1、 .PAGE18 / NUMPAGES18 目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc312747663第一章緒論 PAGEREF _Toc312747663 h 1HYPERLINK l _Toc312747664第二章主電路結(jié)構(gòu)選擇 PAGEREF _Toc312747664 h 2HYPERLINK l _Toc3127476652.1 變壓器參數(shù)計(jì)算 PAGEREF _Toc312747665 h 3HYPERLINK l _Toc312747666第三章雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc312747666 h 4HYPERLINK l _Toc

2、3127476673.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc312747667 h 6HYPERLINK l _Toc3127476683.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc312747668 h 9HYPERLINK l _Toc312747669第四章觸發(fā)電路的選擇與原理圖 PAGEREF _Toc312747669 h 13HYPERLINK l _Toc312747670第五章直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真 PAGEREF _Toc312747670 h 15HYPERLINK l _Toc312747671第六章總結(jié) PAGEREF _Toc312747671 h 1

3、7HYPERLINK l _Toc312747672第七章參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc312747672 h 17第一章 緒論轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡稱單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響，并用電流截止負(fù)反饋限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流（或電磁轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)過程。 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，縮短起、制動過程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運(yùn)行。當(dāng)?shù)竭_(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，最好

4、使電流立即降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這類理想啟動過程示意下圖1所示。圖1 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)理想啟動過程啟動電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動（制動）過程。下面我們引入了一種雙閉環(huán)系統(tǒng)來對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。第二章 主電路結(jié)構(gòu)選擇目前具有多種整流電路，但從有效降低脈動電流保證電流連續(xù)和電動機(jī)額定參數(shù)的情況出發(fā)本設(shè)計(jì)選用三相橋式全控整流電路，其原理如圖2-1所示，習(xí)慣將其中陰極連接在一起到3個(gè)晶閘管（）稱為共陰極；陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（）稱為共陽極，另外通常習(xí)慣晶閘管從1至6的順序?qū)?，為此將晶閘管按圖示的順序

5、編號，即共陰極組中與a,b,c三相電源相接的3個(gè)晶體管分別是,共陽極組中與a,b,c三相電源相接的3個(gè)晶閘管分別是。 圖2-1 三相橋式全控整流電路原理圖 其工作特點(diǎn)為：1）每個(gè)時(shí)刻均需2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中1個(gè)晶閘管是共陰極組的，1個(gè)是共陽極組的，且不能為同一相的晶閘管。2)6個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖按的順序相為、位依次相差；共陰極組的脈沖依次差，共陽極組也依次差;同一相的上下兩個(gè)橋臂即與，與，與脈沖相差。3）整流輸出電壓一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣。4）在整流電路合閘啟動過程中或電流斷續(xù)時(shí)，為保證電路的正常工作，需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有觸發(fā)脈沖。2.1 變壓

6、器參數(shù)計(jì)算 由于整流輸出電壓的波形在一周期脈動6次的波形一樣，因此在計(jì)算時(shí)只需對一個(gè)脈沖進(jìn)行計(jì)算。由此得整流輸出平均電壓 （） 顯然=440V，如果忽略晶閘管和電抗器的壓降，則可以求得變壓器副邊輸出定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫是允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。因此在使用時(shí)同樣應(yīng)按照實(shí)際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應(yīng)相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的電流定額，并留有一定裕量。一般取其通態(tài)平均電流為此原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5-2倍。可按下式計(jì)算：=(1.52)，式中計(jì)算系數(shù)=/1.57由整流電路型式而定，為波形系數(shù)，為共陰極或共陽極電路的支路數(shù)。當(dāng)時(shí)，三相全控橋電路

7、=0.368故計(jì)算的晶閘管額定電流為=(1.52) 0.368(2201.5)=182.16242.88A，取200A。第三章 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制原理圖如圖3.1所示速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速給定電壓和速度反饋電壓的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是電流的給定電壓（對于直流電動機(jī)來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的可以調(diào)速）。電流調(diào)節(jié)器根據(jù)電流給定電壓和電流反饋電壓的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其輸出是功率變換器件（三相整流裝置）的的控制信號。通過電壓進(jìn)而調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流裝置的輸出，即電機(jī)的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由，只要與不相等那么

8、轉(zhuǎn)速n會相應(yīng)的變化。整個(gè)過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡，n不變后，達(dá)到穩(wěn)定。 圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)須從動態(tài)校正的需要來解決。如果采用單閉環(huán)中的伯德圖設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置的方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)這樣每次都需要先求出該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對數(shù)頻率特性，在根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試才能確定調(diào)節(jié)器的特性，從而選定其結(jié)構(gòu)并計(jì)算參數(shù)但是這樣計(jì)算會比較麻煩。所以本設(shè)計(jì)采用工程設(shè)計(jì)方法：先確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)定精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。這樣做，就

9、把穩(wěn)，準(zhǔn)，快和抗干擾之間相互交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾，即動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定精度，然后再進(jìn)一步滿足其他動態(tài)性能指標(biāo)。 按照“先環(huán)后外環(huán)” 的一般系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，從環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3.2所示為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。 圖3.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系：在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓Un*決定的，ASR的輸出量Ui*是有負(fù)載電流IdL決定的，而控制電壓Uc的大小則同時(shí)取決于

10、n和Id。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 本設(shè)計(jì)中電流調(diào)節(jié)器輸出負(fù)限幅值為0V，正限幅值為10V；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出負(fù)限幅值為10V，正限幅值為0V。根據(jù)已知參數(shù)可求得轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為：電流反饋系數(shù)為：另外由 根據(jù)電機(jī)參數(shù)

11、得3.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 在圖3.2畫線結(jié)構(gòu)框圖中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來麻煩。實(shí)際反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個(gè)變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，即.這樣在按動態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以不考慮反電動勢變化的影響。也就是說可以去掉反電動勢的作用這樣得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可簡化為： 圖3.3 電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1）確定時(shí)間常數(shù)根據(jù)已知數(shù)據(jù)得電磁時(shí)間常數(shù)三相橋式晶閘管整流電路的平均后時(shí)間，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，可得電

12、流環(huán)的小時(shí)間常數(shù)為+= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s 2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量i5% 并且保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為另檢查電源電壓的抗擾動性能：參照附表3-1的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能可采用PI調(diào)節(jié)器。 表3-1典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超調(diào)量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時(shí)間tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時(shí)間tp8

13、.3T 6.2T 4.7T3.6T相對穩(wěn)定裕度76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.455/T 0.596/T 0.786/T 3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：為滿足%5%要求，應(yīng)取，因此電流環(huán)開環(huán)增益為= = 135.14 于是電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為= =4）校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率= =135.14，晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為 ,現(xiàn)=196.1故該近似條件滿足。 忽略反電動勢影響的近似條件為 ，現(xiàn)=故該近似條件滿足。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為 ，現(xiàn)=180.8故該近似條件滿足。5）取調(diào)節(jié)器的輸入電阻=40k，則電流調(diào)節(jié)器的各

14、參數(shù)為=1.13440=45.36，取45=，取3=, 取0.47根據(jù)上述參數(shù)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為%=4.3%5%故能滿足設(shè)計(jì)要求。3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，這樣用電流環(huán)等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖3.4所示： 圖3.4流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)的等級時(shí)間常數(shù)為=2=0.0074s，(在電流環(huán)中已取因=0.5）。 取轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) =0.01s，那么轉(zhuǎn)速環(huán)的時(shí)間常數(shù)為=0.0074s+0.01s=0.0174s 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

15、器當(dāng)中。這樣轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可表示為3）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性能和抗擾性能較好的原則選擇h=5，求出轉(zhuǎn)速超調(diào)量%和過渡過程時(shí)間 。如果能夠滿足設(shè)計(jì)要求，則可根據(jù)所選的h值計(jì)算有關(guān)參數(shù)；否則要改變h值重新進(jìn)行計(jì)算，直到滿足設(shè)計(jì)要求為止。當(dāng)h=5時(shí)，ASR退飽和超調(diào)量為=式中，表示電動機(jī)允許的過載系數(shù)，按題意=1.5；z為負(fù)載系數(shù)，設(shè)為理想空載起動，則z=0; 為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降，=；是基準(zhǔn)值為時(shí)的超調(diào)量相對值，而=。 參照表2當(dāng)h=5時(shí)

16、，=81.2%，故起動到額定轉(zhuǎn)速，即= 時(shí)，退飽和超調(diào)量為=2.66%滿足設(shè)計(jì)要求。 表2典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系h345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85空載起動到額定轉(zhuǎn)速的過渡過程中，由于在大部分時(shí)間ASR飽和而不起調(diào)節(jié)作用，使過渡過程時(shí)間延長，可表示為=+其中為恒流升速時(shí)間，是退飽和超調(diào)過渡過程時(shí)間。=0.3s退飽和超調(diào)過渡過程時(shí)間等于動態(tài)速升的回

17、復(fù)時(shí)間。當(dāng)h=5時(shí)=8.8=0.153s。但恢復(fù)時(shí)間是按誤差為5%計(jì)算的。這里=206.4r/min，故 5%= 10.3r/min。這就是說，轉(zhuǎn)速進(jìn)入10.3r/min的恢復(fù)時(shí)間為0.153s。但這里的恢復(fù)時(shí)間應(yīng)按轉(zhuǎn)速進(jìn)入5%來計(jì)算，由于5%=90 r/min遠(yuǎn)大于10.3r/min，顯然所需時(shí)間將遠(yuǎn)小于0.153s，故可忽略不計(jì)，于是=0.3s?？梢?，能滿足設(shè)計(jì)要求。這樣，就可根據(jù)h=5選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 ASR的時(shí)間常數(shù)為=h=50.0174s=0.087s 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為= ASR比例系數(shù)為=15.7 如去調(diào)節(jié)器輸入電阻 =20k，則=15.720 k=314k，取300k=0.

18、277,取0.2=2，取24）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為=396.40.087 =34.5電流閉環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，現(xiàn)=54.1故滿足該簡化條件。 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為，現(xiàn)=38.75故滿足該簡化條件第四章 觸發(fā)電路的選擇與原理圖 三相整流電路中必須對兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時(shí)給觸發(fā)脈沖為此可以采用兩種辦法：一種是使每個(gè)觸發(fā)脈沖寬度大于，稱寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)某一號晶閘管的同時(shí)給前一號晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，相當(dāng)于用兩個(gè)窄脈沖等效代替一個(gè)寬脈沖，稱為雙脈沖觸發(fā)。隨著工業(yè)自動化，集成化的不斷把發(fā)展；現(xiàn)在市場中已有多種型號的六脈沖觸發(fā)集成電路廣泛應(yīng)用于各種控制中，從本設(shè)計(jì)的簡單和穩(wěn)定性

19、出發(fā)，本設(shè)計(jì)直接采用KJ系列的三相全控橋式整流電路的集成觸發(fā)器KJ041作為三相整流電路的觸發(fā)電路。KJ041的部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門，其作用是將6路單脈沖輸入轉(zhuǎn)換為6路雙脈沖輸出。以上觸發(fā)電路均為模擬量，這樣使集成片部結(jié)構(gòu)、可靠，但是卻是其容易受電網(wǎng)電壓影響，導(dǎo)致觸發(fā)脈沖的不對稱度較高，可達(dá)。在對精度要求高的大容量變流裝置中，采用了數(shù)字觸發(fā)電路，可獲得很好觸發(fā)脈沖對稱度。KJ041的主要參數(shù)和限制（1）工作電源電壓：V（2）同步輸入允許最大電流值：6mA（3）輸出脈寬：400us2ms（4）最大負(fù)載能力：100mA由KJ041外部接線組成的三相橋式整流電路觸發(fā)原理圖如下圖4.1所示

20、 圖4.1 三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路原理圖該集成片的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：（1）端口1和端口4，端口2和端口5，端口3和端口6分別輸出兩路相位互差的移向脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式晶閘管觸發(fā)器線路。（2）輸出負(fù)載的能力大，移相性能好，脈沖輸出穩(wěn)定，正、負(fù)半周脈沖相位均衡性好。（3）移相圍寬，對同步電壓要求不高，并且具有脈沖列調(diào)制輸出端等功能。 觸發(fā)電路輸出脈沖波形如下 圖4.2 觸發(fā)電路輸出脈沖波形圖 第五章 直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真 利用matlab仿真工具組成轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖如圖5.1所示，轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)通過一個(gè)滯后環(huán)控制接入脈沖發(fā)生器的輸入端，來實(shí)現(xiàn)對他勵(lì)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使轉(zhuǎn)速最終趨于穩(wěn)定值。同時(shí)通過轉(zhuǎn)速輸出顯示器可以很直觀清晰的觀察仿真結(jié)果。通過仿真得到電機(jī)轉(zhuǎn)速情況如圖5.2所示。 圖5.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖 圖5.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果圖 圖5.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電樞電流仿真結(jié)果第六章 總結(jié) 本設(shè)計(jì)為V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)