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1、河南理工大学本科毕业设计论文1 第一章 绪 论1.1 直流调速概念直流调速1是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性 ,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。1.2 直流调速系统的发展史直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁场回路电阻实现有级调速。1930 年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M 和直流发电机 G 构成，简称
2、 GM 系统） ，以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机， 从而方便地实现调速。 但这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。1957 年晶闸管问世后，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、 可靠性和经济性不断提高，在20 世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。今天正在逐步推
3、广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。直流传动之所以经历多年发展仍在工业生产中得到广泛应用， 关键在于它能以简单的手段达到较高的性能指标。例如高精度稳速系统的稳速精度达数十万分之一，宽调速系统的调速比达1：10000以上，快速响应系统的响应时间已缩短到几毫秒以下。在实际应用中， 电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率； 二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。 电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。长期以来，直
4、流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时， 保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位，其中，双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，它具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。自 19 世纪 80 年代起至 19 世纪末以前，工业上传动所用的电动机一直以直流电动机为唯一方式。到了19 世纪末
5、，出现了三相电源和结构简单，坚固耐用的交流笼型电动机以后， 交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。然而，随着生产的不断发展，调速对变速传动装置是一项基本的要求，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文2 现代应用的许多变速传动系统，在满足一定的调速范围和连续（无级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。虽然直流电动机可以满足这些要求，但由于直流电动机在容量、体
6、积、重量、成本、制造和运行维护方面都不及交流电动机，所以长期以来人们一直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。从 60 年代起，国外对交流电动机调速已开始重视。随着电力电子学与电子技术的发展， 特别是电力半导体器件的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70 年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用， 为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统：如串级调速系统，变频调速系统， 无换向器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳速精度，较快的动态响应， 较高的工作
7、效率以及可以四象限运行和制动， 其静特性已可以与直流电动机拖动系统相媲美。国际上许多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化阶段，大有取代直流电力拖动系统的势头。但就目前而言， 直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：(1) 常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构， 减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便；(2) 动态参数调整方便；(3) 系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可
8、靠性；(4) 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；(5) 可采用数字反馈来提高系统的精度；(6) 容易与上一级计算机交换信息；(7) 具有信息存储、数据通信的功能；(8) 成本较低。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，又是交流调速系统的基础，因此，应首先着重研究直流调速系统， 这样才可以在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索1。1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义转速、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
9、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。首先，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；然后， 在建立该系统动态数学模型的基础上，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；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，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。通过对转速、 电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容， 在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系
10、统的性能， 使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文3 1.4 本文的研究内容本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，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
11、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。本文的主要工作：1.掌握电机传动的工作原理及应用；2.设计调速系统；主要内容包括：触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计。3.建立数学模型，计算其参数；4.进行数字仿真，验证其设计；5.完成相关实验。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文4 一、设计题目：双闭环 V-M调速系统中主电路电
12、流调节器及转速调节器的设计二、已知条件及控制对象的基本参数：（1）已知电动机参数为：nomp=3kW ，nomU=220V，nomI=17.5A，nomn=1500r/min ，电枢绕组电阻aR=1.25，2GD=3.532N m。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻recR=1.3。平波电抗器电阻LR=0.3。整流回路总电感L=200mH 。（ 2）这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和 ACR均采用 PI 调节器， ASR限幅输出imU= 8V，ACR限幅输出ctmU=8V，最大给定nmU=10V，调速范围D=20 ，静差率s=10% ，堵转电流dblI=2.1nomI，临界截止电流dcrI=2
13、nomI。（3）设计指标：电流超调量i% 5% ，空载起动到额定转速时的转速超调量n10% ，空载起动到额定转速的过渡过程时间 ts0.5 。三、设计要求（1） 分别用工程设计方法和西门子调节器最佳整定法进行设计，决定 ASR和 ACR结构并选择参数。（2）对上述两种设计方法进行分析比较。（3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图四、设计方法及步骤： 用工程设计方法设计（1）系统设计的一般原则：按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。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。双闭环调速系统的实际动态结构框图
14、如图2-22 所示，它包括了电流滤波，转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入， 需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数 Toi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在一直交流分量的同时，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同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是， 让给定信号和反馈信号经过相同时间的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由于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Ton 表
15、示。再根据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Ton 的给定滤波环节。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文5 （2）电流环设计电流环动态结构图及简化在图 2-22 点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。 实际上， 反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl 远小于几机电时间常数Tm,因此，
16、转速的变化往往比电流的变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即dE=0. 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影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-23所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中wci-电流环开环频率特性的截止频率。如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*(s)/,则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便之处了。最后由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小的多，可应当作小
17、惯性群而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为：TTToisi进而1） 确定时间常数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文6 根据已知数据得 Tm=2375emGD RC C=23.532.853750.13230s = 0.162s 3200100.072.85lLTssR三相 桥式晶闸管整流电路的平均 时间0.0017sTs， 取电流反馈滤波时间常数0.002oiTs，可得电流环的小时间
18、常数为iTsT+oiT= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s 2） 选择电流调节器结构虽然liTT=0.070.0037= 18.9 10 ，但从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型I 型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为：1( )iACRiisWSKs3） 选择电流调节器参数积分时间常数i=lT = 0.07 s 为满足 i% 5% 要求，取电流环
19、开环增益IK为IK=12iT=1(20.0037)1s = 135.14 1s电流调节器比例系数iK为iK= iIsRKK=135.140.072.853.270.21837.84取调节器的输入电阻oR=20k，则电流调节器的各参数为iR=iKoR=3.2720k=60.54 k，取 62 kiC=iiR =630.071062 10F=1.13F，取 1F名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设
20、计论文7 oiC=4oioTR=5340.0021020 10F=0.4F，取 0.47F根据上述参数可以达到的动态指标为i%=4.3% 5% 故能满足设计要求。4） 校验近似条件电流环截至频率ci= IK=135.141s，晶闸管装置传递函数近似条件为ci13sT, 现13sT13 0.00171s=196.11sci故该近似条件满足。忽略反电动势影响的近似条件为ci3 1/()mlT T，现3 1/()mlT T=3 1/(0.1620.07)1s=28.21sci故该近似条件满足。（3）转速环设计电流环经过简化后可视作为转速环中的一个环节，为此，需要求出它的闭环传递函数Wcli （s）
21、，忽略高次项，可由近似条件TKwiIcn31，降阶近似为111KWIclis接入转速环内，电流环在转速环内应等效为：111sKI这样， 原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后， 可以近似的等效为只有较名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文8 小时间常数1/IK的一个惯性环节，这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）的一个重要功能。转速环动态
22、结构图及简化：1） 确定时间常数因nU = nomn，故转速反馈系数为=nnomUn=101500V min/r=0.0067 Vmin/r 电流环的等级时间常数为 2iT=0.0074s 。取转速反馈滤波时间常数onT =0.01s ，转速环的时间常数为2nionTTT=0.0074s+0.01s=0.0174s 2） 选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似PI 调节器，按典型II型系统进行设计。这样的系统同时也可满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大那是线性系统
23、的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低，当近似PI 调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为1( )nASRnnsWSKs3） 选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量n% 和过渡过程时间st。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h 值计算有关参数；否则要改变h 值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当 h=5 时， ASR退饱和超调量为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 49 页 - - -
24、 - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文9 n%=max(%)bCC2()nomnmznTn T式中，为电动机允许过载系数，按题意=2.1 ；z 为负载系数，设为理想空载起动，则z=0; nomn为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，nomn= nomeIRC；max(%)bCC是基准值为bC时的超调量相对值，而bC=2()nnommTznT。当 h=5 时，max(%)bCC=81.2%，故起动到额定转速，即n= nomn时，退饱和超调量为n=9.2%10% 满足设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间st延长，st可
25、表示为st=2t+0t其中2t为恒流升速时间，0t是退饱和超调过渡过程时间。2t=emnomnomC T nR I=0.1320.162 15002.852.1 17.5s=0.31s 退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5 时0t=8.8nT=0.153s 。但恢复时间是按误差为5%bC计算的。这里bC=22KTN= 2nnomemRTIC T=170.4r/min， 故 5%bC= 8.5r/min。这就是说，转速进入8.5r/min 的恢复时间为 0.153s 。但这里的恢复时间应按转速进入5%nomn来计算，由于5%nomn =75 r/min 8.5 r/min，显然
26、所需时间将远小于0.153s ，故可忽略不计，于是st2t=0.31s 。可见，能满足设计要求。这样，就可根据h=5选择转速调节器的参数。 ASR的时间常数为n=hnT=50.0174s=0.087s 转速环开环增益为名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文10 2212NnhKh T=226500.0174s=2396.4s ASR比例系数为(1)2emnnhC TKhRT=60.2180
27、.1320.162100.00672.850.0174=8.4 如设调节器输入电阻oR=20k，则nR=nKoR=8.420 k=168k，取 160 knC=nnR=830.08710160 10F=0.54F, 取 0.47FonC=4onnTR=634 0.01 1020 10F=2F，取 2F4） 校验近似条件转速环截止频率为cn=1NK=NKn=396.40.0871s =34.51s电流闭环传递函数简化条件为cn15iT，现15iT=150.00371s=54.11scn故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为cn11/(2)3ionT T，现11/(2)3ionT T=11/(
28、20.00370.01)31s=38.751scn故满足该简化条件 5）易犯错误由例 2-2 知，此系统是有差系统， ASR似乎可用比例调节器并按典型I 型系统进行设计。这时，转速环的开环放大系数为NK=ASRemWRC T根据设计指标，转速超调量要求n10% ，据此可选择参数为NnK T=0.69 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文11 于是0.690.1320.2180.1620
29、.01740.00672.85ASRW=9.7 上述设计过程的错误是：ASR采用比例调节器，当其放大系数为9.7 时，虽可满足动态指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时KASR=76.3，即 ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR采用PI调节器（或近似PI 调节器）后，才能较好地解决这个矛盾。为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用PI 调节器，并按典型II 型系统进行设计。另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间st时，若查教材表2-6 ，当 h=5 时，得st=9.55nT=9.550.174 s = 0.
30、17 s 是不对的， 此错误在于： 教材表 2-6 所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后，由于 ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。用西门子调节器最佳整定法设计（1）电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图2-27 所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI 调节器，即1( )iACRDisWSs如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统iiT12sDKRiT所得调节器参数为iiT=iiRC=0.07
31、12sDKRiT=0iR C= 20.21837.840.00372.85 s = 0.021 s 因oR=20k ， 故iC=630.021 1020 10F=1.05F， 取1F， 于 是iiiRC= 30.07101k=70k，取 68k。这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量i%=4% ，上升时间rt=4.7iT=4.7 0.0037s=0.017。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕
32、业设计论文12 （2）转速环的动态校正将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如教材中图2-33所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用 PI 调节器，即21( )iACRiDsWSKs如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统4nnTnK=2nD=2emnC TTR所得调节器参数为4nnT=nCnR=40.0174s=0.0696s nK=0.1320.1620.21820.01740.00672.85=7 因oR=20k，故nR=nKoR=720 k=140 k，取nR=130 k，则nC=nnR=0.54
33、F，取nC=0.47F。给定滤波器的时间常数为=4nT=0.0696s 当转速调节器采用上述参数，并在输入端加给定滤波器11s后，系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量n=8.1%，过渡过程时间st=16.4nT=16.4 0.0174s=0.265s 。两种设计方法的分析比较（1）西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型I 型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I 型系统中选12KT的情况。（2） 西门子设计方法中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II 型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型II型系统中选中频宽h=4 的情况。（3）西门子设计方
34、法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR饱和，因此给出的n过大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小n，因此只要ASR饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。此外， 西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文13 就给现场调试带来一定困难。第二章 直流调速系统2.1 直流调速系统的调速原理及性能指标2.1.1 直流调速系统的调速原理直流电
35、动机具有良好的起、 制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管 直流电动机 (VM)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础1 ，6。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统） 、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（21）表示eKIRUn（21）式中n电动机转速；U电枢供电电压；I电枢电流；R电枢回路总电阻，单位为eK由
36、电机机构决定的电势系数。在上式中，eK是常数，电流 I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压U；（2） 减弱励磁磁通；（3） 改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。2.1.2 直流调速系统的性能指标根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在
37、最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定； 动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳， 并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响1 ， 6。一、静态性能指标名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文14 1） 调速范围生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速maxn与最低转速minn
38、之比，称为调速范围，用符号D 表示minmaxnnD（22）2） 静差率静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s 来表示。具体是指电动机稳定工作时， 在一条机械特性线上， 电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落edn与理想空载转速0n之比，用百分数表示为%100%100000nnnnnseded（23）显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，edn越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图21 中的线1 和线 2，它们有相同的转速降落1edn=2edn，但由于0102nn，因
39、此12ss。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min 时降落 10r/min，只占 1%；在100r/min 时也降落 10r/min，就占 10%；如果0n只有 10r/min，再降落 10r/min 时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。由图 21 可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。图 21 事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围， 是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
40、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文15 速可调范围。脱离了对静差率的要求。 任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。2.1.3 动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。一、跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况
41、可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零， 给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值c的偏差越小越好，达到c的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：1）上升时间rt在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值c所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图22。图 22 2）超调量%在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：%100%maxccc（24）超
42、调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。3）调节时间st调节时间又称过渡过程时间， 它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到t才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文16 不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取%
43、2%5或的范围作为允许误差带， 以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图22。二、抗扰性能指标一般是以系统稳定运行中， 突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图23。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：1）动态降落%maxc系统稳定运行时， 突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值%maxc叫做动态降落， 用输出量原稳态值1c的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值212,ccc是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落
44、称作动态降落%maxn。2）恢复时间ft从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值2c之差进入某基准量bc的%2%5或范围之内所需的时间， 定义为恢复时间ft， 其中bc称为抗扰指标中输出量的基准值。实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。图 23 2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析2.2.1 双闭环调速的工作过程和原理双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段 ,电动机的实际转速名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
45、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文17 (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
46、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1 ，5， ，6，8。2.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性一、双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流， 即
47、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，如图 24 所示。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图 24 转速、电流双闭环直流调速系统其中： ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电子变换器*Un-转速给定电压Un-转速反馈电压*Ui-电流给定电压Ui-电流反馈电压二、 双闭环直流调速系统的静特性分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -
48、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文18 图 25 双闭环直流调速系统的稳态结构框图分析静特性的关键是掌握PI 调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和输出达到限幅值， 不饱和 输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时， PI 的作用使输入偏差电压 U 在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状
49、态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况1 ，5， ，6，8。1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，*Un= Un=n=0n*Ui= Ui=dI由第一个关系式可得： n=*nU=0n从而得到图 2-5 所示静特性曲线的CA 段。与此同时，由于ASR 不饱和，*Ui*imU可知dIdmI，这就是说， CA 段特性从理想空载状态的Id=0 一直延续到dI=dmI。而dmI，一般都是大于额定电流dnI的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2转速调节器饱和这时， ASR 输出达到限幅值*imU，转速外环呈开环状态，转速的变化对
50、系统不再产生影响。 双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：dI=*imU=dmI其中，最大电流dmI取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 49 页 - - - - - - - - - 河南理工大学本科毕业设计论文19 合于0nn的情况，因为如果0nn,则*nnUU,ASR 将退出饱和状态 . 双闭环调速系统的静特性在负载