1、 ANYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGY 運 動 控 制 系 統 大 作 業 轉速、電流雙閉環不可逆V-M直流調速系統的設計與仿真院（部）： 電子信息與電氣工程學院 專業班級： 12級自動化專升本 學生姓名： 孫 三 川 學生學號： 201202060028 指導教師姓名： 雷 慧 杰 指導教師職稱： 講 師 2013年 12月IIIV-M雙閉環不可逆直流調速系統的設計與仿真摘要電力拖動自動控制系統是把電能轉換成機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產機械需要動力的場合，也被廣泛應用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設備中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉矩等。本文

2、所論述的是“V-M雙閉環不可逆直流調速系統的設計與仿真”。主電路設計是依據晶閘管-電動機（VM）系統組成，其系統由整流變壓器TR、晶閘管整流調速裝置、平波電抗器L和電動機-發電機組等組成。整流變壓器TR和晶閘管整流調速裝置的功能是將輸入的交流電整流后變成直流電；平波電抗器L的功能是使輸出的直流電流更平滑；電動機-發電機組提供三相交流電源。關鍵詞：V-M系統；直流調速；雙閉環引言當前全球經濟發展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源和環境。能源的緊張不僅制約了相當多發展中國家的經濟增長，也為許多發達國家帶來了相當大的問題。能源集中的地方也往往成為全世界所關注的熱點地區。而能源的開發與利用又對環

3、境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環境災難都與能源的開發與利用有關。 能源工業作為國民經濟的基礎，對于社會、經濟的發展和人民生活水平的提高都極為重要。在高速增長的經濟環境下，中國能源工業面臨經濟增長與環境保護的雙重壓力。有資料表明，受資金、技術、能源價格的影響，中國能源利用效率比發達國家低很多。90年代中國高耗能產品的耗能量一般比發達國家高12% 55%左右，90%以上的能源在開采、加工轉換、儲運和終端利用過程中損失和浪費。如果進行單位GNP能耗（噸標準煤/千美元）的國家比較（90年代中期），中國分別是瑞士、意大利、日本、法國、德國、英國、美國、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.

4、6倍、8.8倍、8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中國火電廠煤耗為412克標準煤kW/h，是國際先進水平的1.27倍。 由此可見，對能源的有效利用在我國已經非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業耗電量的80%。我國各類在用電機中，80%以上為0.55 220kW以下的中小型異步電動機。我國在用電機拖動系統的總體裝備水平僅相當于發達國家50年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統節能方面的投入將高達500億元左右。所以直流調速系統在我國將有非常巨大的市場需求。目前，國內直流調速系

5、統的研究非常活躍，但是在產業化方面還不是很理想，市場的很大一部分還是被國外公司所占據。因此，為了加快國內直流調速系統的發展，就需要對國際直流調速技術的發展趨勢和國內的市場需求有一個全面的了解。直流雙閉環調速系統是工業生產過程中應用最廣泛的電氣傳動裝置之一。廣泛的應用于軋鋼機、冶金、印刷、金屬切割機床等很多領域的自動控制中。它在以計算機做為工具的仿真系統應用時不僅省錢，而且安全，周期短、見效快。近年來，交流調速系統發展很快，然而直流調速系統無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環控制的角度來看，它又是交流調速系統的基礎1，所以直流調速系統在生產生活中有著舉足輕重的作用。現代工業生產中，電動

6、機是主要的驅動設備。在各種高精工業生產中，工作可靠、速度控制精度高，并且不受環境溫度等條件的影響、具有參數自整定、故障報警、故障記憶等功能，給用戶的使用、維護提供極大方便的調速系統成為了當今的熱門。而計算機和直流雙閉環調速系統的結合體，剛好具有以上特點。應而，將來相當長的一段時間內，它將具有不可替代的優勢。目錄摘要I引言II1 直流調速系統簡介11.1 晶閘管-電動機直流調速系統簡介11.2 單閉環調速系統簡介21.2.1 系統的組成21.2.2 系統的工作原理21.2.3 單閉環調速系統的基本性質31.3 雙閉環調速系統簡介41.3.1 雙閉環調速系統的構成41.3.2 雙閉環調速系統的穩態

7、結構及其靜特性61.3.3 雙閉環調速系統的動態分析92 直流雙閉環調速系統方案確定132.1 總體方案132.2 電流環設計方案142.2.1 電流調節器的工作原理142.2.2 電流調節器的作用142.3 轉速環設計方案152.3.1 轉速調節器的工作原理152.3.2 轉速調節器的作用153 直流雙閉環調速系統設計163.1 電流環的設計163.2 轉速調節器的設計184基于MATLAB/SIMULINK的調速系統的仿真20設計總結24參考文獻25附圖26271 直流調速系統簡介調速系統是當今電力拖動自動控制系統中應用最普遍的一種系統。目前，需要高性能可控電力拖動的領域多數都采用直流調速

8、系統。1.1 晶閘管-電動機直流調速系統簡介20世紀50年代末，晶閘管（大功率半導體器件）變流裝置的出現，使變流技術產生了根本性的變革，開始進入晶閘管時代。由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調速系統，稱為晶閘管-電動機直流調速系統，簡稱V-M系統，又稱為靜止的Ward-leonard系統。這種系統已成為直流調速系統的主要形式。圖1.1是V-M系統的簡單原理圖1,3,5。圖中V是晶閘管變流裝置，可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型，通過調節觸發裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發脈沖的相位，以改變整流電壓Ud，從而實現平滑調速。由于V-M系統具有調速范圍大、精度高、動態性能好

9、、效率高、易控制等優點，且已比較成熟，因此已在世界各主要工業國得到普遍應用。 -圖1.1 晶閘管-電動機直流調速系統（V-M系統）但是，晶閘管還存在以下問題：（1）由于晶閘管的單向導電性，給系統的可逆運行造成困難； （2） 由于晶閘管元件的過載能力小，不僅要限制過電流和反向過電壓，而且還要限制電壓變化率（du/dt）和電流變化率(di/dt)，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件；（3） 當系統處于深調速狀態，即在較低速下運行時，晶閘管的導通角小，使得系統的功率因數很低，并產生較大的諧波電流，引起電網電壓波形畸變，對電網產生不利影響；（4） 由于整流電路的脈波數比直流電動機每對極下的換

10、向片數要小得多，因此，V-M系統的電流脈動很嚴重。1.2 單閉環調速系統簡介1.2.1 系統的組成由前面的分析可知，開環系統不能滿足較高的調速要求。許多需要無級調速的生產機械，常常不允許有很大的靜差率。為了使系統同時滿足D、S的要求，提高調速質量，必須采用閉環系統。用轉速檢測裝置，例如在電動機上安裝一臺測速發電機TG，檢測出輸出量或被調量n的大小和極性，并把它變換成與轉速成正比的負反饋電壓Ufn，與轉速給定電壓Un相比較后，得到偏差電壓Un，經放大產生觸發裝置GT的控制電壓Uc，用以控制電動機的轉速。這就組成了轉速負反饋單閉環調速系統，其原理圖如圖1.2。根據自動控制原理，反饋閉環控制系統是按

11、被調量的偏差進行控制的系統。只要被調量出現偏差，它就會產生糾正偏差的自動調節過程。而前述轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，因此閉環調速系統應該能大大減小轉速降落。圖1.2 單閉環調速系統1.2.2 系統的工作原理改變轉速給定電壓Un的大小，就可以改變直流電動機的轉速，實現平滑調速。如圖1.3所示，設電動機在Ud1決定的特性上的點1處以轉速n1穩定運行，這時負載電流Id=Id1，控制電壓Uc=Uc1,整流平均電壓Ud=Ud1,當電動機上的負載轉矩TL加大時有如下自動調節過程,整流電壓平均值的增量Ud=Ud2-Ud1,用與補償電阻牙降增量IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使轉速最后穩定在U

12、d2決定的特性上的點2處，顯然n2略小于n1。 圖1.3 閉環系統靜特性與開環機械特性的關系上述自動調節作用表明，增加或減小負載，就相應地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環機械特性。按上述工作原理在每條開環機械特性上取一個相應的工作點，再將這些點集合起來 ，就是閉環系統的靜特性，也就是說，閉環調速系統的靜特性實際上是由許多機械特性上的不同運行點集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環調節作用的結果。由此可知，閉環系統能減小穩態降速的實際在于它的自動調節作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變整流電路。1.2.3 單閉環調速系統的基本性質轉速單閉環調速系統是一種基本的反饋控制系統，具

13、有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規律：（1） 應用比例調節器的單閉環系統是有靜差的；（2） 單閉環系統對于給定輸入絕對服從；（3） 單閉環系統具有較強的抗擾性能。1.3 雙閉環調速系統簡介1.3.1 雙閉環調速系統的構成單閉環調速系統可以實現轉速調節無靜差，且采用電流截止負反饋作限流保護可以限制啟（制）動時的最大電流。單閉環調速系統還存在以下問題：（1） 在單閉環調速系統中用一個調節器綜合多種信號，各參數間相互影響，難于進行調節器動態參數的調整，系統的動態性能不夠好。在采用電流截止負反饋和轉速負反饋的單閉環調速系統中，一個調節器需完成兩種調節任務：正常負載時實現速度調節，過載時進行電流調節

14、。一般而言，在這種情況下，調節器的動態參數無法保證兩種調節過程同時具有良好的動態品質。（2） 系統中采用電流截止負反饋環節來限制啟動電流，不能充分利用電動機的過載能力獲得最快的動態響應，即最佳過度過程。為了獲得近似的理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調節器輸入端的缺點，最好的辦法就是將主要的被調量轉速與輔助被調量分開加以控制，用兩個調節器分別調節轉速和電流，構成轉速電流雙閉環調速系統。1.3.1.1 直流雙閉環調速系統的組成 圖1.4 直流雙閉環調速系統電路原理圖在轉速、電流雙閉環調速系統中，即要控制轉速，實現轉速無靜差調節，又要控制電流使系統在充分利用電動機過載能力的條件下獲得最佳過度

15、過程，其關鍵是處理好轉速控制和電流控制之間的關系，就是將兩者分開，用轉速調節器ASR調節轉速，用電流調節器ACR調節電流。ASR與ACR之間實現串級調節，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調節器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發電路的移相控制電壓。從閉環反饋的結構看，速度環在外面為外環，電流環在里面為內環。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調節器4，且轉速和電流都采用負反饋環。系統原理圖如圖1.4。1.3.1.2 調節器輸出限幅值的整定在雙閉環系統中轉速調節器ASR的輸出電壓Ui是電流調節器ACR的電流給定信號，其限幅值Ui

16、m為最大電流給定值，因此，ASR的限幅值完全取決于電動機所允許的過載能力和系統對最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。調節器輸出限幅值的計算與整定是系統設計和調試工作中很重要的一環。1.3.1.3 調節器鎖零為使調速系統消除靜差，并改善系統的動態品質，在系統中引入PI調節器作為矯正環節。由于PI調節器的積分作用，在調速系統停車期間，調節器會因輸入干擾信號的作用呈現出較大的輸出信號，而使電動機爬行，這在控制上是不允許的，因此對調速系統中具有積分作用的調節器，在沒有給出電動機啟動指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位上，簡稱為調節器

17、鎖零5,6,7。系統中調節器鎖零是由零速鎖零電路來實現的。并且系統對調節器鎖零電路有如下具體要求。（1） 系統處于停車狀態時，調節器必須鎖零；（2） 系統接到啟動指令或正常運行時，調節器鎖零立即解除并正常工作。根據上述要求，鎖零電路只需兩個信號來控制調節器“鎖零”與“開放”兩個狀態。停車時：Un=Ufn=0, 調節器鎖零,無輸出信號。啟動時：Un0，Ufn=0，調節器鎖零解除，并處于正常工作狀態。穩態運行時：Un=Ufn0，調節器鎖零解除，并處于正常工作狀態。制動停車時：Un=0, Ufn0，調節器鎖零解除，并處于正常工作狀態。必須注意，對于可逆調速系統，Un=0, Ufn0時，調節器不能鎖零

18、，以保證調節器對其進行制動停車控制。為使鎖零電路對不可逆和可逆系統都具有通用性，Un=0, Ufn0時，要求調節器不能鎖零。調節器鎖零可以采用場效應管來實現，如圖1.5所示。圖1.5 調節器鎖零當Un=Ufn=0時，鎖零調節電路使場效應管導通，從而使調節器鎖零。1.3.1.4 系統中調節器輸入、輸出電壓極性的確定在轉速、電流雙閉環調速系統中，要構成轉速、電流負反饋閉環，就必須使ASR、ACR的輸入信號Un與Ufn,Ui與Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號的極性呢？在實際組成雙閉環調速系統時，要正確的確定上述信號的極性，必須首先考慮晶閘管觸發電路的移相特性要求，并決定ACR輸出電壓Uc的極性，然

19、后根據ACR和ASR輸入端的具體接法（是同相輸入還是反相輸入）確定Ui和Un的極性，最后按照負反饋要求確定Ufi和Ufn的極性。確定各輸入、輸出信號極性的一般方法如下： 根據晶閘管觸發電路的移相特性要求確定其移相控制電壓Uc的極性； 根據各調節器輸入端的具體接法（習慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調節器給定輸入信號的極性； 根據負反饋的要求確定各調節器反饋輸入信號的極性。1.3.2 雙閉環調速系統的穩態結構及其靜特性1.3.2.1 雙閉環調速系統的穩態結構圖根據圖1.4所示的原理圖可以很方便的畫出圖1.6所示雙閉環調速系統的穩態結構圖8。其中的轉速、電流調節器ASR、ACR這

20、兩個環節的輸入與輸出穩態關系無法用放大系數表示，而用帶限幅輸出的PI調節器的輸出特性表示。圖1.6 雙閉環調速系統的穩態結構圖為轉速反饋系數；為電流反饋系數1.3.2.2 雙閉環調速系統的靜特性雙閉環調速系統的靜特性仍然表示系統轉速n與電流Id或轉矩Te的穩態關系，即系統達穩態時n=f(Id)或n=f(Te)。分析其靜態性能的關鍵是掌握限幅輸出的PI調節器的穩態特征。一般有兩種狀態：飽和輸出達限幅值；不飽和輸出未達限幅值。當調節器飽和時，輸出為恒值，且不在受輸入量變化的影響，除非有反向的輸入量使調節器退出飽和；當調節器不飽和時，其比例積分控制作用總是使穩態輸入偏差電壓U為零。實際上，系統正常運

21、行時，電流調節器不會達到預先設計好的飽和狀態，因此，對于靜特性來說，只需考慮轉速調節器的飽和和不飽和兩種情況。（1）轉速調節器不飽和這時，兩個調節器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差都為零。因此，由ASR的輸入偏差電壓Un=0得 （1.1） （1.2）由ACR的輸入偏差電壓Ui=0得 （1.3）從而可畫出圖1.7所示靜特性的n0A段。由于ASR不飽和，因此Ui<Uim,由式（1.3）知Id<Idm，這表明n0A段靜特性從Id=0（理想空載狀態）一直延續到Id= Idm，而在一般情況下Idm>Id，這正是靜特性的運行段。（2）轉速調節器飽和當轉速調節器ASR飽和時，ASR輸出達限

22、幅值Uim，轉速環呈開環狀態，轉速的變化對系統不再產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差單閉環系統。穩態時 （1.4）式中，最大電流Idm是由設計者選定的，取決與電動機所允許的最大過載能力和拖動系統允許的最大加速度。式（1.4）所描述的靜特性如圖1.7中的AB段。這樣的下垂特性只適合于nn0的情況。若n>n0，Ufn>Un,ASR將退出飽和狀態。由以上分析可知，雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于Idm時表現為轉速無靜差；當負載電流達到Idm后表現為電流無靜差，使系統獲得過電流自動保護。這就是采用兩個PI調節器分別形成內、外兩個閉環的效果。顯然，雙閉環調速系統的靜特性要比帶電流截止

23、負反饋的單閉環調速系統的靜特性好。但是，實際上，由于運算放大器的開環放大系數并不是無窮大，特別是為避免零點漂移而采用準PI調節器（即在PI調節器反饋電阻電容電路的兩端并接一個阻值為若干M的電阻）時，靜特性的兩段都略有很小的靜差，如圖1.7中虛線所示。1.3.2.3 雙閉環調速系統的穩態工作點及其穩態參數的計算由于轉速、電流調節器均采用PI調節器，可實現轉速和電流調節無靜差，因此，當系統達穩態，且兩個調節器都不飽和時，由圖1.7可得各變量之間的穩態關系如下圖1.7 雙閉環調速系統的靜特性圖 （1.5）（1.6） （1.7）上述關系表明，在穩態工作點上，轉速n由給定電壓Un決定，ASR的輸出Ui由

24、負載電流IL決定，而控制電壓Uc的大小同時由n和Id決定，也就是由Un和IL決定。這些關系反映了PI調節器與P調節器的不同之處在于：P調節器的輸出量正比與輸入量，而PI調節器的輸出量的穩態值與輸入無關系，完全由它后面環節的需要決定。鑒于此，雙閉環調速系統的穩態參數計算方法完全不同于單閉環有靜差系統。穩態時，雖然ASR、ACR的輸入偏差電壓都為零，但是二者的積分作用使它們都有恒定的輸出電壓。這時，轉速反饋系數為 （1.8）電流反饋系數 （1.9）其中兩個給定電壓的最大值Unm和Uim由運算放大器允許的最大輸入電壓決定。1.3.3 雙閉環調速系統的動態分析1.3.3.1 雙閉環調速系統的動態數學模

25、型912根據雙閉環調速系統的原理圖1.4，可畫出雙閉環調速系統的動態結構圖如圖1.8所示。圖1.8 雙閉環調速系統的動態結構圖Kn轉速調節器的比例系數；n轉速調節器的超前時間常數1.3.3.2 雙閉環調速系統的動態特性一般來說調速系統的動態性能主要指系統對給定輸入（階躍給定）的跟隨性能和系統對擾動輸入（階躍擾動）的抗擾性能而言。兩者綜合在一起就能完整的表征一個調速系統的動態性能或稱動態品質。（1） 雙閉環調速系統突加給定時的啟動過程設置雙閉環控制的一個重要目的是要獲得接近于理想啟動過程，因此有必要首先討論雙閉環調速系統突加給定時的啟動過程。當雙閉環調速系統突加給定電壓Un由靜止狀態開始啟動時，

26、轉速和電流隨時間變化的波形如圖1.9所示。由于在啟動過程中，轉速調節器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，因此整個啟動過程分為三個階段，在圖中分別標以、。 第階段（0-t1）：強迫電流上升階段突加給定電壓Un后，通過兩個調節器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當IdIL后,轉速n從零開始增長，但由于電動機機電慣性較大，轉速n及其反饋信號Ufn增長較慢，轉速調節器ASR因輸入偏差電壓Un=Un-Ufn數值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強迫Id電流迅速上升。當Id=Idm時，UfiUim,電流調節器ACR的作用使Id不再增長，第階段結束1,9。在這一階段中，ASR由不飽和

27、很快達到飽和，而ACR一般不飽和，以確保電流環的調節作用，這些都是在系統設計時必須考慮和給予保證的。 第階段（t1-t2）:恒流升速階段，即電動機保持最大電流作等加速啟動的階段。該階段從電流上升到Idm開始，直至轉速升至給定值n1為止，是啟動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直處于飽和狀態（因Un未改變極性）,轉速環相當于開環，其作用是輸出最大電流給定值Uim，系統表現為在恒值電流給定Uim作用下的電流調節系統，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調，也可能不超調，取決與ACR的結構和參數），因而系統的加速度恒定，轉速及反電勢線性上升。在電流環實現恒流調節的過程中，反電勢E是一個線性漸增的擾

28、動量。為了克服這個擾動量，Uc 和Ud也必須基本上線性增長，才能保持Id恒定。電流環對擾動E的恒流調節過程如下nEIdUfi|Ui|UcUdId轉速n不斷上升，ACR便不斷重復上述恒流調節過程，以維持電流Id恒定，保證轉速線性上升。由于ACR是PI調節器，因此要使它的輸出量線性增長，就必須使其輸入量偏差電壓Ui保持為某一恒值，也就是說，Id應略低于Idm。上述情況表明，恒流調節過程一直伴隨著對反電勢擾動的調節過程，反電勢擾動對電流的影響為ACR的積分作用所補償，為了保證電流環的這種恒流調節作用，在啟動過程中，ACR不能飽和。這就要求ACR的積分時間常數和被控對象的時間常數T1要相互配合。同時，

29、晶閘管整流裝置的最大電壓Udm必須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和。這些都是在系統設計應予以考慮和解決的問題。 第階段（t2-t4）：轉速超調進入穩定的階段，即轉速調節階段。在該階段開始時，即t2時刻，轉速已達給定值n1，ASR的給定電壓Un與反饋電壓Ufn相等，其輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值Uim上，因此電動機仍在最大電流下繼續加速，使轉速超調。轉速超調以后，n>n1，Ufn>Un，ASR的輸入偏差Un由正變負，ASR退出飽和狀態，其輸出電壓Ui立即從限幅值Uim降下來，Id隨之迅速減小。但是，在Id>IL的一段時間內（即t2-t3）時間內，dn/dt

30、<0,電動機在負載阻力下減速，直至系統達穩態。該階段的特點是ASR、ACR都不飽和，同時起調節作用。但是ASR處于主導地位，它使轉速迅速趨于給定值，并使系統穩定；而ACR的作用是使Id盡快的跟隨ASR的輸出Ui變化，也就是說，電流內環的調節過程是由轉速外環支配的，是一個電流隨動子系統。（2） 雙閉環調速系統的抗擾性能負載擾動和電網電壓擾動是雙閉環調速系統中的兩個主擾動，只要系統能有效的抑制它們所引起的動態轉速降（升）和恢復時間，就說明系統具有較強的動態抗擾能力。 抗負載擾動 由圖1.8所示的動態結構圖可以看出，負載擾動作用在電流環外，轉速環內，只能靠轉速調節器產生抗擾作用。因此，在突加（

31、減）負載時，必然會引起動態轉速降（升）。為了減小動態轉速降（升），在設計ASR時，必須要求系統具有較好的抗擾性能。而對ACR的設計來說，則只要電流環具有良好的跟隨性能就可以了。 抗電網電壓擾動 從靜特性上看，在雙閉環調速系統中，電網電壓擾動被包圍在電流環內（如圖1.9）它的影響還未波及到轉速就被電流環所抑制。因此，在雙閉環調速系統中，電網電壓波動引起的動態速降（升）要比單閉環系統小得多。圖1.9 雙閉環調速系統的動態抗擾性能2 直流雙閉環調速系統方案確定在直流雙閉環調速系統的設計中，電動機、晶閘管觸發和整流裝置都可按負載的工藝要求來選擇和設計，轉速和電流反饋系統可以通過穩態參數計算得到。最后剩

32、下的是轉速和電流調節器的結構和參數如何確定。其確定的方法有兩種：一種是動態校正法，由于該法必須同時解決穩、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態性能要求，比較麻煩；因而本設計采用另一種方法，工程設計法。直流調速系統動態參數的工程設計13，包括對某些簡單的典型低階系統進行深入研究，找出適合與給定性能指標的控制規律；確定系統預期的開環傳遞函數和開環頻率特性的形式；選擇調節器結構，計算調節器參數。這樣將使系統的工程設計過程簡便、明確且具有一定的準確性。工程上通常選用以下兩種預期典型系統，其開環傳遞函數分別為：二階典型系統（典系統）11 三階典型系統（典系統） 在具體選擇時，若以電樞電流超調小，跟

33、隨性能好為主，則可選典系統；若以具有較好的抗擾性能為主，則應選典系統。2.1 總體方案直流雙閉環調速系統屬于多環控制系統。目前都采用由內向外，一環包圍一環的系統結構，其系統電路原理圖在圖1.4所示。每一閉環都設有本環的調節器，構成一個完整的閉環系統。在設計時，先從內環（電流環）開始，根據電流控制要求，確定把電流環校正為哪種典型系統，按照調節對象選擇調節器及其參數。設計完電流環后，就把電流環等效成一個小慣性環節，作為轉速環的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉速環的設計。每個環的設計都是把該環校正成典型系統，以便獲得預期的性能指標。通常，隨動系統的動態指標以跟隨性能為主，而調速系統的動態指標以抗

34、擾性能為主。2.2 電流環設計方案2.2.1 電流調節器的工作原理電流調節器也有兩個輸入信號。一個是速度調節器輸出反映偏差大小的主控信號Un，一個是由交流互感器測出的反映主回路電流反饋信號Uif，當突加速度給定一個很大的輸入值，其輸出整定在最大飽和值上，與此同時電樞電流為最大值，從而電動機在加速過程中始終保持在最大轉矩和最大加速度，使起、制動過渡時間最短。如果電網電壓發生突變(如降低)時，整流器輸出電壓也會隨之變化(降低)，引起主回路電流變化(減小)，由于快速性好，不經過電動機機械環節的電流反饋環的作用，立即使調節器的輸出變化(增大)，則也變化（變小)，最后使整流器輸出電壓又恢復(增加)致電原

35、來的數值，這就抑制了上回路電流的變化。也就是說，在電網電壓變化時，在電動機轉速變化之前，電流的變化首先被抑制了。同樣，如果機械負載或電樞電流突然發生很大的變化，由于采用了頻率響應較好的快速電流負反饋，當整流器直流側發生類似短路的嚴重故障時，電流負反饋也及時地把電流故障反饋到電流控制回路中去，以便迅速減小輸出電壓，從而保護晶閘管和直流電動機不致因電流過大而損壞。2.2.2 電流調節器的作用 對電網電壓波動起及時抗擾作用； 啟動時保證獲得允許的最大電流，實現最佳啟動過程； 在轉速調節過程中，能使電流跟隨其給定電壓Ui變化； 依靠ACR的恒流調節作用可獲得理想的下垂特性； 當電動機過載甚至堵轉時，可

36、限制最大電樞電流，起到快速的安全保護作用，一旦故障消失，系統能自動恢復正常。 電流環的控制對象由電樞回路形成的大慣性環節和晶閘管變流裝置，電流檢測及其反饋濾波等小慣性群組成，可以根據具體系統的要求，將電流環校正成典系統或典系統。若以電樞電流超調小，跟隨性能好為主，則可校正成典系統；若以具有較好的抗繞性能為主，則應校正成典系統。其具體設計步驟為：（1） 對電流環結構圖進行簡化；（2） 電流調節器結構選擇及參數計算；（3） 電流調節器的實現。2.3 轉速環設計方案2.3.1 轉速調節器的工作原理在主電機上安裝一直流測速發電機，發出正比于主電機轉速的電壓，此電壓Unf與給定電壓Un*相比較，其偏差U

37、n送到速度調節器ASR中去，如欲調整，可以改變給定電壓，例如提高Un*，則有較大Un加到ASR輸入端，ASR自動調節GT，使觸發脈沖前移(減小)，整流電壓Ud提高，電動機轉速上升，與此同時，Um也相應增加。當等于或接近給定值時，系統達到平衡，電動機在給定數值下以較高的轉速穩定轉動。如果電動機負載或交流電壓發生變化或其它擾動，則經過速度反饋后，系統能起到自動調節和穩定作用，當電機負載增加時轉速下降，平衡狀態被破壞，調節器輸出電壓增加，觸發脈沖前移(變小)，Ud提高，電動機轉速上升。當其恢復到原來數值時，Unf又等于給定電壓，系統又達到平衡狀態。如果擾動不是來自負載而是來自交流電網，比如交流電壓下

38、降，則系統也會按上述過程進行調節，使電動機轉速維持在給定值上運行。同樣道理，當電動機負載下降，或交流電壓提高時，系統將按與上相反調節，最后能維持電動機近似轉速不變。2.3.2 轉速調節器的作用 實現轉速調節無靜差，使轉速n跟隨給定電壓Un變化； 對負載變化起抗擾作用； 能對電流環進行飽和非線性控制，且其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流環是系統的內環，被包圍在轉速環內，在設計轉速調節器時，可把已設計好的電流環看作是轉速調節系統中的一個環節。根據系統的要求，將轉速環校正為合適的典型系統，再由調速系統的動態性能指標和采用的參數選擇準則對其主要參數選擇。并以此為基礎對系統超調量進行計算，看是否符合設

39、計需要。3 直流雙閉環調速系統設計晶閘管整流裝置供電的直流雙閉環調速系統，整流裝置采用三相橋式全控電路，基本數據如下：他勵直流電動機 750V,760A,375r/min,500kW;時間常數 TL=0.031s,Tm=0.112s,Toi=0.002s,Ton=0.02s;電樞回路總電阻 R=0.14;觸發整流環放大倍數KS=75;調節器輸入輸出電壓UNM*=UIM*=UNM=10V;電動勢系數Ce=1.82Vmin/r;電流過載倍數=1.5；設計要求：穩態指標 無靜差；動態指標 電流超調量 i%5%；空載啟動到375 r/min時的轉速超調量n%10%。 3.1 電流環的設計1. 確定時間

40、常數（1）整流裝置滯后時間常數Ts。由附表6.1知，三相橋式電路的平均失控時間 Ts=0.0017s。（2）電流濾波時間常數Toi。三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）電流環小時間常數之和。按小時間常數近似處理，取。2. 選擇電流調節器的結構根據設計要求，并保證穩態電流無靜差，可按典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型調節器，其傳遞函數為 式中 -電流調節器的比例系數；-電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：,參照附表6.2的典型I型系統動態抗擾性能，

41、各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調節器按典型I型系統設計。3. 計算電流調節器的參數電流調節器超前時間常數：。電流開環增益：要求時，取，因此 （2-1）于是，ACR的比例系數為 （2-2）式中 電流反饋系數；晶閘管專制放大系數。4. 校驗近似條件電流環截止頻率：（1） 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件 （2-3）滿足近似條件。（2） 忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件 （2-4）滿足近似條件。（3） 電流環小時間常數近似處理條件 （2-5）滿足近似條件。5. 計算調節器電阻和電容由圖6.1，按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為 , 取 （2-6） ，取 （2-7） ，取

42、 （2-8）按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為，滿足設計要求。圖2.1 含濾波環節的PI型電流調節器3.2 轉速調節器的設計1. 確定時間常數（1）電流環等效時間常數1/KI。由前述已知，則 （2-9）（2）轉速濾波時間常數，根據所用測速發電機紋波情況，取.（3）轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取 （2-10）2. 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數式為 （2-11）3. 計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取h=5，則ASR的超前時間常數為 （2-12）則轉速環開環增益 K （2-13）可得ASR的比例系數為 （2-14）轉速反饋系

43、數。4.檢驗近似條件轉速截止頻率為 （2-15）（1）電流環傳遞函數簡化條件為 （2-16）滿足簡化條件。（2）轉速環小時間常數近似處理條件為 （2-17）滿足近似條件。5計算調節器電阻和電容根據圖6.2 所示，取，則 ，取 （2-18） , 取 （2-19） , 取 （2-20） 圖2.2 含濾波環節的PI型轉速調節器6.校核轉速超調量當h=5時，查附表6.3典型型系統階躍輸入跟隨性能指標得，不能滿足設計要求。實際上，由于附表6.3是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。計算超調量。設理想空載起動時，負載系數，已知， ，

44、 ，。當時，由附表6.4查得，而調速系統開環機械特性的額定穩態速降 （2-21） 根據式（6-24）計算得 （2-22）能滿足設計要求。4基于MATLAB/SIMULINK的調速系統的仿真通過對整個控制電路的設計，得到的結論還只是理論上的，通過MATLAB/SIMULINK對整個調速系統進行仿真。首先建立雙閉環直流調速系統的動態數學模型，可以參考該系統的動態結構形式，雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如圖4.1所示：圖3.1 雙閉環直流電機調速系統的動態數學結構框圖圖4.1框圖中的各個參數已經在第六章設計好了。則把這些參數的值代入框圖中的公式就可得到以下框圖4.2。圖3.2 雙閉環直流調速系統動

45、態結構框圖為了分析雙閉環調速系統的特性，在轉速調節器和速度調節器的輸出端設置一個限幅值，限幅值的大小可以根據所選的運算放大器的輸入電壓的大小來選定，本設計選取的限幅值為±10V。根據動態模型圖以及計算參數，用MATLAB/SIMULINK進行仿真，主要是仿真電動機的輸出轉速。但是通過仿真得到的轉速超調量很大，不滿足設計的估計值，原因可能是還有一些因素沒有考慮到，比如電動機的數學模型是理想化的，應該有其他的因素影響，這是設計中沒有考慮到的，而且計算得到的是近似值，通過的是工程設計方法，與實際還是有誤差的。在仿真過程中發現整流電路的輸出電壓超過了最大計算值，所以在輸出端也加個限幅值。通過

46、仿真發現仿真的轉速超調量大于設定值，所以在仿真中通過調節轉速微分負反饋環節來抑制超調。并在5秒時加入擾動。最終得到的轉速仿真圖形如圖4.3所示圖3.3 雙閉環直流電機轉速輸出仿真圖形 從圖4.3可以很明顯的看出轉速的起動和擾動的現象。從仿真得到的轉速曲線圖中可以得出轉速超調量為，基本滿足設計的要求，但是與設定值相比還是有誤差。在0.9秒的時候，轉速達到一個穩定值，系統無靜差運行，其中在5秒的時候輸入一個負載擾動量，在5.1秒的時候擾動消失，速降達到了，過了0.4秒之后轉速又達到穩定值。從圖中可以看出，擾動很快得到了調節，這是兩個PI型調節器自動調節的作用。另外從圖中也可以看到，系統是無靜差運行

47、的，符合設計的要求。從仿真的結果來看，得到這樣結論： (1) 工程設計方法在推導過程中為了簡化計算做了許多近似的處理, 而這些簡化處理必須在一定的條件下才能成立。例如: 將可控硅觸發和整流環節近似地看作一階慣性環節, 設計電流環時不考慮反電勢變化的影響; 將小時間常數當作小參數近似地合并處理; 設計轉速環時將電流閉環從二階振蕩環節近似地等效為一階慣性環節等。(2) 仿真實驗得到的結果也并不是和系統實際的調試結果完全相同, 因為仿真實驗在辨識過程中難免會產生模型參數的測量誤差, 而且在建立模型過程中為了簡化計算, 忽略了許多環節的非線性因素和次要因素。如: 可控硅觸發和整流環節的放大倍數K S 和失控時間 , 這些都是非線性參數, 但在仿真中