轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真研究畢業(yè)論文.

1、1 引言1.1 研究背景 直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中開展較早的技術。隨著交流調速的迅速開展，交流調速技術越趨成熟，以及交流電動機的經濟性和易維護性，使交流調速廣泛受到用戶的歡送。但是直流電動機調速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反響控制理論根底上的直流調速原理也是交流調速控制的根底。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是目前直流調速系統(tǒng)中的主要設備，具有調速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，廣泛應用于各個工程領域，在拖動領域中發(fā)揮著極其重要的作用1。 對于那些在實際調試過程中存在很大風險或實驗費用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對設計好的系統(tǒng)直接進行實驗。然而沒有經過實驗研究是不能將設計好的系

2、統(tǒng)直接放到生產實際中去的。因此就必須對其進行模擬實驗研究。當然有些情況下可以構造一套物理裝置進行實驗，但這種方法十分費時而且費用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的。近年來隨著計算機的迅速開展，采用計算機對控制系統(tǒng)進行數(shù)學仿真的方法已被人們采納。 但是長期以來，仿真領域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產生了各種仿真算法和仿真軟件2。由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結果的分析也必須依賴有關專家，而對決策者缺乏直接的指導，這樣就大大阻礙了

3、仿真技術的推廣應用。MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具simulink，那么是眾多仿真軟件中最強大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術中的問題。在simulink中，對系統(tǒng)進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結果進行分析和可視化3。 simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實的非線性問題的模型，如現(xiàn)實世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，可以是機械的、電子的等現(xiàn)實存在

4、的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真4。 自70年代以來，國內外在電氣傳動領域內，大量地采用了“晶閘管直流電動機調速技術(簡稱VM調速系統(tǒng))。盡管當今功率半導體變流技術已有了突飛猛進的開展，但在工業(yè)生產中VM系統(tǒng)的應用量還是占有相當?shù)谋戎?。在工程設計與理論學習過程中，會接觸到大量關于調速控制系統(tǒng)的分析、綜合與設計問題。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產

5、技術的開展，對電氣傳動在啟制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調速系統(tǒng)。由于直流電機的調速性能和轉矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調速系統(tǒng)。它的開展過程是這樣的：由最早的旋轉變流機組控制開展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現(xiàn)直流調速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經濟性不斷提高。調速性能的不斷提高，使直流調速系統(tǒng)的應用非常廣泛5。1.2 課題研究的目的和意義直流電動機具有良好的起制動性能，易于在廣泛范圍內平滑調速，在需

6、要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反響閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的根底，所以首先應該掌握好直流系統(tǒng)。從生產機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)，位置隨動系統(tǒng)，張力控制系統(tǒng)，多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型，而各種系統(tǒng)往往都通過控制轉速來實現(xiàn)的，因而調速系統(tǒng)是最根本的拖動控制系統(tǒng)。直流調速的電樞和勵磁不是耦合的，是分開的，對電樞電流和勵磁電流能夠做到精確控制；而交流調速，電樞電流和勵磁電流是耦合的，是無法做到精確控制的。因此在軋機、造紙等對力矩要求很高行業(yè)，直流調速還是具有廣泛性直流調速器具有動態(tài)響應

7、快、抗干擾能力強優(yōu)點。我們知道采用轉速負反響和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反響控制規(guī)律，電流負反響就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反響，而不能讓它和轉速負反響同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反響，不讓電流負反響發(fā)揮作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熱，從控制技術的角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的根底，因此，直流調速系統(tǒng)的應用研究有實際意義6。在工程實踐中，

8、有許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節(jié)并且要求有良好的靜、動態(tài)性能。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制性能，盡管它不如交流電動機那樣結構簡單、價格廉價、制造方便、維護容易，但長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。由于全數(shù)字直流調速系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式7。1.3 論文的主要內容本課題以直流電動機為對象，用工程設計方法設計直流電動機轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，基于直流電動機的根本方程給出動態(tài)結構圖，建立雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并應用MATLAB進行仿真，對仿真結果分析、研究，驗證控制方案的合理性。主要完成如下工作：(1) 數(shù)學模型的建立認真學

9、習相關資料，根據(jù)直流電動機根本方程，建立雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的數(shù)學模型并給出動態(tài)結構框圖。(2) 系統(tǒng)方案設計通過國內外中英文資料介紹，了解直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的最正確工程設計方法，并進行調速系統(tǒng)的設計。(3) 仿真的進行和結果的分析與探究深入學習和掌握MATLAB下的simulink系統(tǒng)模型的搭建方法，進行模型搭建和仿真，對結果進行分析與探究。2 直流電動機直流電動機構造較復雜，價格也比交流電動機昂貴，維護維修也比較困難。近年來，由于變頻調速技術的開展，在中小功率的電動機調速領域中，交流電動機正取代直流電電動機。盡管如此，由于直流電動機具有轉速穩(wěn)定、便于大范圍平滑調速、起動轉矩較大等優(yōu)點。因此

10、廣泛應用于要求進行平滑、穩(wěn)定、大范圍的調速或需頻繁正、反轉和啟、停，多單元同步協(xié)調運轉的生產機械等8。2.1 直流電機的工作原理圖2.1表示是一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定局部(定子)上，裝設了一對用直流勵磁的主磁極N和S，在旋轉局部(轉子)上裝設電樞鐵心。定子與轉子之間有一氣隙。電樞鐵心上裝置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別接到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片,換向片之間互相絕緣。由換向片構成的整體稱為換向器，固定在轉軸上。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1 和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。 圖2.1 最簡單的兩極直流電機模型

11、 如果將直流電壓直接加到線圈AX上，導體中就有直流電流通過。設導體中的電流為，載流導體在磁場中將受到電磁力的作用，線圈上的電磁轉為： 2-1式中，Da為電樞的外徑。由于電流為恒定，一周中磁通密度的方向為一正一負，因此電磁轉矩將是交變的，無法使電樞持續(xù)旋轉。然而在直流電動機中，外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷B1、B2和換向器再加到線圈上，這樣情況就不同了。因為電刷B1 和B2靜止不動，電流總是從正極性電刷B1 流入，經過處于N極下的導體，再經處于S極下的導體，由負極性電刷B2流出；故當導體輪流交替地處于N極和S極下時，導體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉矩的

12、方向始終保持不變，并使電動機持續(xù)旋轉。此時換向器起到將外電路的直流，改變?yōu)榫€圈內的交流的“逆變作用。這就是直流電動機的工作原理9。2.2 直流電動機的運行特性直流電動機的運行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機械特性，即轉速-轉矩特性。分析說明，運行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面主要對并勵電動機的運行特性加以研究。工作特性是指電動機的端電壓，勵磁電流時，電動機的轉速n、電磁轉矩和效率與輸出功率的關系，即n，。由于實際運行中較易測得，且隨的增大而增大，故也可把工作特性表示為n，。上述條件中，為額定勵磁電流，即輸出功率到達額定功率、轉速到達額定轉速時的勵磁電流。先看轉速特性。從電動勢公

13、式和電壓方程可知 2-2 上式通常稱為電動機的轉速公式。此式表示，在端電壓U、勵磁電流均為常值的條件下，影響并勵電動機轉速的因素有兩個：一是電樞電阻壓降；二是電樞反響。當電動機的負載增加時，電樞電流增大，使電動機的轉速趨于下降；電樞反響有去磁作用時，那么使轉速趨于上升；這兩個因素的影響局部地互相抵消，使并勵電動機的轉速變化很小。實用上，為保證并勵電動機的穩(wěn)定運行，常使它具有稍微下降的轉速特性10。并勵電動機在運行中，勵磁繞組絕對不能斷開。假設勵磁繞組斷開，=0，主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。此時假設負載為輕載，那么電動機的轉速迅速上升，造成“飛車；假設負載為重載，所產生的電磁

14、轉矩克服不了負載轉矩，那么電動機可能停轉，使電樞電流增大到起動電流，引起繞組過熱而將電機燒毀。這兩種情況都是危險的。機械特性是指，勵磁回路電阻=常值時，電動機的轉速與電磁轉矩的關系11。2.3 直流電機的調速方法直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調速。這種方法簡單易行、設備制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調速性能。該法只適用在一些小功率且調速范圍要求不大的場合12。30年代末期，發(fā)電機-電動機系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調速性能優(yōu)異的直流電動機得到廣泛應用。這種控制方法可獲得較寬的

15、調速范圍、較小的轉速變化率和平滑的調速性能。但此方法的主要缺點是系統(tǒng)重量大、占地多、效率低及維修困難。近年來，隨著電力電子技術的迅速開展，由晶閘管變流器供電的直流電動機調速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機-電動機調速系統(tǒng)，它的調速性能也遠遠地超過了發(fā)電機-電動機調速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術以及計算機技術的飛速開展，使直流電動機調速系統(tǒng)的精度、動態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術中IGBT等大功率器件的開展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調速系統(tǒng)。 （1） 改變電樞回路電阻調速 當負載一定時，隨著串入的外接電阻R的增大，電樞回路總電阻增大，電動機轉速就降低。 2改變電樞電壓調速 連續(xù)改變電樞

16、供電電壓，可以使直流電動機在很寬的范圍內實現(xiàn)無級調速。（3） 采用晶閘管變流器供電的調速方法 變電樞電壓調速是直流電機調速系統(tǒng)中應用最廣的一種調速方法。 4采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法 5改變勵磁電流調速 當電樞電壓恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現(xiàn)調速。電動機的轉速與磁通也就是勵磁電流成反比，即當磁通減小時，轉速升高；反之，那么降低。由于電動機的轉矩是磁通和電樞電流的乘積，電樞電流不變時，隨著磁通的減小，其轉速升高，轉矩也會相應地減小13。2.4 轉速控制的要求和調速指標任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。例如，最高轉速與最低轉速之間的范圍，是有

17、級調速還是無級調速，在穩(wěn)態(tài)運行時允許轉速波動的大小，從正轉運行變到反轉運行的時間間隔，突加或突減負載時允許的轉速波動，運行停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調速系統(tǒng)轉速控制的要求有以下三個方面：1調速 在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地有級或平滑地無級調節(jié)轉速。2穩(wěn)速 以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量。（3） 加、減速 頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械那么要求起、制動盡量平穩(wěn)14。為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調速指標，叫做“調速范圍和“靜差率。這兩個指標合稱調速系統(tǒng)的

18、穩(wěn)態(tài)性能指標。1調速范圍生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即 2-3其中，和一般都指電動機額定負載時的最高和最低轉速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉速。2靜差率當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率s，即 2-4或用百分數(shù)表示 2-5 顯然，靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化時轉速的穩(wěn)定度的。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的，對于同樣

19、硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。由此可見，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調速過程中，假設額定速降相同，那么轉速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設計要求，那么高速時的靜差率就更能滿足要求了。因此，調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速進所能到達的數(shù)值為準。3直流變壓調速系統(tǒng)中調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系在直流電動機變壓調速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉速作為最高轉速，假設額定負載下的轉速降落為，那么按照上面分析的結果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即 2-6于是，最低轉速為 2-7而調速范圍為 2-8將上

20、面的式代入，得 2-9 式2-9表示變壓調速系統(tǒng)的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統(tǒng)，值一定，由式2-9可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小15。3 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)3.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)介紹直流電動機調速系統(tǒng)具有開環(huán)調速系統(tǒng)、單閉環(huán)調速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)和多閉環(huán)調速系統(tǒng)，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有控制容易、能在寬范圍內平滑調速和快速響應等特點，在直流調速系統(tǒng)中得到廣泛應用。許多生產機械，由于加工和運行的要求，使電動機經常處于起動、制動、反轉的過渡過程中，因此起動和制動過程的時間在很大程度上決定了生產機械的生產效率。

21、為縮短這一局部時間，僅采用PI調節(jié)器的轉速負反響單閉環(huán)調速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。采用轉速負反響和PI調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程。 我們希望能實現(xiàn)控制：1過程，只有電流負反響，沒有轉速負反響；2穩(wěn)態(tài)時，只有轉速負反響，沒有電流負反響。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反響分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反響和電流負反響。轉速、電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)

22、是應用最廣性能很好的直流調速系統(tǒng)16。3.1.1 轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反響分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反響和電流負反響。二者之間實行嵌套或稱串級聯(lián)接，如圖3.1所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖如圖3.2所示。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實

23、際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉速調節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓17。 圖3.1 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)其中： ASR轉速調節(jié)器 ACR電流調節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器 轉速給定電壓 轉速反響電壓 電流給定電壓 電流反響電壓 圖3.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACR

24、LMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE3.1.2 轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，必須先繪出它的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如圖3.3所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調節(jié)器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和輸出到達限幅值，不飽和輸出未到達限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零18。

25、 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE 圖 3.3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會到達飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 3-1 3-2由第一個關系式可得 3-3 從而得到圖3.4所示靜特性的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，從上述第二個關系式可知。這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉速調節(jié)器飽和這

26、時，ASR輸出到達限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 3-4其中，最大電流是由設計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。式(3-2)所描述的靜特性對應于圖3.4中的AB段，它是一條垂直的特性。這樣的下垂特性只適合于的情況，因為如果，那么，ASR將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉速負反響起主要調節(jié)作用。當負載電流到達時，對應于轉速調節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調節(jié)器起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調

27、節(jié)器分別形成內外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反響的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而，實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大。靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖3.4中的虛線?？傊?，雙閉環(huán)系統(tǒng)在突加給定信號的過渡過程中表現(xiàn)為恒值電流調節(jié)系統(tǒng)，在穩(wěn)定和接近穩(wěn)定運行中表現(xiàn)為無靜差調速系統(tǒng)，發(fā)揮了轉速和電流兩個調節(jié)器的作用，獲得了良好的靜、動態(tài)品質19。 n n C A B0 I I I 圖3.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性3.1.3 直流電動機模型假設電機補償良好，忽略電樞反響、渦流效應和磁滯的影響，并設勵磁電流恒定，得直流電機數(shù)學模型和運動方程分別為： 3-5 3-6 對上述兩

28、式進行拉普拉斯變換后，得到電動機的數(shù)學模型如圖3.5所示。其中為電樞回路電磁時間常數(shù)，為電機系統(tǒng)機電時間常數(shù)。 圖3.5 直流電動機數(shù)學模型3.1.4 晶閘管整流裝置的數(shù)學模型晶閘管觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管裝置的失控時間引起的，考慮到失控時間很小，忽略其高次項，那么其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)20。 3-7 3.1.5 系統(tǒng)動態(tài)結構在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的根底上，考慮雙閉環(huán)控制的結構，即可繪出雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如圖3.6所示。 圖3.6 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的

29、動態(tài)結構框圖如圖3.6所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。2動態(tài)抗擾性能分析一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 抗負載擾動由圖3.6可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉速調節(jié)器ASR來產生抗負載擾動的作用。在設計ASR時，應要注有較好的抗擾性能指標。 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調速系統(tǒng)也產生擾動作用。和都作用在被轉速負反響環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調節(jié)的差異。負載擾動能夠比較快地

30、反映到被調量n上，從而得到調節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調量稍遠，調節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一些。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反響得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反響回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。3轉速和電流兩個調節(jié)器的作用綜上所述，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下： 轉速調節(jié)器的作用：a 轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉速誤差，如果采用PI調節(jié)器，那么可實現(xiàn)無靜差。b

31、 對負載變化起抗擾作用。c 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。 電流調節(jié)器的作用：a 作為內環(huán)的調節(jié)器，在轉速外環(huán)的調節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓即外環(huán)調節(jié)器的輸出量變化。b 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。c 在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。這對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的21。3.1.6 啟動過程分析設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的動態(tài)過程示于圖3

32、.7。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。 圖3.7 轉速和電流的啟動動態(tài)過程曲線第階段：突加給定電壓后，上升，當小于負載電流時，電機還不能轉動。當后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流迅速上升。直到，=，=電流調節(jié)器很快就壓制了的增長，標志著這一階段的結束。第階段： 在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電壓給定下的電流調節(jié)系統(tǒng)，根本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長。

33、與此同時，電機的反電動勢E也按線性增長，對電流調節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動，和也必須根本上按線性增長，才能保持恒定。當ACR采用PI調節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。第階段：當轉速上升到給定值時，轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機仍在加速，使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉速就繼續(xù)上升。直到=時，轉矩，那么=0，轉速n才到達峰值(t=t3時)。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在

34、一小段時間內(t3t4)，直到穩(wěn)定22。3.2 電流調節(jié)器與轉速調節(jié)器的設計3.2.1 電流調節(jié)器的設計1電流環(huán)結構框圖的化簡在按動態(tài)性能設計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE0。這時，電流環(huán)如圖3.8所示。 圖3.8 電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡忽略反電動勢的動態(tài)影響 忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是： 3-8式中 電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率如果把給定濾波和反響濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成 ，那么電流環(huán)便等效成單位負反響系統(tǒng)。 圖3.9 電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡等效成單位負反響系統(tǒng) 最后，由于和 一般都比小得多,可以當作小慣性群而近似地看作是一

35、個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為: 3-9簡化的近似條件為: 3-10電流環(huán)結構圖最終簡化成圖3.10 圖3.10 電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡小慣性環(huán)節(jié)的近似處理2電流調節(jié)器結構的選擇首先考慮應把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動態(tài)要求看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，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只是次要的因素，為此，電流環(huán)應以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型的電流調節(jié)器。其傳遞函數(shù)可以寫成: 3-11 式中K電流調節(jié)器的比例系數(shù)； 電流

36、調節(jié)器的超前時間常數(shù)。為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇 3-12那么電流環(huán)的動態(tài)結構框圖便成為圖3.11所示的典型形式。 圖3.11 校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結構框圖其中 3-133電流調節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反響濾波的模擬式PI型電流調節(jié)器原理圖如圖3.12所示。圖中為電流給定電壓，為電流負反響電壓，調節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。 圖3.12 含給定濾波與反響濾波的PI型電流調節(jié)器根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易地導出 3-14 3-15 3-163.2.2 轉速調節(jié)器的設計1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它

37、的閉環(huán)傳遞函數(shù)。 3-17忽略高次項，可降階近似為： 3-18近似條件式為： 3-19式中，轉速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為： 3-20 這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就說明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)(內環(huán))控制的一個重要功能。2轉速調節(jié)器結構的選擇用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3.6中的電流環(huán)后，整個轉速控制系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖3.13所示: 圖3.13 用等效環(huán)代替電流環(huán) 和電流環(huán)中一樣，把轉速給定濾波的反響濾波

38、環(huán)節(jié)移到環(huán)內，同時將給定信號改成，再把時間常數(shù)為和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 3-21 圖3.14 等效成單位負反響和小慣性的近似處理為了實現(xiàn)轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉速調節(jié)器ASR中。現(xiàn)在擾動作用點后面已經有一個積分環(huán)節(jié)，因轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。至于其階躍響應超調量較大，那是線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉速調節(jié)器的飽和非線性性質會使超調量大大降低。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 3-22式中 轉速調節(jié)器的

39、比例系數(shù) 轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù) 圖3.15 校正后成為典型系統(tǒng)這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 3-23令轉速環(huán)開環(huán)增益為： 3-24那么 3-25上述結果所需服從的近似條件歸納如下： 3-26 3-273轉速調節(jié)器的參數(shù)計算 在典型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，時間常數(shù)是控制對象固定的，待定的參數(shù)有和。為 了分析方便，引入一個新的變量，令 3-28 圖3.16 典型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和中頻寬 由圖可見，是斜率為的中頻段的寬度，稱作中頻寬。由于中頻段的狀態(tài)對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質器決定性的作用，因此是一個很重要的參數(shù)。在一般情況下，點處在 因此 3-29在工程設計中，如果兩個參數(shù)都任意選擇，工作量

40、顯然很大，為此采用“振蕩指標法中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準那么，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最正確配合。這一準那么說明，對于一定的值，只有一個確定的可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值，這時和，之間的關系是： 3-30 3-31以上兩式稱作準那么的“最正確頻比，因而有 3-32 3-33確定之后即可分別求得和?？傻?3-34由式4-12可知轉速環(huán)開環(huán)增益為： 3-35因此 3-36 至于中頻寬h應選擇多少，要看動態(tài)性能的要求決定，無特殊要求時，一般以選擇h=5為好。4轉速調節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反響濾波的PI型轉速調節(jié)器原理圖如圖3.17所示，圖中為轉速給定電壓，為轉速負反響電壓，調節(jié)器的輸出是電流調

41、節(jié)器的給定電壓23。 圖3.17 含給定濾波與反響濾波的PI型轉速調節(jié)器與電流調節(jié)器相似，轉速調節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關系為： 3-37 3-38 3-393.3 設計方案雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全控整流電路根本數(shù)據(jù)如下：直流電動機：220V，55A，1000r/min，Cemin/r，允許過載倍數(shù)=1.5；(1)晶閘管裝置放大系數(shù)=44；(3)時間常數(shù)：=0.03s；(4)機電時間常數(shù)：=0.075s；(5)調節(jié)器輸入電阻：=20k；(6)電流反響系數(shù):=0.121V/A ；(7)速反響系數(shù):min/r。設計指標：(1)靜態(tài)指標：無靜差；(2)動態(tài)指標：電流超調量5%，空載

42、起動到額定轉速時的轉速超調量24。3.3.1 電流環(huán)參數(shù)計算1確定時間常數(shù)1)整流裝置滯后時間常數(shù) 表3.1 不同形式整流電路的失控時間電路形式單相半波單相橋式三相半波三相橋式一周內脈動次數(shù)m1236失控時間105 2)電流濾波時間常數(shù):=0.002s三相橋式電路每個波頭是時間是3.3ms，為了根本濾平波頭，應有=3.33ms，因此取=2ms=0.002s電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理。s(Ts和一般都比小得多，可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))2選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求：5% ，無靜差，可按典型I型系統(tǒng)涉及電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調

43、節(jié)器，檢查對電源電壓的抗擾性能: 3-40典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。 表3.2 典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系 續(xù)表3.2 典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系55.5%33.2%18.5%12.9%3選擇電流調節(jié)器的參數(shù)ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求=0.5，有 3-41ACR的比例系數(shù): = 3-42 表3.3 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系參數(shù)關系阻尼比超調量01.5%4.3%9.5%16.3%上升時間峰值時間相角穩(wěn)定裕度截止頻率4校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:=1晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 3-43即 3-44滿足近似條件；2) 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： 3-45滿足近似條件；3)小時間常數(shù)近似處理條件： 3-46 即 3-47 滿足近似條件。5調節(jié)器電阻和電容 =20,那么 =20，取10