【正文】 速系統(tǒng)。 2） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，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。在啟動(dòng)過(guò)程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最佳過(guò)渡過(guò)程，很好的滿(mǎn)足了生產(chǎn)需求。但是在調(diào)速系統(tǒng)忠有兩類(lèi)情況對(duì)電流的控制提出了要求：一是啟、制動(dòng)的時(shí)間控制問(wèn)題，二是負(fù)載擾動(dòng)的電 第 15 頁(yè) 共 43 頁(yè) 15 流控制問(wèn)題。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。 方案 二 采用 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 方案選擇 方案一采用直流開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 （ 3）對(duì)交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的抗擾能力。 對(duì)于電流調(diào)節(jié)器： （ 1）啟動(dòng)過(guò)程保證電動(dòng)機(jī)能獲得最大允許的動(dòng)態(tài)電流。 （ 2）其穩(wěn)態(tài)輸出值正比于電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作電流值（由負(fù)載大小而決定），輸出限幅值取決于電動(dòng)機(jī)允許最大電流值（或負(fù)載允許最大轉(zhuǎn)矩）。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。 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(mǎn)足穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的要求。高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源 和高精度的檢測(cè)原件。對(duì)于一切被負(fù)反饋環(huán) 包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，都能被反饋控制系統(tǒng)有效地加以抑制。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)。 圖 11 閉環(huán)與開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速特性間的關(guān)系 第 13 頁(yè) 共 43 頁(yè) 13 閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng) 1） 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速 ： 圖 12 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 如圖是帶有比例放大器的轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律。 從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的立場(chǎng)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(fù)載變化時(shí)可通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)使電樞電壓自動(dòng)跟蹤負(fù)載變化，補(bǔ)償電樞電流在回路電阻上的壓降損失，從而維持轉(zhuǎn)速基本不變。 已知系統(tǒng)當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為 第 12 頁(yè) 共 43 頁(yè) 12 5 5 1 2 8 6 .4 6 r / m in0 .1 9 2NdN IRn Ce ?? ? ? 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 5%的要求，更何況滿(mǎn)足調(diào)速范圍最低轉(zhuǎn)速的情況以及考慮電流斷續(xù)時(shí)的情況。 調(diào)速系統(tǒng)的類(lèi)型 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 該 系統(tǒng)中，只通過(guò)改變觸發(fā)或驅(qū)動(dòng)電路的控制電壓來(lái)改變功率變換電路的輸出平均電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，都屬于開(kāi)環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)。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。 觸發(fā)電路的選擇 門(mén)極電壓又叫觸發(fā)電壓。 由于電機(jī)的容量較大，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。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。而三相橋式整流電路，在輸出整流電壓相同時(shí)，電源相電壓可較三相零整流電路小一半，困此顯著減輕了變壓器和晶閘管的耐壓要求，變壓器二次繞組電流中沒(méi)有直流分量、利用率高。但缺點(diǎn)是要求晶閘管耐壓高，整流輸也電壓脈動(dòng)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。 [5] 一般說(shuō)來(lái)，在整流器功率很小時(shí)（ 4kW 以下 ） ，用單相整流；功率較大時(shí)，用三相整流電路，故選用三相整流電路 [6]。 3） 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。 2） 靜止可控整流器。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。由于該設(shè)計(jì)對(duì)起動(dòng)、制動(dòng)及調(diào)速精度要求較高，故選用直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)。 根據(jù)負(fù)載性質(zhì)來(lái)選定。調(diào)壓調(diào)速所得到的認(rèn)為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基 速（額定轉(zhuǎn)速）以下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 以上 3 種調(diào)速方法，改變電樞回路電阻調(diào)速只能對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速作有極的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差，調(diào)速系統(tǒng)效率低。弱磁調(diào)速只能在額定轉(zhuǎn)速以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 第 2章 方案 設(shè)計(jì) 直流調(diào)速 方法 直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 方法 主要有以下幾種 ： 1） 改變電樞回路電阻調(diào)速法 保持直流電動(dòng)機(jī)外加電樞電壓與勵(lì)磁磁通為額定值，改變電樞回路電阻而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速過(guò)程中，直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速不變，但在相同的轉(zhuǎn)矩下，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降落將隨外加電阻的增大而增大，機(jī)械特性的斜率就越大。 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)。這種控制系統(tǒng)采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系統(tǒng)的軟件平臺(tái)上工作，控制 系統(tǒng)自身就具有局域網(wǎng)甚至互聯(lián)網(wǎng)的上網(wǎng)功能，這樣就為遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程故障診斷及維護(hù)提供了方便。 3）采用總線技術(shù) 現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上有朝總線化發(fā)展的趨勢(shì)，總線化使得各種電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)有可能采用相同的硬件結(jié)構(gòu)。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。由于晶體管是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的全控型器件，其性能優(yōu)良，以大功率晶體管為基礎(chǔ)組成的晶體管脈寬調(diào)制（ PWM）直流調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動(dòng)中使用呈現(xiàn)越來(lái)越普遍的趨勢(shì)。 傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的整流裝 置采用晶閘管，雖然在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有一定優(yōu)勢(shì)，但其控制復(fù)雜，對(duì)散熱要求也較高。但技術(shù)革新是永無(wú)止盡的，為了進(jìn)一步提高電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，有關(guān)研究工作正圍繞以下幾個(gè)方面展開(kāi)： 1）采用新型電力電子器件 電力電子器件的不斷進(jìn)步，為電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)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。它采用 ISO/OSI 模型的全部 7層協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化為參數(shù)設(shè)置，其最大傳輸速率為 ,傳輸距離 為 2700m，傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜、射頻、紅外線和電力線等。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。在當(dāng)前的過(guò)渡時(shí)期具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，得到了較快的發(fā)展。 2) 控制局域網(wǎng) (Control Area Network， CAN)控制網(wǎng)絡(luò) 最早由德國(guó) BOSCH 公司推出，用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間數(shù)據(jù)通信。該項(xiàng)技術(shù)是由西門(mén)子公司為主的十幾家德國(guó)公司、研究所共同推出的。但相對(duì)于 PCI/ISA 加固型工控機(jī)而言，由于總體成本高、技術(shù)開(kāi)發(fā)難度大、無(wú)源背板定義并不完全統(tǒng)一導(dǎo)致模板配套性差、電磁兼容性設(shè)計(jì)要求高等因素， CompactPCI 工控機(jī)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域并未得到實(shí)際應(yīng)用，反而在電信市場(chǎng)獲得廣泛應(yīng)用。為了將 PCI SIG 的 PCI 總線規(guī)范用在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)， 1995 年 11月 PCI 工業(yè)計(jì)算機(jī)制造者聯(lián)合會(huì) (PICMG)頒布了 CompactPCI 規(guī)范 版。除了 VME 總線工控 機(jī)外，產(chǎn)生了一系列基于 PC的、與 ISA/PCI 總線標(biāo)準(zhǔn)兼容的嵌入式工控機(jī)，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(jī)。 VME 總線最新產(chǎn)品已經(jīng)采用了 500MHz 的 Pentium Ⅲ 處理器。由 Force Computers 制定的 VME64x 總線規(guī)范將總線速度提高到了 320Mbps。 第 8 頁(yè) 共 43 頁(yè) 8 PC技術(shù)推動(dòng)了工控機(jī)技術(shù)的發(fā)展 歷史上， VME 總線工業(yè)控制機(jī)一直是許多嵌入式應(yīng)用的首選機(jī)型。 20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。 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%。此時(shí)的 PLC 為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。人們很快將其引入可編程控制器，使 PLC 增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。在很短的時(shí)間， PLC 就迅速擴(kuò)展到食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個(gè)行業(yè) 。 由于第一代 PLC 是為了取代繼電器的，因此，采用了梯形圖語(yǔ)言作為編程方式，形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。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。 1975 年至 80年代前期為第一代產(chǎn)品， 80年代中期至 90年代前期為第二代產(chǎn)品， 90 年代中期至 21 世紀(jì)初為第三代產(chǎn)品。 在以后的近 30年間， DCS 先與成套設(shè)備配套，而后逐步擴(kuò)大到工藝裝置改造上，與此同時(shí)，也分成大型 DCS 和中小型 DCS 兩類(lèi)產(chǎn)品，使其性能價(jià)格比更具有競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，開(kāi)發(fā) DCS 還應(yīng)強(qiáng)調(diào)向用戶(hù)提供整個(gè)系統(tǒng)。 1975 年前后，在原來(lái)采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器 (DDC)的自控和計(jì)算機(jī)技 術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統(tǒng) (DCS)。 DCS 的發(fā)展歷程 70 年代中期，由于設(shè)備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參 數(shù)增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經(jīng)普及的電動(dòng)單元組合儀表不能完 第 7 頁(yè) 共 43 頁(yè) 7 全滿(mǎn)足要求。現(xiàn)在所說(shuō)的控制系統(tǒng)，多指采用電腦或微處理器進(jìn)行智能控制的系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)的發(fā)展史上，稱(chēng)為第三代控制系統(tǒng)，以 PLC 和 DCS為代表，從70 年代開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業(yè)過(guò)程控制中獲得迅猛的發(fā)展。本次設(shè)計(jì)的課題是雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 。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。在實(shí)際工作中，我們希望在電機(jī)最大電流限制的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專(zhuān)門(mén)用來(lái)控制電流的。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(mǎn)足要求。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是直流調(diào)速控制系統(tǒng)中發(fā)展得最為成熟，應(yīng)用非常廣泛的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。 [4] 第 6 頁(yè) 共 43 頁(yè) 6 第 1章 緒論 1． 1 課題的來(lái)源、研究背景及意義 許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求具有良好的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。 因而同時(shí)對(duì)速度和電流進(jìn)行控制，成為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能電機(jī)控制系統(tǒng)所必須完成的工作?？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。按反饋控制原理組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)是減小或消除靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落的有效途徑。該調(diào)速方法可以實(shí)現(xiàn)大范圍平滑調(diào)速，是目前直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方案。 近 30年來(lái)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)得到了迅猛的發(fā)展。 盡當(dāng)今功率半導(dǎo)體變流技術(shù)已有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在工業(yè)生產(chǎn)中 VM系統(tǒng)的應(yīng)用還是有相當(dāng)?shù)谋戎亍?采用 速度、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) ,可以充分利用電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)過(guò)程 ，調(diào)速范圍廣，精度高， 和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性 ，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能均好，且系統(tǒng)易于控制。 直流電動(dòng)機(jī) 因 具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍 內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到 了廣泛 應(yīng)用。 20 世紀(jì) 90年代前的大約 50 年的時(shí)間里，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。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)。最后，重點(diǎn)設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制器電路 ， 在系統(tǒng)中設(shè)置 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器 ， 先確定其結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)各元部件，并對(duì)其參數(shù)的計(jì)算 ， 最后采用 MATLAB/SIMULINK