【正文】 電流環(huán)的另一個重要作用是對電網(wǎng)電壓波動的及時調(diào)節(jié)，從提高抗擾性能的觀 點出發(fā)又希望吧電流環(huán)校正成典型 II 型系統(tǒng) 。在要求不高的場合或近似估算時，可用以下公式近似計算。因此，在突加 (減 )負載時，必然會引起動態(tài)速降 (升 )。這就是說，采用 PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)。 第Ⅱ階段 t1～ t2 是恒流升速階段。 第 21 頁 共 43 頁 21 圖 45 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流與電壓間、感應(yīng)電勢與電流之間 的數(shù)學模型 如圖表示了他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路，假定主電路電流連續(xù)， 則 主電路電壓的微分 方程為： d0 dd dIU RI L Edt? ? ? 圖 46 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路 式中 R— 主電路的總電阻， L— 主電路的總電感，在額定勵磁下， E Cne? ，忽略摩擦力和彈性變形，電力拖動系統(tǒng)運動的微分方程為 tnGDTT dd3752Le ?? 式中 Te— 電磁轉(zhuǎn)矩（ Nm? ） ,LT — 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩（ Nm? ） , 2GD — 電力拖動系統(tǒng)這算到電動機軸上的飛輪慣量（ 2Nm? ）。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和， i imUU??? ，所 以 d dmII? 。直流調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標包括靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標兩部分。由以上的計算得知，不能滿足要 求。 （ 3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度。電動機額定電壓為 220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器 ,將電源電壓降低，為避三次諧波電動勢的不良影響，三次諧波電流對電源的干擾，主變壓器 采用 Δ/Y接法。 [5] 直流調(diào)速系統(tǒng)可用的可控直流電源 1） 旋轉(zhuǎn)變流機組。 4）內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進入電動機控制領(lǐng)域 當今是網(wǎng)絡(luò)時代，信息化的電動機自動控制系統(tǒng)正在悄悄出現(xiàn)。 此外還值得一提的是，可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)公路 (Highway Addressable Remote Transducer， HART)協(xié)議，它是由美國 Rosemount 公司最早推出的一種兼容 4~20mA 模擬信號和調(diào)制數(shù)字信號的現(xiàn)場總線協(xié)議。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。 DCS產(chǎn)品雖然在原理上并沒有多少突破，但由于技術(shù)的進步、外界環(huán)境變化和需求 的改變，共出現(xiàn)了三代 DCS 產(chǎn)品。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的 動態(tài)波形。但電機的開環(huán)運行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠遠不能滿足要求。然后確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和各元部件的設(shè)計，同時對其參數(shù) 計算。 不保密 □。 近 30年來，電力拖動系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。同時，開發(fā) DCS 還應(yīng)強調(diào)向用戶提供整個系統(tǒng)。 上世紀 80年代至 90年代中期，是 PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為 3040%。該項技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。但近年來，現(xiàn)代控制理論在電動機控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究方面卻出現(xiàn)了蓬勃發(fā)展的興旺 景象，這主要歸功于兩方面原因：第一是高性能處理器的應(yīng)用，使得復(fù)雜的運算得以實時完成。 根據(jù)負載性質(zhì)來選定。三相橋式整流電路的缺點是整流器件用得多，全控 橋需要六個觸發(fā)電路，需要 220V 電壓的設(shè)備也不能用 380V 電網(wǎng)直接供電，而要用整流變壓器。從靜特性中可以看到閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速性能比開環(huán)系統(tǒng)有了很大的提高，而提高的程度與閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K有關(guān)。 （ 3）對交流電網(wǎng)電壓的波動有較強的抗擾能力。 而由于電機上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。 第 18 頁 共 43 頁 18 圖 42 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 α — 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) β — 電流反饋系數(shù) 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握帶輸出限幅 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是 cU? ，輸出量是 dU? ，則放大系數(shù) cds UK U??? 圖 44 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性 2)估算法。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸人偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值，強迫電流 Id 迅速上升。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階 段內(nèi)， ASR 與 ACR 都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。 特點三： 轉(zhuǎn)速超調(diào)。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)強調(diào)有良好的跟隨性能。 主變壓器采用 Δ/Y 接法。 3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和iT?：按小時間常數(shù)近似處理，iT?=sT +0iT =。 表 62 典型 II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系 1 2 2//m T T T T?? 15 110 120 130 max 100%bCC? ? % % % % /mtT v/tT 所以電流環(huán)按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計，電流調(diào)節(jié)器選用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 i( s ) iACRiKW s??? （ s+1 ） 傳遞函數(shù)參數(shù)計算 為了將電流環(huán)校正為典型 I 系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時間常數(shù) i? 應(yīng)對消控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù) lT ，即取 ? ?? 取電流超調(diào)量 5%i?? ，則有 I iKT ??,因此 111 1 3 6 . 22 2 0 . 0 0 3 6 7IiKsT ?? ? ??? 于是可以求得 ACR 的比例放大系數(shù) iK ， 其中 電流反饋系數(shù) / ( 10 / )NV A V I? ?? 1 3 6 . 2 0 . 0 3 4 1 0 . 8 7 70 . 1 2 4 4IiisKRK K?? ??? ? ?? 第 32 頁 共 43 頁 32 校驗近似條件 1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件為 13ci sw T? 現(xiàn)在 113 Iw K s??? ，而 111 1 9 9 .63 3 0 .0 0 1 6 7s sT ????顯然滿足近似條件。 由查 表 得： A=，取 ε= ； α 角考慮 30176。 抗電網(wǎng)電壓擾動。 第 25 頁 共 43 頁 25 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動時產(chǎn)生負的回饋制動轉(zhuǎn)矩。決不能簡單地應(yīng)用線性控制理論來分析和設(shè)計這樣的系統(tǒng)，可以采用分段線性化的方法來處理。與此同時，電動機的反電動 勢正也按線性增長。它們分別表示了電氣與機械慣性的影響。 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 當電動機的負載電流上升時，轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器的輸出 iU? 也將上升，當 dI 上升到某一數(shù)值dmI 時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出達到限幅值 imU? ，轉(zhuǎn)速環(huán)失去調(diào)節(jié)作用，呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變 第 19 頁 共 43 頁 19 化對系統(tǒng)不再影響。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常視 maxn 為電動機的額定轉(zhuǎn)速 Nn 。作為轉(zhuǎn)速負反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，所檢測的誤差是轉(zhuǎn)速，它要消除的也是擾動對轉(zhuǎn)速的影響。 引入 PI 調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)靜特性指標和穩(wěn)定性發(fā)生矛盾的情況下，能改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使它能同時滿足穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的要求。其優(yōu)點是體積小、功耗低、調(diào)試方便、性能穩(wěn)定；缺點是移相范圍小于 180176。 2） 靜止可控整流器。 本文主要開展的研究工作 根據(jù)本課題的實際情況，宜從以下幾個方面入手分析： 第 10 頁 共 43 頁 10 1） 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學模型 ； 2） 雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計 ； 3） 應(yīng)用 MATLAB 軟件對設(shè)計的系統(tǒng)進行仿真和校正 ； 本設(shè)計要求基于 VM 的雙閉環(huán)直流運動控制系統(tǒng)的設(shè)計和校正，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，再重點闡述該系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)性能和結(jié)構(gòu)特點。這兩大集團于 1994 年合并，成立現(xiàn)場總線基金會 (Fieldbus Foundation,FF)，致力于開發(fā)國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。由 Force Computers 制定的 VME64x 總線規(guī)范將總線速度提高到了 320Mbps。傳統(tǒng)上，這些功能是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。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過程?？梢獙崿F(xiàn)高精度和高動態(tài)性能的控制，不僅要控制速度，同時還要控制速度的變化率也就是加速度。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機械都采用電動機作原動機。 作者簽名： 年 月 日 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關(guān)學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。雙閉環(huán)系統(tǒng)的 轉(zhuǎn)速環(huán) 用來 控制電動機的轉(zhuǎn)速 ， 電流環(huán)控制輸出電流 ；該系統(tǒng)可以 自動限制最大電 流， 能有效抑制電網(wǎng)電壓波動的影響 ；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。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強等 優(yōu)點。在此情況下，業(yè)內(nèi)廠商經(jīng)過市場調(diào)查，確定開發(fā)的 DCS 產(chǎn)品應(yīng)以模擬量反饋控制為主，輔以開關(guān)量的順序控制和模擬量開關(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) 。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言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。由于 CPCI 總線工控機良好地解決了可靠性和可維護性問題，而且基于 Microsoft的軟件和開發(fā)工具的價位比較低，所以， CPCI 工控機得以迅速打入嵌入式產(chǎn)品市場。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）得到了越來越廣泛的應(yīng)用。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。因零線流過負載電流，在零線截面小時壓降大，往往需要從車間變壓器單獨敷設(shè)零線。穩(wěn)速原理可從圖 11所示的閉環(huán)與開環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系得到理解。 （ 3）對負載擾動起 抗擾作用。 3） 系統(tǒng)中采用電流截止負反饋環(huán)節(jié)來限制 啟動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過渡過程。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 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 共 43 頁 20 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型與 性能分析 晶閘管觸發(fā)電流和整流裝置 [8]的數(shù)學模型 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的放大系數(shù)可以通過兩種方法得到。 圖 48 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形 由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別標以 I、和 III。但是，由于 Id 仍大于負載電流 IdL，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。不過這兩段的時間只占全部起動時間中很小的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程可以稱為“準時間最優(yōu)控制”過程。 1)動態(tài)跟隨性能。由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后才在系統(tǒng)中有所反應(yīng)。 圖 61 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 Toi— 電流反饋濾波時間常數(shù) Ton— 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 確定系統(tǒng)時間常數(shù) 電樞回路的電磁時間常數(shù)： 17= 0 .0 1 71l L m HTsR ??? 電力拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)： 2210 1 375 375 2mG D RC e C m ??? ? ??? 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的失控時間： ? 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流環(huán)的簡化 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化： 如上圖所示 反電動勢 E 與電流反饋的作用相互交叉，給設(shè)計 第 30 頁 共 43 頁 30 帶來麻煩，須簡化。 設(shè)計后電流環(huán)可以達到動態(tài)指標 5%i?? 。 ( 2 ~ 3 ) ( 2 ~ 3 ) 6 13 0 63 6. 87 ~ 95 5. 3TN TmU U V V? ? ? ? 取 UTN=800V。但是從動態(tài)性能上 看，由于擾動作用的位置不同，還存在著及時調(diào)節(jié)上的差別。同樣，減速時也有這種情況。 特點二： 準時間最優(yōu)控制。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的