運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、前言運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)控制電機(jī)電壓、電流、頻率等輸入量，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)的發(fā)展，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出新的更為復(fù)雜的要求，同事也為研制和生產(chǎn)各類型新型控制系統(tǒng)提供了可能?，F(xiàn)代控制技術(shù)以各類電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以計(jì)算機(jī)和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強(qiáng)電的紐帶，以自動(dòng)控制理論和信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）為研究和開發(fā)的工具。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、功率放大與變換裝置、控制器及相應(yīng)的傳感器等構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)如圖電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械模

2、具，礦產(chǎn)冶金，石油化工，輕工紡織，軍工等與軍民企業(yè)密切相關(guān)的行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)。有效地控制電機(jī)，提高其運(yùn)行性能，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)，以及電能的合理運(yùn)用都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。自從電動(dòng)機(jī)發(fā)明到上個(gè)世紀(jì)90年代，直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互獨(dú)立并且正交，為控制提供了便捷的方式，使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來(lái)直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目

3、前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。1調(diào)速的方案選擇1.1直流電動(dòng)機(jī)的選擇，主回路總電阻1.2電動(dòng)機(jī)供電方案的選擇目前在各種整流電路中，應(yīng)用最廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如下：習(xí)慣將其中陰極連接在一起的三個(gè)晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的三個(gè)晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽(yáng)極組。此外，習(xí)慣上希望晶閘管按從1至6的順序?qū)?。為此將晶閘管按圖示的順序編號(hào)，即共陰極組中與a、b、c三線電源相接的三個(gè)晶閘管分別為VT1、VT3、VT5，即共陽(yáng)極組中與a、b、c三線電源相接的三個(gè)晶閘管分別為VT4、VT6、VT2。從分析可知按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1-V

4、T2-VT3-VT4-VT5-VT6。三相橋式全控整流電路大多用于直流電動(dòng)機(jī)。1.3系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇調(diào)速范圍和靜差率是一對(duì)相互制約的性能指標(biāo)，如果既要提高調(diào)速范圍，又要降低靜差率，唯一的辦法是減少負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降落nN。但是在轉(zhuǎn)速開環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)中，nN=RIN/Ce是由直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)決定的，無(wú)法改變。解決矛盾的有效途徑是采用反饋控制技術(shù)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)可以減少轉(zhuǎn)速降落，降低靜差率，擴(kuò)大調(diào)速范圍。但是單閉環(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(dòng)態(tài)過(guò)程。對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的系統(tǒng)，縮短起、制動(dòng)過(guò)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)

5、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)，最好使電流立即降下來(lái)，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。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實(shí)現(xiàn)在允許的條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的Idm的恒流過(guò)程。問(wèn)題是，應(yīng)該在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋起作用。顯然只用一個(gè)調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器應(yīng)該可以故采用雙閉環(huán)系統(tǒng)。1.4確定直流調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。2.1整流變壓器計(jì)算。主電路中影響整流變壓器次級(jí)電壓U2精確計(jì)算的主要因素是： U2值的大小首先要保證滿足負(fù)

6、載所要求的最大平均電壓Ud；晶閘管并非是理想的半可控開關(guān)器件，導(dǎo)通時(shí)有一定的管壓降UV；變壓器漏抗的存在導(dǎo)致晶閘管整流裝置在換相過(guò)程中產(chǎn)生換相壓降Ux；晶閘管裝置供電的電動(dòng)機(jī)是恒速系統(tǒng)，在最大負(fù)載電流時(shí)，電機(jī)的端電壓應(yīng)當(dāng)為電動(dòng)機(jī)的額定電壓UN和電樞電流在電樞電阻RD上壓降之和。中的UN為電動(dòng)機(jī)的額定電壓，系數(shù)（1.21.5）是考慮到各種因素影響后的安全系數(shù),A由表1查的。 所以，U2=1.21.52302.34=137.6 (前系數(shù)取1.4)在忽略變壓器激磁電流的情況下，可根據(jù)變壓器的磁勢(shì)平衡方程寫出初級(jí)和次級(jí)電流的關(guān)系式為 或式中，N1和N2為變壓器初級(jí)和次級(jí)繞組的匝數(shù)，k=N1/N2為變壓

7、器的變比。 為簡(jiǎn)化分析，令N1 =N2（即k=1），則由上式可見，對(duì)于普通電力變壓器而言，初、次級(jí)電流是有效值相等的正弦波電流。但對(duì)于整流變壓器來(lái)說(shuō)，通常初、次級(jí)電流的波形并非正弦波，在大電感負(fù)載的情況下，整流電流Id是平穩(wěn)的直流電，而變壓器的次級(jí)和初級(jí)繞組中的電流都具有矩形波的形狀。欲求得各種接線形式下變壓器初、次級(jí)電流的有效值，就要根據(jù)相應(yīng)接線形式下初、次級(jí)電流的波形求其有效值，從而可得 （2-2） （2-3）式中K11和K12分別為各種接線形式時(shí)變壓器初、次級(jí)電流有效值和負(fù)載電流平均值之比。 所以，I2=0.816Id=92.2A，I1=0.816Id=92.2A在計(jì)算得到變壓器次級(jí)相電

8、壓有效值U2以及相電流有效值I2后，根據(jù)變壓器本身的相數(shù)m就可計(jì)算變壓器的容量，其值為 平均計(jì)算容量式中，m1和m2為變壓器初、次級(jí)繞組的相數(shù)。所以,S2=3×137.6×92.2=38.06KVA S1=3×380×92.2=105.1KVA S=71.58KVA2.2晶閘管元件的選擇。計(jì)算每個(gè)支路中晶閘管元件實(shí)際承受的正、反向工作峰值電壓；計(jì)算每個(gè)支路中晶閘管元件實(shí)際流過(guò)的電流有效值和平均值；根據(jù)整流裝置的用途、結(jié)構(gòu)、使用場(chǎng)合及特殊要求等確定電壓和電流的儲(chǔ)備系數(shù)；根據(jù)各元件的制造廠家提供的元件參數(shù)并綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選用晶閘管元件。由理論分析可得，當(dāng)可

9、控整流電路接成三相全控電路形式時(shí)，每個(gè)晶閘管所承受的正、反向電壓均為整流變壓器次級(jí)線電壓的峰值，即 式中：整流變壓器次級(jí)相電壓； 晶閘管承受的正、反向最大電壓。晶閘管額定電壓必須大于元件在電路中實(shí)際承受的最大電壓Um，考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和操作過(guò)電壓等因素，還要設(shè)置23倍的安全系數(shù)，即按下式選?。?式中系數(shù)（23）的取值應(yīng)視運(yùn)行條件、元件質(zhì)量和對(duì)可靠性的要求而定，通常對(duì)可靠性高的裝置取值較大。不同整流電路中，晶閘管承受的最大峰值電壓Um不同，如表2-1所示。按式（8）所計(jì)算的UVN值選取相應(yīng)電壓級(jí)別的晶閘管元件，所以， UVN=23×6×137.6=(674.241011.

10、36)V 取 UVN=800V 表2-1 整流元件的最大峰值電壓Um和通態(tài)平均電流的計(jì)算系數(shù)Kfb指帶有續(xù)流二極管的電路。由理論分析可知，晶閘管流過(guò)正弦半波電流的有效值IV和額定值IVV（通態(tài)平均電流）的關(guān)系當(dāng)=0°時(shí)為IV=1.57IVV IV=(1.52)KfIdKb 式中計(jì)算系數(shù)。當(dāng)=0°時(shí)，不同整流電路、不同負(fù)載性質(zhì)的kfb值示于表2-2中。晶閘管的額定平均電流。查表2-2，系數(shù)，式中，按上式計(jì)算的晶閘管額定電流為 IVV=1.52KfbId=1.52×0.368×92.2×1.5=76.3101.8aA取100A。2.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)

11、的計(jì)算。2.3.1交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)；交流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)有三種方法：采用避雷器、RC過(guò)電壓抑制電路和非性性元件。避雷器用以保護(hù)由大氣雷擊所產(chǎn)生的過(guò)電壓，主要用于保護(hù)變壓器。因這種過(guò)電壓能量較大，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，一般采用閥型避雷器。RC過(guò)電壓抑制電路通常并聯(lián)在變壓器次級(jí)（元件側(cè)），以吸收變壓器鐵心磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來(lái)。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能產(chǎn)生的振蕩。2.3.2阻容保護(hù)、壓敏電阻保護(hù)計(jì)算（1）采用阻容吸收保護(hù)C16ioSTMU22(uF) C1的耐壓電壓為U2L的1.5倍 R12.3×U22S2×Ud1Io

12、 變壓器每相平均計(jì)算容量（VA）； 變壓器次級(jí)相電壓有效值（V）； 勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，當(dāng)小于幾百伏安時(shí)，當(dāng)伏安時(shí)，； 變壓器的短路比，當(dāng)變壓器容量為101000 kVA時(shí)， ； 當(dāng)Ra正常工作時(shí)電流，電壓的有效值。故取io=4 uk=6計(jì)算得C1=90.7uF 電壓u1=357.5V R1=0.75 故取電容為100uf電壓為400v電阻0.75歐（2）壓敏電阻耐壓值計(jì)算U1m2Ud10.80.9 1 為電網(wǎng)波動(dòng)率去1.1故 U1m=(397.5447.1)故取電壓為500V2.3.3直流側(cè)過(guò)電壓保護(hù)整流器直流側(cè)斷開時(shí)，如出現(xiàn)直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，則也會(huì)在A、B之間產(chǎn)生過(guò)電壓，

13、如圖2-3所示。前者因變壓器儲(chǔ)能的釋放產(chǎn)生過(guò)電壓，后者則由于直流電抗器儲(chǔ)能的釋放產(chǎn)生過(guò)電壓，都可使晶閘管元件損壞。原則上直流側(cè)保護(hù)可以采取與交流側(cè)保護(hù)相同的方法，主要有阻容保護(hù)、非線性元件抑制和晶閘管泄能保護(hù)。因?yàn)橹绷鱾?cè)阻容保護(hù)會(huì)使系統(tǒng)的快速性達(dá)不到要求，且能量損耗較大，所以常采用非線性元件抑制直流側(cè)過(guò)電壓。2.3.4晶閘管兩端過(guò)電壓保護(hù)C16ioSTMU32(uF) C1的耐壓電壓為U3L的1.5倍 R12.3×U32S2×Ud1Io 變壓器每相平均計(jì)算容量（VA）； 變壓器次級(jí)相電壓有效值（V）； 勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)，當(dāng)小于幾百伏安時(shí)，當(dāng)伏安時(shí)，； 變壓器的短路比，當(dāng)變壓器

14、容量為101000 kVA時(shí)， ； 當(dāng)Ra正常工作時(shí)電流，電壓的有效值。故取io=4 uk=6計(jì)算得C1=15.1uf 電壓u1=875.8V R2=4.5 故取電容為20uf電壓為1000v電阻4.5歐2.3.5過(guò)電流保護(hù)變流裝置發(fā)生過(guò)電流的原因歸納起來(lái)有如下幾方面：外部短路；內(nèi)部短路，；可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生換流失敗和環(huán)流過(guò)大；生產(chǎn)機(jī)械發(fā)生過(guò)載或堵轉(zhuǎn)等。晶閘管變流裝置可能采用的過(guò)流保護(hù)措施有交流斷路器、進(jìn)線電抗器、靈敏過(guò)電流繼電器、短路器、電流反饋控制電路、直流快速開關(guān)及快速熔斷器等，現(xiàn)以快速熔斷器為例作簡(jiǎn)要說(shuō)明?？焖偃蹟嗥鳎ê?jiǎn)稱快熔）是一種最簡(jiǎn)單、有效而應(yīng)用最普通的過(guò)電流保護(hù)元件，其斷流時(shí)間一般

15、小于10ms?？烊鄣倪x用原則如下：快熔額定電壓不小于線路正常工作電壓的方均根值；快熔的額定電流應(yīng)按它所保護(hù)的元件實(shí)際流過(guò)的電流（方均根值）來(lái)選擇，一般可按下式計(jì)算： (A)式中：電流裕度系數(shù)，?。?環(huán)境溫度系數(shù)，??； 實(shí)際流過(guò)快速熔斷器的電流有效值。 Id1.5×1.2×Id3=117.4A 取電壓為500V則Fu取120A電壓為500V2.4平波電抗器計(jì)算平波電抗器的電感量一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件進(jìn)行選擇，通常首選最小電流Idmin（以A為單位），再利用它計(jì)算所需的總電感量（以mH為單位），減去電樞電感既得平波電抗器應(yīng)有的電感值。對(duì)于三相橋式整流電路，總電感量計(jì)

16、算公式為L(zhǎng)=0.693U2Idmin 一般的取Idmin為電動(dòng)機(jī)額定電流的5%到10%。額定電流為113A U2為137.6V 取電流為7% 則L=12.06Mh3觸發(fā)電路的選擇與校驗(yàn)三相橋式全控觸發(fā)電路由3個(gè)KJ004集成塊和1個(gè)KJ041集成塊（KJ041內(nèi)部是由12個(gè)二極管構(gòu)成的6個(gè)或門）及部分分立元件構(gòu)成，可形成六路雙脈沖，再由六個(gè)晶體管進(jìn)行脈沖放大即可，分別連到VT1，VT2，VT3，VT4，VT5，VT6的門極。KJ004可控硅移項(xiàng)觸發(fā)電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180度的移項(xiàng)脈沖，可以方便地構(gòu)成全控橋式觸發(fā)器線路。

17、該電路具有輸出負(fù)載能力大，移項(xiàng)性好，正負(fù)半周脈沖相位均衡性好、移相范圍寬、對(duì)同步電壓要求低，有脈沖列調(diào)制輸出端等功能與特點(diǎn)。4控制電路設(shè)計(jì)計(jì)算4.1給定電源和給定環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算用此電路來(lái)產(chǎn)生過(guò)±15V電壓作為基準(zhǔn)電壓。4. 2轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)與計(jì)算轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)境的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給系統(tǒng)。其原理圖如下：電流檢測(cè)的設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電

18、路的主要作用死獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流后，由于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器加在主電路中，輸出端即可得到與主電路成正比的電流，從而起到電氣隔離作用電路圖如下：4.3調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)計(jì)算雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶振幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Um*決定了電流的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出幅值電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm，下圖中用限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出達(dá)到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反響的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)

19、，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)為零。為了實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進(jìn)入飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜態(tài)特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。（1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都為零。因此 Un*=Un=n=n0 Ui*=Ui=Id式中 分別為轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)。由第一個(gè)公式可知n=Un*=n0從而得到右圖中所示的靜特性的AB段。 與此同時(shí)，由于ASR不飽和，Ui*<Uim*,從上述第二個(gè)關(guān)系式可知：Id<Idm,。這就是說(shuō)，AB段的靜特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm，

20、從而Idm一般都是大于額定電流Idn的這就是靜特性運(yùn)行段，它是水平特性。（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 ASR輸出達(dá)到限幅值Uim*時(shí)，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) Id=Uim*=Idm 式中，最大電流Idm是由設(shè)計(jì)者選定，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和系統(tǒng)要求的最大加速度。上式所描述的靜特性是上圖中的BC段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合n<n0的情況，因?yàn)槿绻鹡>n0，則Un>Un*，ASR將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)直流調(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，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要

21、作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)，對(duì)應(yīng)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出Uim*，這時(shí)，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，起到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)作用。這就是采用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。 上圖也反映了ASR調(diào)節(jié)器退飽和的條件當(dāng)ASR調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)時(shí)，Id=Idm，若負(fù)載電流減小Idl<Idm，使轉(zhuǎn)速上升，n>n0，n<0，ASR反向積分，從而使ASR調(diào)節(jié)器退出飽和，又回到線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，使系統(tǒng)回到靜特性的AB段。各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算：當(dāng)都不飽和時(shí)Un*=Un=n=n0=10.15V Ui*=Ui=Id=IdL=3.995V Uc=Ud0Ks=Cen

22、+IdRKs=CeUn*+IdLRKs=8.91V 上述關(guān)系式表明，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*是由負(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)。它最終將使控制對(duì)象的輸出達(dá)到其給定值，使PI調(diào)節(jié)器的輸入誤差信號(hào)為零，否則PI調(diào)節(jié)器仍繼續(xù)積分，并未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) =Unm*nmax=0.007 電流反饋系數(shù) =Uim*Idm=0.0355雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者

23、之間實(shí)行串級(jí)連接.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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓是Unmax，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓是Uimax，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過(guò)程波形的。按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在起動(dòng)過(guò)程中的飽和與不飽和狀況，可將

24、起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即電流上升階段；恒流升速階段；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。整個(gè)起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段：第I階段是電流上升階段。第II階段是恒流升速階段。第III階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。有啟動(dòng)三個(gè)階段所示，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有如下三個(gè)特點(diǎn)：1）飽和非線性控制：隨著ASR的飽和和不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩個(gè)狀態(tài)。當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。 2）準(zhǔn)時(shí)間控制：?jiǎn)?dòng)過(guò)程中主要階段實(shí)第II階段，即恒流升速階段。這個(gè)階段屬于電流受限制的條件下的最短時(shí)間控制，或稱時(shí)間最優(yōu)控制。 3）轉(zhuǎn)速超調(diào)：由

25、于采用了飽和非線性控制,啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入第III階段即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的作用，可以歸納為1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Um*變化，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差；2）對(duì)付在變化起抗擾作用；3）其輸出限幅決定允許的最大電流。2電流調(diào)節(jié)器的作用：1）對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；2）起動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨起給定電壓Um*變化；4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)最用。

26、如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。零速封鎖器的作用是當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)處于靜車狀態(tài)，即速度給定電壓為零，同時(shí)轉(zhuǎn)速也確為零時(shí)，封鎖調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的所有調(diào)節(jié)器，以避免靜車時(shí)各放大器零漂引起可控硅整流電路有輸出使電機(jī)爬行的不正常現(xiàn)象。零速封鎖器（1）當(dāng)1端和2端的輸入電壓的絕對(duì)值都小于0.07 V左右時(shí)，則3端的輸出電壓應(yīng)為0V；（2）當(dāng)1端和2端的輸入電壓絕對(duì)值或者其中之一或者二者都大于0.2V時(shí)，其3端的輸出電壓應(yīng)為15V；（3）當(dāng)3端的輸出電壓已為15V，后因1端和2端的電壓絕對(duì)值都小于0.07V，使3端電壓由15V變?yōu)?V時(shí)，需要有100毫秒的延時(shí)。3端為OV時(shí)輸入到各調(diào)節(jié)器反饋網(wǎng)絡(luò)中的場(chǎng)效應(yīng)管，使其

27、導(dǎo)通，調(diào)節(jié)器反饋網(wǎng)絡(luò)短路而被封鎖，3端為15V時(shí)輸入到上述場(chǎng)效應(yīng)管使其夾斷，而解除封鎖。5.1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)如雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，其中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這給設(shè)計(jì)者帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。實(shí)際上系統(tǒng)電磁時(shí)間常數(shù)TL一般遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過(guò)程往往比轉(zhuǎn)速的變化過(guò)程快得多，也就是說(shuō)，比反電動(dòng)勢(shì)E的變化快得多。反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程中可以近似的認(rèn)為E不變，即E=0。這樣，在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)作用，而將電動(dòng)勢(shì)反饋?zhàn)饔脭嚅_，從而得到忽略電動(dòng)勢(shì)影響

28、的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。如下圖a 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流的作用近似條件是ci31TmTl=163.6式中 ci電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。如果把給定濾波和反饋濾波同時(shí)等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號(hào)改成Ui（s）*，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)如圖b ，從這里可以看出兩個(gè)濾波時(shí)間常數(shù)取值相同的方便之處。由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為Ti=Ts+Toi=0.0037s則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡(jiǎn)化成圖c ，根據(jù)公式c13T2T1得ci131TsToi=184.2 在設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)，首先考慮應(yīng)把電流環(huán)節(jié)校正成哪一種典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，

29、希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖c可以看出，采用系統(tǒng)就夠了。再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗干擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選擇典型I型系統(tǒng)。 如圖c所示，電流環(huán)的控制對(duì)象是兩個(gè)時(shí)間常數(shù)大小相差較大的雙慣性型的控制對(duì)象，如果采用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成WACR=Ki(is+1) is=1.05(0.0185S+1)0.0185S式中Ki-電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) i電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為0.0185s開環(huán)傳遞函數(shù)Wopis=Ki(is+1) isKs

30、RTls+1TIS+1為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇=TL, 則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡(jiǎn)為圖超調(diào)量i5%，由表可以查=0.707，KITi=0.5，則KI=ci=12Ti Ts=0.0017s Toi=0.002s 再根據(jù)KI=KiKsiR=KiKsTlR=135.1 得到Ki=TlR2KsTi=1.05如果實(shí)際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同，上面兩式當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。此外如果電流環(huán)的抗干擾性能也具體的要求，還得再校驗(yàn)一下抗干擾性能是否滿足。給定濾波和反饋率比的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器如右圖所示。圖中Ui*為電流給定電壓，-Id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換

31、器的控制電壓Uc。根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理可以容易導(dǎo)出Ki=RiR0 i=RiCi TOi=14R0C0I計(jì)算電容和電阻：取運(yùn)算放大器的Ro=40k則 Ri=42k Ci=440uF Coi=0.2uF可以得到閉環(huán)的傳遞函數(shù)Wclis=Id (s)Ui*=KIs(Tis)1+KIs(Tis)=1TiS2KI+1KIS+1 忽略高次項(xiàng) Wclis可降階近似為Wclis=11KIS+1=10.0074S+1 同樣得到cn13KITi=63.7 cn轉(zhuǎn)速開環(huán)頻率特性的截止頻率。因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為Id（s）Ui（s）*=Wclis11KIs+1=28.560.0074s+15.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波同時(shí)等效的移動(dòng)到環(huán)內(nèi)向前通道上，并將給定信號(hào)改成Un*，再把時(shí)間常數(shù)為1KI和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)其中Tn=1KI+Ton則轉(zhuǎn)速環(huán)如圖b 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載抗干擾作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在ASR中，由于在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)該共有兩個(gè)