【正文】 ++0 2R2R 0 2R0 2RbalRiU? oiCoiCdI??iRiC ctU 圖 含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器 32 按所用運(yùn)算放大器取 0 40kR ??，各電阻和電容值計(jì)算如下： 0 1 .0 1 3 4 0 k 4 0 .5 2 kiiR K R? ? ? ? ? ?，取 40k? 630 .0 3 1 0 F 0 .7 5 F4 0 1 0ii iC R? ??? ? ? ??，取 F? 6304 4 0 . 0 0 2 1 0 F 0 . 2 F4 0 1 0oioi TC R ???? ? ? ??，取 ? 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為： % 4. 3% 5%i? ??(見(jiàn)表 )，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 。 電流反饋系數(shù)： V A ( 10 V )NI? ??。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿(mǎn)足。 產(chǎn)生 didt 過(guò)大的原因，一般有：晶閘管導(dǎo)通時(shí)，與晶閘管并聯(lián)的阻容保護(hù)中的電容突然向晶閘管放電；交流電源通過(guò)晶閘管向直流側(cè)保護(hù)電容充電；直流側(cè)負(fù)載突然短路等等。 （ 1） 交流側(cè)快速熔斷器的選擇 變壓 器二次側(cè)電流 2 ? 選取 RLS120快速熔斷器，熔體額定電流 120A。 （ 1） 直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù) 以電動(dòng)機(jī)為負(fù)載時(shí)，變流裝置的直流側(cè)也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，當(dāng)直流端設(shè)置的快速開(kāi)關(guān)，突然切斷過(guò)載電流時(shí)，電源變壓器中儲(chǔ)存能量的釋放也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。A 以下取 ? ，容量越大， shU 也越大； 在此取 0%5i ? ， %5kU ? ，代入式 2 3 21 0 26 % 6 5 8. 40 10 / 38 0 1. 75 ( μ F)C i S U? ? ? ? ? ? ? 由 得： 2 2 31 2 02. 3 ( ) % % 2. 3 38 0 ( 8. 40 10 ) 39 .5 4( )kR U S U i? ? ? ? ? ? ? ? 實(shí)取 1 5μFC? , 1 50R??。以過(guò)電壓保護(hù)的部位來(lái)分，有交流側(cè)過(guò)壓保護(hù)、直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)和器件兩端的過(guò)電壓保護(hù)三種。此觸發(fā)電路為正極性型電路，即控制電壓 Uc增加晶閘管輸出電壓 Ud也增加。 RP1是調(diào)節(jié)鋸齒波斜率的電位器?；诩捎|發(fā)電路的各種優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)就采用了 KC04 移相集成觸發(fā)器。 為保證晶閘管裝置能可靠地工作，觸發(fā)電路應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率 (電壓與電流 )觸發(fā)電路送出的觸發(fā)信號(hào)是作用于晶閘管門(mén)極與陰極的；觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)擎住電流而維持導(dǎo)通；觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿(mǎn)足電路要求。 三相全控橋式整流的輸出電壓為兩組輸出電壓之和，是相電壓正負(fù)包絡(luò)線(xiàn)的面積，其平均直流電壓 22 ??? 。勵(lì)磁電路如圖 所示 。 電抗器參數(shù)的計(jì)算 為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器 dL ，稱(chēng)平波電抗器。A 取 ? ，容量越大， shU 也越大； 22NII — 變壓器二次側(cè)實(shí)際工作電流與變壓器二次側(cè)額定電流之比 ，應(yīng)取最大值 。 為避免三次諧波對(duì)電源的干擾， 整流變壓器采用 D/Y11 聯(lián)結(jié)的三相全控橋式接法，如圖 ： 17 V T 2V T 6V T 4V T 1V T 3 V T 5ianabcTd 1d 2G 1k 4 k 6 k 2G 3 G 5G 4G 6 G 2 圖 整流變壓器三相全控橋式連接圖 （ 1） 變壓器二次側(cè)電壓 U2的計(jì)算 2U 是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過(guò)低就會(huì)無(wú)法保證輸出額定電壓。 主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 主電路原理圖 直流調(diào)速系統(tǒng) 由晶閘管 — 直流電機(jī)組成的主電路部分包括以下幾部分：交流電源、晶閘管可控整流器、同步 6 脈沖觸發(fā)器、移相控制環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)等。 （ 2） 總 體結(jié)構(gòu)選擇 電動(dòng)機(jī)額定電壓 為 220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相減壓變壓器將電源電壓降低，為避免三次諧波對(duì)電源干擾，主變壓器采用 D/Y 聯(lián)結(jié)。 在 VM系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓 dU 。 14 4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)說(shuō)明 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 （ 1） 供電方案 選擇 ： 變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有 3 種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 （ 1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 ① 使轉(zhuǎn)速 n 跟隨給定電壓 nU? 變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。因此，在突加 (減 )負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降 (升 )。同樣，減速時(shí)也有這種情況。 （ 3） 轉(zhuǎn)速超調(diào) 由于采用了飽和非線(xiàn)性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入第Ⅲ段及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。分析過(guò)渡過(guò)程時(shí)，還必須注意初始狀態(tài)，前一階段的終了狀態(tài)就是后一階段的初始狀態(tài)。到 d dLII? 時(shí)，轉(zhuǎn)矩 eLTT? , 則 0dn dt? ，轉(zhuǎn)速 n 達(dá)到峰值（ 3tt? 時(shí) )。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E也按線(xiàn)性增長(zhǎng)。 10 IdnnId LId m0t Id LIdId m00t1t2 t3t4ttnn*Ⅰ Ⅱ Ⅲ 圖 雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)理想快速起動(dòng) 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形 第Ⅰ階段 0～ t1 是電流上升的階段。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)并不是無(wú)窮大、特別是為了避免零點(diǎn)漂移而采用 “ 準(zhǔn) PI調(diào)節(jié)器 ” 時(shí)，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，如圖 線(xiàn)所示。穩(wěn)態(tài)時(shí) imd dmUII? ????????????? 式中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系允許的最大加速度。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，能獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。 具體設(shè)計(jì)要求： ① 選擇 PID 控制器控制電機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速，用 MATLAB 建立所設(shè)計(jì)的控制器的模型和進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類(lèi)仿真非常有用。 在 SIMULINK 環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地 “ 畫(huà) ” 出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。但總體上都和 windows 的界面具有相似的處理過(guò)程。程序文件擴(kuò)展名為 “ .mdl” ，以文本文件形式保存 。運(yùn)行 setup 后，輸入正確的序列號(hào)，選擇好安裝路徑和安裝的模塊，幾乎是一直回車(chē)就可以了。 ⑤ 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 2 2 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 是一門(mén)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，取名來(lái)源于 Matrix Laboratory，本意是專(zhuān)門(mén)以矩陣的方式來(lái)處理計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，它把數(shù)值計(jì)算和可視化環(huán)境集成到一起，非常直觀，而且提供了大量的函數(shù)，使其越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)，工具箱越來(lái)越多，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。從機(jī)械特性上看，就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。同時(shí)， MATLAB 軟件中還提供了新的控制系統(tǒng)模型輸入與仿真工 具 SIMULINK， 它具有構(gòu)造模型簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制容易、界面友好、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，成為動(dòng)態(tài)建模與仿真方面應(yīng)用最廣泛的軟件包之一。 ② 運(yùn)算符豐富。 ⑨ 源程序的開(kāi)放性。 MATLAB 啟動(dòng)后顯示的窗口稱(chēng)為命令窗口，提示符為 “” 。有兩種方法取得幫助信息：一是直接在命令窗口輸入 help 函數(shù)名 ； 如 help imread， 會(huì)得到 相應(yīng)函數(shù)的有關(guān)幫助信息?？梢哉f(shuō)目前理論界和工業(yè)界廣泛應(yīng)用和研究的控制算法，幾乎都可以在 MATLAB 中找到相應(yīng)的工具箱。 用 SIMULINK 創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶(hù)可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。 5 3 方案選擇及系統(tǒng)工作原理 電動(dòng)機(jī)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求 已知設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 直流電機(jī)額定電壓 220VNU ? ，額定電樞電流 136ANI ? ，額定轉(zhuǎn)速 1460rpmNn ? ，電樞回路總電阻 ? ，電感 ? ，勵(lì)磁電阻 240fR ??，勵(lì)磁電感120HfL ? ，互感 ? ， V m in reC ? ，允許過(guò)載倍數(shù) ?? 。 6 A S RMT G++_+__Uc tUdIdUnT AUn*G T V_ 圖 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 ASR— 轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié) GT— 觸發(fā)裝置 TA— 電流互感器 TG— 測(cè)速發(fā)電機(jī) nU? / nU — 轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓 方案二 ：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 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。其中最關(guān)鍵的部件是脈寬調(diào)制器。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話(huà)說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。這就是靜特性的運(yùn)行段。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作 9 用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。 鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差完全不同，而是和無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) max/nmUn? ?? ???????????????? 電流反饋系數(shù) /im dmUI? ?? ???????????????? 兩個(gè)給定電壓的最大值 nmU? 和 imU? 是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的。 第Ⅱ階段 t1～ t2 是電流恒流升速階段。 在這階段開(kāi)始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 imU? ，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng) ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng) ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。不過(guò)這兩段的時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間 中很好的成份，已無(wú)傷大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程可以稱(chēng)為 “ 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 ” 過(guò)程。 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在減速過(guò)程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這個(gè)問(wèn)題便大有好轉(zhuǎn)。 ③ 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓 iU? 變化。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。而且工作可靠，能耗小，效率高。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如 圖 所示。變壓器一次側(cè)和二次側(cè)過(guò)電壓保護(hù)均采用阻容吸收保護(hù)電路。根據(jù)規(guī)定電網(wǎng)允許波動(dòng) 5% 10%??，考慮在電網(wǎng)電壓最低時(shí)要求能保證最大整流輸出電壓，故通常取波動(dòng)系數(shù) ?? 。 此外，還需注意以下幾點(diǎn)： ① 當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度超過(guò) +40C 時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。 由此可得： 3( 10 ) /( 2 )D D N N NL K U P n I? ? ? ? ? 3( 8 220 10 ) ( 2 2 146 0 136 )? ? ? ? ? ? ? （ 4） 變壓器的漏 感 BL 變壓器的漏感 BL 可按下式計(jì)算： 2( ) m H B B sh dL K U U I? ? ? ?????????? 式中： BK — 計(jì)算系數(shù)，三相橋式整流電路 ? ； shU — 變壓 器短路電壓比，一般取 ? 。在 ω t3時(shí)刻，由于 V 相電位比 U相高，故觸發(fā) VT3導(dǎo)通后，能迫使 VT1關(guān)斷，電流從 VT1中換到 VT3。 圖 晶閘管同步 6脈沖觸發(fā)電路 （ 1） 電