運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) (2)

1、<p><b>　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué) 院： </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)通過(guò)分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖。從電力拖動(dòng)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路開始著手，設(shè)計(jì)整流電路，選擇整流器件，計(jì)算整流變壓器參數(shù)，設(shè)

3、計(jì)保護(hù)電路及觸發(fā)電路。然后，采用工程設(shè)計(jì)的方法對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后將整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。遵從確定時(shí)間常數(shù) 、選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)、計(jì)算調(diào)節(jié)器參數(shù)、效驗(yàn)近似條件的步驟一步一步的實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)。最后用AUTCAD繪制出整個(gè)系統(tǒng)的電器原理圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞：整流電路、觸發(fā)電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、工程成設(shè)

4、計(jì)方法。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design by analysis of double closed loop dc speed control system system composition, design the system of the circuit principle diagram. F

5、rom electric drive not reversible dc speed control system, the design of main circuit began rectifier circuit, choose rectifier devices, computational rectifier transformer parameters, design protection circuit and trigg

6、er circuit. Then, the engineering design method of double closed loop dc speed control system of current regulator and speed regulator de</p><p>　　Keywords: rectifier circuit, trigger circuit, speed regulato

7、r, current regulator, engineering into design method. </p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)對(duì)象參數(shù)</b></p><p>　?。?）Pnom=60KW （2）Unom=220V （3）Inom=305

8、A</p><p>　?。?）nnom=1000r/min （5）Tl=0.012 s （6）Tm =0.12 s</p><p>　?。?）C e=0.2 v.min/r （8）RΣ =0.18Ω （9）KS=30</p><p>　?。?0）Toi=0.0025 s （11）T0=0.014 s （12）λ=1.2</p

9、><p>　?。?3）U*nm=10 V (14)U*im=10 V</p><p><b>　　2、性能指標(biāo)</b></p><p>　　σi≤5% σn≤10%</p><p>　　3、課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和要求</p><p>　　3.1電力拖動(dòng)不可逆

10、直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　整流電路和整流器件的選擇</p><p>　　整流變壓器參數(shù)的計(jì)算</p><p><b>　　整流器件的保護(hù)</b></p><p>　　平波電抗器參數(shù)的計(jì)算</p><p><b>　　觸發(fā)電路的選擇</b></p>

11、;<p>　　3.2控制電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　建立雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　二、電力拖動(dòng)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　1、整流電路和整流器件的選擇</

12、p><p>　　目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖1所示，其中陰極連接在一起的三個(gè)晶體管（VT1，VT3，VT5）稱為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的三個(gè)晶體管（VT4，VT6，VT2）稱為共陽(yáng)極組。</p><p>　　三相橋式全控整流電路圖</p><p>　　2、 整流變壓器參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　采

13、用三相雙繞組變壓器。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：</p><p>　　U2N=UN=220V；I2N=IN=305A；</p><p>　　額定容量：SN=sqr(3)* U2N* I2N=1162.21KV·A</p><p>　　三相雙繞組變壓器原理圖</p><p><b>　　3、整流器件的保護(hù)</b></p&

14、gt;<p>　　電力電子器件中不可避免的會(huì)發(fā)生過(guò)電壓，會(huì)損壞電力電子器件。</p><p>　　對(duì)于大容量的電力電子裝置，可以采用如下圖所示的反向阻斷式RC電路來(lái)限制和吸收過(guò)電壓。</p><p><b>　　反向阻斷式RC電路</b></p><p>　　4、平波電抗器參數(shù)的計(jì)算</p><p>　　負(fù)

15、載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，隨著Id的增大，轉(zhuǎn)速n（與反電動(dòng)勢(shì)成比例）降落很大，機(jī)械特性較軟，相當(dāng)于整流電源的內(nèi)阻增大。較大的電流峰值在電動(dòng)機(jī)換向時(shí)容易產(chǎn)生火花。同時(shí)，對(duì)于相等的電流平均值，若電流波形底部較窄，則其有效值越大，要求電源的容量也大。</p><p>　　為了克服以上缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間

16、。</p><p>　　總電感：L∑=TlR∑=0.012*0.18=2.16mH</p><p>　　平波電抗器的電感量：L=L∑-0.693U2/Idmin=3.74mH</p><p><b>　　5、觸發(fā)電路的選擇</b></p><p>　　如圖所示的晶體管觸發(fā)電路，它由V1，V2組成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器

17、TM及附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)V1，V2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V1，V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它電路環(huán)節(jié)。</p><p>　　三、直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1系統(tǒng)的組成</b><

18、;/p><p>　　轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣、性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)。采用PI調(diào)節(jié)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。</p><p>　　圖1理想快速啟動(dòng)過(guò)程電流和轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　如題1所示，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流

19、保持為最大值的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。所以，我們希望達(dá)到的控制：?jiǎn)?dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)組成系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別在系統(tǒng)中起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)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(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌

20、套（或稱串級(jí)）連接，如圖2所示。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。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱作外環(huán)。這就組成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p><b>　　2系統(tǒng)的電路原理圖</b></p><p>

21、;　　圖3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電路兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。圖中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，TG表示測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA表示電流互感器，GT是觸發(fā)電路，UPE是電力電子變換器。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算

22、放大器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個(gè)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的輸出限幅電壓決定了電流給的電壓的最大值，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。</p><p>　　3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)將運(yùn)用工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向

23、外擴(kuò)展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，應(yīng)該首先設(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)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.1獲得系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)象</p><p>　　根據(jù)圖3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以方便的繪出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。其中為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，為電流反饋系數(shù)。</p><p>　　圖4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p&

24、gt;<p>　　在考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)（見圖4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖）的基礎(chǔ)上，即可繪出直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯示出來(lái)。</p><p>　　圖5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于電流檢測(cè)信號(hào)中常

25、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。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以用一階慣性環(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)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶?lái)設(shè)計(jì)上的方便。</p><p&g

26、t;　　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)。</p><p>　　所以直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖應(yīng)該與圖5有所不同，應(yīng)當(dāng)增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。如圖6所示。</p><p>　　圖6直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</

27、p><p>　　3.2電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡(jiǎn)</p><p>　　在圖6點(diǎn)畫線框內(nèi)的電流內(nèi)環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(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。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一

28、個(gè)變化慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(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)影響，也就算說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖7所示。可以證明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是：</p><p>　　式中 ——電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　圖7忽略反電動(dòng)勢(shì)的動(dòng)態(tài)影響時(shí)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框

29、圖</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖8所示。</p><p>　　圖8等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　最后，由于和一般都比小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似的看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為：</p><p>　　則電流環(huán)結(jié)

30、構(gòu)框圖最終可以簡(jiǎn)化成如圖9所示。簡(jiǎn)化的近似條件是</p><p>　　圖9小慣性環(huán)節(jié)近似處理的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇</p><p>　　首先考慮把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，可以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖9可以看出，采用Ⅰ型系統(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

31、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)抗擾作用只是次要因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型Ⅰ型系統(tǒng)。</p><p>　　圖9的表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成：</p><p>　　式中 ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　——

32、電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇</p><p>　　則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成圖10所示的典型形式，其中：</p><p>　　圖10校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)的電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算</p><p><

33、b>　　1.確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。通過(guò)表1可得出，三相橋式電路的平均失控時(shí)間。</p><p>　　2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)初始條件有Toi=0.0025 s。</p><p>　　3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取</p><p><b>　　0.0

34、042。</b></p><p>　　表1各種整流電路的失控時(shí)間（）</p><p>　　2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無(wú)差，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(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)：</p><p>　　檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：42=7.14，參照

35、表2的典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。</p><p>　　表2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</p><p>　　3.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：0.012s。</p><p>　　電流開環(huán)增益：要求時(shí)，按表3，取，因此</p><p>　　KI=0.5

36、/T∑i=119.05s</p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：</p><p>　　Ki=KIζiR/Ksβ=0.0012</p><p>　　表3典型Ⅰ型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系</p><p><b>　　4.校驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　

37、電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　

38、電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b>　　滿足近似條件。</b></p><p>　　5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　由圖11，按所用的運(yùn)算放大器R0=40K?，各電阻和電容值為：</p><p>　　Ri=KiR0=0.0012*40=0.048k?,取0.05 k?.</p>

39、<p>　　Ci=ζi/Ri=0.24μF，取0.24μF</p><p>　　Coi=4Toi/Ro=0.25μF,取0.25μF</p><p>　　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)ζi=1.2℅</p><p>　　<5℅,滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　3.2.4電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)</p>

40、;<p>　　含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖11所示。圖中為電流給的電壓，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器的控制電壓。根據(jù)運(yùn)算放大器的電路原理，可以導(dǎo)出：</p><p>　　圖11含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳

41、遞函數(shù)</p><p>　　電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，由圖10可知，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　忽略高次項(xiàng)，可降階近似為</p><p><b>　　近似條件</b></p><p>　　式中 ——轉(zhuǎn)速開環(huán)頻率特性的截止頻率。</p><p>　　接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)

42、等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效成</p><p>　　這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇</p><p>　　用電流環(huán)的等效代替圖6中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。</p><p>

43、;　　圖12用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的代替結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改為，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(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)為的慣性環(huán)節(jié)，其中</p><p>　　則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)化成如圖13所示。</p><p>　　圖13等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p

44、><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。在理論計(jì)算中，線性系統(tǒng)的階躍超調(diào)量較大，但在實(shí)際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。故而，ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p>

45、;<p>　　式中 ——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為</b></p><p><b>　　則</b></p><p&g

46、t;　　不考慮負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，校正后調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖14所示。</p><p>　　上述結(jié)果所服從的近似條件歸納為：</p><p>　　圖14校正后成典型Ⅱ型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.3.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算</p><p><b>　　1.確定時(shí)間常數(shù)</b></p>

47、<p>　　含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示。圖中U*n為電流給定電壓，-αn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器的控制電壓Ui*。</p><p>　　α= Unm/nmax=0.196</p><p>　　(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/KI.由上面的計(jì)算，已取KIT∑i=0.5，</p><p>　　則 1/K

48、I=2T∑i=0.0048s</p><p>　　(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton.已知，Ton=0.014s</p><p>　　(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T∑n. T∑n=1/KI+Ton=0.0062s</p><p>　　2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><

49、;p>　　3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按照跟隨和抗擾性能的原則，取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：</p><p>　　ζn=h*T∑n=0.031s</p><p>　　轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：KN=(h+1)/2h2 T∑n=19.35s-2</p><p>　　于是，ASR的比例系數(shù)為</p><p&g

50、t;　　Kn=(h+1)βCeTm/2hαRT∑n=633</p><p><b>　　4.檢驗(yàn)近似條件</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b>　　，滿足簡(jiǎn)化條件。</b></p

51、><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　根據(jù)圖15，取R0=40k?,則</p><p>　　Rn=KnRo=774 k?,取770 k?。</p><p&

52、gt;　　Ce=ζn/Rn=0.04μF,取0.04μF；Con=4Ton/Ro=1.4μF,取1.4μF。</p><p>　　根據(jù)表4，△Cmax/Cb=81.2,此時(shí)，</p><p>　　σn=3.45%<10%,能滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　表4典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)</p><p>　　3.3.4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

53、的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖15所示，圖中為轉(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。</p><p>　　與電流調(diào)節(jié)器相似，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)與電阻、電容值的關(guān)系為</p><p>　　圖15含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p>　　四、系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程分析

54、</p><p>　　直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓時(shí)由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程圖如圖16所示。由于在起動(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，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成了圖中標(biāo)明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)階段。</p><p>　　圖16直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流波形</p><p>　　第Ⅰ階段（）是電流上升階段。突加給定電壓后，經(jīng)過(guò)兩

55、個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用，、、都跟著上升，但是在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流以前，電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用，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(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。</p><p>　　第Ⅱ階段（）是恒流升速階段。在這個(gè)階

56、段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為恒值電流給的下的電流調(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)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，為了使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，應(yīng)略小于。此外，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中ACR

57、不應(yīng)飽和，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也需留有余地。</p><p>　　第Ⅲ階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。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(dòng)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)，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則，轉(zhuǎn)速才到達(dá)峰值（時(shí)）。此后電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下

58、減速，與此相應(yīng)，在時(shí)間內(nèi)，，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，而ACR則力圖使盡快的跟隨給定值，即電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。</p><p>　　綜上所述，直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程的特點(diǎn)是：</p><p>　　1）飽和非線性控制。隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，只能

59、采用分段線性化的方法來(lái)分析，不能簡(jiǎn)單的用線性控制理論來(lái)分析整個(gè)起動(dòng)過(guò)程。</p><p>　　2）轉(zhuǎn)速超調(diào)。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速必然有超調(diào)。</p><p>　　3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載能力限制下的恒流起動(dòng)，就是時(shí)間最優(yōu)控制。但由于在起動(dòng)過(guò)程Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)階段中電流不能突變，實(shí)際起動(dòng)過(guò)程與

60、理想起動(dòng)過(guò)程還有一些差距，不過(guò)這兩個(gè)階段只占全部起動(dòng)時(shí)間中的很小一部分，可稱作“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”。</p><p><b>　　五、總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課的一次課程設(shè)計(jì)，主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求參數(shù)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)這門課是我們自動(dòng)化專業(yè)的一門綜合性非常強(qiáng)的課

61、程，它綜合了之前學(xué)習(xí)過(guò)的模擬電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)及電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)等課程的很多知識(shí)點(diǎn)，所以，本次課程設(shè)計(jì)也是對(duì)以前課程的一次梳理和升華。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)我受益良多，本課程設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器，通過(guò)查閱大量的書籍、報(bào)刊、雜志、專業(yè)網(wǎng)站、論壇的方式，找尋所需資料，反復(fù)比對(duì)研究有關(guān)資料，最后按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法的基本思路，簡(jiǎn)化問(wèn)題，突出主要矛盾。先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系

62、統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)——電流調(diào)節(jié)器，然后把電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，完成設(shè)計(jì)要求。在此過(guò)程中，我進(jìn)一步深化了對(duì)這門課程課本所學(xué)知識(shí)的理解，通過(guò)實(shí)際設(shè)計(jì)系統(tǒng)，鍛煉了我應(yīng)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，是對(duì)我綜合素質(zhì)的一次提高。</p><p><b>　　六、主要參考資料</b></p>&