標(biāo)題: 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)論文 [打印本頁]
作者: 哈哈哈WJ 時(shí)間: 2017-12-20 19:37
標(biāo)題: 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)論文
直流調(diào)速系統(tǒng)性能改善的根本手段
摘要：本文簡(jiǎn)單敘述了直流調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)而引出性能優(yōu)異的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，先簡(jiǎn)要說明系統(tǒng)組成及其工作原理，舉例分析說明系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。然后進(jìn)行仿真研究，包括仿真模型的建立過程描述，對(duì)系統(tǒng)起動(dòng)過程、抗干擾過程的仿真分析以及常見操作錯(cuò)誤對(duì)系統(tǒng)的影響。最終對(duì)系統(tǒng)靜特性、動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)系統(tǒng)、性能指標(biāo)計(jì)算與分析、靜特性、動(dòng)態(tài)性、仿真實(shí)驗(yàn)
0.引言 一般直流電動(dòng)機(jī)具有相同的工作原理和應(yīng)用特性，按類型主要分為直流有刷電動(dòng)機(jī)和直流無刷電動(dòng)機(jī)。隨著新材料的出現(xiàn)，技術(shù)的更新進(jìn)步，直流無刷電動(dòng)機(jī)得到了迅速發(fā)展，逐漸克服了機(jī)械換向裝置的固有缺點(diǎn)，憑其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)在許多場(chǎng)合取代了其它種類的電動(dòng)機(jī)。 圖0.1所示為直流電動(dòng)機(jī)的電路原理圖。根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式： 圖0.1 直流電動(dòng)機(jī)的電路原理圖
（0.1）
可知，直流電機(jī)調(diào)速方案有三種：
1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U
2) 改變電動(dòng)機(jī)主磁通φ
3) 改變電樞回路電阻R
簡(jiǎn)單的可以用可控直流電源和直流電動(dòng)機(jī)組成一個(gè)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，但它的性能并不能很好的滿足期望值，應(yīng)用范圍極小。因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有轉(zhuǎn)速反饋控制的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，把轉(zhuǎn)速作為系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量，檢測(cè)誤差，糾正誤差，這樣就可以有效地解決系統(tǒng)調(diào)速范圍和靜差率的矛盾。若采用比例積分調(diào)節(jié)器，還能實(shí)現(xiàn)無靜差，引入電流截止負(fù)反饋能限制電樞電流的沖擊，避免出現(xiàn)過電流現(xiàn)象。但轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)還存在一個(gè)缺點(diǎn)—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)過程），起動(dòng)過程不是非常的理想。
按照反饋控制規(guī)律，若想控制某個(gè)變量便引入該變量的負(fù)反饋，因此可以組建一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，電流負(fù)反饋不再發(fā)揮作用。這樣便可以按照理想要求控制電流得到比較理想的起動(dòng)過程。
1.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與工作原理1.1系統(tǒng)的組成及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（1）系統(tǒng)的組成
為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行嵌套（串級(jí)）連接，如圖1.1所示。系統(tǒng)由ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR—電流調(diào)節(jié)器，TG—測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)，TA—電流互感器，UPE—電力電子變換器等組成。
圖1.1 雙閉環(huán)系統(tǒng)原理圖
—轉(zhuǎn)速給定電壓，Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓， —電流給定電壓，Ui—電流反饋電壓
把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(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)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)（雙閉環(huán)系統(tǒng)）。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器。
（2）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1.2所示，圖中WASR(S)和WACR(S)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)。
圖1.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
1.2系統(tǒng)跟隨性能分析——優(yōu)異的起動(dòng)特性 在恒定負(fù)載條件下轉(zhuǎn)速變化的過程的與電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩（或電流）有關(guān)，圖1.3是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在帶有負(fù)載IdL條件下起動(dòng)過程的電流波形和轉(zhuǎn)速波形。從電流與轉(zhuǎn)速變化過程所反映出的特點(diǎn)可以把起動(dòng)過程分為電流上升，恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個(gè)階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在三階段中經(jīng)歷快速進(jìn)入飽和，飽和及退飽和三種情況。
(1) Ⅰ階段(0-t1)是電流上升階段：突加給定電壓后，Uc,Ud0,Id都會(huì)上升，但由于Id<IdL電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id>IdL后,電動(dòng)機(jī)開始緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)， 數(shù)值很大， 很快達(dá)到限幅值 ，強(qiáng)迫電樞電流Id迅速上升。直到 , ,ACR很快壓制了Id的增長(zhǎng)。
(2) Ⅱ階段(t1-t2)是恒流升速階段：這個(gè)階段，
ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為
恒值電流給定 的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電 圖1.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程
流Id恒定，因而系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。 的轉(zhuǎn)速和電流波形
另外ACR一般選用PI調(diào)節(jié)器，電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此對(duì)斜坡擾動(dòng)是無法實(shí)現(xiàn)消除靜差的。在這個(gè)階段中，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正是一個(gè)斜坡擾動(dòng)，所以系統(tǒng)做不到無靜差，而是略低于Idm。為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，起動(dòng)過程中ACR不能飽和。
(3) Ⅲ階段(t2以后)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到n*時(shí)， ，電動(dòng)機(jī)仍然在加速，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)之后 為負(fù)，使它退出飽和。由于Id>IdL，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。直到Id=IdL，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值（t3）。此后Id<IdL，電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速，直到穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)階段最后，ASR和ACR都不飽和，ASR是主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流跟隨子系統(tǒng)。
1.3系統(tǒng)抗干擾性能分析——電流環(huán)的快速抗干擾雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)抗擾性能是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。
（1）抗負(fù)載擾動(dòng)
由圖1.2可以看出，負(fù)載擾動(dòng)出現(xiàn)在電流環(huán)之后，因此只能靠ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。
（2）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)
電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)作用。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增加了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)在電流內(nèi)環(huán)的前向通路上，可以得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等到它影響到轉(zhuǎn)速之后才反饋回來，因而擾動(dòng)性能得到改善。
2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算2.1電流環(huán)的性能指標(biāo)計(jì)算 電流環(huán)ACR電路原理圖如圖2.1所示。
（1） 確定時(shí)間常數(shù)
1) 整流裝置滯后的時(shí)間常數(shù)Ts。
2) 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi。
3) 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑i。 圖2.1 電流環(huán)ACR電路原理圖
按小時(shí)間常數(shù)處理，取T∑i=Ts+Toi （2.1）
（2） 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)
（3） 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)
電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：τi=TL
電流環(huán)開環(huán)增益根據(jù)表格計(jì)算為KI，于是ACR的比例系數(shù)為 （2.2）
（4） 校驗(yàn)近似條件
電流環(huán)截止頻率： Wci=KI （2.3）
1) 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 則滿足近似條件。
2) 校驗(yàn)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 < 滿足近似條件。
3) 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 則滿足近似條件。
（5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容
電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.1所示：
， ， （2.4）
根據(jù)上述參數(shù)，可以得到電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)
2.2轉(zhuǎn)速環(huán)的性能指標(biāo)計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)ASR電路原理圖如圖2.2所示
（1） 確定時(shí)間常數(shù)
1) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) 。
2) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。
3) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑n。按小時(shí) 圖2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)ASR電路原理圖
間常數(shù)處理，取T∑n= 。 （2.5）
（2） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)
（3） 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)
按跟隨和抗干擾性能都較好的原則，取h=5
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)： （2.6）
轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 ，ASR的比例系數(shù)為 （2.7）
（4） 檢驗(yàn)近似條件
轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率： （2.8）
1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 則滿足簡(jiǎn)化條件
2) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 則滿足近似條件
（5） 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3所示：
， ， （2.9）
（6）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計(jì)算
的基準(zhǔn)值是Cb=2FK2T,其中 ， ， （2.10）
因此， 的基準(zhǔn)值應(yīng)該是 ，令λ為電動(dòng)機(jī)允許的過載倍數(shù)，即 ； 為負(fù)載系數(shù)， ；
為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降， ，將其帶入 表達(dá)式中得 。 （2.11）
作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量 ，其基準(zhǔn)值應(yīng)該是n*，則退飽和超調(diào)量：
（2.12）
2.3計(jì)算實(shí)例在一個(gè)由三相零式晶閘管整流裝置供電的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，己知電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為:PN= 60kW，UN = 220 V，IN = 308 A，nN =1000 r/min，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.196V.min/r，主回路總電阻R =0.18Ω ,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ks=35。電磁時(shí)間常數(shù)TL =0.012s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm =0. 12s,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)
Toi =0.0025s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton =0. 015s,額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓( )N=10V調(diào)節(jié)器ASR,ACR飽和輸出電壓 =8V,Ucm=6. 5V。系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)為:穩(wěn)態(tài)無靜差，調(diào)速范圍D=10，電流超調(diào)量 5%，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 10%。試求:
（1） 確定電流反饋系數(shù) (假設(shè)起動(dòng)電流限制在1.1IN以內(nèi))和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 。
（2） 試設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR,計(jì)算其參數(shù)Ri、Ci、Coi。畫出其電路圖，調(diào)節(jié)器輸入回路電阻R0=40kΩ
（3） 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，計(jì)算其參數(shù)Rn、Cn、Con。(R0=40kΩ)
（4） 計(jì)算電動(dòng)機(jī)帶40％額定負(fù)載起動(dòng)到最低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 。
解：由題意得
（1）
（2） ACR的設(shè)計(jì)
查表2-2可知，三相零式晶閘管平均失控時(shí)間 Ts=3.33ms
又Toi=2.5ms,所以
因?yàn)?，按照I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用PI調(diào)節(jié)器
WACR(s)=
其中
所以
電流環(huán)截止頻率：
a) 檢驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件
，滿足近似條件。
b) 校驗(yàn)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
= < 滿足近似條件。
c) 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件
，則滿足近似條件。
d) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容
電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.1所示，選擇R0=40K，則
，選擇9K
= ，
，
（3） ASR的設(shè)計(jì)
1) 確定時(shí)間常數(shù)
a) 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù) ，因?yàn)?。
所以
b) 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.015s。
c) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T∑n= 。
d) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，器傳遞函數(shù)為WASR(s)=
2) 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)
按跟隨和抗干擾性能都較好的原則，取h=5則
,
，
,
3) 檢驗(yàn)近似條件
轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：
a) 轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件
，滿足簡(jiǎn)化條件
b) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件
，滿足近似條件
c) 轉(zhuǎn)速超調(diào)量的檢驗(yàn)（表3-5，h=5時(shí)， ）,
得到 ,因此上述設(shè)計(jì)不符合要求。
查表3-4可知，應(yīng)當(dāng)選擇小一些的h，h=3
當(dāng)h=3時(shí)
,
，
,
4) 再次檢驗(yàn)近似條件
轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：
a) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件
，滿足簡(jiǎn)化條件
b) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件
，滿足近似條件
c) 轉(zhuǎn)速超調(diào)量的檢驗(yàn)（表3-5，h=3時(shí)， ）,
得到 ,因此上述設(shè)計(jì)符合要求。
5) 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3所示,選擇R0=40K，則
，取310K
，
，
（4） 帶40％額定負(fù)載起動(dòng)到最低轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速時(shí)
解得
3.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究3.1雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型的建立（1） 圖1.2為雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真框圖，根據(jù)計(jì)算實(shí)例中計(jì)算得到的參數(shù)可知
直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓:UN= 220 V ,額定電流:IN=308 A ,額定轉(zhuǎn)速:nN=1000 r/min , 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)：Ce=0.196V.min/r。
1) 電樞回路總電阻：R =0.18Ω，電樞回路電磁時(shí)間常數(shù):TL =0.012s，
電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù):Tm=0. 12s。
2) 假定晶閘管整流裝置輸出電流可逆，裝置的放大倍數(shù):Ks=35。
3) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts=3.33ms；電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0. 0025s ；電流反饋系數(shù):β=0.0236V/A；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù): ；轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton =0. 015s；對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓:( )N=10V
4) 電流環(huán)傳函: (3.1）
5) 轉(zhuǎn)速環(huán)傳函: （3.2）
（2） 建立Simulink圖（R2016a）
1) 電流環(huán)
a) 打開模型編輯窗口
進(jìn)入MATLAB，依次單擊命令窗口工具欄中“新建” “ SIMULINK MODAL” →“simpleSIMULINK MODAL” →將現(xiàn)有元件全選刪除。
b) 復(fù)制相關(guān)模塊
在untitled窗體上點(diǎn)擊libraryBowser圖標(biāo)，依次選擇下列圖標(biāo)并鼠標(biāo)左鍵將該模板拖入模型編輯窗口。“Source-Step（階躍輸入）”、“Mathoperations-Sum（加法器），gain（增益）”、“continuous-transfer fen（控制器），integrator（積分）”、“sinks-acop（示波器）”、“discontinue-saturation（非線性）”
c) 修改模塊參數(shù)
雙擊模塊圖案，會(huì)出現(xiàn)該圖案的對(duì)話框，根據(jù)電流環(huán)的傳遞函數(shù)（式3.1）修改對(duì)話框內(nèi)容來設(shè)定模塊的參數(shù)。
d) 模塊連接
根據(jù)電流環(huán)仿真模型框圖如圖3.1所示中所需要的元件順序排序，鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)模塊可以復(fù)制相同的模塊。以鼠標(biāo)左鍵單擊起點(diǎn)模塊輸出端，拖動(dòng)鼠標(biāo)至終點(diǎn)模塊輸入端處，則可以在兩模塊之間產(chǎn)生 線。
圖3.1電流環(huán)仿真模型框圖
2) 轉(zhuǎn)速環(huán)
為了在示波器中反映出轉(zhuǎn)速電流的關(guān)系，增加“Signl Routing-Mux”模塊把兩個(gè)輸入聚合成一個(gè)向量輸出給Scope。并增加Step1模塊用來輸入負(fù)載電流。根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)（式3.2）設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。
根據(jù)轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型如圖3-2所示。進(jìn)行模塊連接。
圖3-2 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真模型
其中，為了保證調(diào)速系統(tǒng)中電氣設(shè)備和機(jī)械設(shè)備的安全，需限制電動(dòng)機(jī)的最大電流，這就需要對(duì)PI調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅。
3.2仿真結(jié)果分析 3.2.1起動(dòng)過程的仿真（1） 按設(shè)計(jì)參數(shù)的起動(dòng)過程仿真結(jié)果
按照理論設(shè)計(jì)參數(shù)起動(dòng)的過程仿真波形圖如圖3.3所示。
其中，電流環(huán)仿真波形如圖圖3.4所示。計(jì)算得到 圖3.3轉(zhuǎn)速環(huán)空載起動(dòng)波形圖 （3.3）
因此是不滿足條件的，需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
轉(zhuǎn)速環(huán)仿真波形如圖圖3.5所示。
（3.4）
因此不滿足設(shè)計(jì)要求需要進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 圖3.4 電流環(huán)仿真波形
（2） 起動(dòng)過程的參數(shù)優(yōu)化
電流環(huán)參數(shù)優(yōu)化的方案：因?yàn)镃max的值與比例系數(shù)K有關(guān)，K影響電流PI調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Ki，因此在仿真模型中改變系數(shù)Ki即可。
適當(dāng)減小Ki的值，直到計(jì)算出小于系統(tǒng)要求的
超調(diào)量，然后算出該參數(shù)與上一個(gè)參數(shù)的平均值 圖3.5 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真波形
這樣逐次逼近最優(yōu)的參數(shù)。在通過逆向求值的思想，計(jì)算出相應(yīng)的元件參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)稱值完成電流環(huán)參數(shù)優(yōu)化。
轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)優(yōu)化的方案：因?yàn)榕c ∝ ，因此可以改變Kn的值得到最優(yōu)的 。（kn的優(yōu)化與Ki的優(yōu)化類似）
最終得出 Ki=0.174時(shí)σ= ；Kn= 8.5 時(shí)σ=
超調(diào)量以及各項(xiàng)指標(biāo)均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
優(yōu)化參數(shù)起動(dòng)的過程仿真波形圖如圖3.6所示。
圖3.6 優(yōu)化參數(shù)起動(dòng)的過程仿真波形
（3） 仿真結(jié)果分析
經(jīng)過上面的分析可以看出按照設(shè)計(jì)參數(shù)仿真時(shí)結(jié)果并沒有達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，原因是由于在理論計(jì)算中采用了很多的近似處理已經(jīng)脫離了現(xiàn)實(shí)中的模擬情況，另外由于仿真軟件的局限性，與使用者的電腦主頻等參數(shù)相關(guān)，所以要得到最優(yōu)的結(jié)果必須進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，逐次逼近最優(yōu)參數(shù)。
參數(shù)優(yōu)化后各個(gè)元件的選型：
電流調(diào)節(jié)器的原理圖如圖2.1所示，選擇R0=40K，則
，選擇7.5K
= ，選擇1.8uF
，選擇0.5Uf
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的原理圖如圖3所示,選擇R0=40K，則
，選擇510K
，選擇05uF
，選擇18uF
3.2.2抗干擾過程的仿真1) 抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)的擾動(dòng)
經(jīng)過起動(dòng)過程的仿真和參數(shù)優(yōu)化后，系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的性能指標(biāo)可以滿足要求。
2) 抗負(fù)載擾動(dòng)
經(jīng)過起動(dòng)過程的仿真和參數(shù)優(yōu)化后，系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)的性能指標(biāo)可以滿足要求。
3.3.拓展討論3.3.1反饋線接反的仿真結(jié)果1、轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線接反仿真圖如圖3.7所示。
2、電流環(huán)反饋線接反仿真圖如圖3.8所示。
圖3.7 轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線接反仿真圖 圖3.8 電流環(huán)環(huán)反饋線接反仿真圖
3.3.2反饋線掉線的仿真結(jié)果1、轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線掉線仿真圖如圖3.9所示。
2、電流環(huán)反饋線斷線仿真圖如圖3.10所示。
圖3.9 轉(zhuǎn)速環(huán)反饋線掉線仿真圖 圖3.10 電流環(huán)環(huán)反饋線掉線仿真圖
4. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究 4.1雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)1) 實(shí)驗(yàn)原理分析
雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理參照第1節(jié)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)于靜特性而言，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。
1) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和
此時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓為零。
(4.1)
(4.2)
式中 —分別為轉(zhuǎn)速和電流的反饋系數(shù)。
由式1.1可得 (4.3)
從而得到圖4.2所示靜特性的AB段。
同時(shí)，由于ASR不飽和， ,由式1.2可知：Id<Idm。因此AB段靜特性從立項(xiàng)空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm，而Idm一般都大于額定電流IDn的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。
2) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和
ASR輸出達(dá)到限幅值 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)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)
(4.4)
式中Idm是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和系統(tǒng)要求的最大加速度。式4.2描述得表示圖1.4中的BC段，它是垂直的特性。這樣的下垂特性只適合n<n0的，否則 <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)速無靜差，這時(shí)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出 ，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用， 圖4.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性
系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，起到過電流的自動(dòng)保護(hù)作用。
圖1.4也反映了ASR調(diào)節(jié)器退飽和的條件。當(dāng)ASR處于飽和狀態(tài)時(shí)，Id=Idm，若負(fù)載電流減小，IdL<Idm，使轉(zhuǎn)速回升，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AB段。
2) 實(shí)驗(yàn)步驟
1）按圖4.3雙閉環(huán)機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)電路圖接線，渦流測(cè)功機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩調(diào)至最小。
MEL-002T“三相交流電源”，即按下主控制屏綠色“閉合”開關(guān)按鈕, 首先調(diào)節(jié)NMEL-18/2使電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流為額定勵(lì)磁電流100mA，然后調(diào)節(jié)側(cè)面調(diào)壓器調(diào)節(jié)旋鈕使主控制屏U、V、W端有輸出220V。 圖4.3雙閉環(huán)機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)電路圖
2）逐漸增加給定電壓Ug，使電機(jī)起動(dòng)、升速，調(diào)節(jié)Ug和渦流測(cè)功機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，Id=IN=1.1A，然后逐步減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩直到空載，測(cè)取6～8點(diǎn)，即可測(cè)出系統(tǒng)的靜特性n=f (Id)。
其中，實(shí)驗(yàn)主回路接線圖如圖4.4所示 圖4.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主回路接線圖
雙閉環(huán)系統(tǒng)控制回路接線圖如圖4.5所示，實(shí)驗(yàn)接線圖如圖4.6所示。
圖4.5 雙閉環(huán)系統(tǒng)控制回路接線圖 圖4.6 雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)接線圖
4.2雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn) 用二蹤慢掃描示波器觀察動(dòng)態(tài)波形，用數(shù)字示波器記錄動(dòng)態(tài)波形。在不同的調(diào)節(jié)器參數(shù)下，觀察，記錄下列動(dòng)態(tài)波形：
（1）突加給定起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形。
調(diào)整給定電壓Ug，以及轉(zhuǎn)矩設(shè)置按鈕，使電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速達(dá)到1500rpm。關(guān)斷給定電壓Ug，在轉(zhuǎn)速環(huán)以及電流環(huán)輸出位置連接好示波器，接通給定電壓Ug，調(diào)整示波器，使轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)輸出波形緩慢變化并重合在一起。再次關(guān)斷給定電壓Ug，無輸出后，接通 圖4.7 突加給定起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形
給定電壓，觀察波形。重復(fù)以上步驟，
直到獲得比較理想的波形為止。突加給定起動(dòng)，電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形如圖4.7所示。
（2）突加額定負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形。
設(shè)置轉(zhuǎn)矩為1，按照（1）中的調(diào)整 圖4.8電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形
步驟，突加給定電壓，觀察電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形如圖4.8所示。
5.結(jié)論 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱雙閉環(huán)系統(tǒng)是靜，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良、抗擾性能良好，應(yīng)用廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。從開環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)到閉環(huán)系統(tǒng)，V/M系統(tǒng)到雙閉環(huán)系統(tǒng)的理論計(jì)算、仿真分析、實(shí)驗(yàn)研究均表明直流調(diào)速系統(tǒng)性能改善的根本手段是引入了電流控制。
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