双闭环直流调速系统 毕业论文.doc

自动控制论文 题目： 双闭环直流调速系统 姓 名： 所在系部： 机电工程系 班 级： 电气 3班 学 号： 指导老师： 2012年 6 月 ii 目 录 摘 要 i 前 言 . 第 1 章 绪论 .1 1. 设计目的及意义 1 2. 设计说明书.1 第 2 章 直流调速系统的组成与原理 .2 1. 双闭环调速系统的动态数学模型.2 2. 直流电机数学模型.2 3. 整流装置的传递函数.3 4. 调速系统总计.3 5. 直流调速系统的组成.5 第 3 章 双闭环调速系统的组成与原理 .6 第 4 章 晶闸管 电动机主电路的设计 .8 1.1 主电路设计.8 1.2 主电路参数计算.8 2. 转速、电流调节器的设计 9 2.1 电流调节器设计.9 2.2 转速调节器参数选择.12 3. 启动过程 16 4. 电动机堵转过程 17 5. 双闭环调速系统特点 17 第 5 章 双闭环直流调速系统仿真 .19 第 6 章 带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试步骤 .22 附录 .24 总结 .25 参考文献 .26 摘 要 本文主要针对交直流调速系统这门课程中关于双闭环直流调速系统的 特点，结构和动态过程的分析，对该系统进一步了解与学习。 iii 从直流电动机的工作原理入手，建立双闭环直流调速系统的数学模型，并 详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用 simulink对系统进行各种参 数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速系统；simulink 仿真 前言 在工业生产中,需要高性能速度控制的电力拖动场合,直流调速系统,特别是 双闭环直流调速系统发挥着极为重要的作用。转速、电流双闭环调速系统是 20 世纪 60年代在国外出现的一种新型调速系统。70 年代以来, 在我国的冶金、 机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。双闭环调速系统是由单 闭环自动调速系统发展而来的。它通过转速和电流两个调节器分别引入转速负 反馈和电流负反馈，并构成双闭环系统。从而有效的改善电机性能。 本设计主 要采用三相全控桥式整流电路对直流电机供电，并通过工程设计法对转速调节 器和电流调节器相关参数进行计算以达到对转速电流双闭环支流调速系统的整 体实现。 第一章 1.设计目的及意义 本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态 和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析 和计算，利用 simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了 参数整定的依据。 转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、 电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电 力拖动自动控制系统的重要基础。应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基 本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节 器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题， 等等。 2.设计说明书 某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电 iv 路，基本数据为： 直流电动机： , , ， ，电枢电路vun750ain8min375rnn04.ar 总电阻 r=0.1,电枢电路总电感 ,电流允许过载倍数 ，折算到hl. 51 电动机轴的飞轮惯量 。22419gd 晶闸管整流装置放大倍数 ，滞后时间常数75sksts07. 电流反馈系数 niva.0. 电压反馈系数 nr12mi3 滤波时间常数 .0,.stsonoi ；调节器输入电阻 。vucminm12 kro40 设计要求： 稳态指标：无静差 动态指标：电流超调量 ；空载起动到额定转速时的转速超调量05i 。01n 第二章直流调速系统的组成与原理 1双闭环调速系统的动态数学模型 在工程实践中,虽然交流电动机结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易。 但由于直流电动机双闭环调速系统在理论和实践上都比较成熟,具有极好的运行 和控制性能,在工业生产中仍占有相当的比例,其双闭环调速系统结构如图 1-1 所示。 asr速度调节器 acr电流调节器 ta交流变换器 tg测速发电机 u*n给定速度信号 un速度反馈信号 u*i给定电流信号 ui电流反馈信号 图 1-1 直流电动机双闭环调速系统结构 系统中电流内环的作用是使电机电枢电流 id服从它的给定值 u*i,当 u*i 不变时,它表现为恒流调节,否则表现为随动调节。速度外环的输出为 u*i,不直 接推动后面的放大器,而是作为电流环的给定值,二者共同构成串级控制系统,不 仅能控制转速,而且能控制电流,可充分利用电机的过载能力,获得较快的动态响 v 应。 2直流电机数学模型 在电力拖动控制系统中,直流电机通常以电枢电压为输入量,以电机转速为 输出量。假设电机补偿良好,忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的影响,并设励磁 电流恒定,得直流电机数学模型和运动方程分别为: 1-1 式中: ud电枢电压 ; l、 id、r分别为电枢回路电感、电流和总电阻 ; e 电机的反电动势,且有 e=cen; te、tl分别为电机的电磁转矩和负载转矩, 且有 te=cmid; gd2电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量。 整理得电流与电压以及电动势与电流之间的传递函数分别为: 1-2 式中: t1=l/r电枢回路的电磁时间常数(s); idl=tl/cm负载电流(a); tm电力拖动系统的机电时间常数(s)。考虑 n=e /ce,可得直流电机的动态结 构图如图 1-2所示。 3整流装置的传递函数 图 1-2 直流电动机的 动态结构图 由于晶闸管整流装置总离不开触发电路,因此在分析系统时往往把它们看成 一个整体,当作一个环节处理。从图 1-1上可以看出,这一环节的输入量是触发 电路的控制电压 uct,输出量是电枢电压 ud。如果在一定的范围内将非线性特性 线性化,就可以把它看成一个滞后时间较小的纯滞后环节,如式 1-3。因传递函 数中包含指数函数,使系统成为非最小相位系统,给分析和设计带来了麻烦,一般 情况下,把它近似成一阶惯性环节。 vi 1-3 式中: ts晶闸管整流装置的失控时间(s)。 4.调速系统总体设计 为实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两 个调节器, 即转速调节器(asr)和电流调节器(acr), 分别调节转速和电流, 即 分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 asr的输出 限幅电压 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 acr的输出限幅电压*imu 限制了电力电子变换器的最大输出电压 。c dmu 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电 力电子变换器 upe，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 如图 2-1所示： 给定电压 速 度 调 节 器 电 流 调 节 器 三 相 集 成 触 发 器 三 相 全 控 桥 直 流 电 动 机 电 流 检 测 转 速 检 测 u n * u n + - u n u i * u i + - u c n u d 图 2-1 直流双闭环调速系统 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 pi调节 器。这样构成双闭环直流调速系统。 其原理图如图 2-2所示： vii 图 2-2 直流双闭环调速系统原理图 直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触 发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，图中还表示了两 个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器 asr 的输出限幅电压 uim*决 定后了电流给定电压的最大值，电流调节器 acr 的输出限幅电压 ucm 限制电 压 ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 udm。其中主电路中串入平波 电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转 矩对生产机械的不利影响。 5.直流调速系统的组成 如下图所示，为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个 调 节器，分别 引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间 实行嵌套连接。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在用电流调节 器的输出去控制电力电子变换器。从闭环结构上看，电流环在里面，转速环 在外边。形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 pi 调节器。 viii 第三章.双闭环直流调速系统的组成与原理 图 2.1 双闭环直流调速系统的原理图 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输 入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在 开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最 大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大 直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵 转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给 定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节 器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输 入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相 电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。 另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的 变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复 到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。 ix 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器， 分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图一所示。 图一 这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器 的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面， 叫做内环；转速 调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环 调速系统。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用 pi调节器，其原理图示于图二。 图二 在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发装置 gt的控制电压 ur,为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。 图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器 asr的输出限幅 (饱和)电压是 u*im，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器 acr 的输出限幅电压是 uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。 第四章.晶闸管-电动机主电路的设计 1.1主电路设计 x 晶闸管-电动机调速系统（v-m 系统）主电路原理图如图 3-1所示： 图 3-1 v-m系统主电路原理图 图中 vt是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图 3-2 所示： 图 3-2 三相全控桥式整流电路 通过调节触发装置 gt的控制电压 来移动脉冲的相位，即可改变平均整流cu 电压 ，从而实现平滑调速。du 1.2主电路参数计算 2.34cosd ，取vn750ovud 13.560.919.cos34.2 其中系数 0.9为电网波动系数，系数 1-1.2为考虑各种因素的安全系数， 这里取 1.0。 电动势系数 rnircnae min168.37504. 额定励磁下的电动机的转矩系数 emc 电磁时间常数 shrltl 03.1. 机电时间常数 xi s0843.916.8.375042 memcrgdt 2、转速、电流调节器的设计 转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图 3-3所示： 图 3-3 直流双闭环调速系统动态结构图 由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入， 需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常 数 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，oit 滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道 上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的 转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 表示，根据ont 和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为 的给定滤波环节。 系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器， 然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 2.1电流调节器设计 1.电流环结构框图的化简 在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即 e 0。这时，电流环如图 3-4 所示。 xii 图 3-4 电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响） 忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 13cmlt 式中 c- 电流环开环频率特性的截止频率。 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号 改成 u*i(s) / ，则电流环便等效成单位负反馈系统。 + - acruc(s) ks/r(t ss+1)(tl s+1) id(s)u*i(s) t 0is+1 图 3-5 电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统） 最后，由于 ts 和 toi 一般都比 tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看 作是一个惯性环节，其时间常数为 ti = ts + toi 查表 1得，三相桥式电路的平均失控时间为 ，电流滤波时间常0.17s 数 .三相桥式电路的每个波头的时间是 3.3ms，为了基本滤平波头，应有oit （12） =3.33ms，因此取 =0.002si oi 电流环小时间常数之和 ti = ts + toi=0.0037s。 简化的近似条件为 13coi 电流环结构图最终简化成图 3-6。 ud0(s)+ -u i(s) acr 1/rtl s+1u*i(s) uc(s) kstss+1 id(s) t 0is+1 1t 0is+1 xiii +- acr uc(s) ks/r(t ls+1)(tis+1) id(s)u*i(s) 图 2-23c图 图 3-6 电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理） 2.电流调节器结构的选择 根据设计要求：稳态无静差,超调量 ，可按典型 i型系统设计电路5%i 调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 pi型电流调节器其传递函数 为： (1)iacrksw 式中 ki 电流调节器的比例系数； i 电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 i=tl 则电流环的动态结构图便成为图 3-7 所示的典型形式，其中 isikr1 0 l/db ci-20db/dec /s-1-40db/dect i （a b) 图 3-7 校正成典型 i 型系统的电流环 a) 动态结构图 b) 开环对数幅频特性 电枢回路电磁时间常数 tl=0.03s。 检查对电源电压的抗扰性能： ，参照典型 i型系统动态1.8037.i 抗扰性能指标与参数的关系表 2，可知各项指标都是可以接受的。 3.电流调节器的参数 电流调节器超前时间常数： i=tl=0.03s。 电流环开环增益：要求 时，按表 3应取 =0.707， ，5%i 0.5iikt 因此 stkii 1.307.5k is(tis+1) id(s)+-u*i(s) xiv acr的比例系数为 540.01.753siiikr 4.检验近似条件 电流环截至频率： .1swici 机电时间常数 tm0843. 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 19617cis s 满足近似条件。 2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 cilm wt65.90843.3 满足近似条件。 3）电流环小时间常数近似处理条件 cimoi s1.07.2.131 满足近似条件。 5.计算调节器电阻和电容 含给定滤波与反馈滤波的 pi型电流调节器如 图 3-8所示： 其中 为电流给定电压， 为电流负反馈*iudi 电压， 为电力电子变换器的控制电压。c 由图 3-8，按所用运算放大器取 ，04rk 各电阻和电容值为 k，取 22k 6.21405.oiirk 图 3-8 pi型电流调节器 ，fcii 3.20. rtoi 2.04 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 ，053.4i 满足设计要求。 2.2转速调节器参数选择 1.电流环的等效闭环传递函数 xv 电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递 函数。由图 3-7a可知 211iidcli*iiii()(/kstiwsus 忽略高次项，上式可降阶近似为 clii() 近似条件可由式 求出 13cmn,baicikt 式中 cn - 转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为 u*i(s)，因此电流环在转速 环中应等效为 1dcli*ii()sw 2.转速调节器结构的选择 电流环的等效闭环传递函数为 cliiik 用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图 3-9所示。 n(s)+- un(s)asr cetmsr u*n(s) id(s) t0ns+1 1t0ns+1 u*n(s) ki+-idl(s) 图 2-26 转 速 环 的 动 态 结 构 图 及 其 简 化 电 流 环 图 转 速 环 的 动 态 结 构 图 及 其 简 化 电 流 环 图 3-9转速换的动态结构框图及其化简（用等效环节代替电流环） 和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定 信号改成 u*n(s)/，再把时间常数为 1/ki 和 t0n 的两个小惯性环节合并起来， 近似成一个时间常数为的惯性环节。 其中电流环等效时间常数 ssii 074.3.21 则转速环节小时间常数 0.0074+0.02=0.0274s onintk xvi 则转速环结构框图可简化为图 3-10 n(s)+- asr c etms ru*n(s) id(s)/tns+1u*n(s) +-idl(s) 图 3-10转速换的动态结构框图及其化简 （等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理） 按照设计要求，选用 pi调节器，其传递函数为 nasr()ksw 式中 kn - 转速调节器的比例系数； n - 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为 n nn 2emnemn(1) (1)()(1)rskrswsctsct 令转速环开环增益为 n 则 2n() 不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图 3-11 n(s)+-u*n(s) )1(2stknn 图 3-11转速换的动态结构框图及其化简 （校正后成为典型型系统） 3.计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 ，则 asr的超前时间常数为5h 50.0274=0.137snnt 转速开环增益 159.84222074.61shkn asr的比例系数 057.14.3.583916nmenrc xvii 4.检验近似条件 转速环截止频率 11 90.284.1537.0skwnncn 1）电流环传递函数简化条件为 cnii wst1.6.3 满足简化条件。 2）转速环小时间常数近似处理条件为 cnoni wk4.270.1531 满足简化条件。 5.计算调节器电阻和电容 含给定滤波与反馈滤波的 pi型转速调节器如 图 3-12所示： 其中 为转速给定电压， 为转速负反馈电压， ：调节器的输出是*nun*iu 电流调节器的给定电压。 取 ，则 04rk k，取 443 k28.4057.1onrk ，fc314 ，取 2f。 ton2 6.校核转速超调量 查表，当 时， ，不能满足设计要求。应按 asr退饱和5h37.6%n 的情况重新计算超调量。 7.按 asr退饱和重新计算超调量 过载倍数 =1.5，理想空载转速时，z=0 查表得，h=5 时，cmax/cb=81.2%，则0maxmax 59.82 mnnbbn tzcn 能满足设计要求。01n 3、启动过程 双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下 3 个阶段。 (1) 电流上升阶段。 (2) 电流保持恒值, 图 3-12 pi型转速调节器 xviii (3) 转速下降阶段 见图 4-1。 图 4-1 双闭环调速系统启动时的转速和电流波形 . 稳态时, usi=0, uci=0, 电动机的转速为期望速 n=n1=ug/n, 其电 流也为稳定电流 id=id1=us1/id。当负载增大时 , 自动调速过程如下:在自动 调速过程中, 转速环是主环 , 在稳速过程起主导作用 , 其主要作用是保持转速 稳定, 能将转速保持在给定值 ug/n 上。电流环是副环,其主要作用是稳定电 流, 将影响和干扰转速的调节, 但转速环的调节作用可以改变 us, 使电流环跟 随 us 调节, 故最终仍能消除转速偏差。 4、电动机堵转过程 当电动机发生严重过载或机械部件被卡住时, 转速将迅速下降, 且 ididm。此时, 由于转速的迅速下降, 使 usi0, 故 st 迅速饱和, 而不再 起转速调节作用, st 的输出为饱和限幅值- usm; 同时, 由于 ididm, 使 uci=- usm+id0, 故 lt 的输出 uc 迅速下降, ud 和 id 随之迅速下降, 转速急剧下降, 但 lt 的调节作用将使 id 维持 idm 不变, 直到堵转为止。因 此, 双闭环调速系统的堵转电流 id 与转折电流 ib 相差很小, 这样便获得了 比较理想的“挖土机特性” 。 5、双闭环调速系统的特点 双闭环直流调速系统的起动过程具有以下三个特点： 1、饱和非线性控制。随着 asr 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的 两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，不能简单地用线性控制理 论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统的设计这样的控制 系统，智能采用分段线性化地方法来分析。 2、转速超调。党转速调节器 asr 采用 pi 调节器时，转速必然有超调。转速 略有超调一般是允许的，对于完全不允许超调的情况，应采用别的控制措施来抑 xix 制超调。 3、准时间最优控制。在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称作 “时间最优控制” ，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动， 就是时间最优控制。但由于在起动过程 1,2 两个阶段中电流不能突变，所以实际 起动过程与理想起动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间 中很小的成分。这是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍 地得到应用。 双闭环调速系统的特点, 一是系统的调速性能好；二是能获得较理想的“挖 土机特性” ；三是有较好的动态特性, 过渡过程短, 启动时间短,稳定性好； 四 是抗干扰能力强； 五是两个调节器分别设计和整定, 调试方便。 第五章.双闭环直流调速系统仿真 双闭环调速系统的动态结构图图 4-1，增加了滤波环节，包括电流滤波、 转速滤波和两个给定信号的滤波环节。 xx 图 4-1 双闭环直流调速系统结构图 1空载起动 双闭环直流调速系统突加给定电压 由静止状态起动时，转速和电流的动*nu 态过程示于图 4-2。由于在起动过程中转速调节器 asr 经历了不饱和、饱和、 退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的 i、 ii、iii 三个阶段。 第 i阶段（ ）是电流上升阶段。突加给定电压 后， 、 、10t *ncu0d 都上升，在 没有达到负载电流 以前，电机还不能转动。当 后，dddli li 电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器 asr的输入偏差电压 的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 ，nnu* *im xxi 强迫电流 迅速上升。直到 ， ，电流调节器很快就压制了 的didmi*imiudi 增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr 很快进入并保持饱和状态， 而 acr不饱和。 第 ii阶段（ ）是恒流升速阶段，asr 饱和，转速环相当于开环，在21t 恒值电流给定 下的电流调节系统，基本上保持电流 恒定，因而系统的加*imudi 速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势 e也按线性增长，对 电流调节系统来说，e 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， 和0du 也必须基本上按线性增长，才能保持 恒定。当 acr采用 pi调节器时，要c di 使其输出量按线性增长，其输入偏差电压 必须维持一定的恒值，iimiu* 也就是说， 应略低于 。didmi 第阶段（ 以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值 时，转2t 0*n 速调节器 asr的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值 ，电机仍在加速，*im 使转速超调。转速超调后，asr 输入偏差电压变负，开始退出饱和状态， 和*iu 很快下降。但是，只要 仍大于负载电流 ，转速就继续上升。直到 =di didli di 时，转矩 ，则 dn/dt=0，转速 n才到达峰值（ 时） 。此后，电动llet 3t 机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在 时间内， ，直到稳定。43tdil 如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶 段内，asr 和 acr都不饱和，asr 起主导的转速调节作用，而 acr则力图使 尽快地跟随其给定值 。di *iu xxii 图 4-2 空载起动特性 2突加负载 图 4-3 突加负载启动 3突减负载 图 4-4 突然减载 xxiii 第六章带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置 调试步骤 1调试前的检查。根据电气图纸，检查主电路各部件及控制电路各部件间 的连线是否正确，标号是否符合图纸要求，连接点是否牢固，焊接点是否有虚 焊，连接导线规格是否符合要求，接插件的接触是否良好等。 2继电控制电路的通电调试。取下各插接板，然后通电，检查继电器的工 作状态和控制顺序等，用万用表查验电源是否通过变压器和控制触头送到了整 流电路的输入端。 3系统开环调试（带电阻性负载） （1）控制电源测试：插上电源板，用万用表校验送至其所供各处电源电压 是否到位，电压值是否符合要求。 （2）触发脉冲检测：插入触发板，调节斜率值，使其为 6.3v左右。调节 初相位角，调节电位器 wp（up 的值） ，使得给定电压（ug）值最大时，输出电 压 u =300v；给定电压（ug）值为 0v时，输出电压 u =0v。d d （3）调节板的测试：插上调节板，将调节板处于开环位置。 asr、acr 输出限幅值的调整。限幅值的依据，分别取决于 u =f（u ）dk 和 u =i 。 是反馈系数，由 w 整定，i 为主电路电流。fid 7d acr 输出限幅值。正限幅：给定电压（ug）最大，调电位器 w ，使输出3 电压 u =270v，取裕量 50v。负限值：给定电压（ug）最小，调电位器 w ，使d 4 u =1v。k asr 的限幅值。由 asr的可能输出最大值与电流反馈环节特性 u =ifi 的最大值来权衡选取，应取两者中的较小值，本系统取4.0v。d 给电位器 w 一个翻转电压。其值也由系统负载决定，一般取 6v，本系统6 取 5.0v。 反馈电压（ufn）极性的测定 从零逐渐增加给定电压（ug） ，输出电压 u 应从 0v300v 变化，将输出d 电压 u 调节到额定电压 220v，用万用表电压档测量电位器 w 的中间点（对参d 7 考点）的电压，看其极性是否为正，如为正值则极性正确，将其调为最大。 断开电源，将电机励磁，电枢接好，测速发电机接好，接通电源，接通 主电路，给定回路，缓慢调节给定电位器，增加给定电压，电机从零速逐渐上 升，调到某一转速，用万用表电压档测量电位器 w 的中间点，看其值是否为fun xxiv 负极性，将电压值调为最大。 4系统闭环调试（带电机负载） （1）确认速度反馈电位器 w 的位置（此位置时，速度反馈电压值为最大）fun 。将调节板 k 跳线置于闭环位置。1 （2）调整速度环 asr。接通系统电源，缓慢增加给定电压（ug） ，由于设 计原因，电机转速不会达到额定值。此时，调节速度反馈电位器 w ，减小转fun 速反馈系数，使系统达到电机额定转速。 （此时 u =220v即可） 。速度环 asr即d 调好。 （3）调整电流环 acr。去掉电机励磁，使电机堵转（电机加励磁时，转矩 很大，不容易堵住） 。缓慢调节 w 电位器，使电枢电流为电机额定电流的7 1.52 倍，本系统设定为 i =2i =2*6.5=13a。电流环即调好。若 i 已达规定de d 的最大值，还不能被稳住，说明电流负反馈没起作用，这表明电流反馈信号 u 偏小或 asr输出限幅值 u 定得太高；还有一种原因可能是由于 acr给定回路fi gi 及反馈回路的输入电阻有差值。出现上述现象后，必须停止调试，重新检查电 流反馈环节的工作是否正常，asr 的限幅值是否合理，重新调整电流反馈环节 的反馈系数，使 u 增加，然后再进行调试。fi （4）过电流的整定。电机堵转，将电位器 w 调为反馈最弱（逆时针旋到5 头） 。调节电位器 w 使电枢电流为额定电流的 22.5 倍，本系统取7 2.5*6.5=16.5a，调节电位器 w 使系统保护，u =0v，延时后主电路断开，故障5d 灯亮。 （5）重复（3）的工作，将系统调为正常值（i =13a）d 附录： 1调节板原理及使用说明(双闭环系统) 该调节板主要作用是使速度及电流实现无静差。即双闭环无静差系统。其 组成主要分为两大部分：速封锁及 pi调节电路和多种故障保护电路。 1）零速封锁电路部分。零速封锁主要由运算放大器：a1、a2；稳压管 z1；三极管 t1、t2；二极管 d11及结形场效应管 t3等组成。其作用如下： 当给定电压 ugn与反馈电压 ufn的绝对值都小于 07v 时，(其值与电阻 r8、r9、刚 o、r11、r4、r5、r6 等有关具体大小，请参考运放的应用等书籍) 运放 a1、a2 的输出均为高电平，此时三极管 t1导通，t2 的基极为低电平，三 xxv 极管 t2导通，+15v 加到场效应管的栅极上(使其导通)封锁转速调节器，使转 速调节器输出电压为 0v(即 s2点)。由此可见此电路的作用是当输入与转速反 馈电压接近零时，封锁住转速调节器 asr，以免调节器零漂引起可控硅整流电 路有输出电压造成电机爬行等不正常现象。当给定电压 ugn和反馈电压 ufn中 一个数值其绝对值大于 0.2 v时，则运算放大器 a1、a2 的输出就有一个为低电 平，此时三极管 t1、t2 均截至，+15v 加到场效应管栅极，场效应管 t3处于夹 断状态，速度调节器可正常工作。当栅极从-15v 变到+15v，(即从夹断到导通) 时，会延时 100ms左右，其延时时间长短取决于 r23和 c1充电时间。 tjb(双闭环调节板)调整电位器名称 w1: 转速反馈 s1 : ugn w2: 电流反馈 s2 : asr 输出 w3: 保护值比较电压 s3 : acr 输出 w4: 过流值 s4 : 过流值 双闭环控制部分连接示意图 总结： 直流电机具有良好的起动、制动性能，宜在大范围内平滑调速。近年来， xxvi 高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速。然而，直 流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制角度看，它又 是交流拖动控制系统的基础。因此，首先还应该好好的掌握直流拖动控制系统。 直流电机在某些工业中也是不可替代的。 本课题未来的研究重点是如何更好的解决快速性和稳定性之间的矛盾，另 外还可考虑设计双闭环可逆系统。 xxvii 参考文献 1陶永华,尹怡欣,芦 生新型 pid控制及其应用m北京:机械工业出版社, 2001 2 薛定宇反馈控制系统设计与分析matlab 语言应用m清华大学出版 社, 2000 3 尔桂花,窦日轩运动控制系统m清华大学出版社 4 梁亦铂,王正茂全数字直流电机调速系统的原理及数学模型j中小型 电机, 2001 5 陈伯时等，电力拖动控制自动控制系统，第 4版，机械工业出版社， 2010.1 6 张爱玲，李岚，梅丽凤.电力拖动与控制.机械工业出版社，2003.5 7 周渊深. 交直流调速系统与 matlab仿真.北京：中国电力出版社，2004 8 胡崇岳.现代交流调速技术. 机械工业出版社，2001 9 史 国 生 .交直流调速系统.化学工业出版社，2011 致谢 通过本次课程设计，首先我对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深 了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流 调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设 计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。 其实在这三年的大学生活里，我们要感谢很多老师，很多关心我们的学长 学姐们！是你们在我们一次次面临挫折的时候，给我们很多鼓励，给我们很多 帮助。 另外在此我要感谢我的指导老师，没有冯遵安老师的细心指导和耐心提点 我是不可能顺利完成此次论文撰写的，从论文选题开始到整个论文撰写的完成， 冯老师就一直关注着我们每一个人，在整个课题的设计构思和编写中给予我细 心的指正，小到一个标点，正是冯老师一丝不苟的精神让我感到信心百倍。同 时还要感谢每一个关心教育过我的老师和我们班的每一个同学和对我的指导和 帮助。借此论文的完成之际，谨向我的导师以及教导和帮助我的其他师长、朋 友、同学表达我衷心的感谢和崇高的敬意! 焦作大学（论文） 图 4-1 双闭环直流调速系统结构图 1空载起动 双闭环直流调速系统突加给定电压 由静止状态起动时，转速和电流的动*nu 态过程示于图 4-2。由于在起动过程中转速调节器 asr 经历了不饱和、饱和、 退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的 i、 ii、iii 三个阶段。 第 i阶段（ ）是电流上升阶段。突加给定电压 后， 、 、10t *ncu0d 都上升，在 没有达到负载电流 以前，电机还不能转动。当 后，dddli li 电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器 asr的输入偏差电压 的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 ，nnu* *imu 强迫电流 迅速上升。直到 ， ，电流调节器很快就压制了 的didmi*imi di 增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr 很快进入并保持饱和状态， 而 acr不饱和。 第 ii阶段（ ）是恒流升速阶段，asr 饱和，转速环相当于开环，在21t 恒值电流给定 下的电流调节系统，基本上保持电流 恒定，因而系统的加*imudi 速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势 e也按线性增长，对 电流调节系统来说，e 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， 和0du 也必须基本上按线性增长，才能保持 恒定。当 acr采用 pi调节器时，要c di 使其输出量按线性增长，其输入偏差电压 必须维持一定的恒值，iimiu* 也就是说， 应略低于 。didmi 第阶段（ 以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值 时，转2t 0*n 速调节器 asr的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值 ，电机仍在加速，*im 使转速超调。转速超调后，asr 输入偏差电压变负，开始退出饱和状态， 和*iu 很快下降。但是，只要 仍大于负载电流 ，转速就继续上升。直到 =di didli di 时，转矩 ，则 dn/dt=0，转速 n才到达峰值（ 时） 。此后，电动llet 3t 机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在 时间内， ，直到稳定。43tdil 如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶 段内，asr 和 acr都不饱和，asr 起主导的转速调节作用，而 acr则力图使 尽快地跟随其给定值 。di *iu 图 4-2 空载起动特性 2突加负载 图 4-3 突加负载启动 3突减负载 图 4-4 突然减载 第六章带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置 调试步骤 1调试前的检查。根据电气图纸，检查主电路各部件及控制电路各部件间 的连线是否正确，标号是否符合图纸要求，连接点是否牢固，焊接点是否有虚 焊，连接导线规格是否符合要求，接插件的接触是否良好等。 2继电控制电路的通电调试。取下各插接板，然后通电，检查继电器的工 作状态和控制顺序等，用万用表查验电源是否通过变压器和控制触头送到了整 流电路的输入端。 3系统开环调试（带电阻性负载） （1）控制电源测试：插上电源板，用万用表校验送至其所供各处电源电压 是否到位，电压值是否符合要求。 （2）触发脉冲检测：插入触发板，调节斜率值，使其为 6.3v左右。调节 初相位角，调节电位器 wp（up 的值） ，使得给定电压（ug）值最大时，输出电 压 u =300v；给定电压（ug）值为 0v时，输出电压 u =0v。d d （3）调节板的测试：插上调节板，将调节板处于开环位置。 asr、acr 输出限幅值的调整。限幅值的依据，分别取决于 u =f（u ）dk 和 u =i 。 是反馈系数，由 w 整定，i 为主电路电流。fid 7d acr 输出限幅值。正限幅：给定电压（ug）最大，调电位器 w ，使输出3 电压 u =270v，取裕量 50v。负限值：给定电压（ug）最小，调电位器 w ，使d 4 u =1v。k asr 的限幅值。由 asr的可能输出最大值与电流反馈环节特性 u =ifi 的最大值来权衡选取，应取两者中的较小值，本系统取4.0v。d 给电位器 w 一个翻转电压。其值也由系统负载决定，一般取 6v，本系统6 取 5.0v。 反馈电压（ufn）极性的测定 从零逐渐增加给定电压（ug） ，输出电压 u 应从 0v300v 变化，将输出d 电压 u 调节到额定电压 220v，用万用表电压档测量电位器 w 的中间点（对参d 7 考点）的电压，看其极性是否为正，如为正值则极性正确，将其调为最大。 断开电源，将电机励磁，电枢接好，测速发电机接好，接通电源，接通 主电路，给定回路，缓慢调节给定电位器，增加给定电压，电机从零速逐渐上 升，调到某一转速，用万用表电压档测量电位器 w 的中间点，看其值是否为fun 负极性，将电压值调为最大。 4系统闭环调试（带电机负载） （1）确认速度反馈电位器 w 的位置（此位置时，速度反馈电压值为最大）fun 。将调节板 k 跳线置于闭环位置。1 （2）调整速度环 asr。接通系统电源，缓慢增加给定电压（ug） ，由于设 计原因，电机转速不会达到额定值