【正文】 .............................................................................................................. 51 參考文獻 ...................................................................................................................... 52 1 1 緒言 課題背景及現(xiàn)狀 從廣泛的角度來看 ， 直流 電動機 調(diào)速 系統(tǒng)應該是當 代電力拖動 以及 自動控制系統(tǒng) 當 中 從起步和 發(fā)展 到成熟 較早的技術。理論上完成系統(tǒng)設計后，將對所設計的系統(tǒng)進行 MATLAB 仿真，得出仿真結果，并分析所得結果與理論值的異同，找出系統(tǒng)中不合 理的環(huán)節(jié)和參數(shù)，進行校正和必要的處理，并最終得出符合要求的系統(tǒng)模型。 采用雙閉控制調(diào)速系統(tǒng)可以做到無差調(diào)節(jié)，且性能優(yōu)越，尤其在很多高精尖技術中運用廣范，這使得對它的研究具有很高的現(xiàn)實意義。 根據(jù)引回的 反 饋 量的性質(zhì)可大致 分為電壓反饋，電流反饋，轉(zhuǎn)速反饋等。 在直流電動機控制調(diào)速系統(tǒng)中，開環(huán)性能指標差，為此有必要對這些性能進行修正改善 ， 經(jīng)過大量的研究和實踐證明，可采用 閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng)。 湖 北 民 族 學 院 畢業(yè)論文（設計） 基于 雙 閉環(huán)控制的直流 電機 調(diào)速系統(tǒng)設計 學生姓名： 學 號： 030940730 系 別： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導教師： 評閱教師： 論文答辯日期 20200525 答辯委員會主席 I 摘 要 伴 隨科學 技術 的 迅猛 發(fā)展，電 動 機 有關的控制 技術 發(fā)展 也 與時俱進 ，電 動 機的 運用 領域 在 現(xiàn)實生活 中 的許多領域，也起到了不可或缺的作用。而其中直流電機 更是憑借它快速的反應度 、精 準的調(diào)速性能 、 極低的功耗和 寬 闊的 調(diào)速范圍等優(yōu)點 在整個調(diào)速控制系統(tǒng)中獨占鰲頭 。對 于 調(diào)速 性能要求 一般 的場合，采用單閉環(huán) 控制 系統(tǒng)，而對調(diào)速指標 高的，則 采用多閉環(huán)系統(tǒng)[1]。在雙 閉環(huán)系統(tǒng)中， 習慣采用電流、 轉(zhuǎn)速閉環(huán) 控制 。 本文首先論述直流調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀和背景，討論研究該系統(tǒng)的重要意義，然后，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 進行 理 論分析 ，最后，在理論研究的基礎上，根據(jù)要求的數(shù)據(jù)參數(shù)，設計出合理的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。為突出該系統(tǒng)的優(yōu)、缺點，將會對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與其它調(diào)速系統(tǒng)（開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）進行比較。電力電子技術發(fā)展 起步 于二十世紀五、 六十年代，它 的發(fā)展得 益 于 現(xiàn)代 傳感器 原理的發(fā)展 、 電氣中的傳統(tǒng) 電子技術、自動控制 原理的理論 技術、微 型 電子技術 運用 和微 型 機 算機在 應用 領域的投入 的飛速 發(fā)展 和可觀 成 果 。 這直接導致 電能變換和控制 成為現(xiàn)實 ， 促使 現(xiàn) 今 各種節(jié)能 的、 高效的新型電源和 電機 調(diào)速系統(tǒng)裝置 的問世 [2]， 在 工業(yè)生產(chǎn) 、 交通運輸 甚至 家庭自動化提供了 可靠 的 、先進的 技術， 改善 了生產(chǎn)效率 ，提高了 人們的生活質(zhì)量，使 得 社會生產(chǎn)、生活 方式 發(fā)生了 質(zhì) 的變化， 伴 隨著新型 高性能 電力電子器件的 深入 研究和全面 開發(fā)以及先進控制技術的 完善 ，電力電子 以及 電力拖動控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這種變化帶來的影響 在不斷的增加，并且會 越來越大 [2]。 步 入 近 代以來，小體積、耗電少、低成本、 高速 、 高性能 、 安全穩(wěn)定 的集成 化 電路 隨著規(guī)模的增大 已經(jīng) 市場 化 了 ， 這就將直流 電機 的控制 放到 了一個 全新 的 時期。 一般地， PWM協(xié)同 橋式驅(qū)動電路 以 實現(xiàn)直流電機調(diào)速， 十分方便并且 簡單， 更為重要的一點是它的 調(diào)速 區(qū)間也很長 。 在國內(nèi)， 從上 世紀 中后期后開發(fā)首種 硅晶閘管 開始 ， 運用 晶閘管 的 直流 電動機的 調(diào)速系統(tǒng)也 獲 得 全速 的發(fā)展和 一至 的應用。 在國外，科技整體起步和發(fā)展都要比我國早很多，有的技術方面甚至超過了同百年或者好幾代，在直流電動機調(diào)速方面也一樣，國外電機出現(xiàn)就比我國早一百多年，其控制更長。 如西門子公司生產(chǎn)的 SIMOREGK 6RA24 系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字 2 控制裝置 [4]，其結構緊湊，用于直流電機電樞和勵磁供電，完成調(diào)速任務 ， 裝置本身帶有參數(shù)設定單元，不需要其它任何附加設備便可以完成參數(shù)設定 [4]。 由微處理器來實現(xiàn)，可選擇給定值和反饋值為數(shù)字量或模擬量 [5]。 雙 閉環(huán)直流調(diào)速的優(yōu)點在于具有很好的調(diào)速性能，具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動性能以及易于在 較 寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速更重 要的是它能做到無差調(diào)速 [6]。 因此，帶輸出量負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高 了 系統(tǒng) 的 抗 干 擾性 能 ，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 [7]。 當然了，任何事情有利就有蔽，調(diào)速系統(tǒng)也一樣，在成功引入反 饋作用后，在帶來典型優(yōu)勢的同時，其 缺點 也是顯而易見的 ， 你比如說造 價 昂貴 、 護理極其不方便 、 整個 結構 都比較繁雜 等。而我們在 引入電流負反饋 環(huán)節(jié)時，它本身也能夠 在一定程 度上 保持電流不變，使它不 跨越 允許值。研究雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，就需研究 雙 閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)板的各個組成部 分，并研究各 [9]個組成部分的各自功能以及配合使用時的相互影響與限制。 而 對 于 調(diào)速性能有 很 高要求的 調(diào)速系統(tǒng) 常常是利用直流電動機作動力，在系統(tǒng)中 則 可利用 轉(zhuǎn)速負反饋來 增加 穩(wěn)態(tài)精度，但是 采用 比例調(diào)節(jié)器的負反饋調(diào)速系統(tǒng) 實際上 仍存在 著靜差，為消除靜差， 必須另有措施，解決辦法之一就是利 用比例積分調(diào)節(jié)器 取代比例調(diào)節(jié)器 [8]。 直流機以其非常優(yōu)越的 的線性 可調(diào) 特性，優(yōu)異 完美 的動態(tài)特性， 可觀的 效率， 方便 簡單的控制性 3 能， 到目前止仍然牢牢的掌握著人們的需求 。 利用直流調(diào)速控制電機，既能夠節(jié)約能耗，也能夠使電機輸出達到需要的結果，從而提高電機效率。 雙閉環(huán)直流 電動機調(diào)速概況 從整體上來說，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（后面簡稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）是由轉(zhuǎn)速反饋環(huán)和電流反饋環(huán)組成，他實現(xiàn)了在達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的同時也能使電流按照理想要求變化，其原理圖如圖 。而在生活實際中，電流是不可能突變的，為了能在允許的電流下最快起、制動，關鍵在于如何得到一段保持最大電流的恒電流過程。當然它也會帶來相應的問題，因為我們希望在起動過程中只有電流負反饋而沒有轉(zhuǎn)速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又只有轉(zhuǎn)速負反饋而沒有電 流反饋 [9]。它將 線性計算 、 理論數(shù)據(jù)視圖化、 數(shù) 據(jù) 分析 、 不規(guī)則動態(tài)系統(tǒng) 的 理想 建模 和仿真以及 數(shù)據(jù)精準模擬 等 一大批 強大功能 塊 集成 于 一個 容易 使用的 可 視窗 口 環(huán)境中，為 理論 研究、 項目 設計以及 有大量數(shù)據(jù)計算并 須 要得到 有效 數(shù)值 的 各 科 研 領域 提供了一種全 新 的 、合理的、滿足要求的實行 方案，并 大范圍的刪除 了 對習慣上的各種 非交互式 的 程序設計 方 法 （ 譬 如 Fortran、 C） 中所必須 的 各種 編輯模式 的依賴 ， 它是當今國際 高科技 計算軟件 的龍頭工具 。 與此同時，它也 在 各物理、 數(shù)學 類 尖端技術使 用軟件中 的 數(shù) 據(jù)運 算 及模擬等 方面 一枝獨秀 。 矩陣是 MATLAB 的 最基本數(shù)據(jù)單 元 ，它 使得 MATLAB 的指令 表達 方 式 與 數(shù)學 、 物理運用 工程中 經(jīng)常運用到 的 方 式十分 類 似， 因可此 用 MATLAB 來 計 算問題 會 比用 其它各類類似功能的 語言 來得 簡 便快 捷得多，并且 MATLAB 同時 也吸收了 其它眾多的 軟件的優(yōu)點，使 之 成為一個強大的 數(shù)學 運用 軟件 。 課題設計內(nèi)容 在我這一設計中，控制 對象 當然是 直流電動機，用 習慣中的 PI 控制 方法 對雙閉環(huán) 的 直流調(diào)速系統(tǒng)進行 詳細的 設計、性能對比 和 仿真， 在此基礎之上，還會對我所設計的整體 方案的合理性 進行探討 。 2）在基本原理的基礎上，針對數(shù)學模型著手穩(wěn)定性分析。 4）利用 SIMULINK 進行系統(tǒng)結果仿真并對其中的上升時間作分析和調(diào)整。 5 2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 我們所說的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)通常是指的轉(zhuǎn)束、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，以下簡稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)均是此意，特作說明。直流電動機具有良好的制動、起動特性，合適用在大范圍上的平滑調(diào)速，在許多需要寬范圍調(diào)速和要求快速正反轉(zhuǎn)的電機拖動控制的區(qū)域中得到普遍應用。 由式上式不難理解針對轉(zhuǎn)速調(diào)整所能采取的三種措施為： 1）調(diào)節(jié)電樞電壓 2）減弱勵磁磁通 3）調(diào)節(jié)電樞回路電阻 很明顯，對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓的方式最好，減弱磁通能夠平滑調(diào)速卻受調(diào)速范圍限制，一般只作輔助調(diào)速，而用電阻調(diào)速只能做到有級調(diào)速，因此，直流調(diào)速以變壓調(diào)速為主，轉(zhuǎn)化為數(shù)學表達式為： csd UKU? （ ） 由上討論知，對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實際上是對電樞電壓的調(diào)節(jié)，這就是之后雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎之一。 6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中存在轉(zhuǎn)速、電流兩個調(diào)節(jié) 器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，并引入轉(zhuǎn)速和電流負反饋。將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出作為電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸入，再將電流調(diào)節(jié)器的輸出控制電力電子變換器 UPE。這樣就 得到了我們常見的電流、 轉(zhuǎn)速 組成的 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。后面就是我們熟知的環(huán)節(jié)了，將比對結果引入 放大環(huán)節(jié) 以得到我們想要的用來 控制 電流環(huán)的 電壓 。 其中的放大環(huán)節(jié) ， 我們有很多選擇，其中一種方法就是采用集成實現(xiàn)，這對電路來說，并不是難事。 所以，具體 原理圖如 圖： U P E MT G0R0R0R0 iRnRnC iU*iU*nU TAdUASRA C RcU 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 直流電動機的起動與調(diào)速 直流電動機的起動 常用的直流電動機的起動方法有三種： ① 接入變阻器起動； ② 降壓起動； ③直接起動 [12]。而在生活實際中，電流是不可能一下子變化的，為了能在合理的電流下最快制、起動，關鍵在于如何得到一段保持最大電流的恒電流過程。當然它也會帶來相應的問題，因為我們希望在起動過程中只有電流負反饋而沒有轉(zhuǎn)速負反饋，在達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后又只有轉(zhuǎn)速負反饋而沒有電流反饋 [14]。 8 mdI?mdIdlInn tdI 圖 理想起動的過程 直流電動機速度的調(diào)節(jié) 電動機是用以驅(qū)動生產(chǎn)機械的，根據(jù)負載的需要，常常希望電動機的轉(zhuǎn)速能在一定甚至是寬廣的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)的方法要簡單、經(jīng)濟 [15]。 由式（ ）知，要對轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)的三種方法： 1）調(diào)節(jié)電樞電壓 2）減弱 勵磁磁通 3）調(diào)節(jié)電樞回路電阻 其中，對于要求在某一給定范圍上做線性調(diào)速的系統(tǒng)來說，以電樞電壓改變的方式最佳，用電阻和減弱磁通的方式一般只作輔助調(diào)速，因此，直流電動機調(diào)速控制以改變電壓調(diào)速這一形式為主，數(shù)學表達式為： csd UKU ? （ ）由上討論知，對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實際上是對電樞電壓的調(diào)節(jié)，此處再說明一次。 它 越大，穩(wěn) 定 速降 相對就 越小， 靜特性 就會 越硬， 特別是在有 靜差率 特別 要求的 控制 范圍 就會 越寬。因此，這樣的調(diào)速 控制只能歸總到有 靜差 之 調(diào)速系統(tǒng)，簡稱有差調(diào)速系統(tǒng)。 2101020304ccnnnnnnABCDdIn閉 環(huán) 特 性開 環(huán) 特 性1dI 2dI 3dI 4dI 圖 閉、開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較 開壞系統(tǒng)是雙閉環(huán)系統(tǒng)的 基礎，但它有明顯的不足，由上圖不難知，對于一個給定的電壓，它對應的機械特性是固定的，所謂調(diào)速只是在坐標上上下移動，并不是說改變了 n? ，對確定的 cU ，工作曲線唯一確定。也就 是說這沒能在穩(wěn)定靜差率的同時增加調(diào)速范圍。很容易看出，閉環(huán)控制的范圍要遠遠大得多。在 智能 化 及近似智能化的 系統(tǒng)中， 我們認為 動 態(tài) 指標 就 是 兩種比較突出明顯的參數(shù)系數(shù)，我們會一一作對它們做介紹。我們 系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快