转速电流双闭环直流调速系统.doc

转速、电流双闭环直流调速系统的设计设计总说明本设计为转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流反馈作用稳定电流，后者通过转速反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，使转速随转速给定电压的变化而变化，具有优良的调速性能。关键词：双闭环；晶闸管；转速调节器；电流调节器The Design of Speed, Current Double-loop DC Converter SystemDesign DescriptionThe design is speed, current double-loop SCR DC converter system. The system sets up the current detecting aspect, the current regulator ACR and the speed detecting link, speed regulator ASR, composes the current central and the speed central, the former through the feedback of the components to level off the current, the latter finally eliminates the deviation of speed bias, thus allowing the system to the purpose of regulating the current and speed. When the system starts, the speed outer ring saturates non-functional, the current inner ring plays a major role to regulate the starting current to maintain the maximum so that the speed linear change, to reach a given value; When it operates steadily, the speed negative feedback from the outer ring plays a major role, to let the speed changes with the given speed voltage, at the same time the current inner ring regulates the armature current of motor adjustment to balance the load current.Key words: Double-loop; thyristor; the speed regulator; the current regulator28目录1.绪论11.1双闭环直流调速系统的介绍11.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及原理21.2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成21.2.2转速、电流双闭环直流调速系统的原理图31.2.3双闭环直流调速系统的动态数学模型31.2.4启动过程分析42.参数测定62.1主电路总电阻值得测定62.2电枢回路电感L的测定92.3直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 的测定112.4主电路电磁时间常数Td的测定112.5电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定122.6系统机电时间常数TM的测定123.V-M调速系统主电路设计123.1晶闸管整流电路方案123.2主电路主要器件参数选择133.2.1 可控整流变压器选择及计算133.2.2 晶闸管的选择133.3反馈和保护电路153.3.1 转速检测电路153.3.2 电流反馈环节及过流保护环节154.工程设计法设计双闭环系统的调节器164.1调节器的设计原则164.2调节器的设计要求164.3 电流调节器设计174.4 转速调节器设计185. Simulink仿真205.1电流环的仿真205.2转速环的仿真205.3 双闭环直流调速系统的仿真216.系统调试236.1 系统调试原则236.2实验线路及原理236.2 各控制单元的调试246.2.1移相控制电压Uct调节范围的确定246.2.2调节器的调零246.2.3调节器正、负限幅值的调整246.2.4电流反馈系数的整定246.2.5转速反馈系数的整定256.3系统调试256.3.1开环外特性的测定256.3.2系统静特性测试267.总结27致谢28参考文献291 绪论1.1双闭环直流调速系统的介绍目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。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，只有电流截止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，靠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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1.1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。b) 理想的快速起动过程IdLLntIdOIdma) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统图1.1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形IdLntIdOIdmIdcr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，最好是在过渡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。这样的理想起动过程波形如图1.1（b）所示，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）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。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的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用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，不再靠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在不同的阶段。1.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及原理1.2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成对于经常正、反转运行的调速系统，利用双闭环调速系统具有十分明显的优势。它能充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，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。为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，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。二者之间实行嵌套连接，如图1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1.2.1 转速、电流双闭环直流调速系统框图转速给定电压 转速反馈电压 电流给定电压 电流反馈电压1.2.2转速、电流双闭环直流调速系统的原理图图1.2.2 双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压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的输出限幅电压决定了电流调节器ACR的最大给定电压，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。1.2.3双闭环直流调速系统的动态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1.2.3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1.2.3 双闭环直流调速系统的动态结构框图1.2.4启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图1.2.4。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、三个阶段。IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3 t2t1ttIdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3 t2t1IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3 t2t1tt图1.2.4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形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，与也随之降了下来，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。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。2.参数测定2.1主电路总电阻值得测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻Rn，即R = Ra十RL十Rn (2-1)由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压U0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图2.1所示。图2.1 伏安比较法实验线路图将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。合上S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为 Udo=I1R+U1 (2-2)调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2，则 UdoI2R十U2求解(2-2)、(2-3)两式，可得电枢回路总电阻: R（U2-U1）/（I1-I2） (2-3)试验数据处理：（1）合上 给定电枢电压（V）串电阻4.66850.7683=1804.21700.59633.85540.5145（2）断开给定电枢电压（V）串电阻4.66940.53984.21770.41743.85630.3253(94-85)/(0.76-0.53)=39.1(77-70)/(0.59-0.41)=38.8(63-54)/(0.51-0.32)=47.3则电枢回路总电阻为：=（39.1+38.8+47.3）/3=41.7 短接电机电枢两端，重复上述实验，可得 则电机的电枢电阻为试验数据处理：（1）合上 给定电枢电压（V）串电阻3.85550.6254=1804.14750.73714.561001.0693（2）断开给定电枢电压（V）串电阻3.85600.40594.15800.50784.571050.85103=（60-55）/（0.62-0.40）=22.7=（80-75）/（0.73-0.50）=21.7=（105-100）/（1.06-0.85）=23.8电机的电枢电阻为：Ra=R-(RL十Rn)=41.7-22.7=19短接电抗器两端，重复上述实验,可得:则电机的电抗器直流电阻为:试验数据处理:（1）合上 给定电枢电压（V）串电阻4.56900.8583=1804.37840.78754.13740.7362（2）断开给定电枢电压（V）串电阻4.561000.56964.38920.54874.13820.4773(100-92)/(0.82-0.61)=34.4=(92-84)/(0.78-0.54)=33.3(82-74)/(0.73-0.47)=30.7=41.7-32.8=8.9整流装置内阻:=-=41.7-19-8.9=13.8又以上参数处理可知, 41.7 19 8.9 =13.82.2电枢回路电感L的测定电枢回路总电感包括电机的电枢电感La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可以忽略，故电枢回路的等效总电感为LLa+Ld (2-4)电感的数值可用交流伏安法测定。实验时应给电动机加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图2.2所示。计算出电感值La和Ld，计算公式如下: (2-5) (2-6) (2-7)图2.2 测量电枢回路电感的实验线路图试验数据处理:25.5570.31917.338.10.21711.925.60.149=25.5/0.319=79.9=17.3/0.217=79.7=11.9/0.149=79.8=0.247H=0.246H=0.246H0.246H=57/0.319=178.6=38.1/0.217=175.5=25.6/0.149=171.8=0.568H=0.558H=0.546H0.557H则电枢回路的等效电感为:=0.246+0.557=0.803H2.3直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 的测定电力拖动系统的运动方程式为 (2-8)电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk，则运动方程式为: (2-9)从而有 (2-10)可由空载功率PK(单位为W)求出: (2-11) (2-12)试验数据处理:2210.1315033;4;3.54;有上表可知,在其自由停车共3次，时间分别为3;4;3.54，求其平均值得出自由停车时间为：3.51s，则 =28.6W/1503=0.18所以=0.1572.4主电路电磁时间常数Td的测定主电路电磁时间常数Td的计算公式为：， (2-13)其中L为电枢回路的电感，R为电枢回路的总电阻。由以上计算可知:=0.803H=41.7 将L、R带入公式得：=0.803/41.7=0.019s2.5电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定电动机电势常数Ce和转矩常数CM的计算公式如下： (2-14) (2-15)带入电动机铭牌数据及值得：=0.12=1.1742.6系统机电时间常数TM的测定系统机电时间常数TM的计算公式如下： (2-16)带入数据计算得：=0.123s 3. V-M调速系统主电路设计3.1晶闸管整流电路方案晶闸管-电动机电路中，采用三相桥式全控整流电路。可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断3。三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为、和，共阳极的一组为、和。三相桥式全控整流电路如图3.1所示。图3.1 三相桥式全控整流电路原理图3.2主电路主要器件参数选择3.2.1 可控整流变压器选择及计算作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能，其中整流是把交流变直流。选择一台主变压器计算如下：一次绕组为0.22kV 二次绕组为0.22kV由直流发电机额定数据得：=0.185kW=0.185kW查附录表1得实验室小型电热设备的=1.0=0=0.1850=0kVA=0.1851.0=0.185kVA只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷的需要：即选择=0.2kVA所以所选变压器的型号为：S9-0.2/0.38型。3.2.2 晶闸管的选择一、晶闸管的选择及参数计算=n+R=0.121600+1.241.7=242.04V=/2.34=242.04/2.34=103.44V=319.83V=/R=242.04/41.7=5.80A=/=3.35A(AV)=/1.57=2.13A可选用的晶闸管为：KP5-3型。表3.2.2 晶闸管参数型号TypeKP5A通态平均电流(AV) A5正向电流有效值(AV) A8通态峰值电压2.2正反向重复峰值电压 V2002000正反向重复峰值电流 mA8.0触发电流 mA545触发电压 V2.5维持电流 A545断态电压临界上升率dv/dt V/s500通态电流临界上升率di/dt A/s/工作结温 -40+250结壳热阻 /W3.0外型OutlineB1推荐散热器SZ13二、晶闸管的保护晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。(1) 晶闸管的过流保护晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类：一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。(2) 晶闸管的过压保护晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。3.3反馈和保护电路3.3.1 转速检测电路转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速成正比的电压信号，滤波交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波之后即可作为转速反馈信号反馈回系统9。其原理图如图3.3.1所示。图3.3.1 转速检测电路原理图3.3.2 电流反馈环节及过流保护环节交流互感器测得晶闸管交流进线的电流，以获得过电流信号。图3.3.2是过流保护电路的电路图。图3.3.2 过流保护电路的电路图4. 工程设计法设计双闭环系统的调节器4.1调节器的设计原则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。为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：1. 概念清楚、易懂；2. 计算公式简明、好记；3. 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；4. 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式；5. 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。4.2调节器的设计要求电流、转速双闭环调速系统的动态结构图如图4.2所示：图4.2 直流双闭环调速系统动态结构图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。设计要求：系统给定：=6V =1.5 = =1.3A转速反馈系数：=/=0.004Vmin/r电流反馈系数：=/=4.615V/A超调量5，尽量实现无静差调速。4.3 电流调节器设计一、选择电流调节器结构根据设计要求5，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。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W(s)=(s+1)/s，电路图如图4.3所示。检查对电源电压的抗干扰性能：/=0.019/0.0037=5.14，参照典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。图4.3 电流调节器电路图二、确定时间常数(1) 整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。(2) 电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。(3) 电流环小时间常数之近似处理，取=+=0.0037s。(4) 电枢回路电磁时间常数L/R0.803/41.70.019s(5) 电力拖动系统时间常数由实验测得=0.123s三、计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.019s。电流环开环增益：要求5时，查表得=0.5，因此=0.5/0.0037s=135.1于是，ACR的比例系数为=R/=135.10.01941.7/404.6150.58四、校验近似条件电流环截止频率：=135.1晶闸管整流装置传递函数近似条件1/3=1/30.0017s=191.6满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件62.06满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件180.8满足近似条件。五、计算调节器电阻和电容所用运算放大器取=40k，各电阻和电容值为=0.584023.2k=/=0.019/23.2=0.82=4/=40.002/40=0.24.4 转速调节器设计一、选择电流调节器结构由于设计要求无静差，故选用PI型电流调节器，其传递函数为W(s)=(s+1)/s转速调节器电路图如图4.4所示。图4.4 转速调节器电路图二、确定时间常数(1) 电流环等效时间常数1/已知=0.5，则1/220.0037s0.0074s(2) 转速时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s(3) 转速小时间常数。按小时间常数近似处理，取1/0.0174s 三、计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为=h=50.0174s=0.087s转速开环增益=(h+1)/2=6/（2520.0174）=396.4ASR的比例系数为1.41四、检验近似条件转速环截止频率为=/=396.40.087=34.5(1) 电流环传递函数简化条件为=63.7(2) 转速环小时间常数近似处理条件为=38.7五、计算调节器电阻和电容取=40k，各电阻和电容值为=1.4140=56.4k=/=0.087/56.4=1.54=4/=40.01/40103=1六、校核转速超调量 由式 当h=5时， ，而，因此能满足设计要求。5. 第三章 Simulink仿真5.1电流环的仿真校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在matlab中搭建好系统的模型，如图5.1.1：图5.1.1 电流环的仿真模型图图5.1.2 电流环的仿真结果图5.2转速环的仿真校正后转速环的动态结构框图经过化简和相关计算，在Matlab中搭建好系统的模型，如图5.2.1：图5.2.1 转速环的仿真模型图图5.2.2 转速环的仿真结果图5.3 双闭环直流调速系统的仿真转速电流双闭环直流调速系统在Matlab中搭建好系统的模型，如图5.3.1所示：图5.3.1 转速电流双闭环直流调速系统Matlab仿真模型图图5.3.2 双闭环电流仿真结果图图5.3.3 双闭环转速仿真结果图通过对仿真结果的分析，双闭环调速系统的工作过程可概括为如下几点:1.ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态，及饱和限幅输出与线性调节状态。2.ACR从启动到稳态运行的过程中只工作在一种状态，即线性调节状态。3.所设计系统的电动机起动特性已十分接近理想特性。所以，该系统设对于起动特性来说，已达到预期目的。所设计系统的电动机起动特性已十分接近理想特性。所以，该系统设对于起动特性来说，已达到预期目的。6. 系统调试6.1 系统调试原则(1) 先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。(2) 先开环，后闭环。即使系统能正常开环运行，然后再确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。(3) 先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。(4) 先调整稳态精度，后调整动态指标。6.2实验线路及原理许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下：图6.2 双闭环直流调速系统原理框图启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug =Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“电流调节器”、“速度调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制max的目的。6.3 各控制单元的调试6.3.1移相控制电压Uct调节范围的确定直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零（对DZSZ-1，将输出电压调至最小位置，当启动后，再将输出线电压调到200V）。按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug时，Ud 的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug于下表中：Ug5.38VUctmax=0.9Ug4.84V将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。6.3.2调节器的调零将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。6.3.3调节器正、负限幅值的调整把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为最小值即可。把“电流调节器”的“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。6.3.4电流反馈系数的整定直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数= Ufi/Id= 4.615V/A。6.3.5转速反馈系数的整定直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到 n =150Orpm时，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数 =Ufn/n =0.004V/(rpm)。6.4系统调试6.4.1开环外特性的测定DJK02-1控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，Ld用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，先接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电机启动升速，调节Ug和R使电动机电流Id=Ied，转速到达1200rpm。增大负载电阻R阻值（即减小负载），可测出该系统的开环外特性n =f（Id），记录于下表中：n（rpm）300400500600700800900Id（A）0.260.330.390.440.490.540.59将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。图6.4.1开环外特性曲线由图6.4.1可知，当系统开环作用时，转速随电流增大而增大6.4.2系统静特性测试按图6.2接线， DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将速度调节器，电流调节器都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“速度调节器”，“电流调节器”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。机械特性n =f(Id)的测定A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)，并记录于下表中：n（rpm）1198119811981198119811981198Id（A）0.250.350.450.500.550.600.65B、降低Ug，再测