【正文】 電流環(huán)的另一個(gè)重要作用是對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)調(diào)節(jié)，從提高抗擾性能的觀 點(diǎn)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(chǎng)合或近似估算時(shí)，可用以下公式近似計(jì)算。因此，在突加 (減 )負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降 (升 )。這就是說(shuō)，采用 PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)必然有超調(diào)。隨著 ASR 的飽和與不飽和，整個(gè)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(yè) 共 43 頁(yè) 21 圖 45 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電流與電壓間、感應(yīng)電勢(shì)與電流之間 的數(shù)學(xué)模型 如圖表示了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)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(lì)磁下， E Cne? ，忽略摩擦力和彈性變形，電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分方程為 tnGDTT dd3752Le ?? 式中 Te— 電磁轉(zhuǎn)矩（ Nm? ） ,LT — 包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ Nm? ） , 2GD — 電力拖動(dòng)系統(tǒng)這算到電動(dòng)機(jī)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(biāo)包括靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)兩部分。由以上的計(jì)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(cè)精度。電動(dòng)機(jī)額定電壓為 220V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器 ,將電源電壓降低，為避三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)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(jī)組。 4）內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)的控制器正在進(jìn)入電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域 當(dāng)今是網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，信息化的電動(dòng)機(jī)自動(dòng)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(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)公路 (Highway Addressable Remote Transducer， HART)協(xié)議，它是由美國(guó) Rosemount 公司最早推出的一種兼容 4~20mA 模擬信號(hào)和調(diào)制數(shù)字信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議。目前，可編程控制器在機(jī)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(zhǎng)足的發(fā)展。 DCS產(chǎn)品雖然在原理上并沒(méi)有多少突破，但由于技術(shù)的進(jìn)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(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的 動(dòng)態(tài)波形。但電機(jī)的開(kāi)環(huán)運(yùn)行性能（靜差率和調(diào)速范圍）遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)，同時(shí)對(duì)其參數(shù) 計(jì)算。 不保密 □。 近 30年來(lái)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。同時(shí)，開(kāi)發(fā) DCS 還應(yīng)強(qiáng)調(diào)向用戶提供整個(gè)系統(tǒng)。 上世紀(jì) 80年代至 90年代中期，是 PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為 3040%。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。但近年來(lái)，現(xiàn)代控制理論在電動(dòng)機(jī)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?dú)w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(yùn)算得以實(shí)時(shí)完成。 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)來(lái)選定。三相橋式整流電路的缺點(diǎn)是整流器件用得多，全控 橋需要六個(gè)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(kāi)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(kāi)環(huán)放大系數(shù) K有關(guān)。 （ 3）對(duì)交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的抗擾能力。 而由于電機(jī)上網(wǎng)容量較大，又要求電流的脈動(dòng)小，故選用三相全控橋式整流電路供電方案。 第 18 頁(yè) 共 43 頁(yè) 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(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)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(dá)到限幅值，強(qiáng)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(shí)起調(diào)節(jié)作用。 特點(diǎn)三： 轉(zhuǎn)速超調(diào)。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)強(qiáng)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(shí)間常數(shù)之和iT?：按小時(shí)間常數(shù)近似處理，iT?=sT +0iT =。 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? ? % % % % /mtT v/tT 所以電流環(huán)按典型 I 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)間常數(shù) i? 應(yīng)對(duì)消控制對(duì)象中的大慣性環(huán)節(jié)時(shí)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(yè) 共 43 頁(yè) 32 校驗(yàn)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(dòng)。 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。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。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)。它們分別表示了電氣與機(jī)械慣性的影響。 （ 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。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 。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。 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。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。 2） 靜止可控整流器。 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)。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 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(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)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(dòng)過(guò)程?？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。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)。 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。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。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)。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) 。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。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)。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。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(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。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。 （ 3）對(duì)負(fù)載擾動(dòng)起 抗擾作用。 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。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。 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。 圖 48 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形 由于在起動(dòng)過(guò)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(gè)階段，整個(gè)過(guò)渡過(guò)程也就分成三段，在圖中分別標(biāo)以 I、和 III。但是，由于 Id 仍大于負(fù)載電流 IdL，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。不過(guò)這兩段的時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成份，已無(wú)傷大局，所以雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過(guò)程。 1)動(dòng)態(tài)跟隨性能。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 Toi— 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) Ton— 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 確定系統(tǒng)時(shí)間常數(shù) 電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)： 17= 0 .0 1 71l L m HTsR ??? 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)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(shí)間： ? 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 電流環(huán)的簡(jiǎn)化 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡(jiǎn)化： 如上圖所示 反電動(dòng)勢(shì) E 與電流反饋的作用相互交叉，給設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè) 共 43 頁(yè) 30 帶來(lái)麻煩，須簡(jiǎn)化。 設(shè)計(jì)后電流環(huán)可以達(dá)到動(dòng)態(tài)指標(biāo) 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(dòng)態(tài)性能上 看，由于擾動(dòng)作用的位置不同，還存在著及時(shí)調(diào)節(jié)上的差別。同樣，減速時(shí)也有這種情況。 特點(diǎn)二： 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的