毕业论文（课程设计）--双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计(matlab simulink 仿真设计).doc

毕业论文（课程设计）-双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计(matlab simulink 仿真设计) 前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。随着电力传动装置在现代化工业生产中的广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 设计直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测检测等部分。流调速直流调速直流调速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。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。双闭环调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 a 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 b 理想快速起动过程图1 调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2 转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压 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3双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：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，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。图3实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。4双闭环直流调速系统的数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。图4：5. 双闭环直流调速系统两个调节器的作用1） 转速调节器的作用使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2 电流调节器的作用在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。1.电机转速曲线在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。2.电机电流曲线直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。七、设计结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我们组都团结协作，互相帮助，并且得到老师的关怀。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。这次课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。1王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2000.2张广溢，等.电机学M.重庆：重庆大学出版社，2002.3王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，2008.4导向科技.Protel DXP电子电路设计培训教程M.北京：人民邮电大学出版社，2003.5周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中国电力出版社，2004.6陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京： 机械工业出版社. 2005陈伯时.电力拖动自动控制系统（第版）机械工业出版社摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 直流调速概念11.2 直流调速系统的发展史11.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义21.4 本文的研究内容3第二章 直流调速系统42.1 直流调速系统的调速原理及性能指标4 直流调速系统的调速原理4 直流调速系统的性能指标4 动态性能指标62.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析8 双闭环调速的工作过程和原理8 双闭环直流调速系统的组成及其静特性82.3 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析11 双闭环直流调速系统的数学模型的建立11 起动过程分析12 动态抗干扰性分析152.4 调节器的工程设计方法15 PI调节器15 调节器的设计方法16 型系统与型系统的性能比较16 转速-电流调节器结构的确定172.5 电流环、速度环的设计18 转速调节器、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用18 调节器的具体设计18第三章 PWM脉宽调制223.1 PWM基本介绍223.2 脉宽调制变换器223.3 桥式可逆PWM变换器23第四章 直流电动机数学模型的建立264.1 数学模型的建立26 写出平衡方程式、拉普拉斯变换26 动态结构图274.2 本设计中电动机部分的数据采集和计算31第五章 双闭环直流调速系统仿真335.1 MATLAB简介335.2 双闭环调速系统的仿真33结 论36致 谢37参 考 文 献38附 录38第一章 绪 论1.1 直流调速概念直流调速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。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。 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 （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 由电机机构决定的电势系数。在上式中， 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。 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，提供的最高转速与最低转速之比，称为调速范围，用符号D表示 （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，对应的转速降落与理想空载转速之比，用百分数表示为 （23）显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，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 ，但由于，因此。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。 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 与其稳态值的偏差越小越好，达到的时间越快越好。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222）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： （24）超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，理论上要到才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取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 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叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。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称作动态降落。 2）恢复时间 从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的范围之内所需的时间，定义为恢复时间，其中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232.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 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 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。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 -转速给定电压 Un-转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压二、 双闭环直流调速系统的静特性分析图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， 由第一个关系式可得：n 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， 可知 ，这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id 0一直延续到 。而，一般都是大于额定电流的。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，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。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： 其中，最大电流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合于的情况，因为如果,则,ASR将退出饱和状态. 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到时,对应于转速调节器的饱和输出,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图26中虚线。图26 双闭环直流调速系统的静特性三、各变量的稳态工作点和稳态参数计算由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系： 上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决 于n和，或者说，同时取决于 和。PI调节器输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数。转速反馈系数： /;电流反馈系数： /;两个给定电压的最大值、由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。2.3 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 双闭环直流调速系统的数学模型的建立双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：其中：A-整流器系数； -整流器输入交流电压； -整流器触发角； -触发器移项控制电压；K-触发器移项控制斜率；整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：K 。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图27 双闭环直流调速系统的动态结构框图 起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速调节器输出电压、电流调节器输出电压、可控整流器输出电压、电动机电枢电流和转速的动态响应波形过程如图28所示。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、三个阶段。第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动（n 0），转速负反馈电压，这时，很大，使ASR的输出突增为，ACR的输出为，可控整流器的输出为，使电枢电流迅速增加。当增加到（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限幅值，从而使电枢电流达到所对应的最大值（在这过程中的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即式中，电流反馈系数。速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。 第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流保持恒定值，即系统的加速度为恒值，所以转速n按线性规律上升，由知，也线性增加，这就要求也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。 第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压与转速负反馈电压相平衡，输入偏差等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在以最大电流下加速，使转速超调。超调后，使ASR退出饱和，其输出电压（也就是ACR的给定电压）才从限幅值降下来，也随之降了下来，但是，由于仍大于负载电流，在开始一段时间内转速仍继续上升。到时，电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使尽快地跟随ASR输出的变化。稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR和ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为ACR的输出电压为由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。图28 双闭环直流调速系统起动过程的电压、电流、转速波形综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线形控制：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形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。（2）转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统，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、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启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，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。 动态抗干扰性分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。1 抗负载扰动由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。2 抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。在图27所示的双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会小得多。2.4 调节器的工程设计方法 PI调节器PI调节器的结构如下图所式1，2，3：由图可得：PI调节器比例部分的放大系数：PI调节器积分时间常数PI调节器的传递函数为： 调节器的设计方法为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：1. 保证转速在设定后尽快达到稳速状态2. 保证最优的稳定时间3. 减小转速超调量 根据W s 中积分环节个数的不同,将该控制系统称为0型、型、型系统。自动控制理论证明,0型系统在稳态时是有差的,而型及型以上的系统很难稳定。因此,通常为了保证稳定性和一定的稳态精度,多用型、型系统,典型的型、型系统其开环传递函数为 （2） （3）典型型系统在动态跟随性能上可做到超调小,但抗扰性能差;而典型型系统的超调量相对要大一些,抗扰性能却比较好。接下来可用一个实例来说明这个问题。设被控对象的传递函数如式 4 : （4）若欲将系统校正成型系统,则调节器仅仅是一个比例环节,若欲将系统校正成型系统,则调节器必须含有一个积分环节,并带有一个比例微分环节,以便消除被控对象的一个惯性环节,故调节器采用如式 5 的PI调节器。仿真结果如图3所示。从图中可以清楚地看到型系统、型系统的差别。这种差别可以作为调节器选择的原则。 转速-电流调节器结构的确定一般说来典型型系统在动态跟随性能上可以做到超调小,但抗忧性能差;而典型型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。图3很好地说明了这一点。基于此,在转速-电流双闭环调速系统中,电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题,所以一般电流环多设计为型系统,电流调节的设计应以此为限定条件。至于转速环,稳态无静差是最根本的要求,所以转速环通常设计为型系统。在双闭环调速系统中,整流装置滞后时间常数Ts和电流滤波时间常数Toi一般都比电枢回路电磁Tl小很多,可将前两者近似为一个惯性环节,取Ti Ts+Toi。这样,经过小惯性环节的近似处理后,电流环的控制对象是一个双惯性环节,要将其设计成典型型系统,同理,经过小惯性环节的近似处理后,转速环的被控对象形如式 2 。如前所述,转速环应设计成型系统,所以转速调节器也就设计成PI型调节器,如下式所示: （5）2.5 电流环、速度环的设计 转速调节器、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用1.转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压Un*的变化；稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电动机允许的最大电流；2.电流调节器的作用为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程；当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。 调节器的具体设计本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：晶闸管装置放大系数： 30电枢回路总电阻：R 0.18时间常数：电磁时间常数 0.012s机电时间常数 0.12s调节器输入电阻 20设计指标：静态指标：无静差；动态指标：电流超调量%5%；空载起动到额定转速时的转速超调量%15%。计算反馈关键参数：一.电流环的设计（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数；（见附录表一）电流滤波时间常数 0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12） 3.33ms，因此取 2ms 0.002s）电流环小时间常数之和按小时间常数近似处理。 和一般都比小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节 （2）选择电流调节器结构根据设计要求：%5%，且，可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的.检查对电源电压的抗扰性能:由附录表二,各项指标可接受.（3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数 0.012s；电流环开环时间增益，ACR的比例系数。（4）校验近似条件电流环截止频率，a 晶闸管装置传递函数近似条件：，现为，满足近似条件；b 忽略反电动势对电流环影响的条件：现为，满足近似条件；c 小时间常数近似处理条件：，现为 ，满足近似条件。电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。二. 速度环的设计（1）确定时间常数 电流环等效时间常数： 转速滤波时间常数：转速环小时间常数近似处理：。（2）选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统选用设计PI调节器。典型型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。（3）选择调节器的参数 转速开环增益： ASR的比例系数：（4）近似校验 转速截止频率为：电流环传递函数简化条件：，满足条件；转速环小时间常数近似处理条件：（5）检验转速超调量当h 5时，,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量:，满足设计要求。第三章 PWM脉宽调制3.1 PWM基本介绍自从全控型整流电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。 由于上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM调速系统的应用日益广泛4。3.2 脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触电控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管，GTO，IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调制变换器。直流斩波器-电动机系统的原理如图31a所示，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形u f t ,如图31b所示，好象是电源电压Us在ton时间内被接上，又在（T-ton）内被斩断，故称为“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为： Ud ton/T *Us *Us式中 T-功率开关器件的开关周期 ton-开通时间-占空比， ton/T ton*f，其中f为开关频率。图31脉宽调制变换器-电动机系统的原理图和电压波形图 a）原理图 b 电压波形图 如图32 a 所示，给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图，由VT1VT2共4个电力电子开关器件构成桥式（或称H形）可逆脉冲宽度调制（PULSE WIDTH MODULATION，简称PWM）变换器。VT1和VT4同时导通和关断，VT2和VT3同时通断，使电动机M的电枢两端承受电压+ Us或- Us。改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形如图32 b 所示图32 桥失可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形a 基本原理图 b 电压波形如果用ton表示VT1和VT4导通的时间，开关周期T和占空比的定义和上面相同，则电动机电枢端电压平均值为：Ud ton/T *Us- （T-ton）/ T* Us （2*ton/ T-1）* Us （2-1）*Us脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。3.3 桥式可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图35所示。图35 桥式可逆PWM变换器双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图36所示。图36 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形 它们之间的关系是：Ug1 Ug4 -Ug2 -Ug3。在一个开关周期内，当0t ton时，Uab Us，电枢电流id沿回路1流通；当tont T时，驱动电压反相，id沿回路2经二极管续流，Uab -Us。因此，Uab在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。图36也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。当正脉冲较宽时，ton T/2,则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。图36所示的波形是电动机正转时的情况。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中： 2-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时，的可调范围为01，相应的， （-1）（+1）。当 1/2时，为正，电动机正转；当 1/2