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工业大学本科毕业设计（论文）

此时有 Tm=RΣGD2/375CeCm

=RΣGD2/(30/ ?)Ce2

=3.11*5.8134/375*(30/3.14)*0.1292 =329.28(ms)

2.1.3 测定触发和整流装置的放大倍数KS

在按线性系统规律进行分析和设计时，应该把这个环节的放大系数KS当作常数，但实际上触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似成线性环节。因此，最好应用实验方法测出该环节的输入—输出特性，即Ud?f(Uct). 设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围内，并有一定的余量，调节放大系数KS可由工作范围内的特性斜率决定

Ks??Ud?Uct

经实验测得KS=40.

Ud 调速工作范围 ΔUd ΔUct Uct

图2-1 晶闸管触发与整流的输入—输出特性和KS的测定

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2.2 双闭环调速系统的工作原理

2.2.1 转速控制的要求和调速指标

生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标

2.2.1.1 调速范围D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即

D?nmaxnmin （2-1）

2.2.1.2 静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即

s??nnomn0?100% （2-2）

静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。

2.2.1.3 跟随性能指标 在给定信号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。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间tr，超调量?，调节时间ts.

2.2.1.4 抗扰性能指标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落?Cmax%，恢复时间tv.

2.2.2 调速系统的两个基本矛盾

在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即

1) 动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；

2) 起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾[5]。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就

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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中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。

在电机最大电流受限的条件下，希望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为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，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Idcr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2-2a所示。

Id

Id n n n n Idl Idl 0 t

0 t

a) b)

图2-2 调速系统启动过程的电流和转速波形

a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 b) 理想快速启动过程

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。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,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,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图2-2b所示,起动电流呈方形波,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启动过程。

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实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。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,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。

2.2.3 调速系统的双闭环调节原理

见图2-3：

Un*WASR(s)-UnUi*-IdlWACR(s)-UiUctKsUd0TsS?11/RIdTls?1RTms1Cen??

图2-3 双闭环调速系统的原理框图

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接.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，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。

2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析

双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。从起动时

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间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，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，就是起动过程中转速一定有超调。其起动过程波形如图2-4所示。

图2-4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形

从图2-4知,整个起动过程分为三个阶段：

第I阶段是电流上升阶段。突加给定电压Un*后,通过两个调节器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，当Id≥IdL后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压△Un=Un*-Un数值较大，其输出很快达到限幅值Uim*，强迫电流Id迅速上升。当Id≈Idm时，Ui≈Uim*，电流调节器的作用使I不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。

第II阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。

第III阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作

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