雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

1、武漢理工大學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1設(shè)計(jì)任務(wù)與分析有許多生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，而且常常還需要快速地起動(dòng)和制動(dòng)，這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，也就是說(shuō)，需要可逆的調(diào)速系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真，主要包括可逆部分和雙閉環(huán)直流調(diào)速部分?？赡娌糠挚梢杂蓛山M晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制電路和觸發(fā)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)整流與逆變的轉(zhuǎn)換。而設(shè)計(jì)要求調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié)，具有較寬的調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作，系統(tǒng)靜特性良好，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)要求轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%，電流超調(diào)量i5%，動(dòng)態(tài)

2、速降n10%，調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間（調(diào)節(jié)時(shí)間）ts1s ，系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運(yùn)行范圍內(nèi)電流連續(xù)，這些可以按雙閉環(huán)直流調(diào)速部分的知識(shí)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)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(dòng)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(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)，所以掌握直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。針對(duì)本設(shè)計(jì)的仿真，應(yīng)用軟件MATLAB的Simulink軟件包，Simulink是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真的一個(gè)集成環(huán)境。它使MA

3、TLAB的功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展。它提供的豐富功能塊，可以迅速的創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型；實(shí)現(xiàn)了可是換建模，用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作建立直觀模型進(jìn)行仿真；實(shí)現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。使用MATLAB中的Simulink任務(wù)，根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的函數(shù)模型，建立數(shù)學(xué)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。本課程設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來(lái)完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實(shí)現(xiàn)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對(duì)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(gè)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(jìn)行合理的工

4、程設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真。2系統(tǒng)原理本設(shè)計(jì)是V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，主要包括可逆部分和雙閉環(huán)直流調(diào)速部分?？赡娌糠挚梢詫?shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，這就需要電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行的特性，直流調(diào)速部分可以實(shí)現(xiàn)快速地起動(dòng)和制動(dòng)以及滿足其他性能指標(biāo)等。 2.1可逆系統(tǒng)原理2.1.1可逆原理改變電樞電壓的極性，或者改變勵(lì)磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，這本來(lái)是很簡(jiǎn)單的事。然而當(dāng)電機(jī)采用電力電子裝置供電時(shí)，由于電力電子器件的單向?qū)щ娦?，?wèn)題就變得復(fù)雜起來(lái)了，需要專(zhuān)用的可逆電力電子裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)。中、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)多采用由電力電子功率開(kāi)關(guān)器件組成的橋式可逆PWM變換器。較大功率

5、的可逆直流直流調(diào)速系統(tǒng)多采用晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕枰赡孢\(yùn)行時(shí)經(jīng)常采用兩組晶閘管可控直流裝置反并聯(lián)的可逆線路，如圖2-1所示。圖2-1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時(shí)，由反組晶閘管裝置VR供電。兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，都能靈活地控制電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)和升、降速。但是，不允許讓兩組晶閘管同時(shí)處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此對(duì)控制電路提出了嚴(yán)格的要求。2.1.2 V-M系統(tǒng)的回饋制動(dòng)在兩組晶閘管反并聯(lián)線路的V-M系統(tǒng)中，晶閘管裝置可以工作在整流或有源逆變狀態(tài)。當(dāng)控制角為，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)；當(dāng)控制角為，晶閘

6、管裝置處于逆變狀態(tài)。在電流連續(xù)的條件下，晶閘管裝置的平均理想空載輸出電壓為因此在整流狀態(tài)中，為正值；在逆變狀態(tài)中， 為負(fù)值。為了方便起見(jiàn)，定義逆變角 ，則逆變電壓公式可改寫(xiě)為現(xiàn)以正組晶閘管裝置整流和反組晶閘管裝置逆變?yōu)槔?，說(shuō)明兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的工作原理。2.1.3兩組SCR反并聯(lián)的整流和逆變a) 正組晶閘管裝置VF整流VF處于整流狀態(tài)： 此時(shí)， ，電機(jī)從電路輸入能量作電動(dòng)運(yùn)行，如圖2-2所示。圖2-2 兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的正組整流和反組逆變狀態(tài)b) 反組晶閘管裝置VR逆變當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要回饋制動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的極性未變，要回饋電能必須產(chǎn)生反向電流，而反向電流是不可能通

7、過(guò)VF流通的。這時(shí)，可以利用控制電路切換到反組晶閘管裝置VR，并使它工作在逆變狀態(tài)。VR處于逆變狀態(tài)：此時(shí)，電機(jī)輸出電能實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。圖2-3兩組晶閘管反并聯(lián)可逆V-M系統(tǒng)的反組逆變狀態(tài)整流狀態(tài)：V-M系統(tǒng)工作在第一象限，逆變狀態(tài)：V-M系統(tǒng)工作在第二象限。2.1.4 V-M系統(tǒng)的四象限運(yùn)行在可逆調(diào)速系統(tǒng)中，正轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)可利用反組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)同樣可以利用正組晶閘管實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。這樣，采用兩組晶閘管裝置的反并聯(lián)，就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行。歸納起來(lái)，可將可逆線路正反轉(zhuǎn)時(shí)晶閘管裝置和電機(jī)的工作狀態(tài)列于表2-1中.表2-1 V-M系統(tǒng)反并聯(lián)可逆線路的工作狀態(tài)2.2 a = b 配合控

8、制電路采用兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)，如果兩組裝置的整流電壓同時(shí)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生不流過(guò)負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱(chēng)作環(huán)流。一般地說(shuō)，這樣的環(huán)流對(duì)負(fù)載無(wú)益，徒然加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率，環(huán)流太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。在兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)中，如果讓正組VF 和反組VR都處于整流狀態(tài)，兩組的直流平均電壓正負(fù)相連，必然產(chǎn)生較大的直流平均環(huán)流。為了防止直流平均環(huán)流的產(chǎn)生，需要采取必要的措施，比如：采用封鎖觸發(fā)脈沖的方法，在任何時(shí)候，只允許一組晶閘管裝置工作；采用配合控制的策略，使一組晶閘管裝置工作在整流狀態(tài)，另一組則工作在逆變狀態(tài)。為了防

9、止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該當(dāng)正組處于整流狀態(tài)時(shí)，強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài)，且控制其幅值與之相等，用逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是由于， ， ，其中 和分別為VF和VR的控制角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓 是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時(shí)，應(yīng)有 或 如果反組的控制用逆變角表示，則 由此可見(jiàn)，按上式來(lái)控制就可以消除直流平均環(huán)流，這稱(chēng)作 配合控制。為了更可靠地消除直流平均環(huán)流，可采用 2.3調(diào)速系統(tǒng)原理2.3.1調(diào)速系統(tǒng)組成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。

10、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差；對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用；其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化；對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用；在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程；當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用；一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常；這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的。兩者之間實(shí)行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

11、ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖2-4所示：圖2-4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。直流雙閉環(huán)調(diào)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

12、橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)裝置組成，其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動(dòng)，消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響2.3.2 啟動(dòng)環(huán)節(jié)原理分析由前面分析可知，設(shè)置轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的重要目的是實(shí)現(xiàn)快速的起動(dòng)過(guò)程。在當(dāng)系統(tǒng)土家給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)過(guò)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，把起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，如圖2-5所示圖2-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形（1）第I階段電流上升的階段（0t1）當(dāng)突加給定電壓后， 上升，調(diào)節(jié)器的跟隨作用使各參數(shù)上升，當(dāng) 小于負(fù)載電流 時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) 后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性

13、作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電流 迅速上升。直到 = ， = 電流調(diào)節(jié)器很快就壓制 的增長(zhǎng)。在此過(guò)程中ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，ACR一般不飽和。（2）第 II 階段恒流升速階段（t1t2） 在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)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(zhǎng)。同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和 也須按線性增長(zhǎng)，才能保持 恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其

14、輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，即應(yīng)略低于。（3）第III階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（ t2 以后） 當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機(jī)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(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)， 和很快下降。只要 仍大于負(fù)載電流 IdL ，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到 =時(shí)，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速， ，直到穩(wěn)定。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，ACR則力圖使 盡快地跟隨其給定值，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。 綜上所述，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程

15、有以下三個(gè)特點(diǎn)：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速超調(diào)；準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，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(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。2.4系統(tǒng)原理框圖 為了實(shí)現(xiàn)配合控制，可將兩組晶閘管裝置的觸發(fā)脈沖零位都定在90，即當(dāng)控制電壓 時(shí)，使，此時(shí) ，電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。增大控制電壓Uc 移相時(shí)，只要使兩組觸發(fā)裝置的控制電壓大小相等符號(hào)相反就可以了。這樣的觸發(fā)控制電路圖如圖2-6。圖2-6 a = b 配合控制可逆V-M系統(tǒng)原理框圖主電路采用兩組三相橋式晶閘管裝置反并聯(lián)的可逆線路，

16、其中：正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)，正轉(zhuǎn)時(shí)，VF整流；反轉(zhuǎn)時(shí)，VF逆變。反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)，反轉(zhuǎn)時(shí)，VR整流；正轉(zhuǎn)時(shí)，VR逆變?？刂齐娐凡捎玫湫偷霓D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR控制轉(zhuǎn)速，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動(dòng)電流；電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最小控制角與最小逆變角 。3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要

17、選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱(chēng)作給定濾波環(huán)節(jié)。由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示，根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。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。3.1 V-M主電路的設(shè)計(jì)3.1.1主電路設(shè)計(jì) 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主電路原理圖如圖3-2所示。圖中由晶閘管組成三相全控橋式整

18、流電路，同時(shí)設(shè)有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)電路。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來(lái)移動(dòng)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。圖3-2 V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖3.1.2主電路參數(shù)計(jì)算，取其中系數(shù)0.9為電網(wǎng)波動(dòng)系數(shù)，系數(shù)1-1.2為考慮各種因素的安全系數(shù)，這里取1.1。電動(dòng)勢(shì)系數(shù)平波電抗器，取5.5mH。 其中，這里取5%，3.2電流調(diào)節(jié)器3.2.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖3-3所示：圖3-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，為電力電子變換器的控制電壓。3.2.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.確定時(shí)間常數(shù)1）三

19、相橋式電路的平均失控時(shí)間為。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給出，即。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差,超調(diào)量，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：電磁時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。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)：。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此ACR的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率：機(jī)電時(shí)間常數(shù)初始條件已給出。1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。2） 忽略反電

20、動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。3） 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖3-4，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3-4所示：圖3-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.確定時(shí)間常數(shù)1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給，即3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)

21、節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3.計(jì)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(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益ASR的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為滿足簡(jiǎn)化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足簡(jiǎn)化條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則，取，取，取6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。7. 按ASR退飽和重新計(jì)算超調(diào)量過(guò)載倍數(shù)能滿足設(shè)計(jì)要求。3.4轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)可把接到一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)上即可檢測(cè)轉(zhuǎn)速，如圖3-5所示：圖3-5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路3.5電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)使用霍爾

22、電流傳感器可以檢測(cè)電流，把接到霍爾傳感器上。霍爾效應(yīng)傳感器，可以測(cè)量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖3-6所示：圖3-6 電流檢測(cè)電路4系統(tǒng)建模與仿真4.1 傳遞函數(shù)根據(jù)以上的計(jì)算可以寫(xiě)出各個(gè)部分的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器：轉(zhuǎn)速濾波：電流調(diào)節(jié)器：電流濾波：電力變換裝置：電壓與電流間的傳遞函數(shù)：電流與電動(dòng)勢(shì)之間的傳遞函數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋傳遞函數(shù)：電流反饋傳遞函數(shù)：4.2雙閉環(huán)建模根據(jù)計(jì)算出來(lái)的傳遞函數(shù)和圖3-1的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)原理框圖，可以在Simulink中建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真，具體的正啟動(dòng)數(shù)學(xué)仿真模型如圖4-1所示。反啟動(dòng)的數(shù)學(xué)模型和正啟動(dòng)的差別不大，

23、只需要修改它們的仿真輸入信號(hào)和限幅環(huán)節(jié)就可以了。圖4-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型相對(duì)于圖3-1的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)原理框圖而言，加上了一個(gè)限幅環(huán)節(jié)，在仿真中電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出都需要設(shè)置限幅環(huán)節(jié)，僅選擇限幅元件是不夠的，對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行特殊處理。模型如圖4-2。圖4-2 限幅環(huán)節(jié)原因是為了接近實(shí)際的物理系統(tǒng)，實(shí)際的限幅環(huán)節(jié)起作用后，PI調(diào)節(jié)器的輸出端的值也就固定為限幅值，不會(huì)在由積分效應(yīng)不斷增加。對(duì)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器引入負(fù)反饋，作用是在限幅元件起作用時(shí)使限幅元件輸入輸出相等，輸出不飽和限幅元件不起作用時(shí)，限幅元件輸出隨輸入積分增加，實(shí)現(xiàn)限幅過(guò)程。4.3雙閉環(huán)仿真針對(duì)本設(shè)計(jì)的仿真，應(yīng)用軟件MA

24、TLAB的Simulink軟件包，Simulink是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真的一個(gè)集成環(huán)境。它使MATLAB的功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展。它提供的豐富功能塊，可以迅速的創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型；實(shí)現(xiàn)了可是換建模，用戶(hù)可以通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作建立直觀模型進(jìn)行仿真；實(shí)現(xiàn)了多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。使用MATLAB中的Simulink任務(wù)，根據(jù)各個(gè)環(huán)節(jié)的函數(shù)模型，和圖3-3的動(dòng)態(tài)框圖以及圖4-2的數(shù)學(xué)仿真模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果如圖4-3。圖4-3正啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、電流仿真圖圖4-4反啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、電流仿真圖4.4仿真波形分析比較圖2-6和仿真圖4-4可以知道仿真結(jié)果和預(yù)期結(jié)果一樣。在電動(dòng)機(jī)正啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)突加給定電壓后

25、，ASR的輸入偏差數(shù)值很大，輸出電壓保持在限幅值，強(qiáng)迫電樞電流迅速上升，所以可以看到圖4-3中電流波形迅速上升，但是當(dāng)電流小于負(fù)載電流之前，電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速的波形幾乎沒(méi)有變化；當(dāng)電流上升到大約Idm時(shí)，電流調(diào)節(jié)器抑制電流的迅速增長(zhǎng)，可以看到圖中電流下降，ASR進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)。在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)使得電流保持在最大電流值，使得轉(zhuǎn)速迅速上升，如圖中所示電流波形直線上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值后，轉(zhuǎn)速由于慣性繼續(xù)上升，如圖中電壓波形所示，使得反饋電壓為負(fù)值，ASR開(kāi)始退出飽和，轉(zhuǎn)速得到抑制，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量。相應(yīng)的電流也隨著迅速下降到額定電流，對(duì)應(yīng)于圖中的轉(zhuǎn)速上升到額定值1500r

26、/min后，電流迅速下降到額定電流287A，之后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行。反啟動(dòng)亦是如此，在此不再一一贅述。4.5綜合動(dòng)態(tài)性能分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能包括動(dòng)態(tài)跟隨性能和動(dòng)態(tài)抗擾性能。雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)有了提高。動(dòng)態(tài)跟隨性能，電流負(fù)反饋能夠?qū)Q內(nèi)的傳遞函數(shù)加以改造，使等效時(shí)間常數(shù)減小，經(jīng)過(guò)電流環(huán)改造后的等效環(huán)節(jié)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的被控對(duì)象，使得轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)跟隨性能得到明顯改善。動(dòng)態(tài)抗繞性能?？关?fù)載擾動(dòng)性能：從雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，和單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一樣，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)抑制。但是由于電流環(huán)改變了環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù)，使得它更有利于轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制，因此提高了系

27、統(tǒng)對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抗擾性能?？闺娋W(wǎng)電壓擾動(dòng)：電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的位置不同，系統(tǒng)相應(yīng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能也不同。在雙閉環(huán)中電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)電流反饋及時(shí)得到抑制，當(dāng)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)上升，Ud0上升，Id上升，Ui上升，上升，Uct下降，Udo下降。所以能有效的提系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的抗擾功能。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)能夠改造環(huán)內(nèi)的傳遞函數(shù)，使得她更有利于轉(zhuǎn)速外環(huán)的控制，提高了動(dòng)態(tài)跟隨性能和對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的抗擾性能。內(nèi)環(huán)還可以及時(shí)抑制環(huán)內(nèi)電網(wǎng)電壓波動(dòng)。5總結(jié)5.1設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)對(duì)V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真進(jìn)行了深入研究，此V-M

28、雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)主要由可逆部分和直流雙閉環(huán)調(diào)速組成。本設(shè)計(jì)的可逆部分采用兩組晶閘管可控直流裝置反并聯(lián)的可逆線路；直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性； ASR、ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)指標(biāo)在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計(jì)算；直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，參數(shù)的計(jì)算等。首先是總體方案設(shè)計(jì)，根據(jù)題目要求確定可逆部分和直流調(diào)速部分的基本電路，其次是針對(duì)題目中的已知條件選擇計(jì)算建模中需要的各種參數(shù)。參數(shù)不僅要滿足題目要求還要有可行性，所以在這次設(shè)計(jì)中對(duì)于此題就計(jì)算了好幾次，在電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇時(shí)，每次計(jì)算完參數(shù)都

29、要進(jìn)行檢驗(yàn)近似條件和校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量等，每次計(jì)算檢驗(yàn)滿足條件之后都要進(jìn)行建模仿真，觀察結(jié)果是否滿足可行，如果效果不好就繼續(xù)改參數(shù)，剛開(kāi)始仿真的有余差、轉(zhuǎn)速為負(fù)、和不退飽和現(xiàn)象，后來(lái)經(jīng)過(guò)多次修改，得到了理想的仿真結(jié)果。再次是對(duì)其他電路的具體設(shè)計(jì)，主要包括觸發(fā)電路，保護(hù)電路和控制電路，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)，最后得出了總的電路圖，總電路圖見(jiàn)附錄。5.2 心得體會(huì)通過(guò)課程設(shè)計(jì) ，我對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)有了更深入的理解。首先對(duì)可逆直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。學(xué)會(huì)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并能熟練地掌握轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇和計(jì)算，在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上更加認(rèn)識(shí)到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用之廣泛。同時(shí)也對(duì)MATLAB有了更加詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，加深了對(duì)課本知識(shí)的進(jìn)一步理解，同時(shí)也加強(qiáng)了我思考和解決問(wèn)題的能力。本次的課程設(shè)計(jì)，是對(duì)于電機(jī)拖動(dòng)和自動(dòng)控制的兩種技術(shù)的結(jié)合，通過(guò)控制系統(tǒng)中的各種控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的自動(dòng)控制，提高電機(jī)的各種動(dòng)靜態(tài)性能。主要是根據(jù)題目給的已知條件