学号1109141007
毕业设计
课题转速、电流双闭环直流调速系统设计学生姓名
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目录
第一章转速﹑电流双闭环直流调速的组成 .................................................................................. - 1 - 1.1整个直流调速系统的启动过程分析............................................................................................. - 1 - 1.2 整个直流调速系统的组成 ............................................................................................................... - 2 - 第二章调速系统的静特性与相关参数计算 .................................................................................. - 3 - 2.1稳态结构图和静特性......................................................................................................................... - 3 -
2.1.1转速调节器未达到饱和情况 ............................................................................................... - 3 -
2.1.2 转速调节器已经饱和情况..................................................................................................... - 4 - 2.2相关参数的计算.................................................................................................................................. - 4 - 第三章整个调速系统的动态结构与起动过程分析 .................................................................... - 6 -
3.1整个系统动态结构图分析 ............................................................................................................... - 6 - 3.2整个系统刚启动过程分析 ............................................................................................................... - 6 -
3.2.1起动过程分析............................................................................................................................ - 6 -
3.2.2动态抗扰性能分析.................................................................................................................. - 7 - 3.3转速、电流调节器的作用 ............................................................................................................... - 9 - 第四章调速系统的工程设计方法................................................................................................... - 10 -
4.1电流调节器的设计............................................................................................................................ - 10 -
4.1.1电流环结构框图的化简 ....................................................................................................... - 10 -
4.1.2电流调节器结构的选择 ....................................................................................................... - 11 -
4.1.3电流调节器的参数计算 ....................................................................................................... - 12 -
4.1.4电流调节器的实现................................................................................................................. - 12 - 4.2转速调节器的设计............................................................................................................................ - 13 -
4.2.1电流环的近似传递函数 ....................................................................................................... - 13 -
4.2.2转速调节器结构的选择....................................................................................................... - 14 -
4.2.3转速调节器的参数计算....................................................................................................... - 14 -
4.2.4转速调节器的实现................................................................................................................. - 15 -
4.2.5退饱和状态下转速超调量的计算..................................................................................... - 15 - 第五章系统的仿真 .............................................................................................................................. - 17 -
5.1电流环的仿真设计 ........................................................................................................................... - 17 - 5.2转速环的仿真设计 ........................................................................................................................... - 20 - 结论.......................................................................................................................................................... - 24 - 参考文献 ..................................................................................................................................................... - 25 - 致谢.......................................................................................................................................................... - 26 -
插图清单
图1-1 直流电机的两种启动方式比较图 ........................................................................................... - 2 - 图1-2双闭环反馈系统原理图............................................................................................................ - 2 - 图2-1整个系统的稳态结构图............................................................................................................ - 3 - 图2-2双闭环系统运行的静特性 ....................................................................................................... - 4 - 图3-1整个系统动态结构图 ................................................................................................................ - 6 - 图3-2起动阶段整个系统转速和电流波形..................................................................................... - 7 - 图3-3 整个系统的等效动态抗扰结构图 ......................................................................................... - 8 - 图4-1整个调速系统的动态结构图................................................................................................. - 10 - 图4-2近似等效电流环结构图.......................................................................................................... - 11 - 图4-3 校正后系统电流环的动态结构图 ....................................................................................... - 12 - 图4-4校正后电流环的Bode图 ....................................................................................................... - 12 - 图4-5模拟式PI电流调节器原理图............................................................................................... - 13 - 图4-6 整个系统的等效结构图 ......................................................................................................... - 14 - 图4-7校正后系统的结构图 .............................................................................................................. - 14 - 图4-8模拟式PI转速调节器原理图............................................................................................... - 15 - 图5-1 电流环的仿真原理图 .............................................................................................................. - 17 - 图5-2 Saturation模块对话框 ............................................................................................................ - 18 - 图5-3SIMULINK参数修改窗口..................................................................................................... - 18 - 图5-4电流环的仿真结果 ................................................................................................................... - 19 - 图5-5无超调量的仿真结果（KT=0.25）...................................................................................... - 19 - 图5-6超调量较大的仿真结果（KT=1.0） ................................................................................... - 20 - 图5-7转速环的仿真原理图 .............................................................................................................. - 21 - 图5-8信号叠加模块的设置图.......................................................................................................... - 21 - 图5-9电机空载运行时转速波形图................................................................................................. - 22 - 图5-10 满载起动运行转速波形图...................................................................................................... - 22 - 图5-11扰动作用下转速波形图.......................................................................................................... - 23 -
转速、电流双闭环直流调速系统设计
摘要
目前，关于直流电机调速的问题，通常是采用双闭环调速设计的思路，由于双闭环组成的调速系统拥有诸多的性能优点。传统的电机调速方法是变化电机的电枢电压进行调速，因此必须选用可控直流电源。通常情况下，利用的是相控整流电路来实现上述的过程，因此获得的直流电压是可调的。然后，选用合适的控制器来满足实际的工程设计要求。最后，为了防止出现过电流现象，在电流负反馈部分增加限幅环节，以此来限制电枢电流不会超过电流的最大值。但是，由于传统方法存在某些方面的缺点，所以必须对原有系统进行修改，为此必须在原有的单闭环反馈系统的结构图中另外增加一个电流环，这样才能更好的使系统更加满足实际的生产要求。
本文详细介绍了双闭环直流调速系统的调速原理、系统组成和工程实现的方法，最后通过两个实例来具体分析转速和电流调节器的重要作用。通过直流调速系统的设计，可以对交流电机的调速问题起到一个奠定基础的作用。在整个调速系统设计的过程中，重要的是如何计算两个调节器的相关参数，为了能够满足系统的性能要求。通过对系统静特性和动态模型两个角度的分析，得出了两个调节器在起动和抗扰两个方面消除误差上起到的作用。最后，利用Matlab软件来针对两个具体的工程实践案例仿真模拟，仔细观察仿真结果图，用来验证控制理论的正确性。
关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器；晶闸管；Matlab
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第一章 转速﹑电流双闭环直流调速的组成
1.1 整个直流调速系统的启动过程分析 在实际正常工作运行的系统，系统所要求达到的静态误差和动态响应性能、超调量的大小等都是相当重要的，这就要求我们在处理实际问题的时候要按照工程设计的要求，综合考虑系统各个方面的性能，实现系统的最优化运行。
对于传统的单闭环直流电机调速系统，是通过调节电机的电枢电压来实现调速过程。但是，由于单闭环系统本身并不能完全的实现控制要求。所以，即使控制器选用了PI 控制器，可以实现消除转速稳态误差的目的。然而，因为电流反馈部分增加了一个限幅环节，这就限制了起、制动过程中电枢电流的最大值。因此，由于电枢电流受到限制，电机转速也会增加缓慢，起动时间也会明显延长，降低了电机的运行效率。为了解决上述生产中出现的问题，尽可能的提高生产效率和产品的生产质量，这就要求大幅度地缩短起、制动过程当中的时间。在具体的工程实践项目中，工程设计者往往所期望的目标是：当电机在刚起动的一段时间内，起动电流能够始终保持一定时间的最大允许值。此时，电机输出的电磁转矩为最大，从而可以迫使电机的起动时间明显减少。此外，在仅有一个调节器调节的情况下，如果输入端同时有多个信号叠加时，电机的各个参数互相影响，不利于调节器参数的调节。为了解决单闭环系统运行过程当中出现的起动时间过长，当输入端有多个信号相互影响等问题，获得更加理想的起动曲线，故采用了双闭环系统。为了防止电机在起动瞬间出现堵转和过载情况，导致电枢电流迅速增加。通常为了限制电枢电流不会超过安全值，在电流反馈部分添加截止限幅环节。当电枢电流大于临界电流dcr I 后，由于负反馈作用使得电流值不超过允许值，从而调节了电流的瞬时值。然而，由于受到各种因素的影响，电枢电流不能完全受到限制，从而并不能完全按照理想曲线进行调节。当起动电流值大于dcr I 允许值后，因为受到电流限幅环节的调节作用，电流一旦超过电流的最大值dm I 后，控制系统就会产生调节作用使得电流值降下来。随着电枢电流不断减弱，电机所输出电磁转矩也同时慢慢减小，故延长了起动过程时间，图1-1a 所示为实际启动过程时转速和电流两者波形。
为了节省电机起动过程的时间，更大程度地改善工业产品的质量。因此，必须充分利用电机短时过载的能力，再考虑到电机在安全稳定的条件下，电枢电流不会超过最大值。此时，电动机恰好可以输出最大机械转矩。在电机启动的第二个阶段，这时的电流最大且保持一段时间。同时，电机转速也会迅速增加。当转速达到给定值后也会逐渐产生超调量，这时电流开始慢慢减小到负载电流。当转速出现超调后，转速调节器ASR 也会退出饱和。当电枢电流慢慢保持不变后，故电机输出电磁转矩与负载转矩相互平衡，此后电机保持稳态运行，图1-1b 所示为理想起动过程中转速和电流的波形。此时，起动电流变化过程是按矩形变化，转速按照折线变化。
实际上，由于电机中线圈电感和电路中电抗器的作用，起动电流不可能立即发生突变，图1-1b 所示的图形仅仅只是理想状态下的启动情形。为了实现电动机的立即起、制动，就必须维持电机的电枢电流在最大值dm I 运行一段时间。根据自动控制原理课程中所学的知识，可以利用负反馈环节进行对输入量的控制，从而保持其值的不变。因此，为了维持电流值的恒定，就必须考虑采用对电流值的采集，从而得到电流的反馈量。所以，此时要
程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计
求对电机转速进行采集，得到反馈量来控制转速。为了能够对电流、转速两个量的控制，必须采用两个反馈环，关键是如何将这两个反馈环连接以及两个控制器如何的选择
I
I
I
t
a）实际情况下电机启动过程
I
t
b）理想状态下电机启动过程
图1-1直流电机的两种启动方式比较图
1.2整个直流调速系统的组成图1
为了能够对电流和转速两个量的采集，就必须采用两个反馈环的嵌套。同时，两个反馈环中应该选择合适的调节器，如图1-2所示。该系统是由两个反馈环为主要构成部分，外加整流电路，通过对晶闸管门极加触发脉冲相位来控制输出电压。从双闭环系统结构图上来分析，电流环在内部，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。为了获得更加优良的静、动态性能的系统，满足实际的设计要求，转速和电流两个调节器均采用比例积分调节器。
图1-2双闭环反馈系统原理图
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第二章 调速系统的静特性与相关参数计算
2.1 稳态结构图和静特性
整个调速系统结构图如图2-1所示，两个调节器都选用比例积分控制器。转速调节器
ASR 的最大输出电压*im U 是电流环的最大输入量，电流调节器ACR 的最大输出电压cm
U 作为近似一阶环节的输入信号来控制输出电压。由于调节器选用PI 调节器，当转速调节器进入饱和状态时，输出量达到最大值。此时，如果转速反馈环的输入端信号发生变化，输出端也不会发生变化。若要退出饱和状态，必须输入反向信号才能退出饱和状态。当转速调节器ASR 饱和时，系统相当于转速环断开，仅有一个电流环进行调节。为了实现全程对电流量的控制，所以电流调节器不能进入饱和状态[1]。然而，由于转速在某段时间出现超调，故转速调节器将会从饱和状态退出 ，转速调节器便会有两种状态[2]。
图2-1 整个系统的稳态结构图
2.1.1 转速调节器未达到饱和情况
此时，两个调节器都没有进入饱和状态，等到系统稳定时，输入量与反馈量之间的偏差电压为零[1]。故有
0n *n n n αα===U U （2-1） d i i I U U β==*
（2-2） 式中 αβ，—分别为转速和电流传递倍数。 由（2-1）式可知
0*n U n n
==α （2-3） 故得到系统静特性的AB 段。
又因为此时的转速调节器ASR 没有达到最大值，即*
im i U U <，由式（2-2）可知：dm d I I <。所以，AB 段静特性是电机从理想空载状态0=d I 开始到dm d I I =的整个过程。即AB 段为电机静特性的运行部分，外部表现为一条水平线。
程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计
2.1.2 转速调节器已经饱和情况
此时，ASR 输出值已经是饱和值*
im U ，外部表现为外环转速环是断开状态，故由于转速变化带来的影响可以忽略不计，系统仅仅变为一个单闭环电流反馈控制系统。等到系统稳定时
（2-4）
式中，最大电流dm I 是由实际工程要求而设定的，它取决于电动机允许的最大过载电流和
起动时的最大转速来选定的。由式（2-4）可以得到如图2-2 BC 段所示的静特性，表示为垂直的特性。BC 段所描述的特性仅仅适用于0n n <的情况。当电机转速开始出现超调量时，
即0n n >，则此时输入电压有*
n n U U >，ASR 将逐渐退出原先的饱和状态[4]。 双闭环直流调速系统的静特性在负载电流未到最大值时，此时，转速环起主要控制电机以最大加速度升速至额定转速。当负载电流刚刚达到dm I 时，对应的转速调节器恰好为
输出电压饱和最大值*
im U ，此时，电流调节器是主导调节器，电流环起主要作用，从而使得最大电流dm I 开始逐渐减小至负载电流，电机开始稳定运行[2]。如果要实现上述起动过程，两个调节器均要采用比例积分控制器。
0n
d I
图2-2 双闭环系统运行的静特性
另一方面，图2-2同时也指出了ASR 调节器退饱和的条件。当ASR 处于饱和状态时，dm d I I =，若负载电流减小 d dm I I <，使转速上升，实际转速大于理想要求转速即0n n >，n 0?<，当转速超过给定转速时，即转速产生超调。此时，ASR 开始反向积分，从而使转速环退出饱和，又回到未饱和状态。
2.2 相关参数的计算
由图2-1可以看出，当双闭环系统处在稳定的状态条件下，两个调节器都未进入饱和状态。各参数之间的关系如下所示：
0n *n n n αα===U U （2-5）
L I I U U d d i *
i ββ=== （2-6） dm d I U I ==β*im
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s
*
s
d e s 0d c
n K R
I U C K R I C K U U dL n
e +=+==α （2-7）
上述各式表明，当电机稳定运行时，给定电压
*
n
U 决定了电机转速n ，负载电流决定了ASR
的输出量*
i U 。触发脉冲电压c U 的大小同时与n 和d I 有关。综上所述，可以区别出P 调节
器与PI 调节器调节作用的不同。一方面，P 调节器虽然可以起到放大信号的作用且反应迅速，但无法消除误差。另一方面，PI 调节器既有P 调节器的放大及反应迅速的特性，同时又可以像积分控制器那样消除静差，而且调节器的输出不仅仅取决于输入信号目前的状态，其中记录了输入信号以前的全部历史值，通过下面式子给出了计算两个反馈系数的
方法。
转速反馈系数
max *nm
n U =
α
（2-8）
电流反馈系数
dm *im I U =
β （2-9）
说明：上述各个公式当中，各种给定电压信号的值是由设计者自己定的
程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计
第三章 整个调速系统的动态结构与起动过程分析
3.1 整个系统动态结构图分析
由图3-1所示的动态结构图可知，该系统是由两个调节器作为主要的组成部分。两个调节器的传递函数的结构和系统的型次是根据实际要求选择，电机部分的动态传递函数做了近似地处理，其中电枢电流d I 在图中标出是为了凸显出电流反馈的结构。
图3-1整个系统动态结构图
3.2 整个系统刚启动过程分析 3.2.1起动过程分析
我们在设计调速系统的反馈结构时，必须将电机的转速作为反馈信号采集回输入端。当理想阶跃信号作为系统的输入信号时，电动机的随动性能如图1-1所示，该图反映了系统最优化的理想起动过程。如何让电机迅速起动，减少起动过程中所要消耗的时间，但又不会对电机本身造成伤害。同时，又要兼顾系统的抗扰性能和随动性能，这些问题都是工程设计中必须要考虑的问题。
根据电机与拖动课程中所学习的知识，我们可以知道当电机外界所带的负载恒定不变时，电机的转速与电机本身输出的电磁转矩有着直接的关系。所以，首先必须对负载电流进行分析，然后对电机起动过程中的输出功率进行研究，图3-2所示为电机起动过程中转速和电流变化图。由图3-2可以看出，当电流没有达到负载电流时，电机是不会转动的。当电流从零开始逐渐增加到峰值后，在这之后的时间内电流值是维持不改变的。当转速产生超调时，电流开始逐渐减小。当电枢电流等于负载电流时，转速将最终稳定下来。转速波形第一阶段的缓缓升速，然后以恒定加速度上升至达到给定值*n 之后，转速出现了一段时间的超调。由上述分析可知，我们可以将电机的起动过程划分为三个阶段即电流开始部分缓缓上升、电流保持不变时的转速上升、以及转速最终调节至稳定。相应地，转速调节器从开始未进入饱和，继而进入饱和，以及最终退出饱和状态，进入下一次调节状态。
第一阶段（0~1t ）电流慢慢上升阶段：当整个系统刚刚开始启动时，输入端还没有输
入给定电压信号*
n U ，系统后面的各路信号c U 、do U 、d I 都是零。当在转速调节器前面加入给定信号时,c U ﹑do U ﹑d I 都开始慢慢增加。当转速调机器ASR 的输出还没有达到峰值时，由于比例积分调节器的调节作用使得电机电流d I 会跟随给定信号变化而上升。当d I ≥dL I 后，电机恰好刚刚转动。由于机电惯性的影响，从而往往会使得电机转速跟不上电枢电流的变化，即当电流已经达到最大值时，转速往往还为达到峰值。当转速调节器
ASR 刚开始起调节作用时，电压偏差信号n n
n U U U -=?*
值较大，又因为其充当电流环的
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输入信号，故电流环的输出端电流d I 会逐渐变大。当ASR 的输出电压达到最大值*
im U ，输出端的电枢电流也达到最大值dm d I I ，这时电机将会以恒定的加速度升速。正如上所述，转速环的输出已到最大，故ASR 已经开始饱和，但电流调节器的输出并没有达到最大值。
第二阶段（1t ～2t ）电机维持电流值最大，转速加速上升阶段：由第一阶段可知，此
时的转速调节器已经失去调节作用，因此转速环相当于断开，系统仅仅等效为单环电流反馈系统，故电枢电流d I 基本保持不变。由于ACR 选用的是比例积分调节器，所以当电流环出现来自电动机反电动势的干扰时，系统可以及时进行消除静差。此时，ACR 一般是不进入饱和状态的。
第三阶段（2t 以后）转速经调节后，最终达到稳定阶段[1]：当电机转速已经达到给定转速时，此时输入信号与反馈信号之间的电压误差信号为零。但是，由于转速调节器ASR 选用比例积分调节器，所以转速环的输出还记录了上次调节之后的峰值，故电机的转速还会继续加速上升，产生超调。当电机转速产生超调后，转速的反馈信号大于输入端给定电压信号，故两者之差所得的偏差电压信为负值，进而迫使ASR 开始慢慢退出饱和状态，电枢电流也跟随着降低。等到电流值等于负载电流时，电机开始慢慢趋于稳定状态。
图3-2 起动阶段整个系统转速和电流波形
3.2.2 动态抗扰性能分析
在众多对系统性能影响的因素中，我们主要只考虑两个方面的扰动影响。一方面来自于抗负载扰动，另一方面来自于抗电网电压波动的扰动，下面分别分析两种扰动对系统的影响。
（1）抗负载扰动
由图3-3可知，由于电动机负载扰动在转速环的前向通道之中，即被转速环所包围，所以只能依靠调节转速调节器来消除扰动。又由于电流环为内环，负载扰动点没有包含在其前向通路中，所以对电流环的影响并不是主要的。 （2）抗电网电压扰动
电网电压是加在电力电子装置UPE 上的，通过UPE 装置将变换过来的交流电整流为
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可控直流电而加在电机上。所以，当电网电压不稳定时也会对电流环产生干扰作用。通过将图3-3a 与图3-3b 对比，可以看出虽然两图中d U 和d L I 均被转速环的前向通路而包围。仅仅从系统的静态性能来说，单闭环系统的抗扰效果与双闭环系统几乎没有什么差异。但是，从动态抗扰的角度来说，由于电机和电力电子装置等的滞后作用，单闭环系统对于电网电压扰动的反馈不够及时。相反，由于负载扰动点离被控制量n 更近，所以单闭环系统对负载扰动的反馈还是比较及时的。
将下面两图进行对比，可以看出图3-3b 中由于增加了电流内环，电网电压的波动就可以得到比较及时的反馈与修正。此外，较单闭环反馈系统，图3-3b 就可以更加及时而迅速将其扰动量反馈回给定信号，系统性能得到大大改善。
a ）单闭环系统
b ）双闭环系统
图3-3 整个系统的等效动态抗扰结构图
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3.3 转速、电流调节器的作用
1、转速调节器（ASR）的作用
1) 转速n的变化能够及时的反馈给给定电压信号，选用比例积分控制器就可以完全消除静态误差。
2) 抵抗由于负载扰动带来的影响。
3) 由于转速调节器与电流环是串级连接的，故其输出大小也会影响电流内环值。
2、电流调节器（ACR）的作用
1)由于电流调节器的跟随作用，使得电枢电流紧紧地随外部调节器的输出而变化。
2)及时地减弱因电网电压的不稳定而引起对系统的影响。
3)当电机出现过载和堵转的情况时，电枢电流会突然变的很大。由于电流调节器本身带有的限制最大电流的作用，所以使得电流不会超过额定值，保护电机正常运行。
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第四章调速系统的工程设计方法
当我们在具体地实践设计双闭环调速系统时，必须按照先设计电流内环再设计转速外环的整体思路。具体的步骤为：首先我们必须考虑电流内环的结构，通过对电流环结构图的简化和近似处理，最终确定出开环传递函数的系统型次。接着，就必须要确定选用哪种类型的电流调节器。最后，根据系统的性能指标确定相关待测的参数值。当电流环设计完成后，再借助上述方法设计转速环。
4.1电流调节器的设计
在设计电流调节器的结构时，必须要综合考虑到系统的全部性能。一方面，如果系统是在阶跃信号输入作用下考虑稳态误差，根据自动控制原理的相关知识可以知道，采用典型I系统就可以消除静差。另一方面，为了保证系统的安全运行，就必须要限制电枢电流的最大值，故系统应该选用典型I型系统。
由图4-1可知，该动态结构图中包含着由二极管组成的整流滤波环节，目的是为了滤除各个输入信号中的低频干扰信号。具体的滤波环节包括对转速环输入信号的滤波、电流环输入信号的滤波以及给定信号的滤波[1]。同时，又由于电机的反电动势变化缓慢，所以在相关参数的动态变化过程中可近似认为其大小是不变的。其中
T——电流反馈滤波时
oi
间常数；
T——转速反馈滤波时间常数。
on
图4-1整个调速系统的动态结构图
设置滤波环节是因为转速反馈环节和电流反馈环节的反馈信号中含有低次谐波，然而低次谐波会对系统性能产生影响，所以增加低通滤波装置是必要的。一般情况下，因为电流的变化时间远远小于转速的变化时间，故可以将滤波环节看作为一个纯惯性环节。但是，当系统中增加了滤波环节后，也会带来滞后作用导致采集的信号延迟返回。为了解决上述的问题，实际的工程设计上就在原有的系统上添加一个惯性环节，目的是为了使得系统的在响应时间上得到最佳匹配。
4.1.1电流环结构框图的化简
T远远由电动机本身的机械特性可知，由于电机的机电惯性作用，导致电磁时间常数
l
T，故电流到最大时转速却没有到最大[4]。在分析电流环的抗扰性小于电机转速时间常数
m
能时，由于电机反电动势变化缓慢，可以将此扰动因素忽略掉。也就是说，在分析系统的抗扰性能时，可大致认为电机反电动势不发生改变，即0
?E。所以，在考虑电流环的
≈
动态性能时，可以暂时忽略反电动势的变化所带来的影响作用[1]。我们在分析系统的动态
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R
K K K i s i I τβ=性能时，已经近似忽略了反电动势的影响，得到的是图4-1所示的近似动态结构图。同时，根据系统结构图的等效变换作用，将滤波环节移入反馈环的内部，同时将给定信号简化为)(*s U i /β，故电流环最终被等效成单位负反馈系统。近似地电流环的单位负反馈系统结构框图如图4-2所示。
图4-2 近似等效电流环结构图
4.1.2电流调节器结构的选择
根据在不同输入信号作用下，系统要求达到的性能，准确设计电流环相关的参数。一方面，为了达到消除静态误差的目的，系统的开环传递函数中至少应含有一个积分环节，即应选用典型Ⅰ型系统。另一方面，不允许电枢电流太大而超过最大限幅值，即不要有太大的超调量。为了可以使得电流环能够快速紧紧跟随给定信号的变化，故应该选择典型Ⅰ型系统。由于电流环所控制的是电机，而电机的传递函数为近似为一阶惯性环节，若要将系统设计为典型I 型系统，电流调节器的传递函数中就必须含有一个积分环节，故选用PI 型调节器。其传递函数可以写成
s
s K S W i i i ACR ττ)
1()(+=
（4-1）
式中 K i ——ACR 的传递系数
i τ——ACR 的过渡时间常数
为了能够将电机的传递函数与调节器的传递函数两者中的零极点相互对消，从而校正成为典型Ⅰ型系统，故近似处理有
l i T =τ （4-2）
所以得到校正后系统的结构图如图4-3所示
（4-3）
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图4-3 校正后系统电流环的动态结构图
从频域角度来分析后，可以绘制出校正后系统的伯德图，分析系统在中频带的性能，得到近似图4-4所示
图4-4 校正后电流环的Bode 图
4.1.3电流调节器的参数计算
由式(4-1)可知电流调节器的传递函数中待计算的参数有两个，即K i 和i τ。其中i τ一般情况下已经被选定好了，故仅有一个参数K i 要根据系统的性能来选择相应的值。如果
系统所要求的性能是电流超调量%5≤i σ ，则
R
K K K i s i I τβ
=
（4-4） 再利用式(4-3)和(4-2)得到
)(22i
l
s i s l i T T K R T K R T K ∑∑==
ββ （4-5）
4.1.4电流调节器的实现
根据运算放大电路的相关知识，从而设计的电流调节器的模拟式电路图如图4-5所示，其中图中*i U 为电流环的给定输入电压信号,d I β-为电流环的反馈电压信号,调节器的输出连在晶闸管的门极的触发脉冲控制电压c U 上。
根据模拟电子技术课程中运放的相关知识，可以得出以下公式
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R R K i
i =
(4-6） i i i C R =τ (4-7)
oi oi C R T 04
1
=
(4-8)
图4-5模拟式PI 电流调节器原理图
4.2转速调节器的设计
4.2.1电流环的近似传递函数 在整个系统的结构图中，当开始设计转速调节器时，可以将电流环看作为转速环内部的一个传递环节，记该部分的闭环传递函数为)(s W cli 。由图4-3系统结构图的等效后，可得：
111
)1(1)1()()(2*++=+++==∑∑∑s K s K T s T s K s T s K U S I s W I I i i I i I
i
d cli β （4-9）
忽略高次项，)(s W cli 可降阶近似为
11
1)(+≈
S K s W I
cli （4-10）
零初始状态下，设电流环的输入信号为)(*s U i ，输出信号为电枢电流)(s I d 。因此，可
得到电流环的传递函数如下式：
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（4-11）
4.2.2转速调节器结构的选择
根据上述电流环的等效传递函数来分析转速环的部分，如图4-6所示。假设电流环的输入信号为)
(*s
U
n
/α。同时，将两个惯性环节的时间常数1/
I
K和
on
T近似合并后得到一个
时间常数为
n
T
∑
，即如式（4-12）所示：
on
I
T
K
T
n
+
=
∑
1
（4-12）
图4-6 整个系统的等效结构图
如果希望整个系统能够消除掉静态误差，因此系统的开环传递函数至少为Ⅰ型系统，即至少必须含有一个积分环节[6]。此外，由图4-6可以知道，系统的结构图中已含有一个积分环节，故整个系统的开环传递函数中总共有两个积分环节，因此应将转速环设计为典型Ⅱ型系统的结构，才能够满足系统自身的跟随特性。ASR的传递函数为：
（4-13）
式中K
n
——ASR的传递系数；
n
τ——ASR的过渡时间常数。
如果忽略负载变化对系统性能所产生的影响，可得校正后的典型Ⅱ型系统结构图，如图4-7所示
图4-7 校正后系统的结构图
4.2.3转速调节器的参数计算
转速环的传递函数中待计算的参数有两个，即
n
K和
n
τ。故转速调节器共有两个参数n
K和
n
τ待计算，由hT
=
τ得
)1
(+
=s
s
K
W
n
n
n
ASR
τ
τ
1
1
1
)
(
)
(*
)
(
+
≈
=
s
I
K
s
cil
W
s
i
U
s
d
Iβ
β
铜陵学院毕业论文（设计）
n n hT ∑=τ (4-14）
再由
2221
T h h K +=
（4-15）
可得
2
221
n
N T h h K ∑+=
(4-16) 故
n
m
e n RT h T C h K ∑+=αβ2)1( (4-17)
4.2.4转速调节器的实现
利用模拟电子技术中的相关知识，从而设计出转速调节器的模拟式电路如图4-8所示，图中U *n 是转速环的给定电压信号，-αn 为转速环的反馈电压信号，转速调节器的输出端信号接入电流环给定电压信号U *i 。
图4-8 模拟式PI 转速调节器原理图
根据电路原理中的相关知识，可得以下公式 0
R R K n
n =
（4-18）
n n n C R =τ （4-19）
on on C R T 04
1
=
（4-20） 4.2.5退饱和状态下转速超调量的计算
由第三章的分析可知，在电机起动的整个过程中，转速调节器最开始是未饱和的，等
程大亮：转速、电流双闭环直流调速系统设计
转速调节器达到限幅值时保持饱和状态，最后逐渐退出饱和。在电机转速已达到达所要求值后，电机转速才开始逐渐出现超调。由于退饱和状态下转速的变化与扰动作用下负载的变化规律大致相似，故为了便于计算和简化系统的分析过程，可以利用典型Ⅱ系统跟随性能指标来计算超调量。
T FK C b 22= （4-21）
m
e T C R
K =
2 （4-22） n T T ∑= （4-23）
dl dm I I F -= （4-24）
m
n N m e dl dm n b T T
n z T C I I RT n ∑∑?-=-=
?)(2)(2λ （4-25）
摘要 电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。
在转速闭环直流调速系统中，只有电流截止负反馈环节对电枢电流加以保护，缺少对电枢电流的精确控制，也就无法充分发挥直流伺服电动机的过载能力，因而也就达不到调速系统的快速起动和制动的效果。通过在转速闭环直流调速系统的基础上增加电流闭环，即按照快速起动和制动的要求，实现对电枢电流的精确控制，实质上是在起动或制动过程的主要阶段，实现一种以电动机最大电磁力矩输出能力进行启动或制动的过程。 一、设计要求 设一个转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H桥PWM方式驱动，已知电动机参数为：
《运动控制》课程设计题目：转速，电流双闭环可逆直流宽频调速系统设计 系部：自动化系 专业：自动化 班级：自动化1班 学号：11423006 11423025 11423015 姓名：杨力强.丁珊珊.赵楠 指导老师：刘艳 日期：2018年5月26日-2018年6月13日
一、设计目的 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数：< 直流电动机(3> ） 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH 电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数=1.5 额定转速 970rpm 直流电动机控制系统设计参数 环境条件： 电网额定电压:380/220V。电网电压波动:10%。 环境温度:-40~+40摄氏度。环境湿度:10~90%. 控制系统性能指标： 电流超调量小于等于5%。 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%。 调速范围D＝20。 静差率小于等于0.03.
1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为： ,，，电枢回路总电阻，机电时间常数 ，电动势转速比，Ks=40，，Ts=0.0017ms，电流反馈系数，转速反馈系数，试对该系统进行初步设计。2、技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。 三、主电路方案和控制系统确定 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。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，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的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，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图
课程设计任务书 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为： 直流电动机：U N=220V，I N=205A，=575r/min , R a=0.1，电枢电路总电阻R=0.2，电枢电路总电感L=7.59mH，电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。 晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数 电流反馈系数( 转速反馈系数() 滤波时间常数取，。 ；调节器输入电阻R0=40。 设计要求： 稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。
目录 课程设计任务书 (1) 第一章直流双闭环调速系统原理 (3) 1.1系统的组成 (3) 1.2 系统的原理图 (4) 第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计 (6) 2.1 电流调节器的设计 (6) 2.2 转速调节器的设计 (13) 第三章系统仿真 (21) 心得体会 (26) 参考文献 (27)
第一章直流双闭环调速系统原理 1.1系统的组成 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。 为了实现在允许条件下的最快启动，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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以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（或称串级）联接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把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；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
实验二 转速、电流双闭环直流调速系统 一、实验目的 1．了解转速、电流双闭环直流调速系统的组成。 2．掌握双闭环直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。 3．测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标。 4．了解调节器参数对系统动态性能的影响。 二、实验系统组成及工作原理 双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。实际系统的组成如实验图2-1所示。 实验图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统 主电路采用三相桥式全控整流电路供电。系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改 变转速给定电压* n U 可方便地调节电动机的转速。速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有 限幅电路，ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作 用；ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。 当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出* im U ，使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动，直到电动机转速达到给定转速(即* n n U U )并出现超调，使ASR 退出饱和，最后稳 定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。 三、实验设备及仪器 1.主控制屏NMCL-32 2.直流电动机-负载直流发电机-测速发电机组 3. NMCL －18挂箱、NMCL-333挂箱及电阻箱 4.双踪示波器 5.万用表 四、实验内容
1.调整触发单元并确定其起始移相控制角，检查和调整ASR 、ACR ，整定其输出正负限幅值。 2.测定电流反馈系数β和转速反馈系数α，整定过电流保护动作值。 3.研究电流环和转速环的动态特性，将系统调整到可能的最佳状态，画出)(t f I d =和)(t f n =的波形，并估算系统的动态性能指标（包括跟随性能和抗扰性能） 。 4.测定高低速时系统完整的静特性)(d I f n =（包括下垂段特性），并计算在一定调速范围内系统能满足的静态精度。 五、实验步骤及方法 1.多环调速系统调试的基本原则 (1)先部件,后系统。即先将各环节的特性调好，然后才能组成系统。 (2)先开环,后闭环。即先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后组成闭环系统。 (3)先内环,后外环。即闭环调试时，先调电流内环，然后再调转速外环。 2.单元部件参数整定和调试 (1)主控制屏开关按实验内容需要设置 (2)触发器整定 将面板上的U blf 端接地，调整锯齿波触发器的方法同实验1。 (3)调节器调零 断开主回路电源开关SW ，给定电压U g 接到零速封锁器DZS 输入端，并将DZS 的输出接到ASR 和ACR 的封锁端。控制系统按开环接线,ASR 、ACR 的反馈回路电容短接，形成低放大系数的比例调节器。 a)ASR 调零 将调节器ASR 的给定及反馈输入端接地，调节ASR 的调零电位器，使ASR 的输出为零。 b)ACR 调零 将调节器ACR 的给定及反馈输入端接地，调节ACR 的调零电位器，使ACR 的输出为零。 (4)调节器输出限幅值整定 a)ASR 输出限幅值整定 ASR 按比例积分调节器接线，将U g 接到ASR 的输入端，当输入U g 为正而且增加时，调节 ASR 负限幅电位器，使ASR 输出为限幅值* im U ，其值一般取为8~6--V 。 b)ACR 输出限幅值整定 整定ACR 限幅值需要考虑负载的情况，留有一定整流电压的余量。ACR 按比例积分调节器接线，将g U 接到ACR 的输入端，用ACR 的输出c U 去控制触发移相，当输入g U 为负且增加时，通过示波器观察到触发移相角α移至οο30~15min =α时的电压即为ACR 限幅值U cm ，可通过ACR 正限幅电位器锁定。 3.电流环调试(电动机不加励磁) (1)电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定。 整定时ASR 、ACR 均不接入系统，系统处于开环状态。直接用给定电压g U 作为c U 接到移相触发器GT 以调节控制角α，此时应将电动机主回路中串联的变阻器M R 放在最大值处，
仿真设计报告
转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计 一、系统设计目的 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。根据直流电动机的工作原理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。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，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真，同时查看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。 二、系统理论分析 2.1双闭环直流调速系统工作原理 电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号直流电压迅速上升，电流也随即增大直到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数，还能对因电网波动引起的电枢电流的变化进行快速调节，可在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢
案例转速、电流双闭环直流调速系统 一、概述 现以ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置（简称ZCC1系列）为例，来阐述晶闸管—电动机直流调速系统分析、调试的一般方法与步骤。该装置的基本性能如下： (1)装置的负荷性质按连续工作制考核。 (2)装置在长期额定负荷下，允许150%额定负荷持续二分钟，200%额定负荷持续10秒钟，其重复周期不少于1小时。 (3)装置在交流进线端的电压为（0.9~1.05）380伏时，保证装置输出端处输出额定电压和额定电流。电网电压下降超过10%范围时输出额定电压同电源电压成正比例下降。 (4)装置在采用转速反馈情况下，调速范围为20∶1，在电动机负载从10%~100%额定电流变化时，转速偏差为最高转速的0.5%（最高转速包括电动机弱磁的转速）。转速反馈元件采用ZYS型永磁直流测速发电机。 (5)装置在采用电动势反馈（电压负反馈、电流正反馈）时，调速范围为10∶1，电流负载从10%~100%变化时，转速偏差小于最高转速的5%（最高转速包括电动机弱磁的转速）。 (6)装置在采用电压反馈情况下，调压范围为20∶1，电流负载从10%~100%变化时，电压偏差小于额定电压的0.5%。 (7)装置给定电源精度，在电源电压下降小于10%以及温度变化小于±10℃时，其精度为1%。 二、系统的组成 1、主电路 ZCC1系列装置主电路采用三相桥式全控整流电路，交流进线电源通过三相整流变压器或者交流进线电抗器接至380V交流电源。为了使电机电枢电流连续并减小电流脉动以改善电动机的发热和换向，在直流侧接有滤波电抗器L。 2、控制系统 ZCC1系列晶闸管直流调速装置的控制系统采用速度（转速）电流双闭环控制系统，其原理方框图如图3-1所示
直流电动机调速系统课程设计 班级：电气0802 姓名：刘志勇 学号： 08140218
目录 第一章：设计内容 (2) 1.1设计内容： (2) 第二章：设计要求 (2) 2.1设计要求 (2) 2.2设计参数： (2) 第三章：双闭环直流调速系统设计 (3) 3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成 (3) 3.2系统电路结构 (4) 3.3调节器的设计 (7) 第四章单闭环直流调速系统设计 (14) 4.1闭环系统调速的组成及其静特性 (14) 4.2 稳态参数计算 (16) 第五章相关原理图设计波形图 (19) 5.1.主电路图 (19) 5.2.控制电路图 (20) 第六章设计总结及参考文献 (23) 6.1设计总结 (23) 6.2 参考资料 (23) 1
第一章：设计内容 1.1设计内容： （1）根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统 （2）根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，使用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统 第二章：设计要求 2.1设计要求 2.1.1根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图 2.1.2直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量γ及GM、计算调节器参数、绘系统动态结构图 2.1.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图 2.1.4测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、电压电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。 2.2设计参数： =1.8Ω 2.2.1电枢电阻R a 电枢电感L =9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms a 2
摘要 此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、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，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的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，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。 关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，Simulink
目录 1设计意义 (3) 2主电路设计 (4) 2.1设计任务 (4) 2.2电路设计及分析 (4) 2.2.1电流调节器 (5) 2.2.2转速调节器 (6) 2.3电路设计及分析 (7) 2.4电流调节器设计 (7) 2.4.1电流环简化 (8) 2.4.2电流调节器设计 (8) 2.4.3电流调节器参数计算 (9) 2.4.4电流调节器的实现 (10) 2.5转速调节器设计 (11) 2.5.1电流环等效传递函数 (11) 2.5.2转速调节器结构选择 (12) 2.5.3转速调节器参数计算 (13) 2.5.4转速调节器的实现 (14) 3系统参数计算和电气图 (15) 3.1电流调节器参数计算 (15) 3.2转速调节器参数计算 (15) 3.3电气原理图 (16) 4系统仿真 (18) 5小结体会 (20) 参考文献 (21)
转速电流双闭环直流调速系统仿真 摘要：本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统以及对MATLAB软件的使用。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用PI调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个PI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。二者实行嵌套连接，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电力电子变换器UPE，形成转速电流双闭环直流调速系统。在Simulink中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。 关键词：双闭环直流调速系统，MATLAB/SIMULINK仿真，ASR，ACR。 课程概述：直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。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，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至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。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，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。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，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，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。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。其次并基于双闭环的电气原理图的SIMULINK的仿真，分析了直流调速系统的动态抗干扰性能。采用工程设计方法
电力拖动自控系统课程设 计报告 题目转速电流双闭环直流调速系统设 计 学院：电子与电气工程学院 年级专业：2012级电气工程及其自动化（电力传动方向）姓名： 学号： 指导教师： 成绩：
电力拖动自动控制系统综合课程设计 设计任务书 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为： 直流电动机：kW 5.7P N =，V 400U N =，A 8.21I N = ,min /r 3000N =n ， W 716.0R a =，电枢回路总电阻Ω=75.1R ，电枢电路总电感mH 60L =,电流允许 过载倍数5.1=λ，折算到电动机轴的飞轮惯量22m N 64.2GD ?=。励磁电流为1.77A 。 晶闸管整流装置放大倍数40K s =，滞后时间常数s 0017.0T s = 电流反馈系数)I 5.1/V 15(A /V 4587.0βN ≈= 电压反馈系数)/V 15(r m in/V 005.0αN n ≈?= 滤波时间常数s 002.0T oi =，s 01.0T on = V 15U U U cm *im *nm ===;调节器输入电阻Ω=K 40R o 。
设计要求：稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量00i 5≤σ；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。 目 录 1 概述 (1) 1.1问题的提出 ............................................................................................................ 1 1.2解决的问题 ............................................................................................................ 1 1.3实现目标要求设计 . (1) 2 主电路计算 (2) 2.1整流变压器的计算 .............................................................................................. 2 2.2晶闸管及其元件保护选择 (2) 3 直流双闭环调速系统设计 (8) 3.1转速和电流双闭环调速系统的组成 .............................................................. 8 3.2系统静态结构图及性能分析 ............................................................................ 9 3.3系统动态结构图及性能分析 .. (10)
课程设计说明书 课程名称：电力拖动自动控制系统 设计题目：转速电流双闭环直流调速系统 院系： 学生姓名： 学号： 专业班级： 指导教师：
2010年12 月30 日
转速电流双闭环直流调速控制系统 摘要：此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。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，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的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，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器
目录 第一章.直流拖动控制系统总体设计 (1) 一、直流调速系统拖动方案的对比 (1) 二、直流调速系统控制方案的确定 (2) 三、直流电动机的调速方式 (2) 第二章.主电路参数计算和保护环节设计 (3) 一、整流变压器额定参数的计算 (3) 二、主电路器件的计算与选择 (3) 三、主电路保护环节的设计与计算 (3) 四、电抗器参数计算与选择 (4) 第三章.调速系统控制单元的确定和调整 (4) 一、检测环节 (4) 二、调节器的选择与调整 (5) 三、系统的给定电源 (11) 第四章．触发电路的设计 (12) 第五章.调速系统动态参数的工程计 (12) 心得体会 (12) 参考文献 (13) 附件.课程设计要求 (13)
第2章 转速、电流双闭环直流调速系统 和调节器的工程设计方法 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 采用PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。 在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，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示于图2-1b 。 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dm I 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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。 2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图2-2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。 转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，图2-3。两个调节器的输出都是带限幅 + TG n ASR ACR U *n + - U n U i U * i + - U c TA M + - U d I d UPE - M T 图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —测速发电机 TA —电流互感器 UPE —电力电子变换器 内外 n i
运动控制课程设计 专业：自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2015年07月 16 日
转速、电流双闭环直流调速系统设计 1.设计目的 一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。故采用转速、电流双闭环控制系统。 2.设计任务 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路；基本数据如下： (1)直流电动机：220V、160A、1460r/min、Ce=0.129Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5； (2)晶闸管装置放大系数：K s=40； (3)电枢回路总电阻：R=0.5Ω； (4)时间常数：T l=0.03s，T m=0.19s； (5)电流反馈系数：β=0.042V/A； (6)转速反馈系数：α=0.0068Vmin/r； 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。 3.设计要求 根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统： (1)设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统； (2)分析电流环不同参数下的仿真曲线； (3)在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统； (4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线 (5)进行Simulink仿真，验证设计的有效性。 4.设计内容 4.1双闭环直流调速系统的组成
《电力拖动自动控制系统》课程设计 设计报告 题目:转速电流双闭环直流调速系统设计 学院信息科学与工程学院 专业自动化 班级0603 学号 2 学生姓名杨明 指导老师潘炼 日期2009/7/2
转速电流双闭环直流调速系统设计 1. 设计题目 转速、电流双闭环直流调速系统设计 2. 设计任务 已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： 1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=0.136Vmin/r，允许过载倍数λ=1.4 2）晶闸管装置放大系数：K s=30 3）电枢回路总电阻：R=0.4Ω 4）时间常数：T l=0.023s，T m=0.2s，转速滤波环节时间常数T on取0.01s 5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。 系统要求： 1）稳态指标：无静差 2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10% 3. 设计要求 根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如下： 1）设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统； 2）在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统； 3）进行Simulink仿真，验证设计的有效性。 4.设计内容 1）设计思路： 带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。 当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静差调速。 对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负
第二章双闭环直流调速系统 2-1在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？改变转速调节器的放大倍数行不行？改变电力电子变换器的放大倍数行不行？改变转速反馈系数行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？ 答：改变电机的转速需要调节转速给定信号Un※；改变转速调节器的放大倍数不行，改变电力电子变换器的放大倍数不行。若要改变电机的堵转电流需要改变ASR的限幅值。 2-2 （1 （2 （1 （2 （3 （4 2-3是多少？ 答：=βId=Ui，Uc=U d0 2-4如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器，而是比例调节器，对系统的静、动态性能会有什么影响？ 答：若采用比例调节器可利用提高放大系数的办法使稳态误差减小即提高稳态精度，但还是有静差的系统，但放大倍数太大很有可能使系统不稳定。 2-5在转速、电流双闭环系统中，采用PI调节器，当系统带额定负载运行时，转速反馈线突然断线，系统重新进入稳态后，电流调节器的输入偏差电压△Ui是否为0，为什么？
答：反馈线未断之前，Id=In，令n=n1，当转速反馈断线，ASR迅速进入饱和，Un※=Un※max，Uc↑，Id↑至Idm，Te＞T l，n↑，Id↓，△Ui出现，Id↑至Idm，n↑，Id↓，此过程重复进行直到ACR饱和，n↑，Id↓，当Id=In，系统重新进入稳态，此时的速度n2＞n1，电流给定为Un※max=Idmaxβ＞电流反馈信号Un=Inβ，偏差△Ui不为0。 2-6在转速、电流双闭环系统中，转速给定信号Un※未改变，若增大转速反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压Un是增加还是减少还是不变？为什么？ 答：Un不变，因为PI调节器在稳态时无静差，即：Un※=Un，Un※未改变，则，Un也不变。 2-7 Unm*试求：（1 （2 解：（1 α=Unm* （2 2-8Uim=8V （1）Ui （2）Uc 解：（1 电流为 电流为 （2）Uc增加。 2-9在双闭环直流调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因电动机励磁下降一半，系统工作情况将会如何变化？（λ=1.5） 答：设突发状况之前的磁通为?1，令此时的磁通为?2，之前的电磁力矩为Te1，此刻的电磁力矩为Te2，负载转矩恒为T l，电机励磁下降一半，则?2=0.5?1，Te2=Cm（?2）Id=0.5Te1＜T l，n↓，Id↑甚至到Idm，Te2=Cm（?2）Idm=0.75Te1＜T l，n会一直下降到0。
《电力拖动与运动控制系统》课程设计------ 转速电流双闭环直流调速 系统的设计 学院： 年级: 班级： 姓名： 座号： 学号： 指导老师：
目录 一设计任务 (3) 二设计要求 (3) 三．设计的基本思路： (3) 四．设计过程 (4) 1确定转速、电流反馈系数 (4) 2.电流环的设计 (5) 3.转速环的设计 (6) 五．硬件电路图设计 (9) 1 系统主电路图绘制 (9) 2 系统触发电路图 (9) 3 电流环电路 (12) 4.转速环电路： (13) 4.控制电路总体电路图 (14) 六．心得体会： (15) 七参考资料 (15)
一 设计任务 设计一转速、电流双闭环直流调速系统，采用他励直流电动机、晶闸管三相全控桥式整流电路，其数据如下： 直流电动机：PN=60KW ，UN=220V ，IN=305A ，Nn=1000r/min ； 晶闸管整流触发装置的放大系数 Ks=30 电磁时间常数：T1=0.012S; 机电时间常数：Tm=0.12s; 反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s,Ton=0.014s; 额定转速时的给定电压：Unm=10V; 调节器饱和输出电压：10V ； 系统调速围：D=20； 系统的静、动态性能指标：无静差，电流超调量5%i δ≤，启动到额定转速时的超调量10%δ≤ 二 设计要求 1．确定转速、电流反馈系数； 2．设计电流调节器； 3．用min r M 准则设计转速环，确定转速调节器的结构和参数； 4．计算最低速启动时的转速超调量； 5．绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）。 三．设计的基本思路： 转速，电流双闭环调速系统属于多环控制系统。对电流双闭环调速系统而言，先从环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环环节之后，把它等效成一个小
双闭环控制的直流调速系统简介 1.1V—M系统简介 晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。 优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。 缺点： 1．由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 2．元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。 因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。 图1 V—M系统 1.2转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面： 1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速； 2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； 3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起﹑制动尽量平稳。
1.3 直流调速系统的性能指标 根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1，6]。 一、静态性能指标 1）．调速范围 生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速m ax n 与最低转速m in n 之比，称为调速范围，用符号D 表示 m in m ax n n D = （2—2） 2）．静差率 静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s 来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落 ed n ?与理想空载转速 n 之比，用百分数表示为 %100%1000 00?-=??= n n n n n s ed ed （2—3） 显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，ed n ?越小，静差率就越小，转速 的稳定度就越高。 然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落1ed n ?=2 ed n ?， 但由于 01 02n n <，因此12s s >。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对 稳定性就越差。在1000r/min 时降落10r/min ，只占1%；在100r/min 时也降落10r/min ，就占10%；如果 n 只有10r/min ，再降落10r/min 时，电动机就停止转动，转速全都 降落完了。 由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s ，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。
直流电机的转速电流双闭 环控制 The final edition was revised on December 14th, 2020.
直流电机的转速电流双闭环控制 摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI 调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。两个PI调节器都采用集成运放实现。其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。 关键词：电流环；转速环；PI调节器 The Rotate Speed and Current Double Closed Loop Feedback Control for DC Motor Abstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating making the DC motor started rapidly with the largest load is the same to starting rapidly with the largest ,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop. Key word: current feedback loop; rotate speed feedback loop;PI regulator
******************************************************************** *********** 电流转速双闭环直流调速系统的工作原理 论文 姓名：范洪峰 班级：电气111 学号：11055103 2014年9月18日 ******************************************************************** ***********
******************************************************************** *********** 电流转速双闭环直流调速系统的工作原理 范洪峰 （山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台，264005） 摘要：转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速的无静差，但是对动态性能要求较高的系统，转速闭环系统很难对电流（转矩）进行控制。电机经常工作在启动、制动、反转等过渡过程中，启动和制动过程的时间在很大程度上决定了电机的效率。如何缩短这一部分时间，以充分发挥电机的效率，是转速控制系统首先要解决的问题。直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。控制系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接。 关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器 Current Speed Working Principle of Doubleclosed-loop dc speed Regulating System Fan Hongfeng (Shandong province industrial and commercial college of information and electronic engineering institute, Yantai, Shandong province, 264005) Abstract: the speed closed-loop speed control system can guarantee the stability of the system under the premise of implementation speed astatic, but system ofhigh dynamic performance requirements, it is difficult to the current (torque) of theclosed-loop control. Motor often work in the process of starting, braking and reverse transition, in the process of starting and braking time to a great exten t, determines the efficiency of the motor. How to shorten this part time, in order to give full play to the efficiency of ******************************************************************** ***********