《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計

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1、武漢理工大學華夏學院 課程設計報告書 題 目 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計 院 系 信息工程系 專 業(yè) 自動化 班 級 姓 名 學 號 指導教師 2011 年 6 月 21 日 武漢理工大學華夏學院《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書 課程設計任務書 學生姓名： 專業(yè)班級： 自動化1081班 指導教師： 工作單位： 信息工程系 題 目: 雙閉環(huán)直

2、流調(diào)速系統(tǒng)設計 初始條件： 1.直流電機參數(shù)： 10KW， 220V， 55A， 1000 r/min ，電樞電阻Ra＝0.5Ω 電機過載倍數(shù)λ＝1.5，Ks＝40，Tl＝0.03 s，Tm＝0.18 s， 設α＝0.07 v.min/r,β=0.05 v/A 2.測速發(fā)電機參數(shù)：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式 3.主電路采用三相全控橋，進線交流電源：三相380V 要求完成的主要任務: 1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR及電流調(diào)節(jié)器ACR的設計 2.轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路設計 3.集成

3、觸發(fā)電路設計 4. 主電路及其保護電路設計 課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。滿足如下要求： 1．轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無差，電流超調(diào)量小于5％，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10％。 2. 對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。 3. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。 4. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。 時間安排： 2011.6.13－2011.6.15 收集課程設計相關資料 2011.6.16－2011.6.23 系統(tǒng)設計 2011.6.24

4、－2011.6.26 撰寫課程設計及答辯 指導教師簽名： 年 月 日 系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日 緒 論 在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。直流電機是最常見的一種電機，具有良好的起動、制動性能，宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動等

5、各領域中領域中得到了廣泛的應用。因此研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要的意義。電機調(diào)速問題一直是自動化領域比較重要的問題。不同領域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應用場合。 本文設計分析直流雙閉環(huán)的組成，設計直流雙閉環(huán)的系統(tǒng)電路圖，同時采用采用工程設計的方法對直流雙閉環(huán)的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器進行設計。因為電流調(diào)節(jié)器是內(nèi)環(huán)，因此首先設計電流調(diào)節(jié)器，對其進行必要的變化和近似處理，電流環(huán)設計完后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié)進行處理，從而設計轉(zhuǎn)速環(huán)。同時雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計進行了分析及其原理進行了一些說明，介紹

6、了其主電路、檢測電路的設計，并介紹電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計和一些參數(shù)選擇、計算，使其設計參數(shù)要求的指標。 關鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) 原理圖 工程設計 參數(shù)整定 觸發(fā)電路 目 錄 1、設計任務與分析1 1.1、設計內(nèi)容1 1.2、設計要求1 1.3、設計方案綜合分析1 2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設計3 2.1系統(tǒng)快速啟動過程類比分析3 2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體框圖4 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路設計6 3.1系統(tǒng)主電路設計6 3.2系統(tǒng)保護和整流電路的設計6 3.3系統(tǒng)觸發(fā)電路的設計7 3.

7、4轉(zhuǎn)速檢測電路的設計8 3.5電流檢測電路的設計8 4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設計9 4.1電流調(diào)節(jié)器9 4.1.1電流調(diào)節(jié)器設計9 4.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構的選擇9 4.1.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)10 4,2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器11 4.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計12 4.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇13 4.2.3校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量14 4.3兩調(diào)節(jié)器啟動過程分析15 5心得與體會17 參考文獻 18 附錄19 - 5 - 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計 1、設計任務與分析 1.1、設計內(nèi)容 1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR及電流調(diào)節(jié)器ACR的設計； 2.轉(zhuǎn)速反

8、饋和電流反饋電路設計； 3.集成觸發(fā)電路設計； 4.主電路及其保護電路設計； 1.2、設計要求 1．采用α＝β配合控制，能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運行，轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無差，電流超調(diào)量小于5％，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10％。 2. 對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。 3. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。 4. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。 1.3、設計方案綜合分析 同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應的控制

9、作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是 如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才

10、能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。 在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。 根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋引入系統(tǒng)，與給定量進行比較，用比較后的偏差對系統(tǒng)進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動的影響，而維持被調(diào)量很少的變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。因此，在直流調(diào)

11、速系統(tǒng)中把轉(zhuǎn)速反饋給系統(tǒng)，便形成轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)，其有一定的抗擾動性能，如采用轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器，還可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差系統(tǒng)。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求比較高，例如：要求快速起動、制動；突加負載動態(tài)速降小等等，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流的動態(tài)過程。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，如采用電流負反饋能夠得到近似的恒流過程。但是，我們希望在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；在達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只有轉(zhuǎn)速負反饋，不再讓電流負反饋發(fā)揮作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)

12、速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個問題。所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎，所以掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于電力拖動控制系統(tǒng)的學習有很重要的作用。 本課程設計就要求結(jié)合給定的初始條件來完成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進行工程設

13、計，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進行合理的工程設計。 2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設計 2.1、系統(tǒng)快速啟動過程類比分析 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程如圖1-1 所示，起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。理想起動過程波形如圖1-2所示，這時，理起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能

14、獲得的最快的起動過程。 IdL n t Id O Idm Idcr 圖 1-1 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) IdL n t Id O Idm 圖1-2理想的快速起動過程 通過分析可知，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。我們希望能實現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。為了

15、實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。雙閉環(huán)控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理的分析，可以根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構框圖來分析，分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關鍵是要了解PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般都會存在著兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值，不飽和——輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。在實際的正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，只有

16、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。 當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。而當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于轉(zhuǎn)速和負載電流。PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)時，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電

17、流達到時，對應于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好 最后是對其動態(tài)抗干擾性能的分析，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗干擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗干擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負載擾動能夠比較快地反映到被調(diào)量n上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用

18、電力被調(diào)量稍遠，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一點。 綜上所述，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗干擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 2.2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體框圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，兩者之間實行嵌套連接，電流反饋作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)反饋作為外環(huán)。雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2－1所示。

19、 圖2-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構 ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR—電流調(diào)節(jié)器 TG—測速發(fā)電機TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器 圖2－2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖中2-2表出，兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 雙閉環(huán)直流調(diào)

20、速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機械的不利影響。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構圖如圖2－3所示： 圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構圖 3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路設計 3.1、系統(tǒng)主電路的設計 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓

21、Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖3-1所示為V-M系統(tǒng)的主電路圖。 圖3－1 V-M系統(tǒng)主電路原理圖 3.2、系統(tǒng)保護和整流電路的設計 圖3-2整流及晶閘管保護電路 晶閘管的過電壓保護，晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差，當它承受超過反向擊穿電壓時，也會被反向擊穿而損壞。如果正向超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電

22、壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護。 晶閘管的過電流。當保護電網(wǎng)電壓波動太大負載超過允許值，電路中管子誤導通以及管子擊穿短路 等。所以我們要設置保護措施，以避免損害管子?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo是最有效，使用最廣泛的一種措施。 3.3、系統(tǒng)觸發(fā)電路的設計 晶閘管可控整流電路，通過控制觸發(fā)角α的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作，很重要的是應保證按觸發(fā)角α的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路，習慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的交流器廣泛應用的是晶閘管觸發(fā)電路，其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應用最多?？煽?/p>

23、性高，技術性能好，體積小，功率低，調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。此外就是采用集成觸發(fā)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。 觸發(fā)電路如圖如圖3-3所示： 圖3-3 集成觸發(fā)電路 為了讓變流器按規(guī)律正確工作，同步電壓的相位極為重要，它應能準確提供自然換相點，保證在移相范圍內(nèi)對晶閘管元件進行移相控制，從而可對輸出電壓進行連續(xù)控制。 在已知整流變壓器的接線組別，選擇同步變壓器時的定相步驟如下： 1）據(jù)整流變壓器的接線組別，繪制主電路變壓器次級電壓的向量圖，有VT1的移相范圍和觸發(fā)電路移相控制原理，確定觸發(fā)電路需要的同步信號us

24、2的相位。 2）選取超前us2相位π/3或π/6的電壓為同步電壓us1，確定阻容濾波器；由相控觸發(fā)電路同步方式確定同步變壓器次級相數(shù)；由主電路電壓向量圖及對us1的相位要求確定同步變壓器的接線組別。 3）按相位關系選取其他元件的同步電壓。當為三相橋式全控變流電路且為按元件獨立同步時，各元件的同步電壓應按順序滯后π/3，從而可以確定其他各元件的同步電壓us1 3.4 、轉(zhuǎn)速檢測電路的設計 轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機組成，將測速發(fā)電機與直流電動機同軸連接，測速發(fā)電機輸出端即可獲

25、得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖3-4所示。 圖3-4 轉(zhuǎn)速檢測電路 3.5、電流檢測電路的設計 使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把接到霍爾傳感器上?；魻栃獋鞲衅鳎梢詼y量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖3-5所示 圖3-5 電流檢測電路 4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設計 4.1、電流調(diào)節(jié)器 4.1.1、電流調(diào)節(jié)器設計 用工程設計方法來設計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。因此，電流反饋作為內(nèi)，首先進行電流調(diào)節(jié)

26、器的設計，然后再進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構圖如圖4-1所示： 圖4-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構圖 如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成U*i(s) /β ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。 圖4-2電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡（等效成單位負反饋系統(tǒng)）最后，由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為 T

27、∑i = Ts + Toi 查表得，三相橋式電路的平均失控時間為，電流濾波時間常數(shù).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（1～2）=3.33ms，因此取=0.002s電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i = Ts + Toi=0.0037s。簡化的近似條件為： 電流環(huán)結(jié)構圖最終簡化成圖4-3。 圖4-3電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構框圖及其化簡（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理） 4.1.2、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構的選擇 根據(jù)設計要求：電流超調(diào)量小于5％，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10％,可按典型I型系統(tǒng)設計電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)

28、節(jié)器其傳遞函數(shù)為： 式中 Ki — 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； τi — 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇τi=Tl 則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構圖便成為圖3-7所示的典型形式 圖3-7電流環(huán)的典型形式 電樞回路電磁時間常數(shù)：Tl=0.03s。 檢查對電源電壓的抗擾性能： ，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表1，可知各項指標都是可以接受的。

29、 表1 典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標與參數(shù)的關系 4.1.3、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù) 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：要求時，查表得，應選取 ，因此，有： 于是，ACR的比例系數(shù)為：。 （4）校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率： 1） 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 ，滿足近似條件。 2） 校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 ，滿足近似條件。 3） 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 ，滿足近似條件。 （5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-4所示，按所用運算放大器取

30、，各電阻和電容值計算如下： ，取 ，取 ，取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為：，滿足設計要求。 圖5-3 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器 4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 4.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構用電流環(huán)的等效代替圖4-1的電流環(huán)后，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 進行工程近似計算后，整個轉(zhuǎn)速控制動態(tài)系統(tǒng)結(jié)構如圖所示4.2.1所示 圖4.2.1用等效環(huán)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的代替結(jié)構框圖 若把轉(zhuǎn)速的給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同

31、時將給定信號改為U*n/α，再把時間常數(shù)為1/Ki和Ton兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似為一個慣性環(huán)節(jié)即： 則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)結(jié)構圖可以簡化成如圖4.2.2所示。 圖4.2.2等效單位負反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構框圖 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳統(tǒng)函數(shù)因共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)也能滿足動態(tài)抗擾性能的要求。在理論計算中，線性系統(tǒng)的階躍超調(diào)量較大

32、，但在實際中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性的性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。故而，ASR也用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 這樣的調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 校正為典Ⅱ后轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構框圖如圖4.2.3所示 圖4.2.3 校正成典Ⅱ型的轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構框圖 4.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 （1）確定時間常數(shù) 1）電流環(huán)等效時間常數(shù)。由電流調(diào)節(jié)器設計時，已取，則 2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用速發(fā)電機汶波情況，取。

33、 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 （2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構 根據(jù)設計要求，并且轉(zhuǎn)速無靜差，因此可選擇PI調(diào)節(jié)器，其含給定濾波與反饋濾波結(jié)構如圖3—5所示，其傳遞函數(shù)為： （3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為： 則轉(zhuǎn)速環(huán)開壞增益為： 。 則直流電動機的電動系數(shù)為： 因此，可計算出ASR比例系數(shù)為： （4）檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：。 1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 ，滿足簡化條件 2） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 ，滿足近似條件 （5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 轉(zhuǎn)

34、速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-5所示，取，則 ，取 ，取1.28 ，取 4.2.3校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當時，查表2得，，不能滿足的設計要求。但實際上，系統(tǒng)在突加階躍給定時，ASR飽和，此時不符合線性系統(tǒng)的前提，因此應按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。則實際上超調(diào)量計算如下： 式中，理想空載時，查表3得出。因此，以上所述參數(shù)，滿足設計要求。 表2典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入系統(tǒng)跟隨性能指標 式中，理想空載時，查表4得出。因此，以上所述參數(shù)，滿足設計要求。 表3典型Ⅱ型系統(tǒng)動態(tài)抗干擾性能指標與參數(shù)的關系 圖4.2.4 含給定濾波與反饋濾波的PI

35、型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 4.3、兩調(diào)節(jié)器啟動過程分析 前已指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖4.3.1。 IdL Id n n* Idm O O I II III t4 t3 t2 t1 圖4.3.1調(diào)節(jié)器冬天過程示意圖 對其起動過程的分析，由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成I、II、III三個階

36、段。 第I階段（電流上升階段）。突加給定電壓后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、、都跟著上升，但是在沒有達到負載電流以前，電動機還不能轉(zhuǎn)動。當后，電動機開始起動。由于機電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電樞電流迅速上升。直到電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 了的增長，標志著這一階段的結(jié)束。 第II階段（恒流升速階段）。這是起動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為

37、了克服它，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。 第III階段（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段）。當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零， 但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速n才到達峰值。此后，電動機開始在負載的阻力下減速，當時，直到穩(wěn)定。 21 5、心得與體會 通過兩周的課程設計，我首先對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學知識的一次很好的應用。我想無論是在學習還是在生活上

38、只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是這次設計給我的一點小小的感悟。 以前一直覺得理論知識離我們很遠，經(jīng)過課程設計，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學習書本知識的興趣。再者我們學習的是工科，不單純只是理論方面的的工作，還應該考慮到實際情況。 本課題在查找了大量資料的基礎上完成。由于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。在設計時采用由內(nèi)向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構。每一閉環(huán)都設有本環(huán)的調(diào)節(jié)器，構成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在具體設計時，先從內(nèi)環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，把電流環(huán)校正為典Ⅰ系統(tǒng)，按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其參數(shù)。設計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作

39、為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉(zhuǎn)速環(huán)的設計。每個環(huán)的設計都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預期的性能指標。設計完后再結(jié)合雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理確定兩個調(diào)節(jié)器的限幅值。 總之，在設計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。 參考文獻 [1]、電力電子技術（第5版） 王兆安 劉進軍 主編 機械工業(yè)出版社 [2]、自動控制原理 王萬良 編著 高等教育出版社 [3]、電機與拖動基礎（第3版） 李發(fā)海 王巖 編著

40、 清華大學出版社 [4]、運動控制實驗指導書 武漢理工大學華夏學院教務處 [5]、自動控制理論（第2版）夏得砛 翁貽方 機械工業(yè)出版社 [6]、電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)（第4版） 陳伯時 阮毅 主編 機械工業(yè)出版社 [7]、電力拖動自動控制系統(tǒng) 第2版 陳伯時 機械工業(yè)出版社 附錄、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體電路原理圖 課程設計成績評定表 姓 名 趙偉 學 號 10212408114 專業(yè)、班級 自動化1081 課程設計題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計 課程設計質(zhì)疑記錄： 1因為負載擾動動作在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾

41、動的作用。電流環(huán)對負載沒有調(diào)節(jié)作用。 2準時間最優(yōu)是設計思想上的時間最優(yōu)設計，但不是真正的時間最優(yōu)，因為在啟動過程Ⅰ，Ⅱ兩個階段中電流不能突變，所以不可能在啟動的一瞬間電流達到最大值，所以實際啟動過程與理想之間有點差距，因而稱為準時間最優(yōu)。 3在啟動的第二階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須超調(diào)，輸入偏差變負，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用。 成績評定依據(jù)： 態(tài)度認真，組織紀律性好（20分） 設計說明書文理通順，工整（10分） 設計方案合理，論證充分（20分） 設計資料齊全，格式規(guī)范（10分） 獨立完成任務，無原理性錯誤（20分） 答辯（20分） 總 分： 最終評定成績（以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定） 指導教師簽字： 年 月 日