【正文】 渡過(guò)程也就分成三段，在圖中分別標(biāo)以 I、和 III。 再 定 義 電 樞 回 路 電 磁 時(shí) 間 常 數(shù) / ( )lT L R s? ， 電 力 拖 動(dòng) 系 統(tǒng) 機(jī) 電 時(shí) 間 常 數(shù)2 ()375m emGDTsCC?。 圖 43 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖 根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定值和反饋值 可計(jì)算出相應(yīng) 的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) *nm max U / n? ? 電流反饋系數(shù) * dm U / Iim? ? 第 20 頁(yè) 共 43 頁(yè) 20 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與 性能分析 晶閘管觸發(fā)電流和整流裝置 [8]的數(shù)學(xué)模型 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的放大系數(shù)可以通過(guò)兩種方法得到。這是系統(tǒng)靜特性的正常運(yùn)行段。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖所示，其中，為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 PI調(diào)節(jié)器。 調(diào)速范圍 D 是指 電動(dòng)汽車電機(jī) 在額定負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 maxn與最低轉(zhuǎn)速 minn 之比，即： maxminnD n? 其中 maxn 和 minn 一般指額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。 3） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制 啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過(guò)渡過(guò)程。應(yīng)用了 PI 調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差控制，應(yīng)用了電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)限制電流的沖擊，避免出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象。 （ 3）對(duì)負(fù)載擾動(dòng)起 抗擾作用。 應(yīng)用電流截止負(fù)反饋，能夠解決轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題，引入了限制電樞電流的環(huán)節(jié)，關(guān)鍵時(shí)候維持電流基本不 變。穩(wěn)速原理可從圖 11所示的閉環(huán)與開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。晶閘管 [7]的觸發(fā)電路種類很多，為使線路簡(jiǎn)單、工作可靠、裝置體積小宜選用 KJ004 組成的六脈沖集成觸發(fā)電路。因零線流過(guò)負(fù)載電流，在零線截面小時(shí)壓降大，往往需要從車間變壓器單獨(dú)敷設(shè)零線。這種調(diào)速系統(tǒng)叫做發(fā)電 機(jī) 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱 GM 系統(tǒng)。弱磁調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。目前已經(jīng)有人研制成功了基于開(kāi)放式自由軟件 Linux 操作系統(tǒng)的數(shù)字式伺服系統(tǒng)。電力電子器件的發(fā)展，使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（ GTR）得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 3) 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 (Foundation Fieldbus) 在現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的研究制訂過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)多種企業(yè)集團(tuán)或組織，通過(guò)不斷的競(jìng)爭(zhēng)，到 1994 年在國(guó)際上基本上形成了兩大陣營(yíng)，一個(gè)以 FisherRosemount 公司為首，聯(lián)合 第 9 頁(yè) 共 43 頁(yè) 9 Foxboro、橫河、 ABB、西門子等 80 家公司制訂的 ISP 協(xié)議；另一個(gè)以 Honeywell 公司為首，聯(lián)合歐洲 150 家公司制訂的 World FIP 協(xié)議。由于 CPCI 總線工控機(jī)良好地解決了可靠性和可維護(hù)性問(wèn)題，而且基于 Microsoft的軟件和開(kāi)發(fā)工具的價(jià)位比較低，所以， CPCI 工控機(jī)得以迅速打入嵌入式產(chǎn)品市場(chǎng)。 1981 年，Mostek、 Motorola、 Philip 和 Sigics 公司發(fā)明了 VME 總線， 1996 年的新 標(biāo)準(zhǔn)VME64(ANSI/VITA11994)將總線數(shù)據(jù)寬度提升到 64 位，最大數(shù)據(jù)傳輸速度為 80Mbps。為了方便熟 悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語(yǔ)言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)元件都以繼電器命名。 PLC的誕生和發(fā)展 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，大量的開(kāi)關(guān)量順序控制，它按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)作的控制，及大量離散量的數(shù)據(jù)采集。在此情況下，業(yè)內(nèi)廠商經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，確定開(kāi)發(fā)的 DCS 產(chǎn)品應(yīng)以模擬量反饋控制為主，輔以開(kāi)關(guān)量的順序控制和模擬量開(kāi)關(guān)量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè) 。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)是調(diào)速系統(tǒng)的基本反饋形式。雙閉環(huán)系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)速環(huán) 用來(lái) 控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 電流環(huán)控制輸出電流 ；該系統(tǒng)可以 自動(dòng)限制最大電 流， 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響 ；且采用 雙閉環(huán)控制提高了系統(tǒng)的阻尼比 ， 因而較之單閉環(huán)控制具有更好的控制特性。 關(guān)鍵詞： 雙閉環(huán)； 電流調(diào)節(jié)器；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； MATLAB/SIMULINK；仿真 Doubleloop； the current regulator； the speed regulator； MATLAB/SIMULINK；simulation What this article elaborates is the design of “the rotational speed, the electric current double closed loop cocurrent velocity modulation system” . In the design, the main circuit control system using threephase full controlled bridge rectifier circuit as electricity supply[1]. Firstly , determined the design scheme and diagram. Then determined the structure of power circuit and the design of ponents and the parameter calculation . Finally, focused on the design of DC motor speed controller circuit, The current regulator and speed regulator is set up in the system, at first determined its structure , the design of various ponents, and the calculation of its parameters. Finally, used MATLAB/SIMULINK to carry on Simulation Analysis of the whole control system.[2] 第 5 頁(yè) 共 43 頁(yè) 5 前言 電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械，鋼鐵，礦山，冶金，化工，石油，紡織 ，軍工等行業(yè)。 作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)。 盡當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中 VM系統(tǒng)的應(yīng)用還是有相當(dāng)?shù)谋戎??？梢獙?shí)現(xiàn)高精度和高動(dòng)態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時(shí)還要控制速度的變化率也就是加速度。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。這是在最大電流轉(zhuǎn)矩的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的啟動(dòng)過(guò)程。 1975 年前后，在原來(lái)采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器 (DDC)的自控和計(jì)算機(jī)技 術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(tǒng) (DCS)。傳統(tǒng)上，這些功能是通過(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。由 Force Computers 制定的 VME64x 總線規(guī)范將總線速度提高到了 320Mbps。但相對(duì)于 PCI/ISA 加固型工控機(jī)而言，由于總體成本高、技術(shù)開(kāi)發(fā)難度大、無(wú)源背板定義并不完全統(tǒng)一導(dǎo)致模板配套性差、電磁兼容性設(shè)計(jì)要求高等因素， CompactPCI 工控機(jī)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域并未得到實(shí)際應(yīng)用，反而在電信市場(chǎng)獲得廣泛應(yīng)用。這兩大集團(tuán)于 1994 年合并，成立現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì) (Fieldbus Foundation,FF)，致力于開(kāi)發(fā)國(guó)際上統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（ PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來(lái)越普遍的趨勢(shì)。 本文主要開(kāi)展的研究工作 根據(jù)本課題的實(shí)際情況，宜從以下幾個(gè)方面入手分析： 第 10 頁(yè) 共 43 頁(yè) 10 1） 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 ； 2） 雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì) ； 3） 應(yīng)用 MATLAB 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正 ； 本設(shè)計(jì)要求基于 VM 的雙閉環(huán)直流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正，從要求出發(fā)，本文先介紹各種調(diào)速方案中選擇電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 的原因，再重點(diǎn)闡述該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。調(diào)壓調(diào)速所得到的認(rèn)為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基 速（額定轉(zhuǎn)速）以下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 2） 靜止可控整流器。而三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時(shí)，電源相電壓可較三相零整流電路小一半，困此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求，變壓器二次繞組電流中沒(méi)有直流分量、利用率高。其優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗低、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)是移相范圍小于 180176。 圖 11 閉環(huán)與開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系 第 13 頁(yè) 共 43 頁(yè) 13 閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng) 1） 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速 ： 圖 12 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖是帶有比例放大器的轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。 引入 PI 調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)靜特性指標(biāo)和穩(wěn)定性發(fā)生矛盾的情況下，能改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使它能同時(shí)滿足穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的要求。 對(duì)于電流調(diào)節(jié)器： （ 1）啟動(dòng)過(guò)程保證電動(dòng)機(jī)能獲得最大允許的動(dòng)態(tài)電流。作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，所檢測(cè)的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。 為了獲得近似理想的過(guò)度過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的方法就是將被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量電流分開(kāi)加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視 maxn 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 Nn 。 在圖上標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照觸發(fā)裝置 GT的控制電壓 Ur,為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流上升時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的輸出 iU? 也將上升，當(dāng) dI 上升到某一數(shù)值dmI 時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅值 imU? ，轉(zhuǎn)速環(huán)失去調(diào)節(jié)作用，呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變 第 19 頁(yè) 共 43 頁(yè) 19 化對(duì)系統(tǒng)不再影響。分析放大系數(shù)的方法的前提是把整個(gè)調(diào)速范圍工作點(diǎn)都落在晶閘管觸發(fā)和整流裝置的特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的調(diào)節(jié)余量。它們分別表示了電氣與機(jī)械慣性的影響。 第 1階段 0 一 t1 是電流上升的階段。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng) 勢(shì)正也按線性增長(zhǎng)。到 Id=IdL 時(shí)，轉(zhuǎn)速 n達(dá)到峰值。決不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用線性控制理論來(lái)分析和設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來(lái)處理。如果一定要追求嚴(yán)格最優(yōu)控制，控制結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，所取得的效果則有限，并不值得。 第 25 頁(yè) 共 43 頁(yè) 25 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。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中，能夠在電流受電機(jī)過(guò)載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。 抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。 由查 表 得： A=，取 ε= ； α 角考慮 30176。因電磁時(shí)間常數(shù) Tl 遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm，轉(zhuǎn)速變化比電流變化慢得多，因此，對(duì)電流環(huán)的電流瞬變過(guò)程來(lái)說(shuō) E基本不變，△ E≈ 0，即暫且把 E的作用去掉，得到忽略 E影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖 如下圖所示 ，等效簡(jiǎn)化后得： 圖 01 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(jiǎn) 確定時(shí)間常數(shù) 1） 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) sT ：由已知 sT =，查表知，為三相橋式電路的平均失控時(shí)間。 表 62 典型 II型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 1 2 2//m T T T T?? 15 110 120 130 max 100%bCC? ? % %