【正文】 這種調節(jié)作用，在起動過程中電流調節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電壓 Ud0m 也須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和，這些都是在設計中必須注意的。 圖 47 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖 第 23 頁 共 43 頁 23 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定電壓 nU? 時的起動過程 1)過程分析。這時的靜特性為圖中的 AB段，呈現很陡的下垂特性。 0 100%Nns n??? 顯然，靜差率表示調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定程度，它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定程度就越高。 方案 三 采用 轉速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng) ，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產工藝的要求的滿足，既 保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。 在開環(huán)調速系統(tǒng)中，控制電壓與輸出轉速之間只有順向作用而無反向聯系，即控制是單方向進行的，輸出的轉速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產生。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調制的方法產生可調的直流平均電壓。 2） 減弱磁通調速法 保持電 樞電壓為額定值，電樞回路不加入附加電阻，而減小直流電動機的勵磁電流以減弱磁通。 國內外的主要研究工作和研究成果 近 30年來，電力拖動系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。 由于用戶希望使用與所熟悉的桌面 PC 機相同的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具，導致了開放式桌面 PC 在工業(yè)環(huán)境中的直接應用。這些早期的控制器滿足了最初的要求，并且打開了新的控制技術的發(fā)展的大門。 相關課題的發(fā)展歷史 控制系統(tǒng)其實從 20世紀 40 年代就開始使用了，早期的現場基地式儀表和后期的繼電器構成了控制系統(tǒng)的前身。因而也就有了轉速、電流雙閉環(huán)的控制結構。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。 第 1 頁 共 43 頁 1 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。 直流電動機 因 具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍 內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到 了廣泛 應用。 [4] 第 6 頁 共 43 頁 6 第 1章 緒論 1． 1 課題的來源、研究背景及意義 許多生產機械要求在一定的范圍內進行速度的平滑調節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能?，F在所說的控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進行智能控制的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱為第三代控制系統(tǒng)，以 PLC 和 DCS為代表，從70 年代開始應用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過程控制中獲得迅猛的發(fā)展。在很短的時間， PLC 就迅速擴展到食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個行業(yè) 。除了 VME 總線工控 機外，產生了一系列基于 PC的、與 ISA/PCI 總線標準兼容的嵌入式工控機，其中比較有代表性的是 CompactPCI/PXI總線、 AT96 總線、 STD 總線、 STD32 總線、 PC/104 和 PC/104Plus 總線嵌入式工業(yè)控制機。但技術革新是永無止盡的，為了進一步提高電動機自動控制系統(tǒng)的性能，有關研究工作正圍繞以下幾個方面展開： 1）采用新型電力電子器件 電力電子器件的不斷進步，為電機控制系統(tǒng)的完善提供了物質保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展。弱磁調速只能在額定轉速以上的范圍內調節(jié)轉速。 [5] 一般說來，在整流器功率很小時（ 4kW 以下 ） ，用單相整流；功率較大時，用三相整流電路，故選用三相整流電路 [6]。 已知系統(tǒng)當電流連續(xù)時，在額定負載下的轉速降落為 第 12 頁 共 43 頁 12 5 5 1 2 8 6 .4 6 r / m in0 .1 9 2NdN IRn Ce ?? ? ? 開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉速時的靜差率為 2 8 6 .4 6 1 0 0 % 2 2 .2 7 %2 8 6 .4 6 1 0 0 0NNNNnS nn?? ? ? ?? ? ? 已遠遠超過了 5%的要求，更何況滿足調速范圍最低轉速的情況以及考慮電流斷續(xù)時的情況。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉速，實現轉速無靜差調節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產需求。 [5] 第 17 頁 共 43 頁 17 第 4章 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng) 原理 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成 圖 41 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖 如圖 41所示為轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理框圖。 由以上分析可知，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流 d dmII? 時表現為轉速無靜差，這時 ASR 起主要調節(jié)作用。設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程。 第 III階段 t2以后是轉速調節(jié)階段。起動過程中主要的階段是第Ⅱ階段，即恒流升速階段，它的特征是電流保持恒定，一般選擇為允許的最大值，以便充分發(fā)揮電機的過載能力，使起動過程盡可能最快。類似的問題還可能在空載起動 時出現。負載擾動作用在被調量的前面，它的變化經積分后就可被轉速檢測出來，從而在調節(jié)器 ASR上得到反映。 晶閘管額定電流 選擇晶閘管額定電流 的原則是必須使 晶閘管 允許通過的額定電流有效值 TNI 大于實際流過 晶閘管 電流最大有效值 TI ，即 TAVTTN III )( ?? 第 28 頁 共 43 頁 28 表 2 晶閘管額定電壓、電流 線路圖 元件承受峰值電壓 mTU 控制角 2dUU K 26U 0 30 60 90 26U 0 30 60 90 26U 0 30 60 dddTTAVT KIIIIII ??? )( 其中 IK I? 為電流計算系數，可由表查得 K=. 考慮 (～ 2)倍的裕量 () ( 1. 5 ~ 2) ( 1. 5 ~ 2) 0. 36 7 55 30 .2 8 ~ 40 . 37T A V dI KI A A? ? ? ? ? 取 ()50T AVIA? ，可選 KP1007 晶閘管元件 [12]。 計算調節(jié)器電阻和電容 電流調節(jié)器原理如圖 53 所示，按所用運算放大器取 0 40Rk??,各電阻和電容值計算如下： 圖 53 含濾波環(huán)節(jié)的 PI型電流調節(jié)器 第 33 頁 共 43 頁 33 0 40 ( )iiR K R k? ? ? ? ? (取 35k? ) 630 . 0 1 7 0 . 4 8 5 1 0 0 . 4 8 53 5 1 0iiiC F FR? ??? ? ? ? ?? （取 F? ） 634 4 0 . 0 0 2 0 . 2 1 0 0 . 24 0 1 0oioioTC F FR ???? ? ? ? ??（取 F? ） 按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標 % 5%i? ??，滿足設計要求。首先設計電流調節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個小慣性環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，這個問題便大有好轉。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的 動態(tài)性能 一般來說，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能 [11]。但整個起動過程與理想快速起 動過程相比還有一些差距，主要表現在第 I、III 兩段電流不是突變。轉速超調以后， ASR 輸入端出現負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即 ACR 的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流 Id 也因而下降。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)突加給定電壓；由靜止 狀態(tài)起動時，轉速和電流的過渡過程示于圖 。這就是采用了兩個 PI 調節(jié)器分別形成內、外連個閉環(huán)的效果，這樣的靜特性顯然比帶電流截至負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性要強得多。一旦達到給定轉速，系統(tǒng)自 動進入轉速控制方式，轉速閉環(huán)起主導作用，而電流內環(huán)則其跟隨作用使實際電流快速跟隨給定值（轉速調節(jié)器的輸出），以保持轉速恒定。 2） 在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中用一個調節(jié)器綜合多種信號，各參數間相互影響，難于進行調節(jié)器動態(tài)參數的調整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。 （ 2）其穩(wěn)態(tài)輸出值正比于電動機穩(wěn)態(tài)工作電流值（由負載大小而決定），輸出限幅值取決于電動機允許最大電流值（或負載允許最大轉矩）。 從電動機運行特性的立場分析，閉環(huán)系統(tǒng)能大大提高穩(wěn)速性能的原因是系統(tǒng)在負載變化時可通過閉環(huán)調節(jié)使電樞電壓自動跟蹤負載變化，補償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉速基本不變。但缺點是要求晶閘管耐壓高，整流輸也電壓脈動大，需要平波電抗器容量大，電源變電器二次電流中有直流分量，增加了發(fā)熱和損耗。 以上 3 種調速方法，改變電樞回路電阻調速只能對電動機的轉速作有極的調節(jié)，轉速的穩(wěn)定性差，調速系統(tǒng)效率低。 傳統(tǒng)直流電動機的整流裝 置采用晶閘管，雖然在經濟性和可靠性上都有一定優(yōu)勢，但其控制復雜，對散熱要求也較高。為了將 PCI SIG 的 PCI 總線規(guī)范用在工業(yè)控制計算機系統(tǒng)， 1995 年 11月 PCI 工業(yè)計算機制造者聯合會 (PICMG)頒布了 CompactPCI 規(guī)范 版。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)控制裝置。 DCS 的發(fā)展歷程 70 年代中期，由于設備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參 數增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經普及的電動單元組合儀表不能完 第 7 頁 共 43 頁 7 全滿足要求。 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是直流調速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應用非常廣泛的電力傳動系統(tǒng)。 采用 速度、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) ,可以充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態(tài)過程 ，調速范圍廣，精度高， 和旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性 ，動態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。有效地控制電機，提高其運行性能，對國民經濟具有十分重要的現實意義。由電動機的運動方程可知，加速度與電動機的轉矩成正比關系，而轉矩又與電動機的電流成正比。 隨著社會化大生產的不斷發(fā)展，電力傳動裝置在現代化工業(yè)生產中的得到廣泛應用，對其生產工藝、產品質量的要求不斷提高，這就需要越來越多的生產機械能夠實 現制動調速，因此我們就要對這樣的自動調速系統(tǒng)作一些深入的了解和研究。 1968 年美國 GM（通用汽車）公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字設備公司（ DEC）研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用 程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable ,是世界上公認的第一臺 PLC。 VME總線工控機是實時控制平臺，大多數運行的是實時操作系統(tǒng)，并由 OS制造商提供專用的軟件開發(fā)工具開發(fā)應用程序。 4) LonWork(Local Operating Network 局部操作網 )現場總線 它是由美國 Echelon 公司于 1990 年正式推出的。運用所給定的參數對系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)進行設計計算并校驗，最后通過建立調速系統(tǒng)的模型應用仿真軟件進行仿真測試。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產生 第 11 頁 共 43 頁 11 可調的直流電壓。 ，為保證觸發(fā)脈沖對稱度，要求高流電網波形畸變率小于 5%，廣泛應用于各種晶閘管裝置中。 [5] 第 14 頁 共 43 頁 14 2） 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) ： 圖 13 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) ASR— 轉速調節(jié)器 ACR— 電流調節(jié)器 TG— 轉速測量裝置 TA— 電流互感器 UPE— 電力電子變換器 為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯接 。所以轉速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉矩）的動態(tài)過程。 (2)靜差率 S。此時只剩下電流環(huán)起作用，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)由轉速無靜差系統(tǒng)變?yōu)橐粋€電流無靜差的單閉環(huán)恒流調節(jié)系統(tǒng)。 應用以上各式，再運用拉式變換 [9]，即可得