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1、题目：某轧机直流电动机可控环流可逆运行调速系统设计一、设计内容及技术要求1、采用转速、电流负反馈构成双闭环调速系统主电路采用三相全控桥、可控环流可逆系统。励磁回路采用三相桥式晶闸管变流装置供电，构成励磁电流闭环系统。2、技术数据 （1）直流电动机数据：220V，136A，1000rpm，Ce=0.132V.min/r,允许过载倍数=1.5，电枢回路总电阻R=0.5，系统运动部分的转动的转动惯量GD =20N.m 。 （2）要求达到的性能指标：D=20，S5%，电流超调量5%，转速无静差，且空载启动到额定转速是的转速超调量10%。3、设计内容及工作量（1）系统方案选择（2）主电路设计（3）触发电
2、路与同步电路设计（4）转速调节器与电流调节器设计（5）控制电路设计（6）保护装置设计（7）画出系统电路图，并撰写设计说明书（8）答辩二、设计报告要求a) 设计题目b) 目录c) 简要说明书设计内容、用途及特点d) 本设计达到的性能指标e) 本设计的基本原理f) 设计方案选择g) 具体各部分电路的设计过程、相关计算及元器件选择等h) 绘制电路图i) 参考文献、附录、设计总结（心得体会）三、进度安排该综合训练计划学时三周（15天）时间，进度安排如下：1、 调速系统设计8天2、 实验室7天四、主要参考文献1、电力拖动自动控制系统（第四版） 机械工业出版社 上海大学 陈伯时 主编。2、电气传动自动化技
3、术手册（第四版） 机械工业出版社 天津电气传动研究所 编著目录1 系统组成及工作原理.41.1系统组成.41.2工作原理图.42 电路的设计.62.1给定及偏移电源.62.2双环调节器电路.62.2.1转速调节器.62.2.2电流调节器.72.3触发器的设计.72.4主电路的设计.82.5转速及电流检测电路.92.6反相器的设计.103 调节器的参数整定.113.1电流调节器参数整定.123.2转速调节器设计.133.2.1电流环的等效闭环传递函数.133.2.2转速调节器结构的选择.143.2.3转速调节器参数的选择.153.2.4检验近似条件及转速超调量.153.2.5转速调节器的实现.1
4、6设计总结与体会.17参考文献.18附录.19第一章 绪论1.1设计背景可逆冷轧机为单机架轧机，进行多道次钢带可逆轧制。它有主传动、压下装置、前后夹送辊及左右卷取机等组成。1.1.1可逆冷轧机的生产过程简介轧制前先启动压下装置电机提升轧辊，使轧缝有一定的开度。将钢卷坯料装在开卷机上。启动开卷机将钢带通过轧辊喂入卷取机上，并将钢带咬住。左右卷取机同时向反向开动，将钢带拉紧，产生一定的拉力，即静张力。开动压下电机将轧辊压下一定的压下量。开动主轧机进行第一道轧制。开动主轧机的同时，发出补偿信号给左右卷取机。卷取机正转，开卷机反转并与主传动保持同步，保持恒张力轧制。此时，卷取机工作在电动状态，开卷机工
5、作在制动状态。当带钢尾端离开开卷机后主传动降速到喂料速度。待钢尾端离开轧辊后卷取机及前部夹送辊应在120mm内停止，便于下一道轧制不需人工喂料。1.1.2轧制工艺对电气传动系统的要求（1） 由于反复多道次的轧制，要求传动系统可逆运转并且无级调速。（2） 轧制过程中药保持轧制速度恒定，在加减速过程中要求加减速恒定，能实现快速反向。（3） 在轧制过程中要保持给定张力，误差不得超过8%。（4） 开卷机与卷取机在轧制过程中应与主传动的线速度同步。（5） 电气传动系统应有较高的静态精度、动态品质和抗扰能力。1.2设计内容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
6、,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。直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。1.3设计达到的性能指标D=20，S5%，电流超调
7、量5%，转速无静差，且空载启动到额定转速是的转速超调量10%。1.4设计的基本原理本题所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必
8、须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局最优的观点正确选择合理的阶次4。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。第二章 系统组成及工作原理2.1系统组成可控环流可逆调速系统原理图如图所示，控制结
9、构采用典型的转速、电流双闭环，但电流调节器和电流互感器都用两套，分别组成正反向各自独立的电流闭环，并在正反两组电流调节器的输入端分别加上相同的控制环流的环节；另一方面在反组电流调节器的前面还设置了放大系数为1的反相器，使它得到的电流给定信号与正组的电流给定信号的大小相等而方向相反，这样，当一组整流时，另一组用来控制环流；主电路采用两组晶闸管交叉连接可逆线路。2.2系统工作原理当转速、电流给定电压=0， =0时，1ACR和2ACR仅依靠给定电压维持-的作用，使它们的输出均为数值较小的正电压，于是两组晶闸管同时处于微微导通的整流状态，输出电流=（称为给定环流）；正向运行时，为正，为负，二极管VD1
10、导通，1ACR输出的电压正向增长，正组流过的电流也增大；与此同时，反组电流给定的电压为正电压 ，二级换VD2截止，使反组电流调节器2ACR的输入减小，环流减小。稳态时，电流给定信号基本上和负载电流成正比，所以，当负载电流小时，正向不足以抵消负的，使反组有很小的环流流过。随着负载电流的增大，正的继续增大，抵消负的的程度增大。当负载电流大道一定的数值时，=-，直流环流就自动消失，这时正组流过负载电流，反组则无电流流通。2.3系统组成特点2.3.1 主电路采用两组晶闸管交叉连接，因为有二条并联的环流通路，所以要用两个环流电抗器。由于环流电抗器流过较大的负载电流饱和，因此在电枢回路中还要另设一个体积较
11、大的平波电抗器Ld。2.3.2 控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统， ASR、 ACR都设置了双向输出限幅，限制min 、min。Uct=-Uct满足=。2.3.3 给定电压 应有正负极性，由继电器KF和KR来切换。 可逆 所以转速和电流方向可变，转速和电流检测也要反映相应极性。第三章、主电路、励磁电路设计3.1主电路设计由于技术要求轧机直流电动机可逆运行，所以需要设计由两组晶闸管交流装置组成的可逆线路。3.1.1主电路原理图：3.1.2环流及其控制方法由两组晶闸管交流装置组成的可逆线路中存在有不经过负载，而直接在两组晶闸管装置之间流通的电流，称为环流。3.1.2.1环路种类 有以下两种1
12、）静态环流：可逆系统中两套晶闸管装置在一定的控制角下稳定运行时产生的环流，称为静态环流。静态环流有可以分为两种：A 平均直流环流：整流组输出端的电压平均值大于逆变组的逆变电压平均值而产生的环流；B 交流环流：整流组输出电压瞬时值大于逆变组的逆变电压瞬时值而产生的环流；2）动态环流：当晶闸管触发相位突然改变时，系统从一种状态变为另一种工作状态的过渡过程中而产生的环流。3.1.2.2环流的抑制1）静态环流的抑制：直流平均环流可以用=配合控制消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，课在环流回路中串入电抗器，环路电抗器，如图1.1中的Lc1、Lc2、。环流电抗器的大小可以按照瞬时环流
13、的直流分量限制在负载额定电流的5%10%来设计。2）动态环流的抑制：Ld为平波电抗器，用于减少电动机电枢电流的脉动，减少电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性，在流过较大的负载电流时，环流电抗器会饱和，而Ld体积大，可以不饱和，从而发挥滤平电流波形的作用。3.1.2.3 = 配合控制实现将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压 Uc =0时，使 电机处于停止状态。增大Uc时，使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反。 正组VF整流，应接收正的Uc，所以f 减小而r增大或r减小，使正组整流而反组逆变，在控制过程中始终保持f=r。反转时，应保持r=f。图3-1 = 配合控制电路 图3
14、-2 触发装置的移相控制特性为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角min保护。与此同时，对角也实施min保护，以免出现 -Udor的情况，仍能产生瞬时的脉动环流。这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此=配合控制有环流可逆系统又称作自然环流系统。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器。3.2主电路元件设备选择3.2.1整流变压器的计算与选择3.2.1.1 整流变压器的次级相电压的有效值U23.2.1.2 变压器初级电流、电压和次级电流、电压的有效值变压器接成/ Y 形，可以得到
15、零线，同时滤除三次谐波。（1） 次级线电压： U线 = 1.732U2 = 234（V）（2） 次级相电流： I2 = 0.816Id = 111.0（A）（3） 初级线电压： U1线 = U1相 =380（V）（4） 初级相电流： I1相 = (U2相/U1相)*I2 = 39.4（A）（5） 变压器的变比： K = U1相 /U2相 = 2.83.2.1.3 变压器的容量S(视在功率) (1) 初级容量(损耗为5%)S1 = 3 U1 I1(1+5%)= 132.87(KVA) (2) 次级容量 S2 = 3U2I2 = 45.00(KVA) (3) 变压器容量 S = ( S1+ S2)
16、/2 = 88.93(KVA) 取 S = 90(KVA)查找资料选用ZBSK-800/35整流变压器:相数：三相 接线；D，Y11 容量：800KVA原级电压：380V 副级电压：150 3.2.2晶闸管的计算与选择3.2.2.1 SCR的额定电流IT = (1.52)KF Id /1.57 = 259.9-346.5(A)取IT =350(A)3.2.2.2 SCR的额定电压:UKED = (2-3)ULMAX = 661.4-992.1(V)取UKED =1000(V)式中 ULMAX = 330.7(V)次级线电压最大值所以可选 KP500-10 SCR 6只检验 电压裕量: KV =
17、 (URED+100)/U2 =3.35 2 符合要求3.2.3电抗器的计算与选择3.2.3.1 环流电抗器环流电抗器的电感量大小按下式计算式中K1电网电压升高系数，取K1=1.1di/dt整流电路电流上升率，取di/dt=10A/s3.2.3.2 平波电抗器计算电动机电枢电感计算：，式中系数，无补偿绕组电机=10.变压器漏电感：式中=3.9（查表得出三相全控桥=3.9）。平波电抗器电感：查表得三相全控桥整流电路A=0.639，取 =5%=6.8A，代入上式；得出 设备选择：环流电抗器： 平波电抗器：3.3励磁回路设计3.3.1励磁回路原理图3.3.2 额定励磁下的直流电动机的数学描述 由图2
18、-5中的c)可列出微分方程如下： (主电路,假定电流连续) (额定励磁下的感应电动势) (牛顿动力学定律,忽略粘性摩擦) (额定励磁下的电磁转矩)式中 TL包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm；GD2电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2； Cm=30Ce/电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A；定义下列时间常数： Tl=L/R电枢回路电磁时间常数，单位为s； Tm=(GD2R)/(375CeCm)电力拖动系统机电时间常数，单位为s。整理后得式中 IdL=TL/Cm负载额定电流.在零初始条件下，取等式两侧的拉式变换，得电压与电流间的传递函数 (2-3)电流与电动
19、势间的传递函数为 (2-4)由以上传递函数，可以得到额定励磁下直流电动机的动态结构图如图2-6所示：图2-6 额定励磁下直流电动机动态结构图由上图可以看出，直流电动机有两个输入量。一个是理想空载整流电压Ud0，另一个是负载电流IdL。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构图中把电流Id表现出来，可将扰动量IdL的综合点前移，并进行等效变换，如图2-7所示图2-7 直流电动机动态结构图的简化和变换a) b) 3.4励磁回路设备选择3.5触发电路设计3.5.1触发器的应用集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等优点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代
20、分立式电路。正组晶闸管VF，由GTF控制触发，正转时，VF整流； 反转时，VF逆变。反组晶闸管VR，由GTR控制触发，反转时，VR整流； 正转时，VR逆变。3.5.2触发电路的设计 3个KJ004（KC04）集成块和1个KJ041（KC41C）集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 三相全控桥整流电路的集成触发电路通过控制晶闸管的导通和关断时刻，就能控制整流电路的触发角的大小。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有触发脉冲。在触发某个晶闸管的同时，给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲。即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相
21、差60o，脉宽一般为20o 30o，称为双脉冲触发。双脉冲电 路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。触发电路如图2.3所示。第四章、双闭环调速系统工作原理4.1 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4.1.1 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 （2-1）4.1.2 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
22、的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 （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。4.1.3 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，超调量，调节时间.4.1.4 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，恢复时间.4.2 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。
23、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
24、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。t0nIdnnIdnIdlt0Idla) 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
25、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。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。4.3 调速系统的双闭环调节原理见图
26、2-3：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。4.4 双闭
27、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
28、器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，当IdIdL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IdIdm时，UiUim*，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
29、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用还维持在限幅值Uim*，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ACR的给定电压Ui*立即从限幅值下来，主电流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到Id=IdL时，转距Te=TL，则dn/dt=0，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的
30、阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一小段小与IdL的过程，直到稳定。综上所述，双闭环调速系统有如下三个特点： 1）饱和非线性控制：随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当ASR饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统，当ASR不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为不同结构的现行系统，这就是饱和非线性控制的特征。 2）准时间控制：启动过程中主要阶段实第II阶段，即恒流升速阶段。它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能更快。这个阶段属于电流受限制
31、的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。 3）转速超调：由于采用了饱和非线性控制,启动过程结束进入第III阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压Un为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调6。4.5 转速和电流两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为4.5.1转速调节器的作用：1）使转速n跟随给定电压Um*变化，稳态无静差；2）对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。4.5.2电流调节器的作用：1）对电网电压波动起及时
32、抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压Um*变化；4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。第五章、按工程设计方法设计双闭环调速系统5.1 设计要求本论文首先应用经典控制理论的工程设计方法,设计出转速和电流双闭环直流调速系统,然后利用现代控制理论中的线性二次型性能指标最优设计方法, 设计此调速系统。5.1.1 基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）（1）被控直流电动机 Unom=220 v Inom=136 A Nnom=1460 rpm Ce=0.132 V/rpm =1
33、.5 =1.26 kg.m/A（2）整流装置 三相全控桥式整流电路 Ks=Ud/Uk=40(按照经验值取) Ts=1.7 ms（3）电枢回路总电阻 R0.5（4）电枢回路总电感 由电感计算公式计算得 L=2.12mH（5）电动机轴一总飞轮矩 GD2=20 N.m2（6）系统时间常数 由公式计算得 =0.00424s 由公式计算得 =0.160s（7）反馈滤波时间常数 Toi=0.002 s Ton=0.01 s（8）调节器最大给定电压 U*nm=U*im=10 v（9）调节器输入回路电阻 R0=40 k5.1.2 设计指标 （1）负载：恒转矩负载 Idl=1.5Inom（2）起动方式：空载起动
34、到额定转速，Ido=0.05Inom（3）性能指标： 1）调速范围：D20 2）静差率：S5% 3）电流超调量i%5% 4）转速超调量n%10%5.2 工程设计方法的基本思路用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静态、动态性能要求8。作为工程设计方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾动态稳定
35、性和稳态精度，然后在第二步中进一步满足其它动态性能指标。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与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以下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量6。5.3 电流调节器的设计5.3.1 电流环动态结构图的简化 设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用。它代表转速环输出量对电流环的影响。实际系统中的电磁时间常数TL一般远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过
36、程中可以近似的认为E不变，即E=0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构图。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取Ti=Ts+Toi6。 图3-1 电流环的动态结构图及其化简5.3.2 确定电流环的时间常数 以下数据Ts和Toi,设计任务书已给定。5.3.2.1平均失控时间。查表2-2，三相桥式电路的平均时空时间Ts=1.7ms 5.3.2.2 电流滤波时间常数Toi 三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本虑平波头
37、，应有（12）Toi,=3.33ms,因此取Toi,=2ms5.3.2.3 电流环小时间常数TI = Ts+Toi=3.7ms (3-1)5.3.3 电流调节器结构的选择首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统,电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,因而在突加控制作用时不希望有超调,或者超调量越小越好。从这个观点出发,应该把电流环校正成典系统。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用,为了提高其抗扰性能,又希望把电流环校正成典系统。一般情况下,当控制对象的两个时间常数之比TL/TI 10时,典系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。因此,一般多按典系统来设计电流环6。本
38、设计因为 i% 5%且TL/TI =4.24/3.710。所以 按典系统设计,选PI调节器，其传递函数为 (3-2)式中 Ki电流调节器的比例系数电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择=TL, 则电流环的动态结构图可以化简为图3-2：图3-2 电流环简化成典系统5.3.4 电流调节器参数的计算5.3.4.1 计算时间常数和比例系数电流调节器积分时间常数: I =Tl =4.24ms电流开环增益: 要求i%5%, 查表3-1，应取=0.707 KITi=0.5因此 KI = 0.5/Ti=0.5/0.0037=135.14（1/s）电流反馈系数 (3-3)
39、于是，ACR的比例系数 : (3-4)5.3.4.2 计算调节器电阻和电容按所用运放取 R0 =40k()，则Ri = KiR0 = 5.85k() Ci =i /Ri= 0.00424/5.85k =0.724F Coi =4Toi /R0 =4*0.002/40k =0.32F 在工程实际中Ri取6k, =1F,=0.5F。5.3.5 校验近似条件电流环的截止频率ci =KI =135.145.3.5.1 晶闸管装置传递函数近似条件ci 1/3Ts现在 ，1/3TS=1/3*0.0017s=196.1ci ，满足近似条件。5.3.5.2 忽略反电动势对电流环影响的条件 (3-8)3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.160*0.00424)1/2=115.18ci =KI =135.145.3.5.3 小时间常数近似处理条件 (3-9)1/3(1/TsToi)1/2=1/3*(1/(0.0017*0.002)1/2=180.77ci =135.14按上述参数,电流环可以达到动态指标I%=4.3%5%
