【正文】 4 直流調(diào)速概念 ....................................... 4 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展史 ............................... 4 研究雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的目的和意義 ................. 7 本文的研究?jī)?nèi)容 ..................................... 8 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) .................................... 10 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) .................. 10 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 .................................................. 10 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) .................................................. 11 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo) ..................................................................... 13 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 ............ 16 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過(guò)程和原理 .......................................... 16 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 .......................... 17 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析 ........ 21 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立 .......................... 21 起動(dòng)過(guò)程分析 ..................................................................... 22 動(dòng)態(tài)抗干擾性分析 ............................................................. 26 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 .............................. 27 PI 調(diào)節(jié)器 ............................................................................ 27 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法 ............................................................. 28 Ⅰ型系統(tǒng)與Ⅱ型系統(tǒng)的性能比較 ...................................... 29 IIIIII 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 III 轉(zhuǎn)速 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的確定 ............................................ 30 電流環(huán)、速度環(huán)的設(shè)計(jì) .............................. 31 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用.............................................................................................................. 31 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì) ............................................................. 32 第三章 PWM 脈寬調(diào)制 .................................. 37 PWM 基本介紹 ...................................... 37 脈寬調(diào)制變換器 .................................... 37 橋式可逆 PWM 變換器 ................................ 40 第四章 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 ....................... 43 數(shù)學(xué)模型的建立 .................................... 43 寫(xiě)出平衡方程式、拉普拉斯變換 ...................................... 44 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 ......................................................................... 45 本設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)部分的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算 ................ 50 第五章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 .......... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 ............... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。從機(jī)械特性上看 ,就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 ,從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn) ,使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。早期直流傳動(dòng)采用有接點(diǎn)控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)備切換直流電動(dòng)機(jī)電樞或磁場(chǎng)回路電阻實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。其特點(diǎn)是利用了直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡(jiǎn)單的比例關(guān)系的原理，通過(guò)調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來(lái)獲得可變的直流電壓供給直流電動(dòng)機(jī)，從 而方便地實(shí)現(xiàn)調(diào)速。1957 年晶閘管問(wèn)世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直在直流傳動(dòng)中占主導(dǎo)地位。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機(jī)控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達(dá)數(shù)十萬(wàn)分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達(dá) 1： 10000 以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間已縮短到幾毫秒以下。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。 長(zhǎng)期以來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于工程過(guò)程中。 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的運(yùn)行和控制特性，長(zhǎng)期以來(lái)，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。到了 19 世 紀(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用的交流籠型電動(dòng)機(jī)以后，交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)在不調(diào)速的場(chǎng)合才代替了直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置。雖然直流電動(dòng)機(jī)可以滿足這些要求，但由于直流電動(dòng)機(jī)在容量、體積、重量、成本、制造和運(yùn)行維護(hù)方面都不及交流電動(dòng)機(jī)，所以長(zhǎng)期以來(lái)人們一直渴望開(kāi)發(fā)出交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī)。隨 著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。目前交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運(yùn)行和制動(dòng)，其靜特性已可以與直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)相媲美。 但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門(mén)，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速77 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。 而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來(lái)看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索 [1]。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過(guò)對(duì)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(chǎng)合，提高其使用效率。 本文的研究?jī)?nèi)容 本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 本文的主要工作： 1. 掌握電機(jī)傳動(dòng)的工作原理及應(yīng)用； 2. 設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)； 主要內(nèi)容包括：觸發(fā)電路設(shè)計(jì)；電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)。 99 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 9 1010 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 10 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)具 有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動(dòng)機(jī) (V—M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)。 在上式中， eK 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （ 2） 減弱勵(lì)磁磁通 ? ； （ 3） 改變電樞回路電阻 R。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速；減弱勵(lì)磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)提出 的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)。抗擾動(dòng)性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在 某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動(dòng)等因素的影響 [1，6]。具體是指電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，在一條機(jī)械特性線上，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 edn? 與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 顯然，機(jī)械特性硬度越大，機(jī)械特性硬度越大， edn? 越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的。這表明平行機(jī)械特性低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性就越差。 由圖 2— 1 可見(jiàn)，對(duì)一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過(guò)來(lái)，脫離了調(diào)速范圍，要滿足 給定的靜差率也就容易得多了。自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)包括對(duì)給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)和對(duì)擾動(dòng)輸入信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)。當(dāng)給定信號(hào)表示方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c 的偏差越小越好，1414 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 14 達(dá)到 ?c 的時(shí)間越快越好。 圖 2— 2 2）超調(diào)量 %? 在典型的階躍響應(yīng)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?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： %100% m a x ??? ? ?c cc? （ 2— 4） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。 3）調(diào)節(jié)時(shí)間 st 調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程的快慢。對(duì)于線性控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是1515 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。 二、抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中，突加負(fù)載的階躍擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)過(guò)程作為典型的抗擾過(guò)程，并由此定義抗擾動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，可見(jiàn)圖 2— 3。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值? ?212, ??? ?ccc 是系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作動(dòng)態(tài)降落 %maxn? 。 實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體要求而定 。 1616 東北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 圖 2— 3 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過(guò)程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過(guò)程和原理 : 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段 ,電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 (電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào) ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào) ,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(dòng)機(jī)以最大電流恒流加 速啟動(dòng)。在電動(dòng)機(jī)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(hào)減小到近于零 ,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽 和 狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開(kāi)始起作用 。另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來(lái)得及發(fā)生改變時(shí) ,迅速使電 流恢復(fù)到原來(lái)值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 [1， 5， 6， 8]。兩者之間實(shí)行嵌套連接，如圖 2— 4 所示。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。