【正文】 導(dǎo) 教 師 苗峰講師 2 晶閘管雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 趙曉東 物理與電子信息學院 電氣工程及其自動化（過程控制方向）專業(yè) 學號： 110544138 指導(dǎo)教師：苗峰 摘要： 電動機是一種將電能轉(zhuǎn) 換為機械能的動力裝置，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防工業(yè)等各個領(lǐng)域。而電動機的調(diào)速性能，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約電能等方面有著直接的決定性的影響。 MATLAB 是目前流行的控制系統(tǒng)仿真軟件，使用 MATLAB 軟件對電機調(diào)速系統(tǒng)進行仿真設(shè)計和分析，有利于選擇參數(shù)和設(shè)計的最合理的系統(tǒng)方案。 Dualloop。 Current regulator。直流電機基本 上 成為唯一能實現(xiàn)高性能拖動控制的電動機，雖然這些年交流 電機發(fā)展相當迅速， 直流電動機 也不斷受到交流電 機及其他 類型電機的對比 與競爭 。直流 電機 控制具有很 高的精確性 、穩(wěn)定性和較高 的抗擾性能 等優(yōu)點 ， 而且 直流電機的 發(fā)展 理論 也較 為 成熟， 故如今直流調(diào)速非常 可靠，它的應(yīng)用 也相當 廣泛 。所以提高 直流電機調(diào)速性能 意義重大 。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)二者 兼顧 ， 它 具有 較為滿意 的 調(diào)速 性能和 抗擾性能。 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 19 世紀 20 年代，法拉第發(fā)明 了 第一臺 永磁電機之后 ，人們 開始 認識電機并 逐步了解 電機的基本概念和基本理論 。 到 1870 年，第二次 工業(yè)革命爆發(fā) 使經(jīng)濟迅速 發(fā)展 ，當時的社會迫切需要更加優(yōu) 質(zhì)的直 流電機 進行 工業(yè)生產(chǎn) 。隨著 電力電子技術(shù)與 電子 器件的 發(fā)展， 晶閘管系統(tǒng) 顯現(xiàn) 出 良好動態(tài)性能，大大提高 了直流調(diào)速系統(tǒng)的 可靠性、 快速 性 和 適用 性 。當今直流 電 機的 發(fā)展 是朝著 基于 微機控制的， 具有精度 高 、大范圍 的 全數(shù)字的直流調(diào)速系統(tǒng) 。很多直流 傳動系統(tǒng)屬于 高精度穩(wěn)速系統(tǒng)， 它的 穩(wěn)速精度 可達五十萬分之一，大 范 圍 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比超過 1： 11000，而且其實 響應(yīng)時間也 得到 大大的縮短，甚至低于幾毫秒 。 1990 年 左右 ， 交流籠型電動機問世 ，其結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用 ， 在 工業(yè) 生產(chǎn) 日益提高的年代發(fā)展迅速。然而 隨著 工業(yè)革命 對 經(jīng)濟的推動作用 ， 工業(yè) 設(shè)備對電機的 調(diào)速范圍 和靜差率 都 有了一定要求 ，許多 當代 應(yīng)用的 變速傳動系統(tǒng)， 已經(jīng)可以 保持良好的穩(wěn)定性 和瞬態(tài)性能 ， 而且 在 大大增加調(diào)速范圍的同時 也能實現(xiàn) 連續(xù) 無 級的 調(diào)速 。 由 電機的 機械特性理論方程 上看 ,要 想改變的電機的機械特性， 一是 改變電動機的參數(shù) ， 二 是 改變外加工電壓 ,從而 能轉(zhuǎn)移 電動機機械特性和工作特性機械特性的交點 ,使電機的穩(wěn) 態(tài) 運 行 速度發(fā)生 改變 ， 即 人為 方式 或 系統(tǒng) 自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速 ,以滿足 工業(yè) 生產(chǎn)的 需 求。所以就 目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式， 被 廣泛 應(yīng)用 于 電 力 機車、無軌電車等交通領(lǐng)域，機床、 軋鋼車等機械領(lǐng)域 以及 起重設(shè)備 和 經(jīng)常啟動并調(diào)速的電氣傳動裝置當中 。 這樣 的整流方式與傳統(tǒng)的汞弧 整流方法 相比，體積較 小， 可靠性 較 高 ，而且 有著 十分明顯的節(jié)能效果（ 一般 可節(jié) 電 20%左右，從中國的實際看，因風機的實際看，風機和泵類負載約占全國用電量 的 1/3，若采用 交流電機調(diào)速傳動，可節(jié)約 20%以上，每年可節(jié)電 400 億千瓦 時） ， 因此電力電子技術(shù)的發(fā)展也越來越受到人們的重視。 1970年 之后 全控 型可關(guān)斷 晶閘管 和功率晶體管 出現(xiàn)了 ，這種 全控型器件彌補了半 控 型電力電子器件的不足，它的開關(guān) 頻率 高 ，控制 方式 簡單，逆導(dǎo)可 關(guān)斷 晶閘管 甚至兼具 可關(guān)斷晶閘管 和快速整流二極管的 各種 功能。 目前電力電子器件 正向 耐 高壓，大功率，高頻化和智能化方向發(fā)展 ， 為電機控制系統(tǒng)的完善提供了硬件 保證 。 傳統(tǒng)直流電動機 是 采用晶閘管 的相 控 方式，雖然這種方式 在 經(jīng)濟、可靠性上都能 滿足工業(yè)要求 ，但是 它的 相控方法復(fù)雜， 在 散熱 方面也 有 很 高的要求 。 這種大功率晶體管是 全控型器件， 既能控制導(dǎo)通又能控制 其 關(guān)斷 ，有 良好的控制性能和穩(wěn)定性能 ， 晶體管脈寬調(diào)制（ PWM）直流調(diào)速系統(tǒng) 就是由大功率晶體管為基礎(chǔ)構(gòu)成 的 ，由于大功率 晶體管的優(yōu)勢 使這種 調(diào)速系統(tǒng)在直流傳動中 的 使用 愈 來愈 廣泛 。 這些 控制 理論不僅能 描述系 統(tǒng)的外部 特征 ，而且也能 解釋 和展現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)部的狀態(tài) 變化 從而從優(yōu) 的 改變其性能 。 現(xiàn)代控制理論是在 20 世紀 50 年代中期迅速興起的空間技術(shù)的推動下發(fā)展起來的，它 是人類在 控制技術(shù)問題上的 重大 進步 。這類控制問題解決起來 相當棘手 ，采用經(jīng)典控制理論是很難達到目地。 1954 年 之后 的 10 年 內(nèi) ，美國學者 ，并將 其 應(yīng)用在控制過程當 中 ，他的這些研究成果也處理了空間技術(shù)中很多復(fù)雜控制問題，并開創(chuàng) 出 一個 新的領(lǐng)域 ：最優(yōu)控制理論 。同一年 貝爾曼、卡爾曼 為代表 的 美國 研究人士 把狀態(tài)空間法系統(tǒng)地引進到 控制理論 當 中。到最后 一套以狀態(tài)空間法、極大值原理、動態(tài)規(guī)劃、卡爾曼 布什濾波為基礎(chǔ)的分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的 原理和方法 確立 起來 ，這 也 標志著現(xiàn)代控制理論的形成。 第一： 高性能處理器的應(yīng)用 與 發(fā)展 。 參數(shù)估值以及控制算法 相關(guān)理論和方法逐漸成熟，使 現(xiàn)代控制理論 的 應(yīng)用 可得到 很好的調(diào)節(jié) 效果。 是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、 微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，它在制造 行 業(yè)、流程工業(yè)、樓宇 建筑等領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展 前景。 研究 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 采用轉(zhuǎn)速 、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 能 獲得 較為 滿意的的 調(diào)速效果 。 第二： 在建立該系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基 礎(chǔ)上，從起動和抗擾兩個方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的作用。同時與自動控制理論的動態(tài)校正方法 進行對比，總結(jié) 出 設(shè) 此 計方法的優(yōu) 勢 。 通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作 原理的學習 ，使我們能夠 掌握雙閉環(huán)調(diào)速領(lǐng)域涉及 到的 相關(guān) 內(nèi)容 和 調(diào)速方法 ， 掌握 學習 影響直流調(diào)速的 各種因素 ， 只有這樣 才8 能 做好系統(tǒng)設(shè)計 的仿真 工作 ， 設(shè)計 和調(diào)節(jié)參數(shù) 使 系統(tǒng) 盡量 達到穩(wěn)定狀態(tài)， 從而 達到 鍛煉自己 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) 的 缺陷之處 的 能力 ， 然后 努力完善系統(tǒng)的 缺陷 ， 使 系統(tǒng)的 具有 良好的 調(diào)節(jié)性能 ， 提高其使用效率 盡量使系統(tǒng)適用于各種工作場合 。 本設(shè)計的主要研究內(nèi)容 本設(shè)計從直流電機的調(diào)速原理開始 學習 ，并建立雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，詳細分析 系統(tǒng)的 工作 原理 和 動態(tài)特性 。 本文主要的課題內(nèi)容： 1. 掌握直流電機的工作原理及應(yīng)用； 2. 設(shè)計雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)； 3. 建立數(shù)學模型，計算相關(guān)設(shè)計參數(shù)； 4. 進行數(shù)字仿真，驗證其設(shè)計的合理性； 5. 完成相關(guān)實驗，分析 結(jié)果并得出結(jié)論。就閉環(huán)控制系統(tǒng)而言 ，它 是 學習 交流調(diào)速系統(tǒng)的 理論 基礎(chǔ)。 可知直流調(diào)速方法有三種： （ 1）改變電樞回路電阻 R； （ 2）改變電動機主磁通 ? ； （ 3） 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； 對比 上述三種直流調(diào)速方法 ， 其中 改變電阻調(diào)速 ，優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單， 但是 它的 不足也很多。弱磁調(diào)速 的 優(yōu)點是能實現(xiàn)平滑調(diào)速，缺點是 范圍不大 ， 幾乎不 單獨使用 ， 往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。 直流調(diào) 速系統(tǒng)的性能指標 根據(jù) 生產(chǎn)機械 的 各種類型， 提出 轉(zhuǎn)速 控制 系統(tǒng) 的 三個基本要求調(diào)速 、穩(wěn)速、加減速。 為 了 更好 的定量分析 ，電力傳動自動控制系統(tǒng)是 在 最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ， 這樣 直流靜態(tài)性能指標的討論才有 實際意義，并且強調(diào) 在不同 的轉(zhuǎn)速工作時 ，速度 要求處于穩(wěn)定， 而動態(tài)性能 指標要求系統(tǒng)既有 良好的 啟、制動性能，又 要 有 良好的抗擾動能力。 一、靜態(tài)性能指標 10 1） 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求 額定負載運行時， 電動機 提供的最高轉(zhuǎn)速 與最低轉(zhuǎn)速 （對于 負載很輕的機械，可用實際負載時的最高和最低 轉(zhuǎn)速）的比值稱調(diào)速范圍，用字母 D表示： minmaxnnD? （ 2— 2） 2） 靜差率 靜差率是用來表示 負載轉(zhuǎn)矩變化時， 衡量 調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速 穩(wěn)定度的。當系統(tǒng) 在某以轉(zhuǎn)速下 工作時，電動機的負載由理想空載增加到額定值 所 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速 之 比 ，表達式 如下 ： %1 0 0%1 0 0 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 由此 可得 ， 機械特性越硬 ， 那么 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速 就 越穩(wěn)定 。 對于圖 2— 1 中 不同 轉(zhuǎn)速下的 靜 特性曲線 ，它們的轉(zhuǎn)速降落 相等，但空載 轉(zhuǎn)速 ，因此 由靜 差 率 公式可知 。在 100r/min 時也降落 10r/min，就占 10%；而 在 1000r/min 時降落 10r/min，只占 1%， 此時系統(tǒng) 仍存在較大 轉(zhuǎn)速。 圖 2— 1 不同轉(zhuǎn)速下靜特性曲線 11 實際上，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是 沒有任何聯(lián)系 ，二者 必須 同時提才有實際 意義 。 一、跟隨性能指標 在給定 信號（或 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 會 隨著輸入 的變化而變化， 可 用跟隨性能指標來描述， 它的特征就是 服從 給定，緊緊跟隨給定。通常情況 在階躍響應(yīng)中 盡量 做到 輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 的 差 值 越小越好，達到 輸出 穩(wěn)態(tài) 的時間越短 越好。 1）上升時間 圖 2— 2 為 單位階躍響應(yīng)曲線圖 ，在上面 論述的 階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零從第一次上升到穩(wěn)態(tài)值 ?c 所需要的時間定義為動態(tài) 響應(yīng)的 上升時間，它的 大小代表 著 系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性，該 值越小 表示 系統(tǒng) 的 響應(yīng)速度越快。 3）調(diào)節(jié)時間 調(diào)節(jié)時間 代表系統(tǒng)響應(yīng)過程的快慢 ，反映 系統(tǒng)的快速性， 通常這個 值越小越好 。 二、抗擾性能指標 調(diào)速 系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài) 運行 過程中 ，突加負載后 階躍 響應(yīng) 的 動態(tài)過程 的變化 情況 作為系統(tǒng) 的 抗擾過程，由此定義抗擾動態(tài)性能指標，如 圖 2— 3 抗擾性能指標 包括 兩點，一 是動態(tài)降落， 二是 恢復(fù)時間。 動態(tài)降落后 經(jīng)過 系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用輸出 量 逐漸恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ，是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)誤差，穩(wěn)態(tài)誤差總是低于 動態(tài)降落 的 。 事實 上 大多 數(shù) 控制 系統(tǒng) 的 動態(tài)性能 指標的標準 不盡相同 ， 需要具體問題 具體分析 ，必須由機械 生產(chǎn) 的具體要求來確定 。 本次設(shè)計 是一個自動 調(diào)速系統(tǒng)， 調(diào)節(jié)器 的 參數(shù)整定在仿真 調(diào)試 過程 中要以 抗擾 效果為主。觀察下圖，兩個 調(diào)節(jié)器 按 一定規(guī)則 進行 串 級 聯(lián) 接，把 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出 作 為 電流調(diào)節(jié)器的輸入， 再 將電流調(diào)節(jié)器的輸出 來 控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置 ，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器 和 電流調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限 幅作用 的， 其中 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器 ASR的 輸出限 幅電壓，這個限幅 電壓值決定了電流給定電壓的最大 值 ，而電流 調(diào)節(jié)器 ACR的 輸出限 幅值， 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。 本次 設(shè)計的 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR和 ACR都采用 PI調(diào)節(jié)器。 總之， PI調(diào)節(jié)器 作為控制器時既能 實現(xiàn)快速響應(yīng)， 又能 實現(xiàn) 無 靜 差調(diào)節(jié) 。 所以， 本次設(shè)計中 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器 ASR和 ACR采用 PI調(diào)節(jié)器即可。觀察上圖，兩個 調(diào)節(jié)器 按 一定規(guī)則 進行 串級 聯(lián) 接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作 為 電流調(diào)節(jié)器的輸入， 再 將電流調(diào)節(jié)器的輸出 來 控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置 ，由 閉環(huán) 調(diào)速 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知 ， 雙閉環(huán)由 內(nèi) 環(huán)和外環(huán) 兩部分 組成，其中電流調(diào)節(jié)環(huán) 稱 為內(nèi)環(huán) ， 轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié) 環(huán) 稱 為外環(huán) ， 這樣就 構(gòu)成 簡單的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 在電動機轉(zhuǎn)速上升到 給定轉(zhuǎn)速后，速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零，兩個 調(diào)節(jié)器都會 退出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)發(fā)揮 作用 。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù)，還能抗電網(wǎng)電壓擾動 ，可以在電動機轉(zhuǎn)速還沒 受到影響 的 時候 ，很快 將 電流 值調(diào)整為 設(shè) 定值 ，由此 可 使速度能夠 更好 的 穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下 。 繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下： 16