雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計實例

1、雙閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計實例摘要：本文介紹了基于工程設(shè)計對直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)直流調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，利用晶閘管、二極管等器件設(shè)計了一個轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流晶閘管調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測環(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作用穩(wěn)定電流，后者通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏差，從而使系統(tǒng)達到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。 1.引言調(diào)速系統(tǒng)是當今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機械大多采用直流傳動，簡稱為直流調(diào)速。早在20世紀40年代采用的是發(fā)電機電動機系統(tǒng)，又稱放大機控制的

2、發(fā)電機電動機組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點是占地大，效率低，運行費用昂貴，維護不方便等，特別是至少要包含兩臺與被調(diào)速電機容量相同的電機。為了克服這些缺點，50年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。50年代末晶閘管出現(xiàn)，晶閘管變流技術(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國。近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過最近研制成功的直流調(diào)速器，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)

3、定性、高可靠性、高智能化特點。同時直流電機的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于運行性能要求很高的機床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)特性都很理想。2.設(shè)計內(nèi)容2.1設(shè)計思路：帶轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)，由于它能夠隨著負載的變化而相應(yīng)的改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化，所以相對開環(huán)系統(tǒng)它能夠有效的減少穩(wěn)態(tài)速降。當反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)使用帶比例放大器時，它依靠被調(diào)量的偏差進行控制的，因此是有靜差率的調(diào)速系統(tǒng)，而比例積分控制器可使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。對電機啟動的沖擊電

4、流以及電機堵轉(zhuǎn)時的堵轉(zhuǎn)電流，可以用附帶電流截止負反饋作限流保護，但這并不能控制電流的動態(tài)波形。按反饋的控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該基本量基本不變，采用電流負反饋就應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。另外，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)器的參數(shù)調(diào)速。例如，在帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)中，同一調(diào)節(jié)器擔負著正常負載時的速度調(diào)節(jié)和過載時的電流調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程均具有良好的動態(tài)品質(zhì)。按照電機理想運行特性，應(yīng)該在啟動過程中只有電流負反饋，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速反饋，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性就在于當負載電流小于

5、最大電流時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要作用，當電流達到最大值時，電流負反饋起主要作用，得到電流的自動保護。2.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成：a. 系統(tǒng)電路原理圖圖2-1為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對就電機的最大電流；電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角。b. 系

6、統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-2為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，由于電流檢測信號中常含有交流分量，須加低通濾波，其濾波時間常數(shù)Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來了延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其作用是：讓給定信號和反饋信號經(jīng)過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O(shè)計上的方便。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有電機的換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道中也配上時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。2.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點一般來說，我們總希望

7、在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應(yīng)快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)1。這種理想的起動過程如圖2.3所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關(guān)鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負反饋。因此采用電流負反饋控制過程，起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負反饋；穩(wěn)定運行過程中，要求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應(yīng)以轉(zhuǎn)速負反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。即為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點。0nnt 圖2.3理想啟動過程3. 方案實

8、施3.1轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖3.1所示。 圖3.1 轉(zhuǎn)速給定電路原理圖3.2轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖3.2所示。 圖3.2 轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖3.3電流檢測

9、電路設(shè)計電流檢測電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號，經(jīng)過濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖3.3所示。 圖3.3 電流檢測電路原理圖4 主電路保護電路設(shè)計電力半導(dǎo)體元件雖有許多突出的優(yōu)點，但承受過電流和過電壓的性能都比一般電氣設(shè)備脆弱的多，短時間的過電流和過電壓都會使元件損壞，從而導(dǎo)致變流裝置的故障。因此除了在選擇元件的容量外，還必須有完善的保護裝置。41過電壓保護設(shè)計晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態(tài)重復(fù)峰值值電壓一定值時，就會誤導(dǎo)通，引發(fā)電

10、路故障；當外加的反向電壓超過其反向重復(fù)峰值電壓一定值時，晶閘管將會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產(chǎn)生原因及抑制過電壓的方法。過電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電壓功率或系統(tǒng)的儲能發(fā)生了激烈的變化，使得系統(tǒng)來不及轉(zhuǎn)換，或者系統(tǒng)中原來積聚的電磁能量不能及時消散而造成的。本設(shè)計采用如右圖4.3阻容吸收回路來抑制過電壓。通過經(jīng)驗公式 圖4.1 阻容吸收回路得： 由于一個周期晶閘管充放電各一次，因此 功率選擇留56倍裕量 因此，電阻R選擇 阻值為,功率選擇1W的電阻。電容C選擇 容量為的電容。42過電流保護設(shè)計過電流保護措施有下面幾種，可以根據(jù)需要選擇其中一種或數(shù)種。（1）在交流進線中串接電抗器或采用漏抗較

11、大的變壓器，這些措施可以限制短路短路電流。（2）在交流側(cè)設(shè)置電流檢測裝置，利用過電壓信號去控制觸發(fā)器，使脈沖快速后移或?qū)γ}沖進行封鎖。（3）交流側(cè)經(jīng)電流互感器接入過電流繼電器或直流側(cè)接入過電流繼電器，可以在發(fā)生過電流時動作，斷開主電路。（4）對于大容量和中等容量的設(shè)備以及經(jīng)常逆變的情況，可以用直流快速開關(guān)進行過載或短路保護。直流開關(guān)的應(yīng)根據(jù)下列條件選擇： 快速開關(guān)的額定電流額定整流電流。 快速開關(guān)的額定電壓額定整流電壓。 快速開關(guān)的分斷能力直流側(cè)外部短路時穩(wěn)態(tài)短路電流平均電流平均值。快速開關(guān)的動作電流按電動機最大過載電流整定 式中，K為電動機最大過載倍數(shù)，一般不大于2.7；為直流電動機的額定電

12、流。（5） 快速熔斷器它可以安裝在交流側(cè)或直流側(cè)，在直流側(cè)與元件直接串聯(lián)。在選擇時應(yīng)注意以下問題： 快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓的有效值。 熔斷器的額定電流應(yīng)大于溶體的額定電流。 溶體的額定電流可按下式計算 1三相交流電路的一次側(cè)過電流保護在本設(shè)計中，選用快速熔斷器與電流互感器配合進行三相交流電路的一次側(cè)過電流保護，保護原理圖4.2如下：圖4.2 一次側(cè)過電流保護電路（1）熔斷器額定電壓選擇：其額定電壓應(yīng)大于或等于線路的工作電壓。本課題設(shè)計中變壓器的一次側(cè)的線電壓為380V，熔斷器額定電壓可選擇400V。（2）熔斷器額定電流選擇：其額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流。 本課題設(shè)計中變壓

13、器的一次側(cè)的電流 熔斷器額定電流 因此，如右圖在三相交流電路變壓器的一次側(cè)的每一相上串上一個熔斷器，按本課題的設(shè)計要求熔斷器的額定電壓可選400V，額定電流選25A。2晶閘管過電流保護晶閘管不僅有過電壓保護，還需要過電流保護。由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓、大電流的功率器件，結(jié)溫必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過的大于額定值的電流時，熱量來不及散發(fā)，使得結(jié)溫迅速升高，最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。晶閘管過電流保護方法中最常用的是快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔摄y質(zhì)熔絲埋于石英砂內(nèi)，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。壓可選擇350V。5驅(qū)動電路的設(shè)計 晶閘管觸發(fā)電路的

14、作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在學(xué)要的時刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路往往包括觸發(fā)時刻進行控制相位控制電路、觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)中，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通，三相全控橋式電路應(yīng)采用寬于60或采用相隔60的雙窄脈沖。 （2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流35倍，脈沖前沿的陡度也需增加，一般需達12Aus。 （3）所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極的伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 （4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路

15、的電氣隔離。在本設(shè)計中最主要的是第1、2條。理想的觸發(fā)脈沖電流波形如圖5.1。圖5.1 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形-脈沖前沿上升時間（）-強脈沖寬度 -強脈沖幅值（）-脈沖寬度 -脈沖平頂幅值（）常用的晶閘管觸發(fā)電路如圖5.2。它由V1、V2構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出出發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)橹苯貢r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它的電路環(huán)節(jié)。圖5.2 觸發(fā)電路6 控制電路設(shè)計本控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)

16、結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖6.1所示。 圖6.1 雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖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PI 調(diào)節(jié)器。圖4.7中標出了兩個調(diào)節(jié)器的輸入輸出的實際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖3.7為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖3.8為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號的極性，主要視觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求ACR的輸出Uct為正極性，由于調(diào)節(jié)器一般為反向輸入，則要求ACR的輸入Ui*為負極性，所以，要求ASR輸入的給定電壓Un*為正極性。本文基于這種思想進行ASR和ACR設(shè)

17、計。 圖6.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖6.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖7電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計在設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，一般是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)取決于穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)校正的設(shè)計與調(diào)試都是按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序進行，在動態(tài)過程中可以認為外環(huán)對內(nèi)環(huán)幾乎無影響，而內(nèi)環(huán)則是外環(huán)的一個組成環(huán)節(jié)3。由于典型型系統(tǒng)的跟隨性能由于典型型系統(tǒng)，而典型型系統(tǒng)的抗擾性能優(yōu)于典型型系統(tǒng)，因此一般來說，從快速啟動系統(tǒng)的要求出發(fā)，可按典型型系統(tǒng)設(shè)計電流環(huán)；由于要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速環(huán)應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計。工程設(shè)計法是建立在頻率特性理論基礎(chǔ)上的，只需將典型系統(tǒng)和典型系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性作

18、為調(diào)速系統(tǒng)僅有的兩種預(yù)期特性。71 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 確定時間常數(shù)（1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。則，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)Toi。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取。2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 式中 -電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；-電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的

19、抗擾性能：Tl/=0.033/0.0037=8.92,參照表知典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調(diào)節(jié)器按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。3. 計算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：=Tl=0.033s。電流開環(huán)增益：要求時，取，因此 因此，ACR的比例系數(shù)Ki=（KIR）/（K是 ）=（135.1*0.033* 3.7）/(27*0.77)=0.793 故而，我們?nèi)0=40K，則Ri= Ki R0 =0.793*40=31.72K Ci= / Ri =0.033/31720=1ufCoi =4Toi/R0=4*0.002/4k=0.2uf 72 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1.

20、確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由前述已知，則 （2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取.（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為 3. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 則轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 K 可得ASR的比例系數(shù)為Kn =(h+1)CeTm /(2hR)= 34.92 式中 電動勢常數(shù)Ce=(Un-InRn)/Nn=(220-6.5*3.7)/1500=0.131。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.007Vmin/r。我們?nèi)0為40K，則RN=KNRO=34.92*40K=1396.8KCn=/Rn=0.087/1396.8k=0.06ufCon=4Ton/R0=4*0.01/40K=1uf8結(jié)論體會雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理