武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
3带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统
转速反馈控制的直流调速系统在起、制动过程和堵转状态时，必须限制电枢电流。为了解决这个问题，系统中必须装有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流随负载的增减而变化。这种当电流达到一定程度才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈。采用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。
3.1电流截止负反馈环节
图4 电流截止负反馈环节
a） 利用独立电流源做比较电压 b）利用稳压管产生比较电压
直流调速系统的电流截止负反馈环如图4所示，电流反馈信号取自窜入电动机电回路中的小阻值电阻RS，IdRs正比于电流。设Idcr为临界的截至电流，当电流大于Idcr时，将电流反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于Idcr时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，需要引入比较电压Ucom。图4（a）中用独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRc> Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当IdRc≤ Ucom时，二极管截止， Ui消失。
图4(b)中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作为比较电压Ucom 。电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRc正比于电流。截止电流 Idcr=Ucom/Rs。
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电流截止负反馈环节的输入-输出特性如图5所示，当输入信号IdRc-Ucom>0时，Ui=IdRc-Ucom；当IdRc-Ucom≤ 0时，输出Ui=0。这是一个两段线性环节，将它画在方框中，再和系统其他部分的框图连接起来，即得到带电流截至负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图，如图6所示，图中Ui表示电流反馈，
Un表示转速负反馈。 图5 输入输出特性
图6 带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统稳态结构框图
3.2静特性方程与特性曲线
当Id≤Idcr时，电流负反馈被截止，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同
n?KpKsUn*Ce(1?K)?RIdCe(1?K)当Id>Idcr后，引入了电流负反馈，静特性变成
n?KpKsUn*Ce(1?K)*?KpKsCe(1?K)?(RsId?Ucom)?RIdCe(1?K)?KpKs(Un?Ucom)Ce(1?K)(R?KpKsRs)IdCe(1?K)根据上述特性，可画出系统的静态特性图如下。图7中C～A段特性对应于电流负反馈被截止的情况，它是转速负反馈调速系统本身的静态特性，显然比较硬。图中A～
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B段特性对于电流负反馈起作用的情况，特性补角软，呈急剧下降状态。
图7 带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的静特性
电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。比较电压Ucom与给定电压Un*的作用一致，好象把理想空载转速提高到
令n=0，得到堵转电流
n'0?KpKs(U*n?Ucom)Ce(1?K)Idbl?KpKs(Un?Ucom)R?KpKsRs* *一般KpKsRs>>R，因此
Idbl?Un?UcomRs Idbl应小于电动机允许的最大电流，一般为 Idbl =1.5IN=1.5×287=430.5A
截止电流应大于电动机的额定电流，取 Idcr= （ 1.1~1.2 ）IN取1.2IN=1.2×287=344.4A 可求得 Rs=0.037Ω
4主电路工作设备选择
4.1 闭环系统的开环放大系数的判断
电动机参数：PN=55KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=287A,Ra=0.1?。主回路总电阻R=0.15?，系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s。三相桥式整流电路，Ks=40。其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V，调速指标：静差率s≤2, 调速范围 D≥10。三相桥
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式电路的失控时间Ts=0.00167s。
按系统动态稳定性要求得
Tm(Tl?TS)?TSTlTS2K??0.12?(0.012?0.00167)?0.001670.012?0.001672?82.00
电动机的电动势系数为
UN?INRanN220?287?0.11500Ce???0.128V?minr
开环系统额定速降为
IdRCe287?0.150.128 ?nop??rmin?336.33rmin
为了满足调速要求，闭环系统额定速降为
nNs150?00.02rmin?1?0?(10.02) ?ncl??D(1?s)3.r06 inm因此要满足稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数
?nop?ncl336.333.06K??1??1?108.91
显然系统不能再满足稳态性能要求下运行。
*由于在设计中所设定的系统给定电压Unm?8V，
所以 ??Unm*/nN?8/1500?0.005V?min/r 放大器的放大系数为
Kp?K?Ks/Ce?108.910.0053?30/0.128?92.907
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实取Kp=93。
4.2 调节器的选择与设计
在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，使用PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的，如图8所示：
图8 比例积分（PI）调节器线路图
现在我们利用PI调节器来校正，原系统的传递函数如下：
W(s)?K(Tss?1)(TmTls?Tms?1)2
其中Ts?0.00167 s，Tm?0.12s Tl?0.012 s，由于Tm?4Tl
因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，T1?0.1065s，T2?0.0135s 闭环系统的开环放大系数取为：
K?KpKs?Ce94?30?0.0050.1289
??110.16