直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計寧夏理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計#-圖 系統(tǒng)主電路原理圖圖中VT是晶閘管可控整流器，它由三相全控橋式整流電路組成，如圖 所示:通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓U來移動脈沖的相位，即可改變平均整流電壓Uc從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。主4電路參數(shù)計算其中系數(shù)U=2.314coos

d2其中系數(shù)U=2.314coos

d2(式U=U=220V，取a=0。dNU= Ud 義(1~1.2)=—220—義1.1V=114.9V22.34cos0。義0.9 2.34*0.9.為9電網(wǎng)波動系數(shù)，系數(shù)1-1為.考2慮各種因素的安全系數(shù)，這里取U* 10a=—=——=0.0067n 1500N(式U* U* 80=—m= m_= =0.046I 1.51 1.5x116dbl N(式)。))2.主5電路的過電壓和過電流保護2.5.過電1壓保護交流側(cè)過電壓保護：用壓敏二極管抑制事故過電壓。直流側(cè)過電壓保護：利用電阻和電容吸收操作過電壓。2.5.過電2流保護每個橋臂串個快速熔斷器。第3章按工程設(shè)計方法設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.設(shè)1計要求本論文首先應(yīng)用經(jīng)典控制理論的工程設(shè)計方法,設(shè)計出轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),然后利用現(xiàn)代控制理論中的線性二次型性能指標最優(yōu)設(shè)計方法,設(shè)計此調(diào)速系統(tǒng)。3.1基.本1數(shù)據(jù)（其中包括銘牌數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)）（1）被控直流電動機PN=22KW UN=220VIN=116An4500r/minR=0.112Q C=0.138?Vmin/rN De九二1.5 Cm=1.318kg.m/A（2）整流裝置三相全控橋式整流電路K=AUd=40T=1.7mssAU sct（3）電樞回路總電阻R=0.32Q（4）電樞回路總電感AUL=L+L+L d~=37.22mHPDBAUct（5）系統(tǒng)時間常數(shù)T=0.116slTm=0.157s（6）反饋濾波時間常數(shù)T=0.002sT=0.01s（7）調(diào)節(jié)器最大給定電壓U*nm=10vU*im=8v（8）調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R=40kQ03.1.設(shè)2計指標（1）負載：恒轉(zhuǎn)矩負載I=0.81dl N（2）起動方式：空載起動到額定轉(zhuǎn)速，I=0.05Id0 N（3）性能指標：1）調(diào)速范圍：D=102）靜差率：S<4%3）電流超調(diào)量。％<5%i4）轉(zhuǎn)速超調(diào)量o%<10%n5）突加負載的動態(tài)速降<3%6）恢復(fù)時間.1.5秒3.1.工3程設(shè)計方法的基本思路用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設(shè)計調(diào)節(jié)器必須同時解決自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、抗干擾性等各方面相互矛盾的靜態(tài)、動態(tài)性能要求。作為工程設(shè)計方法,首先要使問題簡化,突出主要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分為兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標這樣做，就把穩(wěn)、準、快抗干擾之間互相交叉的矛盾問題分成兩步來解決，第一步先解決主要矛盾—動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度，然后在第二步中進一步滿足其它動態(tài)性能指標。在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與性能指標的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了。這樣就使設(shè)計犯法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。

電2流調(diào)節(jié)器的設(shè)計電.流1環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的簡化設(shè)計電流環(huán)首先遇到的問題是反電動勢產(chǎn)生的交叉反饋作用。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實際系統(tǒng)中的電磁時間常數(shù)T一般遠小于機電時間常數(shù)T，因而電流的調(diào)lm節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動勢E的變化快得多。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認為E不變，即AE=0。這樣，在設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)作用，而將電動勢反饋作用斷開，從而得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。最后，T和T一般比T小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)soi l處理，看作一個慣性環(huán)節(jié)，取T=T+T2isoia)U*(s)c)a)U*(s)c)圖3.1電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡電.流2調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇首先應(yīng)決定要把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng),電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值,因而在突加控制作用時不希望有超調(diào),或者超調(diào)量越小越好S%<5%，且對電網(wǎng)電壓波動的抗擾作用只是次要因素，所以電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，,i應(yīng)該把電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)?？呻娏鳝h(huán)還有另一個對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用為了提高其抗擾性能，又希望把電流環(huán)校正成典n系統(tǒng)。一般情況下，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)之比T/T>10時，典I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還是可以接受的。因此,一般多按典1系統(tǒng)來l??設(shè)計電流環(huán)。圖3.1c表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為W（s）=K口 式ACR iTSi式中K—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)iT—電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。i檢查對電源電壓的抗擾性能：T=91巫=31.35,參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能T0.0037sEi指標與參數(shù)的關(guān)系表格，可知各項指標都是可以接受的。為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇T=T,則電流環(huán)的動態(tài)il結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖3.2所示的典型形式，其中K=KK2ITRiU*(U*(s)一勺一|小s)s(Teis+1)圖3.2電流環(huán)簡化成典I系統(tǒng).電流3調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算.確定時間常數(shù)）三相橋式電路的平均失控時間為T=0.0017s。s）電流濾波時間常數(shù)T。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms,為了基本濾平波頭，oi應(yīng)有（1~2）Tms，因此取T=2ms=0.002s。oi oi）電流環(huán)小時間常數(shù)之和T-T+T=0.0037s。2isoi2.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)：工=T=0.116s。il電流環(huán)開環(huán)增益：要求o<5%時，應(yīng)取KT=0.5，因此K=竺=0.5 =135.1s-1i i2i iT0.0037s2iKtR135.1x0.116x0.32

的比例系數(shù)為K= = =2.73iKp40x0.046s.檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率：3=K=135.1s-1cii機電時間常數(shù)Tm機電時間常數(shù)TmGD2R

^_

375CCema0.157s）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件=196.1s-1>3ci滿足近似條件。）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件3 =3x: _ 13T—3x0.0017s =_ 13T—3x0.0017s\TT 0.157sx0.116s ciml滿足近似條件。3）電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件-180.8s-1>3-180.8s-1>3ciTT3\0.0017sx0.002ssoi

滿足近似條件。.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容由圖.按所用運算放大器取R0=40kQ,各電阻和電容值為R=KR=2.73x40kQ=109.2kQ，取109k。ii0TC=TC=iRi取1.1uF F=1.064uF,109x1034T 4x0.002C=——oi-= F=0.2uF,取0.2uFoiR 40x1030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o=4.3%<5%,滿足設(shè)計要i求。圖 含給定濾波與反饋濾波的型電流調(diào)節(jié)器圖 含給定濾波與反饋濾波的型電流調(diào)節(jié)器（式（式（式（式（式電.流4環(huán)的動態(tài)性能指標頻域指標電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.2所示,其開環(huán)頻率特性為:G（j3）= KIK j3（1+又3）工iL?）=20lgKf201g3-20lg（1+qi232）%①（3）=-90o-tg-1Txi3Y（3）=90o-tg-1Txi3根據(jù)典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨指標和頻域指標的參數(shù)的關(guān)系，當(dāng)KIqi=0.5時，阻尼比90.707,振蕩指標MP=L截止頻率3ci=Ki=135」

因此①(3)=-90o-tg-1Ti3=-116.6o因此乙ciY(3ci)=180-①?)=63.4o跟隨性能指標電流超調(diào)量oi%=4.3%<5%上升時間t=4.72T跟隨性能指標電流超調(diào)量oi%=4.3%<5%上升時間t=4.72T=4.72x0.0037=17.46ms超調(diào)時間t=6.5T=6x50.003724.05msEi調(diào)節(jié)時間t06T06x0.0030722.2msSEi轉(zhuǎn)3速調(diào)節(jié)器的設(shè)計電.流1環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)。為此，1111s+1KIW(s)=Id(s)氏

cliU*(s)—i I(s)Ws()1s+1s+1KIU*(s)i近似條件式中3為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率,其一般較低。在后續(xù)計算完成后,需校驗此近似條cn件。轉(zhuǎn).速2環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3.4(a)所示。把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為U*n(s)/a；再

把時間常數(shù)為T和-1的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為T的慣性環(huán)onK 2nI節(jié)，且T=T+X，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖3.4(b)。2nonKIa)c)圖3.4轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理.3.轉(zhuǎn)3速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型n型系統(tǒng)的原因系統(tǒng)在負載擾動作用下，動態(tài)速降要小。飽和非線性性質(zhì)使超調(diào)量降低。轉(zhuǎn)速環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。典型n型系統(tǒng)參數(shù)和性能指標的關(guān)系為了分析方便起見，引入一個新的變量h,令 h=①/T=3/3 式21h是斜濾為-20dB/dec的中頻斷的寬度(對數(shù)坐標)，稱作“中頻寬”。由于中頻段的狀況對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)起著決定性的作用，因此h只是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。一般情況下，3=1點處在-40dB/dec特性段，由圖3.5可以看出201gK=40(lg3-lg1)+20(lg3-1g3)=201g331 c 1 1c因此 K=33 式1c從圖還可看出，由于T一定，改變T就等于改變了中頻寬h；在T確定以后，再改變K相當(dāng)于是開環(huán)對數(shù)幅頻特性上下平移，從而改變了截止頻率3c。因此在設(shè)計調(diào)節(jié)器時，選擇兩個參數(shù)h和3，就相當(dāng)于選擇參數(shù)T和K。c圖3.5典型II型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和中頻寬由“振蕩指標法”中所用的閉環(huán)幅頻特性峰值M最小準則，對于一定的h值，只有一個r確定的3(或K),可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值M ,這時3和叫，32之間的關(guān)c rmin c 1 2系是32/3c=2h/(h+1) 式(3.13c/31=(h+1)/2 (式3.1而 31+32=23c/(h+1)+2h3c/(h+1)=23c因此3=(1/2)(31+%)=(1/2)(14+16)因此c 12對應(yīng)的最小M峰值是M =(h+1)kh—1rmin（式確定了h和3以后，可以很容易的計算T和K。由h的定義知cT=hT式（轉(zhuǎn).速4調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算h+1 1h+1—32 =()212hT2式（要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型n型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)W (s)-KASRTs+1nnsn式（式中 K—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);nT—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)n調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為W(s)-

nKW(s)-

nK(Ts+1)aR/pKaR(ts+1)―n-

Ts

n n n CTs(Ts+1)tpCTs2(T+1)em ￡nnem ￡n令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K為NKaR

n

TpCT

nemK(ts+1)（式3.1）W(s)—_N_n（式3.1）ns2(Ts+1)￡n.確定時間常數(shù)）電流環(huán)等效時間常數(shù)：——2T=2x0.0037s=0.0074s）電流環(huán)等效時間常數(shù)：K》I）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：T）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：T-0.01s

on3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：—+3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：—+T=0.007s4+0.s0— 0.0174KonI選.擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為K(T按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為K(Ts+1)

n n TsP_KaR(ts+1)

n n

CTs(Ts+1)tpCTs2(Ts+1)

emSn nemSn.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h-5，則的超前時間常數(shù)為TOC\o"1-5"\h\zt-hT-5X0.0174s-0.087sn 2n轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： K—」+1 上 s-2-396.35s-2N2h2T2 2X52X0.01742Sn的比例系數(shù)為:V(h+1)PCT(5+1)X0.046X0.138x0.157 ”的比例系數(shù)為:K— e-m-- —16n 2haRT 2X5X0.0067X0.32X0.0174Sn.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率： 3-KN-KT-396.35X0.087s-1-34.48s-1cn3Nn

1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足簡化條件。13135.10.0037s-1-63.7s-1>3cn）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為3\'1:13571—, s-1-38.74s-1>3T3\0.011cnon滿足簡化條件。.計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R-40kQ，則0R-KR-16x40kQ-640kQ，取640kQnn0T0087C-n- F-0.14uF，取0.15uFnR 640X103n4T4X0.01C———on-- F—1uF，取1uFonR 40X1030校.核轉(zhuǎn)速超調(diào)量U圖3.6含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器當(dāng)h=5時，o=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。由于上述是按線性系統(tǒng)計算的，而n突加階躍給定時， 飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)按 退飽和的情況重新計算超調(diào)量。按ASR退飽和重新計算超調(diào)量過載倍數(shù)九=二IdNI-dbl~=1.5IdNAC當(dāng)h=5時，查典型^型抗擾性能指標表得 max%=81.2%CbAC AnTO—2( max)(人—Z) N SnnC n*Tbm116義0.32=2*81.2%*1.5義0138義0,0174=4.8%<10%1500 0.157能滿足設(shè)計要求。轉(zhuǎn).速5環(huán)的抗擾性能指標1）突加負載的動態(tài)速降指標：因為有I—0.81，所以

dl N人 2RT(I-1)An= dm d—b CTem（式3.2）=42r/min因此 o%=("%)里 (式)b=2.26%<3%o%滿足設(shè)計要求。)恢復(fù)時間指標：根據(jù)“典型H型系統(tǒng)抗擾性能指標與參數(shù)關(guān)系”表，當(dāng)h=5時，'上=8.80,而TT=T=0.0174Xn所以t=8.80x0.0174s=0.153s<1.5s，滿足設(shè)計要求。f.電4流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的比較TXTXi—1—=270.3s-10.00373=135.1s-1

ciTXTXn-1—=57.5s-10.01743=34.48s-1cn1—=1—=11.5s-1圖3.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性

I—電流內(nèi)環(huán)n—轉(zhuǎn)速外環(huán)從計算過程可以看出，這樣的排列次序是必然的。這樣設(shè)計的雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)的響應(yīng)一定比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。這樣做雖然不利于快速性，但每個控制環(huán)本身都是穩(wěn)定的，對系統(tǒng)的組成和調(diào)試工作非常有利。第4章調(diào)速系統(tǒng)性能指標的數(shù)字仿真基1于工程設(shè)計的數(shù)字仿真在第3章基于工程設(shè)計方法中,我們已經(jīng)設(shè)計出了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),并得到以下參直流電動機：U=220VI=116An=1500r/minC=0.138V/rpm；e主回路總電阻：R=0.32Q第4章調(diào)速系統(tǒng)性能指標的數(shù)字仿真基1于工程設(shè)計的數(shù)字仿真在第3章基于工程設(shè)計方法中,我們已經(jīng)設(shè)計出了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),并得到以下參直流電動機：U=220VI=116An=1500r/minC=0.138V/rpm；e主回路總電阻：R=0.32Qk=40sT=0.0017sT=0.002sT=0.116ss oi lT=0.01sT=0.157s；on反饋系數(shù)：a=0.0067V/rpm P=0.046V/A應(yīng)用MATLAB工具箱及其SIMULINK仿真工具，按其規(guī)則，可以非常方便的繪制出控制系統(tǒng)的SIMULINK動態(tài)結(jié)構(gòu)圖以及各種仿真曲線。首先應(yīng)對圖2.5所示系統(tǒng)建立相應(yīng)3.D1S+13.DD2S+1D.0017S+1GsinlGainTransferFcnB的數(shù)學(xué)模型，其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。ToWorfcspaoeConstant0.045D.OOSs+1SaturationTrsnsferFen3Sccp-=ASR0.0DS70.01&+192.8圖4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖必須指出，該動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其仿真是在忽略系統(tǒng)主要部件的一些次要因素及將非線性特性視作線性的條件下做出的。例如，額定勵磁下的直流電動機忽略磁化曲線的非線性；忽略晶閘管觸發(fā)與整流裝置的非線性并將其滯后環(huán)節(jié)近似為慣性環(huán)節(jié)等。另外，為了和工程實際情況相一致，其中ASR與ACR的參數(shù)在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上已作適當(dāng)調(diào)整。在仿真結(jié)果中可以分別得到該系統(tǒng)ASR的輸出與電動機的轉(zhuǎn)速，ACR的輸出與電動機電流在啟

動過程中的動態(tài)特性仿真結(jié)果。時2域分析在SIMULINK工具箱中點擊啟動鍵，scope中即可見時域響應(yīng)圖。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程如圖4.2所示圖4.2直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程通過對仿真結(jié)果的分析，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程可概括為如下幾點：ASR從起動到穩(wěn)速運行的過程中經(jīng)歷了兩個狀態(tài)，及飽和限幅輸出與線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。ACR從啟動到穩(wěn)態(tài)運行的過程中只工作在一種狀態(tài)，即線性調(diào)節(jié)狀態(tài)。所設(shè)計系統(tǒng)的電動機起動特性已十分接近理想特性。所以，該系統(tǒng)設(shè)對于起動特性來說，已達到預(yù)期目的。參考文獻陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］北京：機械工業(yè)出版社，陸道政季新寶自動控制原理及設(shè)計［M］上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，胡壽松自動控制原理簡明教程［M北京：科學(xué)出版社，連級三電力牽引控制系統(tǒng)［M北京：中國鐵道出版社，史國生交直流調(diào)速系統(tǒng)［M］北京化學(xué)工業(yè)出版社，李發(fā)海王巖電機與拖動系統(tǒng)［M］北京：清華大學(xué)出版社，周淵深交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真［M