【正文】 即轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩特性。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 180 度，轉(zhuǎn)到圖 21(b)所示位置時(shí)，這時(shí)導(dǎo)體 cd 在 N極下，導(dǎo)體 ab 在 S 極下。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到圖 21(a)所示的位置時(shí)， ab 導(dǎo)體剛好在 N 極下， cd 導(dǎo)體剛好在 S 極下。 (3) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 通過(guò)國(guó)內(nèi)外中英文資料介紹，了解直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的最佳工程設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 課題 內(nèi)容 本課題以直流電動(dòng)機(jī)為對(duì)象，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，基于直流電動(dòng)機(jī)的基本方程給出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用 MATLAB 進(jìn)行仿真，對(duì)仿真結(jié)果分析、研究，驗(yàn)證河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 3 控制方案的合理性。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熱，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究有實(shí)際意義。 因此在軋機(jī)、造紙等對(duì)力矩要求很高行業(yè)，直流調(diào)速還是具有廣泛性直流調(diào)速器具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。 直流調(diào)速的發(fā)展現(xiàn)狀 由于直流電動(dòng)機(jī)具有較好的運(yùn)動(dòng)性能和控制特性，盡管它不如交流電動(dòng)機(jī)那樣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造方便、維護(hù)容易，但是長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。在Simulink 中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)單，而且仿真過(guò)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(jié)果。當(dāng)然有些情況下可以構(gòu)造一套物理裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但這種方法十分費(fèi)時(shí)而且費(fèi)用又高，而且在有的情況下物理模擬幾乎是不可能的?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。在 20 世紀(jì) 60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。 Doubleclosedloop。 本文敘述了直流電動(dòng)機(jī)的基本原理和調(diào)速原理，介紹了直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)和雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜、動(dòng)態(tài)特性，并且根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程建 立了調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。最后，用 MATLAB 仿真軟件搭建了仿真模型，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。 Current regulator。晶閘管 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。 對(duì)于那些在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中存在很大風(fēng)險(xiǎn)或?qū)嶒?yàn)費(fèi)用昂貴的系統(tǒng)，一般不允許對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，采用計(jì)算 機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真的方法已被人們采納。另外，使用MATLAB 中的各種分析工具，還可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。當(dāng)然，近年來(lái)， 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場(chǎng)合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。我們知道采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。在工程實(shí)踐中，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié) 并且要求有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。 主要完成如下 工作： (1)直流電機(jī)基本原理和運(yùn)行特性 回顧以前電機(jī)學(xué)中關(guān)于直流電機(jī)的基本知識(shí)，理解直流電機(jī)的工作原理及其機(jī)械特性。 (4) 仿真的進(jìn)行和結(jié)果的分析與探究 深入學(xué)習(xí)和掌握 MATLAB 下的 Simulink 和 Power System 系統(tǒng)模型的搭建方法，進(jìn) 行模型搭建和仿真，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與探究。直流電流由電流正極經(jīng) A 刷流入電樞繞組，在線圈內(nèi)部電流的方向是由 a 到 b、由 c 到 d。電流經(jīng) A 刷由 d 端流入線圈，在線圈內(nèi)部電流方向是由 d 到 c、由 b 到 a，如圖中箭頭所示。分析表明，運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異，下面主要對(duì)并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性加以研究。 先看轉(zhuǎn)速特性 ? ?2Pfn? 。實(shí)用上，為保證并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性。這兩種情況都是危險(xiǎn)的。 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為 ??? eK IRUn 式中 n —轉(zhuǎn)速（ r/min）； 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 6 U—電樞電壓（Ｖ）； I—電樞電流（Ａ）； R—電樞回路總電阻（ ? ）； ?—?jiǎng)?lì)磁磁通（Ｗ b）； eK—由電機(jī)結(jié) 構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。 （ 2）穩(wěn)速，要求系統(tǒng)調(diào)速的重復(fù)性和精確度要 好，不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。在調(diào)速過(guò)程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng) ， Nn? 值一定，由式（ 2—4）可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 +U cGT+ VT UdL 圖 22 晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖 23 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 TeTe N0n 2n 1n 0nΔn NU 0U 1U 2U 0 U 1 U 2河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 9 直流電機(jī)的機(jī)械特性如圖 23 所示，可知由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速降落制約了開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)速范圍 D 和靜差率 S,用反饋控制的方法構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)可減小轉(zhuǎn)速降落，減小靜差率、擴(kuò)大調(diào)速范圍。所以轉(zhuǎn)速的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動(dòng)態(tài)過(guò)程。用一個(gè)調(diào)節(jié)器難以兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速的控制和對(duì)電流的控制。 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： rV m in / ??? （ ≈10V/ maxn ）。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖見(jiàn)圖 31。 它可以很方便地根據(jù)原理圖畫(huà)出來(lái)，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)節(jié)器就可以了。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。穩(wěn)態(tài)時(shí) dmimd IUI ?? ?* （ 3—2） 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。 (2) 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析 一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。 ② 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng) 電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。 U n*U nU iU i* U c U d0 W AS R(s) W AC R(s) K s /T s s+1 1/R (T l s+ 1) R/T m sβα1/ CeI dlI dE++ + + 圖 33 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài) 結(jié)構(gòu)框圖 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。 b 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 c 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。這樣就使設(shè)計(jì)方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計(jì)工作量。自動(dòng)控制理論已經(jīng)證明， 0 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而 III 型和 III 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。顯然， 要做到這一點(diǎn)，應(yīng)在選擇參數(shù)時(shí)保證 Tc 1?? 或 1?Tc? ?45?Tarctg c? 于是，相角穩(wěn)定裕度 ???? 4590901 8 0 ?????? Ta r c t gTa r c t g cc ??? 。 參數(shù) K、 T 與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù) n? 、 ? 之間的換算關(guān)系 TKn?? （ 3—6） KT121?? （ 3—7） 則 Tn 21??? （ 3—8） 由二階系統(tǒng)的性質(zhì)可知，當(dāng) 1?? 時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性；當(dāng) 1?? 時(shí)，是過(guò)阻尼的單調(diào)特性；當(dāng) 1?? 時(shí)，是臨界阻尼。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù) T 為已知時(shí)，隨著 K 的增大，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)，而穩(wěn)定性變差。 ② 典型 II 型系統(tǒng) 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 18 表 32 典型 I 型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 221 TTTTm ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC % % % % Ttm Ttv 典型 II 型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 ? ? ? ?? ?112 ??? Tss sKsW ? （ 3—9） 其中頻段也是以 decdB/20? 的斜率穿越 0dB 線。所不同的是，待定的參數(shù)有 K 和 ? 兩個(gè)。 表 33 典型 II 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)（按 minrM 準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系） h 3 4 5 6 7 8 9 10 σ % % % % % % % % Ttr Tts k 3 2 2 1 1 1 1 1 由于過(guò)渡過(guò)程式衰減震蕩性質(zhì)，調(diào)節(jié)時(shí)隨 h 的變化不是單調(diào)的， h=5 時(shí)的調(diào)節(jié)時(shí)間最短。 由表 34 中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，一般來(lái)說(shuō)， h 值越小， bCC/? 也越小， mt 和 vt 都短，因而抗擾性能越好。把典型 II 型系統(tǒng)抗擾性能的各項(xiàng)指標(biāo)綜合起來(lái)看 ， h=5 應(yīng)該是一個(gè)很好的選擇。 按 照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)展。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù) oiT 按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為 onT 的給定濾波環(huán)節(jié)。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，也就是說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng) U d0( s) K s /T s s+1 1/R (T l s+ 1) R/T m s 1/ CeI dl( s)I d( s)E++1/T on s+1 1/T oi s+1ASR ACR1/T oi S+11/T on S+1E (s)U c( s)U i( s)U n(s )*++電流環(huán) 圖 34 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 勢(shì)的作用去掉。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。 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 li T?? （ 3—18） 則 RKKK i siI ? ?? （ 3—19） 上述結(jié)果是在一系列假定條件下得以的，現(xiàn)將用過(guò)的假定條件歸納如下，以便具體設(shè)計(jì)時(shí)校驗(yàn)。 根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 24 0RRK ii ? （ 3—25） iii CR?? （ 3—26）oioi CRT 041? （ 3—27） 由上述可得出電流環(huán)設(shè)計(jì) ① 確定時(shí)間常數(shù) a 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sTs ? ； b 電流濾波時(shí)間常數(shù) oiT ： 三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是 ，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（ 1～ 2）oiT =，因此， oiT =2ms=； c 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) iT? ： sTTT oisi 0 0 3 ???? ② 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求： i? ≤5%，而且 ????ilTT，因此可按典型 I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器用 PI 型，其傳遞函數(shù)為 ? ? ssKsW iiiACR ?? 1?? ③ 確定電流調(diào)節(jié)器參數(shù) ACR 超前時(shí)間常數(shù) sTli ??? 電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求 i? ≤5%時(shí)應(yīng)取 ??iITK ， 因此 ???? ?iciI TK ? （ 1?s ） 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?????? siIi KRKK ?? ④ 檢驗(yàn)近似條件 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 25 電流環(huán)截止頻率 ?? Ici K? a 晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件為 sci T31?? ： cis ssT ????? ?? 11 13 1，滿足近似條件； b 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件 lmci TT13?? ： cilm ssTT ????? ?? 11 1313，滿足近似條件； c 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 oisci TT131?? ： ciois ssTT ????? ?? 11 131131，滿足近似條件。 接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為 ??sUi* ，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中