸出反映偏差大小的主控信號(hào)Un，一個(gè)是由交流互感器測(cè)出的反映主回路電流反饋信號(hào)Uif，當(dāng)突加速度給定一個(gè)很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時(shí)電樞電流為最大值，從而電動(dòng)機(jī)在加速過(guò)程中始終保持在最大轉(zhuǎn)矩和最大加速度，使起、制動(dòng)過(guò)渡時(shí)間最短。圖2.4所示點(diǎn)劃線框內(nèi)是電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,其中反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)Ti=0.03s遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18s，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即E0。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就算說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流的近似結(jié)構(gòu)圖如圖5a。如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成Ui*/，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖5b所示。最后，由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似的看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為：則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終可以簡(jiǎn)化成如圖2.5所示。簡(jiǎn)化的近似條件是 圖2.5電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化 a）忽略反電動(dòng)勢(shì)動(dòng)態(tài)影響 b）等效單位負(fù)反饋 c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理 含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.6.圖中Ui*為電流給定電壓，-Id為電流負(fù)反饋電壓。調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變化器的控制電壓Uc。 根據(jù)運(yùn)算放大器的原理圖，可以容易的導(dǎo)出 圖2.6 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器2.電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先考慮把電流環(huán)校正成哪一類(lèi)典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2.6可以看出，采用型系統(tǒng)就夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。圖2.6的表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成： 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成圖中所示的典型形式，其中： 三相全控橋整流裝置的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s，三相全控橋整流電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms，因此電流濾波時(shí)間常數(shù)可取Toi=0.002s，電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti為：Ti=Ts+Toi=0.0037s根據(jù)要求，并按穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，因此采用PI調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.03s。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求i5%時(shí)，按表2-1，應(yīng)取KIT=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1于是，ACR的比例系數(shù)為： 3.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-11) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿(mǎn)足近似條件。2) 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿(mǎn)足近似條件。3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿(mǎn)足近似條件。4.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖2.6所示，按所用運(yùn)算放大器取R0=40K，各電阻和電容值為,取40k,取0.75F,取0.2F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%5%滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.3.2轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)此電路主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱(chēng)正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿(mǎn)足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖2.7所示。圖2.7轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖2.3.3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用三個(gè)kj004集成塊和一個(gè)kj041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大，就構(gòu)成了完整的三相全控橋觸發(fā)電路，其中kj041內(nèi)部是由內(nèi)部是由十二個(gè)二極管構(gòu)成的六個(gè)或門(mén)，其作用是講六路脈沖輸入轉(zhuǎn)為六路雙脈沖輸出以上觸發(fā)電路均為模擬量構(gòu)成，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，缺點(diǎn)是易受到電網(wǎng)電壓影響，觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱(chēng)度較高，可達(dá)34度在對(duì)精度要求高的大容量變流裝置中，越來(lái)越多的采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得較好的觸發(fā)脈沖對(duì)稱(chēng)度kj004集成電路部分與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，可分為同步，鋸齒波形成，移相，脈沖形成，脈沖分選及脈沖放大幾個(gè)環(huán)節(jié)，有一個(gè)kj004構(gòu)成，的觸發(fā)單元可輸出兩個(gè)香味間隔180度的觸發(fā)脈沖，其工作原理可參照鋸齒波同步的觸發(fā)電路形成進(jìn)行分析 向整流電路供電的交流測(cè)電源通常來(lái)自電網(wǎng)，電網(wǎng)電壓的頻率不是固定的，而是在允許的范圍內(nèi)有一定的波動(dòng)，觸發(fā)電路除了應(yīng)該保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應(yīng)該保證每個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定，正確的相位關(guān)系2.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.7所示。與電流環(huán)一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波同時(shí)等效地轉(zhuǎn)移到環(huán)前通道上，并將給定信號(hào)改成U n * /，再把時(shí)間常數(shù)為1/KI 和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似為一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén)n的慣性環(huán)節(jié)，其中 則轉(zhuǎn)速環(huán)可以簡(jiǎn)化為圖2.7。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，他應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，由于擾動(dòng)作用點(diǎn)后邊已有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)為型系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該設(shè)計(jì)為PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)就可以寫(xiě)為： 令開(kāi)環(huán)增益KN為： 則 不考慮擾動(dòng)時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.8。圖2.8轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其簡(jiǎn)化 a）用等效環(huán)節(jié)替代電流環(huán) b）等效為單位負(fù)反饋 c）校正為典型型系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括Kn和。按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系，應(yīng)該有可得到 因此 含給定濾波與反饋濾波的PI型調(diào)節(jié)器原理圖如圖2.9，圖中Un*為轉(zhuǎn)速給定電壓，-n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓Ui*。與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電阻電容值關(guān)系為 圖2.9含濾波環(huán)節(jié)的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)合設(shè)計(jì)要求給定的電動(dòng)機(jī)參數(shù)可計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)為1/KI，已取，則 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 1.計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 則可求出轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益 可求出ASR的比例系數(shù)為 2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 3.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為 （2-15）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為 （2-16）滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件。（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 （2-17）滿(mǎn)足近似條件。4.計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容取R0=40k則 ，取520k ，取0.1uF ，取0.5uF當(dāng)h=5時(shí)，按退飽和超調(diào)量的計(jì)算方法可得 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。第三章 參數(shù)計(jì)算和選型設(shè)計(jì)3.1 整流變壓器額定參數(shù)計(jì)算1. 的計(jì)算負(fù)載要求的整流電路輸出的最大值；晶閘管正向壓降，其數(shù)值為0.51.1V，通常取；A理想情況下時(shí)，整流輸出電壓與變壓器二次側(cè)相電壓之比；變壓器短路電壓比，100Kv以下的??；C線路接線方式系數(shù)；n主電路中電流回路晶閘管的個(gè)數(shù)；電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)，通常?。蛔钚】刂平?，通常不可逆?。蛔儔浩鞫蝹?cè)實(shí)際工作電流額定電流之比；已知（22010%左右），取、，查表得，取,查表得C0.5代入上式得：，應(yīng)用式，查表得，取，取，電壓比 2.一次和二次向電流和的計(jì)算 由式得 ，由表得 ，考慮勵(lì)磁電流和變壓器的變比K，根據(jù)以上兩式得：3.變壓器的容量計(jì)算晶閘管參數(shù)選擇由整流輸出電壓，進(jìn)線線電壓為110V，晶閘管承受的最大反向電壓是變壓器二次線電壓的電壓峰值，即：，晶閘管承受的最大正向電壓是線電壓的一半，即：?？紤]安全裕量，選擇電壓裕量為2倍關(guān)系，電流裕量為1.5倍關(guān)系，所以晶閘管的額定容量參數(shù)選擇為：3.2過(guò)電壓保護(hù)和du/dt和di/dt的限制 過(guò)電流保護(hù)和di/dt限制由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度就會(huì)急劇上升可能燒壞PN結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)路。晶閘管發(fā)生過(guò)電流的原因主要有：負(fù)載端過(guò)載或短路；某個(gè)晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過(guò)電流；觸發(fā)電路工作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過(guò)電流。晶閘管允許在短時(shí)間內(nèi)承受一定的過(guò)電流，所以過(guò)電流保護(hù)作用就在于當(dāng)過(guò)電流發(fā)生時(shí)，在允許的時(shí)間內(nèi)將過(guò)電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過(guò)電流的保護(hù)措施有下列幾種：快速熔斷器、硒堆保護(hù)等。對(duì)超過(guò)晶閘管正常工作是承受的最大峰值電壓的都算過(guò)電壓。產(chǎn)生過(guò)壓的原因是電路中電感元件聚集的能量驟然釋放或是外界侵入電路的大量電荷累積。按過(guò)壓保護(hù)的部位來(lái)分，有交流側(cè)保護(hù)，直流側(cè)保護(hù)和元件保護(hù)。元件保護(hù)主要是通過(guò)阻容吸收電路，阻容吸收電路的參數(shù)計(jì)算式根據(jù)變壓器鐵芯磁場(chǎng)釋放出來(lái)的能量轉(zhuǎn)化為電容器電場(chǎng)的能量存儲(chǔ)起來(lái)為依據(jù)的。由于電容兩端的電壓不能突變，就可以有效的抑制尖峰過(guò)電壓。為了解決能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中能消耗一部分能量和并且抑制LC回路的振蕩，采用了串阻措施。這些都是為了保護(hù)晶閘管而做的措施，都能夠有效的解決了運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題。3.3平波電抗器的參數(shù)計(jì)算整流系統(tǒng)輸出電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)，而脈動(dòng)的電流會(huì)增加電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，同時(shí)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)機(jī)械不利。此外還會(huì)影響系統(tǒng)的機(jī)械特性，因此實(shí)際應(yīng)用中為了避免電流脈動(dòng)需要設(shè)置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速連續(xù)輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來(lái)選擇，通常首先給定最小電流Idmin，在計(jì)算所需電抗。因此本次設(shè)計(jì)，單抗L取值為：，取15H即可。為了防止電路出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象，整流后部分應(yīng)添加阻容保護(hù)電路。電阻值可選10k，電容選擇10uF。3.4直流側(cè)保護(hù)直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)接線方式見(jiàn)圖3.1。直流側(cè)與交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)方法相同，元件選擇原則也相同。實(shí)際中采用壓敏電阻保護(hù)較為合理。圖3.1 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)線路3.5交流側(cè)保護(hù)在變壓器副邊并聯(lián)電容，短時(shí)間的過(guò)電壓讓電容中流過(guò)較大的充電電流，把拉閘時(shí)磁場(chǎng)釋放出的能量轉(zhuǎn)化為電容的電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)可以大大抑制過(guò)電壓C16Io%*s/U2/U2電容耐壓1.5UcR12.3U2*U2/S*Udi%/ Io%式中s-整流變壓器每相伏安數(shù) U2-變壓器副邊相電壓的有效值，單位V Io%-變壓器空載激磁電數(shù)百分?jǐn)?shù)。對(duì)于10560KVA的普通的三相變壓器，Io%=410，容量越大其值越小 Udi%變壓器短路電壓百分比數(shù)，上述變壓器的Udl%一般為56則：C1（0.01980.0495）uF 取0.05 uF R1(17963408) 取4500Uc11.5Uc 571V 取600VPr=(2f)* (2f)*K1*CR+K2C*U2*U2=537W 取600W熔斷器額定電流，Ik=150A Uk=350V取電容0.05PF.耐壓值600V三個(gè)，rsc-150A/350V熔斷器三個(gè)第四章 系統(tǒng)仿真4.1電流環(huán)的仿真電流環(huán)的仿真模型如圖4.1，其中晶閘管整流裝置輸出電流不可逆。在仿真模型中加入了一個(gè)飽和非線性模塊，將飽和上界和下界幅值設(shè)為10和-10.并將起動(dòng)時(shí)間和停止時(shí)間設(shè)為0.0s和0.05s。啟動(dòng)仿真過(guò)程，調(diào)整識(shí)破器顯示模塊，即可看到階躍響應(yīng)過(guò)程。圖4.2按設(shè)計(jì)參數(shù)仿真的曲線KT=0.5，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為；圖4.3按設(shè)計(jì)參數(shù)仿真的曲線KT=0.25，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為；圖4.2按設(shè)計(jì)參數(shù)仿真的曲線KT=1.0，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為。對(duì)比三個(gè)圖可以看出，在直流電動(dòng)機(jī)恒流升速階段，電流值低于IN=204A，其原因是電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)受到電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)，因此系統(tǒng)做不到無(wú)靜差。圖4.1 電流環(huán)的仿真模型圖4.2 KT=0.5電流環(huán)仿真曲線圖4.3 KT=0.25電流環(huán)仿真曲線 圖4.4 KT=1.0電流環(huán)仿真曲線4.2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖如圖4.5所示。Step1模塊是用來(lái)輸入負(fù)載電流的。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)后，傳遞函數(shù)為。同樣，將輸入模塊階躍值設(shè)為10。反正后，得到轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖4.2所示，最終穩(wěn)定于給定轉(zhuǎn)速。圖4.5 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖圖4.6 轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速時(shí)的起動(dòng)波形圖如果把負(fù)載電流設(shè)置為136，滿(mǎn)載起動(dòng)，其轉(zhuǎn)速與電流響應(yīng)曲線如圖4.3所示，起動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，退飽和超調(diào)量減少。圖4.7 轉(zhuǎn)速環(huán)滿(mǎn)載高速起動(dòng)波形圖結(jié)果與結(jié)論從仿真的結(jié)果來(lái)看，得到這樣結(jié)論，按照KT=0.5進(jìn)行調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置，最終電流響應(yīng)曲線的超調(diào)量比按照KT=0.25要大很多，分析原因后可得知：電流環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算時(shí)并未考慮到電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)過(guò)大的影響，造成控制信號(hào)延時(shí)較大，另外，工程設(shè)計(jì)方法在推導(dǎo)過(guò)程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算做了許多近似的處理, 而這些簡(jiǎn)化處理必須在一定的條件下才能成立。因此，電流響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生了較大的超調(diào)量。所以，應(yīng)當(dāng)按照KT=0.25來(lái)計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)。經(jīng)過(guò)再次計(jì)算后，Ki取0.5067s-1，取0.06s。電流調(diào)節(jié)器的電阻、電容分別為Ri20k，Ci1.5F，Coi0.2F。對(duì)應(yīng)的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器取0.0148s，Kn取值為10.3 s-1。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電阻、電容分別取值為：Rn412k，Cn2.5F，Con0.5F。仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果也并不是和系統(tǒng)實(shí)際的調(diào)試結(jié)果完全相同, 因?yàn)榉抡鎸?shí)驗(yàn)在辨識(shí)過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生模型參數(shù)的測(cè)量誤差, 而且在建立模型過(guò)程中為了簡(jiǎn)化計(jì)算, 忽略了許多環(huán)節(jié)的非線性因素和次要因素。此外，從仿真波形來(lái)看，起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流迅速達(dá)到恒定值，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)；轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值時(shí)，電流迅速降低，保持在較低值。當(dāng)加入負(fù)載后轉(zhuǎn)速波動(dòng)較小，迅速回歸到給定值，電流小幅度上升后保持恒定，達(dá)到了雙閉環(huán)控制的預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)控制的目的。收獲與體會(huì)通過(guò)本次大作業(yè)，首先對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，并也熟練地學(xué)會(huì)了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）和電流調(diào)節(jié)器(ACR)參數(shù)的選擇和計(jì)算，也掌握餓MATLAB的使用，同時(shí)在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。學(xué)會(huì)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的一次很好的應(yīng)用到實(shí)際中。經(jīng)過(guò)了大概一周的努力終于完成了大作業(yè)，通過(guò)這次大作業(yè)讓我認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)控制不僅僅是有在學(xué)書(shū)本知識(shí)就能學(xué)到其精髓的，也有在只有理論聯(lián)系實(shí)際不斷的在生活中實(shí)踐才能認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)控制的本質(zhì)原理，同時(shí)在這次試驗(yàn)中讓我認(rèn)識(shí)到了自己的計(jì)算能力的不足、MATLAB的仿真、運(yùn)動(dòng)控制課本知識(shí)不牢固等，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和整體系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算，這些都讓我感到了深深的不足。在此我要感謝所有給過(guò)我?guī)椭睦蠋熀臀业耐瑢W(xué)，沒(méi)有他們我也許還會(huì)在黑暗中摸索好長(zhǎng)時(shí)間。在這次運(yùn)動(dòng)控制大作業(yè)中學(xué)到了很多東西，受益匪淺。參考文獻(xiàn)1阮毅.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) M. 北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2009.2王兆安.黃進(jìn).電力電子技術(shù)(第四版)M.北京，機(jī)械工業(yè)出版社.2005年.104234.3陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第三版)M，北京，機(jī)械工業(yè)出版社.2005年.54-98.4魏克新.MATLAB語(yǔ)言與自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.北京，機(jī)械工業(yè)出版社.2007年.855.5羅飛.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M，北京，化學(xué)工業(yè)出版社.2010年.179.6李海發(fā)，王巖編著.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)M.清華大學(xué)出版社.2008年.10100.7顧繩谷著. 電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)M 北京，機(jī)械工業(yè)出版社. 2009年 .23127.8周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.北京，中國(guó)電力出版社，2004.附錄：V-M雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電氣原理總圖