【文章內容簡介】 拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應，較高的工作效率以及可以四象限運行和制動，其靜特性已可以與直流電動機拖動系統(tǒng)相媲美。國際上許多國家交流電力拖動系統(tǒng)已進入工業(yè)實用化階段，大有取代直流電力拖動系統(tǒng)的勢頭。 但就目前而言，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調速的場合得到廣泛的應用。直流電動機可逆調速 系統(tǒng)數(shù)字化已經走向實用化，其主要特點是： (1) 常規(guī)的晶閘管直流調速系統(tǒng)中大量硬件可用軟件代替，從而簡化系統(tǒng)結構，減少了電子元件虛焊、接觸不良和漂移等引起的一些故障，而且維修方便； (2) 動態(tài)參數(shù)調整方便； (3) 系統(tǒng)可以方便的設計監(jiān)控、故障自診斷、故障自動復原程序，以提高系統(tǒng)的可靠性； (4) 可采用數(shù)字濾波來提高系統(tǒng)的抗干擾性能； (5) 可采用數(shù)字反饋來提高系統(tǒng)的精度； (6) 容易與上一級計算機交換信息； (7) 具有信息存儲、數(shù)據(jù)通信的功能； (8) 成本較低。 而且，直流調速系統(tǒng)在理論和實踐 上都比較成熟，從控制技術的角度來看，又是交流調速系統(tǒng)的基礎，因此，應首先著重研究直流調速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調速系統(tǒng)進行研究和探索 [1]。 研究雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的目的和意義 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調速系統(tǒng) , 采用轉速 、 電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性 。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎。首先，應掌握轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性 ；然后，在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基礎上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉速與電流兩個調節(jié)器的作用；第三，研究一般調節(jié)器的工程設計方法，和經典控制理論的動態(tài)校正方法相比，得出該設計方法的優(yōu)點，即55 東北電力大學本科畢業(yè)設計論文 5 計算簡便、應用方便、容易掌握；第四，應用工程設計方法解決雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中兩個調節(jié)器的設計問題，等等。 通過對轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調速系統(tǒng)的基本理論及相關內容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場 合，提高其使用效率。并以此為基礎，再對交流調速系統(tǒng)進行研究，最終掌握各種交、直流調速系統(tǒng)的原理，使之能夠應用于國民經濟各個生產領域。 本文的研究內容 本文從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，并詳細分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動態(tài)性能。然后按照自動控制原理，對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計參數(shù)進行分析和計算，利用 Simulink 對系統(tǒng)進行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。 本文的主要工作： 1. 掌握電機傳動的工作原理及應用； 2. 設計調速系統(tǒng)； 主要內容包括：觸發(fā)電路 設計；電流調節(jié)器設計；轉速調節(jié)器設計。 3. 建立數(shù)學模型，計算其參數(shù)； 4. 進行數(shù)字仿真，驗證其設計； 5. 完成相關實驗。 66 東北電力大學本科畢業(yè)設計論文 6 第二章 直流調速系統(tǒng) 直流調速系統(tǒng)的調速原理及性能指標 直流調速系統(tǒng)的調速原理 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內平滑調速，所以由晶閘管 —直流電動機 (V—M)組成的直流調速系統(tǒng)是目前應用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。它在理論上實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制的角度看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎 [1， 6]。 從生產機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉速來實現(xiàn)的，因此，調速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。直流電動機的轉速和其它參量的關系和用式（ 2—1）表示 ??? eK IRUn （ 2— 1） 式中 n—— 電動機轉速； U—— 電樞供電電壓； I—— 電樞電流； R—— 電樞回路總電阻，單位為 ? eK —— 由電機機構決定的電勢系數(shù)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負載決定的，因此，調節(jié)電動機的轉速可以有三種方法： （ 1）調節(jié)電樞供電電壓 U； （ 2） 減弱勵磁磁通 ? ； （ 3） 改變電樞回路電阻 R。 對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞 供電電壓的方77 東北電力大學本科畢業(yè)設計論文 7 式最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調速，但調速的范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上做小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以改變電壓調速為主。 直流調速系統(tǒng)的性能指標 根據(jù)各類典型生產機械對調速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調速指標。靜態(tài)調速指標要求電力傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉速和最低轉速范圍內調節(jié)轉速，并且要求在不同轉速下工作時，速度穩(wěn)定；動態(tài)調速指標要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并且具有良好的抗擾動能力。抗擾動性 是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響 [1， 6]。 一、靜態(tài)性能指標 1）．調速范圍 生產機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉速 maxn 與最低轉速minn 之比，稱為調速范圍，用符號 D 表示 minmaxnnD? （ 2— 2） 2）．靜差率 靜差率是用來表示負載轉矩變化時，轉速變化的程度，用系數(shù) s 來表示。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉速降落 edn? 與理想空載轉速 0n 之比，用百分數(shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 顯然，機械 特性硬度越大，機械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。 然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖 2— 1 中的線 1 和線 2，它們有相同的轉速降落1edn? = 2edn? ，但由于 0102 nn ? ，因此 12 ss ? 。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉速的相對穩(wěn)定性就越差。在 1000r/min 時降落 10r/min，只占 1%；在100r/min 時也降落 10r/min，就占 10%；如果 0n 只有 10r/min，再降落 10r/min 時，電動機就停止轉動，轉速全都降落完了。 由圖 2— 1 可見，對一個調速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉速運行的靜差率s，那么，其它轉速的靜差率也必然都能滿足。 88 東北電力大學本科畢業(yè)設計論文 8 圖 2— 1 事實上，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。一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調范圍。脫離了對靜差率的要求。任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調速范圍；反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。 動態(tài)性能指標 生產工藝對控制系統(tǒng)動態(tài)性能的要求經折算和量化后可以表達為動態(tài)性能指標。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的抗擾性能指標。 一、跟隨性能 指標 在給定信號（或稱參考輸入信號） R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量 C(t)的變化情況可用跟隨性能指標來描述。當給定信號表示方式不同時，輸出響應也不一樣。通常以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應又稱為階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c 的偏差越小越好，達到 ?c 的時間越快越好。常用的階躍響應跟隨性能指標有上 升時間，超調量和調節(jié)時間： 1）上升時間 rt 在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所經過的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應的快速性，見圖 2— 2。 99 東北電力大學本科畢業(yè)設計論文 9 圖 2— 2 2）超調量 %? 在典型的階躍響應跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，叫做超調量： %100% m a x ?????c cc? （ 2— 4） 超調量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)。 3）調節(jié)時間 st 調節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調節(jié)過程的快慢。原則上它應該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 ? ?%2%5 ?? 或 的范圍作為允許誤差帶，以響應曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間定義為調節(jié)時間，可見圖 2— 2。 二、抗擾性能指標 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標，可見圖 2— 3。常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時間： 1）動態(tài)降落 %maxc? 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動（如額定負載擾動）后引起轉速的最大降落值 %maxc? 叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 1?c 的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ? ?212 , ??? ? ccc 是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調速系統(tǒng)突加額 定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落 %maxn? 。 2）恢復時間 ft 從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值 2?c 之差進入某基準量 bc 的 ? ?%2%5 ?? 或 范圍之內所 需的時間，定義為恢復時間 ft ，其中 bc稱為抗擾指標中輸出量的基準值。 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標的要求各有不同，要根據(jù)生產機械的具體要求而定。一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主。 1010 東北電力大學本科畢業(yè)設計論文 10 圖 2— 3 電流、轉速雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作過程和原理 : 電動機在啟動階段 ,電動機的實際轉速(電壓 )低于給定值 ,速度調節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號 ,經放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ,速度調節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調節(jié)器 , 此時則以最大電流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號 ,直流電壓迅速上升 ,電流也隨即增大直到等于最大給定值 , 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機的最大電流 (堵轉電流 )可以通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉速上升到給定轉速后 , 速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零 ,速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽 和 狀態(tài) ,閉環(huán)調節(jié)開始起作用 。 對負載引起的轉速波動 ,速度調節(jié)器輸入端產生的偏差信號將隨時通過速度調節(jié)器 、 電流調節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ,使整流橋輸出的直流電壓相應變化 ,從而校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調節(jié)器的小時間常數(shù) , 還能夠對因電網波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調節(jié) ,可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時 ,迅速使電流恢復到原來值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行 [1， 5， 6， 8]。 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成及其靜特性 一、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。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。 1111 東北電力大學本科畢業(yè)設計論文 11 圖 2— 4 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 其中： ASR轉速調節(jié)器 ACR電流調節(jié)器 TG測速發(fā)電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器 *Un 轉速給 定電壓 Un轉速反饋電壓 *Ui 電流給定電壓 Ui 電流反饋電壓 二、 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析 圖 2— 5 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖 分析靜特性的關鍵是掌握 PI 調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和 —輸出達到限幅值，不飽和 —輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和，換句話說，飽 和的 調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系，相當于使