【正文】 計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖T0i：電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)； T0n：轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的作用：（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 單閉環(huán)系統(tǒng)2）雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。在設(shè)計(jì) ASR 時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。第 I 階段（0t1）是電流上升的階段；第 II 階段（t1t2）是恒流升速階段；第 III 階段（t2 以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。如果采用PI 調(diào)節(jié)器，則有 (43) (44)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 由靜止起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程示于下圖。 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： （41）rVrVnUmmin/* ????電流反饋系數(shù)： （42）AVIdmi /*???? 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。這就是采用兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 ASR 主導(dǎo)，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差dmI? ACR 主導(dǎo)，表現(xiàn)為電流無(wú)靜差（過(guò)電流保護(hù)）?雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于最大允許最大電流時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。*imddUII??這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的點(diǎn)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有調(diào)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種狀況：（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：穩(wěn)態(tài)時(shí)，他們的輸入偏差電壓都是零，因此 ，*0nU??而得到下圖 靜特性的 CA 段。即 PI 的作用使輸入偏差電壓 在穩(wěn)U?態(tài)時(shí)總為零。即飽和調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成總是不會(huì)飽和的，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有時(shí)運(yùn)行在飽和輸出狀態(tài)，有時(shí)運(yùn)行在不飽和狀態(tài)。電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器均為具有限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸出達(dá)到飽和值時(shí)，輸出量的變化不再影響輸出，除非產(chǎn)生反向的輸入才能使調(diào)節(jié)器退出飽和。這就是采用了兩個(gè) 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于最大電流 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這maxdI時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。采用 型的好處是其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)PI節(jié)的需要決定的。PI兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這就是說(shuō)把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。圖 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR電流調(diào)節(jié)器，TG測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA電流互感器，UPE電力電子變換器。帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)便是在這種要求下產(chǎn)生的。這就要求在啟動(dòng)過(guò)程dmeUIRCn???fzeUICn???中把電動(dòng)機(jī)的電流當(dāng)作被調(diào)節(jié)量, 使之維持在電機(jī)允許的最大值 , 并保持不變。如果能使啟動(dòng)電流按虛線的形狀變化, 充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力, 使電機(jī)一直在較大的加速轉(zhuǎn)矩下啟動(dòng), 啟動(dòng)時(shí)間就會(huì)大直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)大縮短, 只要 就夠了。dmI1t實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng), 除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外, 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求, 例如可逆軋鋼, 龍門(mén)刨床都是經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的, 為了提高生產(chǎn)率, 要求盡量縮短過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。為達(dá)到這個(gè)目的, 采用電流截止負(fù)反饋的系統(tǒng), 它能得到啟動(dòng)電流波形, 。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來(lái)看, 單環(huán)系統(tǒng)已能基本上滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成速度與電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是20世紀(jì)60年代在國(guó)外出現(xiàn)的一種新型的調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度。晶閘管主要需要四種保護(hù)：過(guò)電壓保護(hù)和 du/dt 限制，過(guò)電流保護(hù)和 di/dt 限制。晶閘管具有許多優(yōu)點(diǎn)，但它屬于半導(dǎo)體器件，因此具有半導(dǎo)體器件共有的弱點(diǎn)，承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力差，很短時(shí)間的過(guò)電壓和過(guò)電流就會(huì)造成元件的損壞。其電路原理圖如圖 所示。直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其電路原理圖如圖 所示。直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。cmTm=30ms、T l=測(cè)速發(fā)電機(jī)參數(shù):U n=80V，n N=3000r/min，P N=16W，I N=200mA，負(fù)載電阻 R=400Ω二、PWM 主電路：驅(qū)動(dòng)頻率 f≥10kHz三、設(shè)計(jì)指標(biāo)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)：D=20，s≤5%；轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)：U *n=5V，U im=5V，I dm=，σ i≤5%，σ n≤10%。五、提交完整的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)、轉(zhuǎn)速電流雙環(huán)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三、設(shè)計(jì)采用模擬調(diào)節(jié)器及 MOSFET 功率器件實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，繪制控制電路及主電路電路圖。 設(shè)計(jì)要求一、根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算、判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性、繪制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 設(shè)計(jì)內(nèi)容一、根據(jù)給定參數(shù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)保持恒定，勵(lì)磁繞組采用三相不控橋式整流直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路供電，電源可從主變壓器二次側(cè)引入。出現(xiàn)故障電流時(shí)過(guò)電流繼電器切斷主電路電源。因調(diào)速精度要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。為避免三次諧波電動(dòng)勢(shì)的不良影響，三次諧波電流對(duì)電源的干擾。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。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)。 方案選擇，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。方案二采用雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)方法，雖然相對(duì)成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對(duì)生產(chǎn)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(shí)也兼顧了啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程。并且晶閘管整流電路的輸出電壓中除了直流分量外,還含有交流分量。因此,除非主電路電感 L = ∞, 否則晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總會(huì)帶來(lái)各種影響,主要有:(1) 脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利。該方案的原理框圖如圖 所示。在電路中，ASR 和 ACR 串聯(lián)，即把 ASR 的輸出當(dāng)做 ACR 的輸入，再由 ACR 得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖 方案一原理框圖方案二：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。2 總體方案設(shè)計(jì) 方案比較方案一：?jiǎn)伍]環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。與 VM 系統(tǒng)相比，PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路簡(jiǎn)單，需用的電力電子器件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:10000 左右；若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；電力