双闭环晶闸管不可逆直流调试系统设计

1、双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计一、设计目的1、通过对实际综合实验的培养，加强资料收集整理能力、自习能力；2 、熟悉相关实验装置；3 、加深对运动控制系统课程的认识理解，培养良好的专业理论水平和实际设 计能力；4 、了解双闭环不可逆直流调速系统的原理，组成以及各单元模块的作用。二、设计要求1、静差率s乞1% ；2、过渡过程较为平稳；三、双闭环调速系统的构成转速、电流双闭环不可逆直流调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调 速系统发展而来的。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环转速系统可以实现转速调 节无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启（制）动时的最大电流。 但是，单闭环调速系统

2、存在以下问题需要解决。1 、在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难 于进行调节器动态参数的调节，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和 转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时是 实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参 数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。2 、系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的 过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。在单闭环调速系统中，采用电流截止负反馈环节限制了最大电流，但它并不能 很理想地控制电流的动态波形。系统启动时，电流达到最大

3、值后会随着转速的上升, 反电势的增加而迅速下降。这样，电动机的启动转矩也迅速下降，从而使启动加速过程变慢，其启动电流及转速波形见图1左图所示，而有些调节系统，如龙门刨床、 轧钢机等经常处于正、反转状态，为了提高生产率，要求尽量缩短过渡过程的时间。 因此，希望能充分利用电动机所允许的过载能力，在启动过程中保持电流（转矩） 为允许的最大值不变，以使系统尽可能用最大的加速度启动，转速直线上升，达到 稳态转速后，尽快使电流下降为稳态值，并转入稳态运行。这样的理想启动过程波 形示于图1右图中，这就是调速系统在最大电流（转矩）受限制的条件下的最佳启图1直流电动机启动的过渡过程实际上，由于主电路电感的作用，

4、电流不能突变，图 1右图所示理想波形不能 实现，只能尽量逼近。为了获得近似理想地过渡过程，并克服几个信号综合于一个 调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助调量电流分开加 以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。1 、晶闸管整流器及其保护电路如下图所示，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改 变可控整流器平均输出直流电压 Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控 整流器的功率放大倍速在104以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫 秒级，具有快速的控制作用。在理想情况下，Uc和Ud之间呈线性关系:Ud = KsUc

5、式中：U d -平均整流电压；U c -控制电压；Ks-晶闸管整流器放大系数。实际整流电路图如下，还要考虑晶闸管的保护问题。由于晶闸管具有办半导体 器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，短时间的过电压和过电流就会造 成元件的损坏。为了晶闸管装置能长期可靠运行，除了选择元件外，还须针对元件在保护电路中，阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能 量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所 以可以有效地抑制尖峰过电压。串电阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部 分能量，并且抑制LC回路的振荡。2 、转速调节器ASR与电流调节器ACR在转速、电流双闭

6、环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要 控制电流是系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是 处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器 ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以 ASR的 输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用 ACR的输出电压Uc作为晶闸管 触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的机构看，转速环在外面为外环，电流环在 里面为内环。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具 有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流采用负反馈闭环。图3系统原理图调节器输出

7、限幅值的整定在双闭环系统中转速调节器 ASR的输出电压Ui是电流ACR的电流给定信号， 其限幅值Uim为最大电流给定值，因此， ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的 过载能力和系统对最大加速度的需要。而 ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小 :角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。调节器输出限幅值的计算与整 定是系统设计和调试工作中很重要的一环。在具体分析一下系统时必须注意调节器 输出限幅值所代表的具体物理意义及其计算和整定方法。3 、调节器锁零为使调速系统消除静差，并改善系统的动态品质，在系统中引入PI调节器作为较正环节。由于PI调节器的积分作用，在调速系统停车期间，调节器会因输

8、入干 扰信号的作用呈现出较大的输出信号，而使电动机爬行，这在控制上是不允许的， 因此对调速系统中具有积分作用的调节器，在没有给出电动机启动指令之前，必须 将它的“锁”到零电位上，简称为调节器锁零。系统中调节器锁零是由零速电路来 实现的，并且系统对调节器锁零电位有如下具体要求： 系统处于停车状态时，调节器必须锁零； 系统接到启动指令或正常运行时，调节器锁零立即解除并正常工作。根据上 述要求，锁零电路只需两个信号来控制调节器“锁零”与“开放”两个状态。停车时：Un=Ufm=O，调节器锁零，无输出信号。启动时：Un =0, Ufn =0，调节器锁零解除，并处正常工作状态。稳态运行时：Un=Ufn=0

9、,调节器锁零解除，并处于正常工作状态。制动停车时：Un =0，Ufn =0,调节器锁零解除，并处于正常工作状态。四、稳态结构图与参数计算稳态结构图和静特性双闭环直流调速系统的结构图如图 4所示，两个调节器均采用带限幅作用的 PI 调节器。在转速调节器 ASR的输出限幅电压Uim决定了电流给定的最大值，电流调 节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm，图4中 用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，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间的联系，相当于使该调节环

10、开环。当调节器 不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压U在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，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。H.AC«%叽仏A图4、双闭环直流调速系统的稳态结构图I、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 =U n 二:no式中分别为转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得U；oa从而得到图5所示静特性的AB段与此同时，由于ASR不饱和，U：Um，从上述第二个关系式可知：Id < I dm。这 就是说，AB段静特性从理想空载

11、状态的Id =0 直延续到Id =ldm，而Idm一般都是大于 额定电流Jn的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。U、转速节器饱和ASR输出达到限幅值U im时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再影响,双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时dUmdm(3-2)图5、双闭环直流调速系统的静特性式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和系统要求的最 大加速度。式（3-2 ）所描述的静特性是图5的BC段，它是垂直的特性这样的下垂特性 是适合n ： no的情况，因为如果nno，则Un U；，ASR将退出饱和状态。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流

12、小于 I dm时表现为转速无静差，这时，转 速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应转速调节器为饱和输出Uim，这 时，电流调节器起主要调节作用，系统系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护 作用。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。图5反映了 ASR调节器退饱和的条件。当ASR处于饱和状态时，Id = Idm，若负 载电流减小，Id :： Idm，使转速上升，n no， ' n 0， ASR反向积分，从而使ASR调 节器退出饱和，又回到线性调节状态，使系统回到静特性的 AB段。各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图5可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，

13、当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：Un = Un =n=n0U i 二Ui = ：ld = ：ldlCen IdR _ CeUn / = " I dl RKs=上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定的，ASR的输出量U 是由负载电流Idi决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取 决于Ui和Idi。这些关系反映了 PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总 是正比于输入量的，而PI调节器则不然，其饱和输出为限幅值，而非饱和输出的稳态 值取决于输入量的积分，它最终将使控制对象的输出达到其给定值，使PI调节器的输入误差信号为零，

14、否则PI调节器仍在继续积分，并未达到稳态。双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环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计算有关的反馈系数：nmaxUnm转速反馈系数I dmUm电流反馈系数两个给定电压的最大值Unm和U im由设计者选定。五、双闭环晶闸不可逆直流调速系统的数学模型与动态过程分析双闭环直流调速系统的动态结构图如图6所示，图中Wasr( S)和WACr(S)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Id显露出来。图&双闭环直流调速系统的动态结构图1起动过程分析在恒定负载条件下转速变化的过程与电动机电磁转矩

15、（或电流）有关，对电动机起 动过程n - f（t）的分析离不开对I d （t）的研究 条件下起动过程的电流波形和转速波形。图7是双闭环直流调速系统在带有负载I从电流与转速变化过程分析所反映的特点可以 把起动过程分为三个阶段，转速调节器经历了 快速进入饱和、饱和及退出饱和的三种情况。第一阶段（0匕）是电流上升阶段：突加 给定电压Un”后，经过两个调节器的跟随作用， Uc、Udo、Id都上升，但是Id没有达到负载电 流Idl以前，电动机还不能转动。当Id _Idl后， 电动机开始起动，由于机电惯性的作用，转速 不会很快增长，因而转速不会很快增长，因此 转速调节器 ASR的输入偏差电压 （：Un二U

16、n” -Un）的数值仍然很大而迅速饱 和,其输出电压很快达到限幅值Um，强迫电枢 电流Id迅速上升。直到Id "dm，Ui ： Ui*m，电 流调节器很快就压制了 Id的增长，标志着这一 阶段的结束。图7、双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形第二阶段（ti t2）是恒流升速阶段：ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系 统成为在恒流电流给定U*m下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加 速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程的主要阶段。第三阶段（t2以后）是转速调节阶段：单转速上升到给定值n*时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U

17、i*m，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*和ld很 快下降。但是，只要Id扔大于负载电流Idl，转速就继续上升。直到Id = Idl时，转矩Te二T|， 则dn / dt = 0，转速n达到峰值（t = t3）。此后，在t3 t4时间内，I d £ I也时，电动机开 始在负载的阻力下减速，直到稳态。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过 程。在这最后的转速调节阶段内， ASR和ACR都不饱和，ASR起主导作用，而ACR则 力图使Id尽快地跟随其给定值U*，或者说，电流内环是一个电流跟随子系统。综上所述，双闭环直流调速系

18、统的起动过程有以下三个特点：1）饱和非线性控制；2）转速超调；3）准时间最优控制。动态抗扰性能分析一般来说，双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，另一个 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的性能。2、抗负载扰动由图8-1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。JL图8-1、双闭环系统的动态抗扰作用-抗负载扰动3、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。从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反映到被调量n上

19、，从而得到调节。电流环的存在，电压波动可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等它影响到转 速以后才反馈回来，因而是抗扰性能得到改善。±码ACR.7j s+1图8-2、双闭环系统的动态抗扰作用-抗电网电压扰动综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环不可逆直流调速系统中的作用可分别归纳为: 、转速调节器的作用：1 ）转速调节器是调速系统的主导调节器， 它使转速n很快地跟随给定电压U*n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；2 ）对负载变化起抗扰动作用；3 ）对输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 、电流调节器的作用：1 ）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程

20、中，它的作用是使电流紧紧跟随给定电压U；变化；2 ）对电网电压的波动起及时抗扰的作用；3 ）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；4 ）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。六、调节器的工程设计方法设计工作分两步走：1）.选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度2）.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。1、选择调节器，将控制对象校正成为典型系统输入输出系统校正卩JjL输入典型系统 输出许多控制系统的开环传递函数都可以表示成mK ( iS 1)W(s)丰s【(T

21、j 1)j丄式中，分母中的s项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节,称做r型系统。由于川型（r=3）和川型以上的系统很难稳定，而 0型系统的稳态精度低，因此常把U型、I型系统作为系统设计的目标。（一）、典型I型系统 典型I型系统，其开环传递函数选择为KW（S）=-s （Ts +1）典型I型系统的闭环系统结构如下图所示C(s)式中T 系统的惯性时间常数；K 系统的开环增益。典型I型系统的闭环系统结构简单，而且对数幅频特性的中频段以-20db/dec的斜率穿越零分贝线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的。在 典型I型系统中，只包含开环增益 K和时间常数

22、T两个参数，时间常数T往往是控制系 统本身固有的，唯一可变的只有开环增益K。设计时，需要按照性能指标选择参数K的大小。1当Wc ： 时，由开环对数频率特性可知T20lgK =（lg Wc _lg1） =20lgWc1所以 K 二 Wc （当 Wc ： T 时） （3-11 ）而相角稳定裕度 r = 180°90°arctanwcT = 90°arctanwcT所以选择参数保证Wc ： *，所以wcT 1， arctanwcT ： 450, r 450，则典型I型系 统具有足够的稳定性。（二）典型U型系统典型U型系统的闭环系统结构图K+l)r，(历+ 1)FT 系统

23、的惯性时间常数;K 系统的开环增益。开环对数频率特性-典型II型系统性能指标和参数的关系W(s)二K(s 1)s2(Ts 1)时间常数T是控制对象固有的，而待定的参数有两个:定义中频宽:T r2、参数之间的一种最佳配合采用 振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一 种最佳配合。2h则=hT2K =二cy)2h1h 12h2T2所以选择参数，保证 丄：匕：丄 或T ,则系统足够稳定tT转速调节器的设计1).电流环的等效闭环传递函数1ld(s)Wcii(s)_U*(s)1 丄s 1Ki原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯

24、性环节2).转速调节器结构的选择3) .转速调节器参数的选择ASR采用PI调节器WASR (s)-Kn( nS 1)nSKnKRn 'CeTm则4)Wn(S)二Kn( nS 1)s2gs 1).校正后的调速系统眄七、实验验证(一) 、实验设备及仪器1. MCL系列教学实验台主控制屏。2. MCL 31组件(适合 MCL川)。3. MCL 33组件。4. MEL-11 挂箱5. MEL 03三相可调电阻(或自配滑线变阻器)。6. 电机导轨及测速发电机、直流发电机 M017 .直流电动机M03。8.双踪示波器。(二) 、实验方法1. 按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。(1

25、) 用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲(2 )检查相序，用示波器观察“ 1”，“ 2”脉冲观察孔，“ 1”脉冲超前“ 2 ”脉冲 600,则相序正确，否则，应调整输入电源。(3) 将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管 的控制极，阴极，应有幅度为1V2V的脉冲。(4) 将Ublr接地，可观察反桥晶闸管的触发脉冲。2. 双闭环调速系统调试原则(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，然后在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

26、调转速外环。3. 开环外特性的测定(1) 控制电压Uct由给定器Ug直接接入，直流发电机所接负载电阻 RG断开。(2) 使Ug=0，调节偏移电压电位器，使a稍大于90°，合上主电路电源，使Uuv， Uvw，Uwu为200V，逐渐增加给定电压Ug，使电机起动、升速，调节 Ug使电机空载 转速n0=1500r/min，再调节负载电阻RG，改变负载，在直流电机空载至额定负载范围， 测取78点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，即可测出系统的开环外特性 n=f (Id)。n(r/mi n)150014801465143113921349I(A)0.480.520.590.700.841.01

27、注意，若给定电压Ug为0时，电机缓慢转动，则表明a太小，需后移。4系统调试将 Ublf 接地， Ublr 悬空，即使用一组桥六个晶闸管。（ 1）电流环调试 电动机不加励磁（a） 系统开环，即控制电压 Uct由给定器Ug直接接入，开关S拨向左边，主回路 接入电阻Rd并调至最大（Rd由MEL 03的两只900Q电阻并联）。逐渐增加给定电压， 用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压波形应有 6 个对称波头 平滑变化 。（b） 增加给定电压，减小主回路串接电阻直至ld=1.1led,再调节MCL-01挂 箱上的电流反馈电位器 RP，使电流反馈电压Ufi近似等于速度调节器ASR的输出限

28、幅 值（ASR的输出限幅可调为土 5V）。（c）MCL 18 （或实验台主控制屏）的 G （给定）输出电压Ug接至ACR的“ 3”端，ACR的输出“7”端接至Uct，即系统接入已接成PI调节的ACR组成电流单闭环 系统。ACR的“5”、“6”端接ME11电容器，可预置7卩F,同时，反馈电位器 RP3 逆时针旋到底，使放大倍数最小。逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（+5V），观察主电路电流是否小于或等于 1.1led,如Id过大，则应调整电流反馈电位 器，使Ufi增加，直至Id<1.1Ied;如Idvled,则可将R减小直至切除，此时应增加有限， 小于过电流保护整定值，这说明

29、系统已具有限流保护功能。测定并计算电流反馈系数（ 2）速度变换器的调试电动机加额定励磁（a）系统开环，即给定电压 Ug直接接至Uct, Ug作为输入给定，逐渐加正给定， 当转速n=1500r/min时，调节FBS（速度变换器）中速度反馈电位器 RP,使速度反馈电 压为+5V左右，计算速度反馈系数。（b） 速度反馈极性判断：系统中接入ASR构成转速单闭环系统，即给定电压 Ug 接至ASR的第2端，ASR的第3端接至Uct。调节Ug （ Ug为负电压），若稍加给定， 电机转速即达最高速且调节 Ug 不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。但若接 成转速电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈

30、极性可不变。4系统特性测试将 ASR,ACR 均接成 PI 调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。ASR的调试：（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小；(b) “5”、“6”端接入ME11电容器，预置57卩F；(c)调节RP1、RP2使输出限幅为土 5V。(1)机械特性n=f (Id)的测定(a)调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500 r/min，再调节测功机加载旋钮(或发电机负载电阻Rg),在空载至额定负载范围内分别记录78点，可测出系统静特性曲线n=f (Id)n(r/mi n)149614971495149214951488I(A)0.600.680.720.790.901.11(2)闭环控制特性n=f(Ug)的测定调节Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)n(r/mi n)1498