【正文】 .................................................................. 46 畢業(yè)設計（論文） 1 1． 緒論 課題背景 直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。 本文敘述了直流電動機的基本原理和調速原理，介紹了直流電動機開環(huán)和雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及靜、動態(tài)特性，并且根據(jù)直流電動機的基本方程建設立了調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，給出了動態(tài)結構框圖，用工程設計方法設計了直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)?，F(xiàn)在的直流和交 流調速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。 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 V— M 調速系統(tǒng) )。 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，在需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。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)的基礎 ， 因此，直流調速系統(tǒng)的應用研究有實際意義 。 畢業(yè)設計（論文） 4 2． 直流電動機調速系統(tǒng) 直流電動機簡介 直流電動機的工作原理 圖 2— 1 表示是一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分 (定子 )上，裝設了一對用直流勵磁的主磁極 N 和 S，在旋轉部分 (轉子 )上裝設電樞鐵心。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 B B2 和換向器再加到線圈上，這樣情況就不同了。 上述條件中， fNI 為額定勵磁電流，即輸出功率達到額定功率 NP 、 轉速達到額定轉速 Nn 時的勵磁電流。此時若負載為輕載，則電動機的轉速迅速上升，造成“飛車”；若負載為重載，所產(chǎn)生的電磁轉矩克服不了負載轉矩，畢業(yè)設計（論文） 6 則電動機可能停轉，使電樞電流增大到起動電流，引起繞組過熱而將電機燒毀。通常采用保證足夠的起動轉矩下盡量減小起動電流的辦法，使電動機起動。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以變壓調速為主 [1]。頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。 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。但是，許多需要調速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。這就組成了轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調速系統(tǒng)，由于傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用 PID 調節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，起動電流突破dcrI 以后， 受電流負反饋的作用，電流只能再升高一點，經(jīng)過某一最大值 dmI 后，就降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 (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饋分別起作用，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饋和電流負反饋。 圖 2— 3 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 圖 2— 4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖 (2) 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，必須先會出它的穩(wěn)態(tài)結構框圖，如圖 2— 5所示。 ② 轉速調節(jié) 器飽和時， ASR 輸出達到限幅值 *imU ，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響 ,雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個單閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。圖中 ??sASRW 和 ??sACRW 分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。負載擾動能夠比較快地反映到被調量 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。 b 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 (2) 典型系統(tǒng) 一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可用下式表示 ? ?? ?? ???????? niirmjjsTssKsW1111? （ 2— 7） 其中分子和分母上還有可能含有復數(shù)零點和復數(shù)極點。顯然，要做到這一點，應在選擇參數(shù)時保證 Tc 1?? 或 1?Tc? ?45?Tarctg c? 于是，相角穩(wěn)定 裕度 ???? 459090180 ?????? Ta r c tgTa r c tg cc ??? 。由表中數(shù)據(jù)可見 ， 當系統(tǒng)的時間常數(shù) T 為已知時，隨著 K 的增大，系統(tǒng)的快速性增強，而穩(wěn)定性變差。所不同的是，待定的參數(shù)有 K 和 ? 兩個。 典型 II 型系統(tǒng)抗擾性能指標和參數(shù)的關系 典型 II 型系統(tǒng)抗擾性能指標和參數(shù)的關系列于表 24。 畢業(yè)設計（論文） 22 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計 按照設計多環(huán)控制系統(tǒng)先內環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內環(huán)開始，逐步向外擴展。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入時間常數(shù)為 onT 的給定濾波環(huán)節(jié) [2]。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。 20R20R20R20RCo iCo i balRAR1CiUcUi*dI??++ 圖 2— 10 含給定濾波與反饋濾波的 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 0RRK ii? （ 2— 29） iii CR?? （ 2— 30） oioi CRT 041? （ 2— 31） 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(jīng)簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)??sWcli 。 這樣，調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 畢業(yè)設計（論文） 27 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?11112 ???????? sTsTCsRKsTsTCRssKsWnmennnnmennnn ?? ?????? （ 2— 38） 令轉速環(huán)開環(huán)增益 NK 為 mennN TCRKK ?? ?? （ 2— 39） 則 ? ? ? ?? ?112 ??? ? sTs sKsW nnNn ? 上述結果所需服從的近似條件歸納如下： iI TK?? 31? （ 2— 40） onI TK31?? （ 2— 41） (3) 轉速調節(jié)器的參數(shù)計算 轉速調節(jié)器的參數(shù)包括 nK 和 n? 。 (3) 轉速環(huán)設計 ① 確定時間常數(shù) a 電流環(huán)等效時間常數(shù)為 sT i ?? b 轉速環(huán)濾波時間常數(shù) onT ： 根據(jù)測速發(fā)電機紋波情況，取 onT = c 轉速環(huán)小時間常數(shù) nT? ： sTTT onin ??? ?? ② 選擇轉速調節(jié)器結構 由于設計要求無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應按典型 II 型系統(tǒng)設計調速環(huán)。在控制 界，很多著名專家和學者為其擅長的領域開發(fā)了工具箱，而其中很多工具箱己經(jīng)成為該領域的標準。能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標繪圖，能繪制多種坐標系的圖形。這些工具箱就是專業(yè)部分。 SIMULINK界面為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，用戶建模通過簡單的單擊和拖動就能實現(xiàn)，使得建模就像用紙和筆來畫畫一樣容易?；静糠职?:矩陣的各 種運算和各種變換、代數(shù)和超越方程求解、數(shù)值積分等。這些都減輕了編程和調試的工作量。這使它成為國際控制領域應用最廣的首選軟件工具。 (1)．電動機相關參數(shù)的計算 ① 由NNaNe n IRUC ?? 得 136 1 4 6 ?????? N NeNa I nCUR1 （ ? ） ② ??? fff IUR （ ? ） ③ 勵磁電感在恒定磁場控制時可取 0，則電樞電感估算如下： ???? ???? NN Na Ipn CUL （ H） ④ 電樞繞組和勵磁繞組互感： ???? f eaf I CL （ H） ⑤ 電動機轉動慣量 2 ???? gGDJ （ 2mkg? ） ⑥ 額定負載轉矩 7 11 3 61 3 ????? NeL ICT （ mN? ） (2) 電流環(huán)設計 ① 確定時間常數(shù) a 整流裝置滯后時間常數(shù) sTs ? ； b 電流濾波時間常數(shù) oiT ： 三相橋式電路每個波頭的時間是 ，為了基本濾平波頭，應有 （ 1～ 2）oiT =，因此， oiT =2ms=； 畢業(yè)設計（論文） 30 c 電流環(huán)小時間常數(shù) iT? ： sTTT oisi ???? ② 選擇電流調節(jié)器結構 根據(jù)設計要求： i? ≤ 5%，而且 0 0 3 ????ilTT，因此可按典型 I 型系統(tǒng)設計，電流調節(jié)器用 PI 型，其傳遞函數(shù)為 ? ? ssKsW iiiACR ?? 1?? ③ 確定電流調節(jié)器參數(shù) ACR 超前時間常數(shù) sTli ??? 電流環(huán)開環(huán)增益：要求 i? ≤ 5%時應取 ??iITK ， 因此 3 50 0 3 ???? ? iciI TK ? （ 1?s ） 于是， ACR 的比例系數(shù)為 ?????? siIi KRKK ?? ④ 檢驗近似條件 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 忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件 lmci TT13?? ： cilm ssTT ????? ?? 11 1313，滿足近似條件； c 小時間常數(shù)近似處理條件 oisci TT131?? ： 畢業(yè)設計（論文） 31 ciois ssTT ????? ?? 11 131131，滿足近似條件。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。在一般情況下，希望電流超調量 i? =5%，由表 2— 2，可選 ? =， iITK? =，則 iciI TK ??? 21? （ 2— 27） 再得用式（ 2— 21）和式（ 2— 22）得到 ?????????? ?? ilsisli TTKRTK RTK ?? 22 （ 2— 28） (4) 電流調節(jié)器的實現(xiàn) 含給定濾波和反饋濾波的模 擬式 PI 型電流調節(jié)器原理圖如圖 2— 10 所示。 如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成???sUi* ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，從其中可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值相同的方便之處。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜希瑥亩鴰碓O計上的方便。 典型 I 型系統(tǒng)和典型 II 型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，一般來說，在動態(tài)性能中典型 I 型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調量小，但抗擾性能稍差；而典型 II型系統(tǒng)的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。把各項指標綜合起來看， h=5 時動態(tài)跟隨性能比較適中。要實現(xiàn)圖 28b 的特性，顯然應保證 Tc 11 ???? 或 T?? 而相角穩(wěn)定裕度為 Ta r c tga r c tgTa r c tga r c tg cccc ??????? ?????? ?? 180180 ? 比 T 大得越多，則系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。由于在典型Ⅰ型系統(tǒng)中， 1?KT ，代入式（ 2— 11）得 ?? ，因此在典型 I 型系統(tǒng)中應取 ??? 。 它的閉環(huán)系統(tǒng)結構框圖如圖 2— 7a所示，而 圖 2— 7b表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。 畢業(yè)設計（論文） 16 在選擇調節(jié)器結構時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了。 c 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。 dU? 和 dLI