双闭环控制直流电机调速系统
双闭环直流调速系统特性与原理
双闭环直流调速系统特性与原理双闭环直流调速系统是一种用于控制直流电动机转速的调速系统。
它由两个闭环控制回路组成，分别是转速外环和电流内环。
其中，转速外环控制直流电机的转速，通过调节电压来控制直流电机的转矩；而电流内环则控制直流电机的电流，通过调节电压来控制直流电机的转矩。
1.稳定性：双闭环控制系统能够有效地控制直流电动机的转速和电流，使其在运行过程中保持稳定的转矩输出。
通过转速外环对转速进行控制，可以实现精确的转速调节；而电流内环则能够控制电机的电流，防止过载和短路等故障。
2.响应速度：双闭环控制系统的转速外环具有较快的响应速度，能够实现快速的转速调节。
而电流内环的响应速度则相对较慢，主要起到电机保护的作用。
3.鲁棒性：双闭环控制系统具有较好的鲁棒性，能够对外部干扰和参数变化具有一定的抗干扰能力。
通过合理的控制策略和参数调整，可以提高系统的鲁棒性。
1.转速外环控制原理：转速外环将输出电压与给定的转速进行比较，得到转速误差，并通过调节电压反馈回内环控制器中。
转速外环控制器通常采用PI控制器，根据转速误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得转速误差趋于零，从而实现对直流电机转速的调节。
2.电流内环控制原理：电流内环控制器将输出电压与给定的电流进行比较，得到电流误差，并通过调节输出电压来控制电流。
电流内环控制器通常也采用PI控制器，根据电流误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得电流误差趋于零，从而实现对直流电机电流的调节。
3.反馈信号处理：双闭环直流调速系统中，转速和电流测量信号需要经过滤波和放大等处理，以便传递给控制器进行计算。
滤波器通常采用低通滤波器，用于去除高频噪声，放大器则用于放大信号强度。
4.控制指令处理：由上位机或人机界面输入的控制指令需要经过处理，包括限幅、线性化等，以确保输入信号符合控制系统的要求。
处理后的指令将送入控制器，进行计算和控制输出电压。
通过双闭环直流调速系统的控制，可以实现对直流电机的转速和电流的精确调节，并具有较好的稳定性、响应速度和鲁棒性，广泛应用于工业自动化领域。
双闭环直流调速系统ACR设计
双闭环直流调速系统ACR设计双闭环直流调速系统（ACR）是一种使用两个反馈环来控制直流电机转速的系统。
其中一个环，被称为速度环（内环），用来控制电机的速度；另一个环，被称为电流环（外环），用来控制电机的电流。
ACR系统能够提供更精确的转速控制，同时能够保护电机免受过流和过载的损坏。
ACR系统的设计首先需要确定控制器的参数。
其中，内环控制器的参数包括比例增益（Kp）和积分时间（Ti）；外环控制器的参数包括比例增益（Kp）和积分时间（Ti）。
这些参数需要根据实际系统的需求来选择，可以通过试验和调整来获得最佳参数。
在内环控制器中，比例增益决定了速度误差与输出调节器输入信号之间的比例关系，即输出调节器的输出值与速度误差的乘积。
积分时间决定了对速度误差的积分时间长度，即速度误差累计值。
在外环控制器中，比例增益决定了电流误差与输出调节器输入信号之间的比例关系，即输出调节器的输出值与电流误差的乘积。
积分时间决定了对电流误差的积分时间长度，即电流误差累计值。
ACR系统的设计还需要确定速度传感器和电流传感器的类型和位置。
速度传感器用于测量电机的转速，可以选择编码器、霍尔传感器等；电流传感器用于测量电机的电流，可以选择霍尔传感器、感应电流传感器等。
这些传感器需要合理安装在电机上，以确保准确测量电机的转速和电流。
在系统工作时，ACR系统通过测量电机的转速和电流，并与设定值进行比较，计算得到速度误差和电流误差。
然后，内环控制器根据速度误差来产生控制信号，控制电机的速度接近设定值；外环控制器根据电流误差来产生控制信号，控制电机的电流接近设定值。
这些控制信号通过功率放大器输出到电机，实现对电机速度和电流的控制。
ACR系统的设计需要考虑诸多因素，如电机的负载特性、速度和电流的响应时间、系统的稳定性等。
通过合理选择控制器的参数和传感器的类型和位置，采取适当的控制策略，可以实现高精度、高效率的直流电机调速系统。
双闭环直流调速系统特性与原理
双闭环直流调速系统特性与原理1.双闭环直流调速系统的特性：(1)调速性能优良：双闭环控制可以提高调速性能，使得速度响应更加迅速、稳定。
由于速度闭环控制，系统可以实时检测速度偏差，并根据偏差调整电机的控制信号，从而使电机转速保持恒定。
(2)载荷抗扰性好：双闭环直流调速系统具有良好的抗负载扰动能力。
通过电流闭环控制器对电流进行反馈控制，一旦发生负载变动，系统可以根据反馈信号快速调整电流，以保持电机输出功率稳定。
(3)适应性强：双闭环直流调速系统适应性强，可以适应各种负载条件下的调速要求。
通过速度闭环控制器可以实时检测速度偏差，并根据偏差调整电机的控制信号，以适应不同的负载要求。
(4)技术难度较高：双闭环直流调速系统需要同时进行速度闭环控制和电流闭环控制，涉及到多个反馈环节和控制算法的设计与调试，技术难度相对较高。
2.双闭环直流调速系统的原理：(1)速度闭环控制原理：速度闭环控制器测量电机的速度，并将测量值与期望速度信号进行比较，得到速度偏差。
根据速度偏差，通过控制器计算得到电机的控制信号，调整电机的输入电压或者电流，使得速度偏差减小，并最终稳定在期望速度值上。
(2)电流闭环控制原理：电流闭环控制器测量电机的电流输出值，并将测量值与期望电流信号进行比较，得到电流偏差。
根据电流偏差，通过控制器计算得到电机的控制信号，调整电机的输入电压或者电流，使得电流偏差减小，并最终稳定在期望电流值上。
(3)内环逆变器控制：双闭环直流调速系统通常采用内环逆变器控制方式。
内环逆变器控制主要是通过改变电机的输入电压或者电流来控制其输出转矩和速度。
内环逆变器可以调整直流电动机的极性和大小，以实现对电机力矩和速度的精确控制。
(4)反馈和调节：双闭环直流调速系统中的反馈环节起到了至关重要的作用。
通过测量电机的速度和电流输出值，并与期望值进行比较，得到偏差信号，通过控制器计算得到控制信号，对电机输入电压或者电流进行调节，以实现对速度和电流的闭环控制。
双闭环直流调速系统工作原理
双闭环直流调速系统工作原理1.系统结构：双闭环直流调速系统主要由两个闭环控制组成，即速度内环和电流外环。
速度内环控制器接收速度设定值和速度反馈信号，通过计算得到电流设定值，并发送给电流外环控制器。
电流外环控制器接收电流设定值和电流反馈信号，通过计算得到电压设定值，并输出给电源控制器。
电源控制器接收电压设定值和电源反馈信号，通过调节电源输出电压，以确保电机输出的电压和电流符合控制要求。
2.速度内环控制：速度内环控制器是实现速度调节的关键部分。
它通过比较速度设定值和速度反馈信号，得到速度差，然后根据速度差来调节电流设定值。
控制器根据速度差的大小来调整电流设定值的大小，如果速度差较大，则增大电流设定值；如果速度差较小，则减小电流设定值。
通过不断调整电流设定值，使得速度差逐渐减小，最终达到设定的速度。
3.电流外环控制：电流外环控制器是为了保证电流的稳定性而设置的闭环控制。
它接收电流设定值和电流反馈信号，通过比较二者的差异，计算得到电压设定值。
控制器根据电流设定值和电流反馈信号的差异来调整电压设定值的大小，如果电流差较大，则增大电压设定值；如果电流差较小，则减小电压设定值。
通过不断调整电压设定值，使得电流差逐渐减小，最终达到设定的电流。
4.电源控制：电源控制器是为了保证电机输出的电压和电流符合控制要求而设置的。
它接收电压设定值和电源反馈信号，通过调节电源输出电压来实现电机的调速。
当电压设定值与电源反馈信号存在差异时，控制器会相应地改变电源输出电压，使得电机的电压和电源设定值尽可能接近。
通过不断调整电压输出，最终使得电机的电压和电流稳定在设定值。
5.系统优点：双闭环直流调速系统能够实现对电机的精确调节，具有较高的速度和电流控制精度。
通过速度内环和电流外环的联合控制，可以准确地调节电机的转速，并且能够自动调整输出电流，适应不同负载。
此外，该系统还具有较好的稳定性和抗干扰能力，在外界干扰较大时仍能保持较高的控制精度。
双闭环直流电动机调速系统
04
系统软件设计
控制算法设计
算法选择
算法实现
根据系统需求，选择合适的控制算法， 如PID控制、模糊控制等。
将控制算法用编程语言实现，并集成 到系统中。
算法参数整定
根据系统性能指标，对控制算法的参 数进行整定，以实现最优控制效果。
调节器设计
调节器类型选择
根据系统需求，选择合适 的调节器类型，如PI调节 器、PID调节器等。
在不同负载和干扰条件下测试系统的性能， 验证系统的鲁棒性。
06
结论与展望
工作总结
针对系统中的关键问题，如电流和速度的动态 调节、超调抑制等，进行了深入研究和改进。
针对实际应用中可能出现的各种干扰和不确定性因素 ，进行了充分的考虑和实验验证，提高了系统的鲁棒
性和适应性。
实现了双闭环直流电动机调速系统的优化设计 ，提高了系统的稳定性和动态响应性能。
通过对实验数据的分析和比较，验证了所设计的 双闭环直流电动机调速系统的可行性和优越性。
研究展望
进一步研究双闭环直流电动机 调速系统的控制策略，提高系
统的动态性能和稳定性。
针对实际应用中的复杂环境和 工况，开展更为广泛和深入的 实验研究，验证系统的可靠性
和实用性。
探索双闭环直流电动机调速系 统在智能制造、机器人等领域 的应用前景，为相关领域的发 展提供技术支持和解决方案。
功率驱动模块
总结词
控制直流电动机的启动、停止和方向。
详细描述
功率驱动模块是双闭环直流电动机调速系统的核心部分，负责控制直流电动机的启动、停止和方向。它通常 由电力电子器件（如晶体管、可控硅等）组成，通过控制电动机的输入电压或电流来实现对电动机的速度和 方向的控制。功率驱动模块还需要具备过流保护、过压保护和欠压保护等功能，以确保电动机和整个系统的
双闭环直流调速系统介绍
电流环的设计：采用PI控制器，实现对电机电流的精确控 制。
双闭环调速系统的参数整定：根据系统特性和实际需求，对 速度环和电流环的参数进行整定，以实现最佳的调速性能。
双闭环直流调速 系统的应用
双闭环调速系统在工业控制中的应用
01 电机控制：用于控制电机 的转速、位置和扭矩等参 数，实现精确控制
04
够抵抗各种干扰和故障，保持正常运行
双闭环调速系统的设计步骤
01
确定系统需求：分 析系统需求，确定 调速系统的性能指
标
02
设计调速系统结构： 选择合适的调速系 统结构，如双闭环
调速系统
03
设计控制器：设计 控制器参数，包括 比例、积分、微分
等参数
05
设计驱动电路：设 计驱动电路，包括 功率放大器和驱动
双闭环调速系统的特点
速度闭环控制：通过速度传
感器检测电机转速，实现速
01
度的精确控制
响应速度快：双闭环调速系
统能够快速响应负载变化， 03
提高系统的动态性能
精度高：双闭环调速系统能
够实现高精度的速度和位置 05
控制，满足各种应用需求
位置闭环控制：通过位置传
02 感器检测电机位置，实现位
置的精确控制
双闭环直流调速系统介 绍
演讲人
目录
01. 双闭环直流调速系统的基本 概念
02. 双闭环直流调速系统的设计 03. 双闭环直流调速系统的应用 04. 双闭环直流调速系统的发展
趋势
双闭环直流调速 系统的基本概念
双闭环调速系统的组成
01
速度环：用于控 制电机转速，实
现速度调节
双闭环直流调速系统设计
双闭环直流调速系统设计1.电机数学模型的建立首先要建立电机的数学模型，这是设计双闭环直流调速系统的基础。
根据电机的参数和运动方程，可以得到电机的数学模型，一般为一组耦合的非线性微分方程。
2.速度内环设计速度内环负责实现期望速度的跟踪控制。
常用的设计方法是采用比例-积分(PID)控制器。
PID控制器的输出是速度的修正量，通过与期望速度相减得到速度误差，然后根据PID算法计算控制器输出。
PID控制器的参数调节是一个关键问题，可以通过试探法、经验法或优化算法等方法进行调节，以实现最佳的速度跟踪性能。
3.电流外环设计电流外环的作用是保证电机的电流输出与速度内环控制输出的一致性。
一般采用PI调节器进行设计。
PI调节器的参数通过试探法、经验法或优化算法等方法进行调节，以实现电流输出的稳定性。
4.稳定性分析与系统稳定控制设计好速度内环和电流外环后，需要对系统的稳定性进行分析。
稳定性分析可以通过线性化方法、根轨迹法、频率响应法等方法进行。
分析得到系统的自然频率、阻尼比等参数后，可以根据稳定性准则进行系统稳定控制。
常用的控制方法包括模型预测控制、广义预测控制、滑模控制等。
5.鲁棒性设计在双闭环直流调速系统设计中，鲁棒性是一个重要的指标。
通过引入鲁棒性设计方法，可以提高系统对参数扰动和外部干扰的抑制能力。
常用的鲁棒性设计方法包括H∞控制、μ合成控制等。
以上是双闭环直流调速系统设计的一般步骤，具体的设计过程可能因实际应用和控制要求的不同而有所差异。
设计双闭环直流调速系统需要深入了解电机的特性和系统的控制需求，综合运用控制理论和工程方法，通过模拟仿真和实验验证来不断调整和优化控制参数，以实现系统的高性能调速控制。
双闭环直流调速系统工作原理
双闭环直流调速系统工作原理双闭环直流调速系统是一种常用的控制系统，用于调节和控制直流电动机的速度。
该系统通过两个闭环来实现目标速度的精确控制，其中一个闭环负责速度检测与控制，另一个闭环负责电流检测与控制。
下面将详细介绍双闭环直流调速系统的工作原理。
1.电机：用于产生机械功的装置，是整个系统的核心部分。
2.传感器：用于检测电机的速度和电流。
3.控制器：根据传感器的反馈信号，计算并控制电机的输入电压和输出扭矩。
4.功率放大器：将控制器输出的电压信号放大后，传递给电机。
5.脉宽调制（PWM）驱动器：将控制器输出的模拟信号转换为数字信号，用于驱动功率放大器。
下面是双闭环直流调速系统的工作过程：1.速度检测与控制环路：该环路用于检测和控制电机的速度，通过传感器测量电机的速度，并将该速度信号反馈给控制器。
控制器根据目标速度和反馈速度之间的误差，计算出控制电压，并将该控制电压传递给功率放大器。
功率放大器将控制电压放大后，通过PWM驱动器将控制信号传递给电机。
电机根据控制信号的大小和频率，调整自身的旋转速度，使得反馈速度与目标速度尽可能接近。
2.电流检测与控制环路：该环路用于检测和控制电机的电流，通过传感器测量电机的电流，并将该电流信号反馈给控制器。
控制器根据反馈电流和目标电流之间的误差，计算出控制电压，并将该控制电压传递给功率放大器。
功率放大器将控制电压放大后，通过PWM驱动器将控制信号传递给电机。
电机根据控制信号的大小和频率，调整自身的输出扭矩，使得反馈电流与目标电流尽可能接近。
通过双闭环控制，系统可以实现对电机速度和电流的高精度控制。
速度检测与控制环路可以保证电机的速度稳定在设定值附近，并可根据需求进行调整。
电流检测与控制环路可以保证电机输出扭矩的精确控制，从而满足不同工作负载下的要求。
总结起来，双闭环直流调速系统通过速度检测与控制环路和电流检测与控制环路，实现了对直流电动机速度和电流的精确控制。
该系统在工业自动化领域具有广泛的应用，可以确保电机在不同工作条件下的稳定运行，并满足不同任务的要求。
转速电流双闭环直流调速系统设计
转速电流双闭环直流调速系统设计一、引言直流调速系统是控制直流电机转速的一种常用方法。
在实际应用中，为了提高系统性能，通常采用双闭环控制结构，即转速环和电流环。
转速环用于控制电机转速，电流环用于控制电机电流。
本文将对转速、电流双闭环直流调速系统进行详细设计。
二、转速环设计转速环的主要功能是通过控制电机的转矩来实现对转速的精确控制。
转速环设计步骤如下：1.系统建模：根据电机的特性曲线和转矩方程，建立电机数学模型。
通常采用转速-电压模型，即Tm=Kt*Ua-Kv*w。
2.设计转速环控制器：选择适当的控制器类型和参数，比如PID控制器。
根据电机数学模型，可以使用根轨迹法、频域法等进行控制器参数设计。
确定控制器增益Kp、Ki和Kd。
3.闭环仿真：使用仿真软件，进行闭环仿真，验证控制器的性能。
4.实际系统调试：将设计好的转速环控制器实施到实际系统中，进行调试和优化。
根据实际情况对控制器参数进行微调。
三、电流环设计电流环的主要功能是控制电机的电流，以确保电机输出的转矩能够满足转速环的要求。
电流环设计步骤如下：1.系统建模：根据电机的特性曲线和电流方程，建立电机数学模型。
通常采用电流-电压模型，即Ia=(Ua-R*Ia-Ke*w)/L。
2.设计电流环控制器：选择适当的控制器类型和参数，比如PID控制器。
根据电机数学模型，可以使用根轨迹法、频域法等进行控制器参数设计。
确定控制器增益Kp、Ki和Kd。
3.闭环仿真：使用仿真软件，进行闭环仿真，验证控制器的性能。
4.实际系统调试：将设计好的电流环控制器实施到实际系统中，进行调试和优化。
根据实际情况对控制器参数进行微调。
四、双闭环控制系统设计在转速环和电流环都设计好的基础上，将两个闭环控制器连接起来，形成双闭环控制系统。
具体步骤如下：1.控制系统结构设计：将电流环置于转速环的前端，形成串级控制结构。
2.系统建模：将转速环和电流环的数学模型进行串联，建立双闭环控制系统的数学模型。
晶闸管双闭环直流调速系统设计
晶闸管双闭环直流调速系统设计引言：直流调速系统广泛应用于电机控制领域，其中晶闸管双闭环直流调速系统具有较好的性能和可靠性。
本文将介绍晶闸管双闭环直流调速系统的设计原理和步骤，并分析其性能和可行性。
一、系统设计原理：晶闸管双闭环直流调速系统由速度环和电流环组成。
其中速度环通过测量电机转速与期望速度之间的误差并反馈控制，通过调整电机的输入电压来改变电机的转速。
电流环通过测量电机输出电流与期望电流之间的误差并反馈控制，通过调整晶闸管的导通角来改变电机的输出电流。
速度环和电流环通过PID控制器进行控制，实现闭环控制。
二、系统设计步骤：1.确定系统参数：包括电机参数、电压参数、电流参数和速度参数等。
根据实际情况选择合适的参数值。
2.设计速度环：首先选择合适的速度传感器进行速度测量，如光电编码器或霍尔元件。
然后根据测量值与期望速度之间的误差计算PID控制器的输出值，进一步控制电机的输入电压。
3.设计电流环：选择合适的电流传感器进行电流测量，如电流互感器或霍尔元件。
根据测量值与期望电流之间的误差计算PID控制器的输出值，进一步控制晶闸管的导通角。
4.设计反馈回路：将测量到的速度和电流信号经过滤波器进行滤波处理，减小干扰。
然后将滤波后的信号输入到PID控制器，计算控制器的输出值。
最后将控制器的输出值经过扩大器进行放大，最终作为输入信号驱动电机。
5.系统仿真和优化：使用MATLAB等仿真软件进行系统仿真，分析系统的性能和稳定性。
根据仿真结果，调整控制参数和系统结构，优化系统性能。
三、系统性能和可行性分析：晶闸管双闭环直流调速系统具有较好的稳态和动态性能。
速度环能够实现对电机速度的精确控制，适应不同负载的要求。
电流环能够实现对电机输出电流的精确控制，保证电机的安全运行。
经过优化设计的系统具有较快的响应速度、较小的超调量和较好的稳定性。
总结：本文介绍了晶闸管双闭环直流调速系统的设计原理和步骤，并分析了其性能和可行性。
双闭环直流电机调速系统设计
双闭环直流电机调速系统设计在今天的科技世界里，电机就像是家里的“万能小助手”，无处不在。
你想想，电风扇、洗衣机、甚至小汽车，都少不了它们的身影。
而双闭环直流电机调速系统就是这个小助手的“智囊团”，让它在各种环境中游刃有余，真是个神奇的存在。
今天，我们就来聊聊这个系统是怎么工作的，听起来是不是有点高大上？别担心，咱们用通俗易懂的语言来探讨，让你在闲聊中也能装装逼！1. 什么是双闭环控制？1.1 直流电机的基本知识直流电机，这东西其实就是通过直流电来转动的电机，简单说，就是通过电流来产生磁场，让电机的轴子转动起来。
想象一下，你在玩一辆遥控小车，控制它的速度和方向，其实和电机的工作原理类似。
电流大了，小车跑得快；电流小了，小车就慢了。
是不是很简单？不过，要把这个电机调得又快又稳，就得靠我们的双闭环系统了。
1.2 双闭环系统的工作原理双闭环控制，顾名思义，分为两个环，一个是速度环，一个是电流环。
速度环就像是你的眼睛，时刻盯着电机的转速，确保它不会跑偏。
而电流环就像是你的手，及时调整电机所需的电流，让它在需要的时候有充足的动力。
就好比你骑自行车，风一吹，你得用力蹬脚踏，让车子稳稳前行，这就是速度和电流的配合。
两者相辅相成，形成了一个良性的循环，确保电机在各种负载下都能稳定工作。
2. 设计双闭环系统的重要性2.1 提高系统性能你想啊，电机如果没有双闭环控制，开得快的时候，可能转速就飙到天上，没法控制；慢的时候，又感觉力不从心。
这就像你打球，想要扣篮却被卡在了框下，真是让人心急火燎！而有了双闭环系统，电机就能在不同的环境中保持稳定的转速，性能大大提升。
无论是重载还是轻载，电机都能游刃有余，根本不在话下。
2.2 降低能耗再来谈谈能耗的问题。
我们都知道，能源危机可是个大麻烦。
双闭环系统能够通过实时监测和调节，确保电机在最优状态下运行，从而降低能耗。
想象一下，省电就像是在家里随便找零花钱，谁不乐意呢？通过科学合理的控制，电机就能用更少的电，做更多的事，真是一举两得！3. 实际应用案例3.1 工业自动化说到双闭环系统的实际应用，那可真是多得数不过来。
双闭环直流调速系统原理介绍
双闭环直流调速系统原理介绍双闭环直流调速系统由两个环路组成，速度环和电流环。
速度环控制电机的速度，使其始终保持在设定值附近，而电流环控制电机的电流，保证电机的负载特性和响应速度。
速度环和电流环是相互独立的控制过程，通过串联连接实现整体调速控制。
速度环负责对电机转速进行调节，基本原理是将实际转速与设定转速进行比较，然后根据差值计算出调节量，最后通过调节电机的输入电压实现转速调节。
速度环的核心是比例-积分（PI）控制器，通过设定合适的比例系数和积分时间，可以实现对转速的精确调节。
速度环还可以加入速度前馈器，将速度设定值的变化率作为额外输入信号，进一步提高系统的响应速度和稳定性。
电流环负责对电机的电流进行调节，保证电机的负载特性和响应速度。
电流环的基本原理是将实际电流与设定电流进行比较，然后根据差值计算出调节量，最后通过调节电机的输入电压或电流实现电流调节。
电流环的核心也是比例-积分（PI）控制器，通过设定合适的比例系数和积分时间，可以实现对电流的精确调节。
电流环还可以加入电流前馈器，将电流设定值的变化率作为额外输入信号，进一步提高系统的响应速度和稳定性。
双闭环直流调速系统中，速度环和电流环之间通过串联连接的方式进行控制。
速度环输出电压指令作为电流环的输入电流设定值，电流环通过调节电机的输入电流实现电流调节。
而电流环输出电压指令作为速度环的输入电压设定值，速度环通过调节电机的输入电压实现转速调节。
通过这种双重反馈的控制方式，可以实现对电机转速和电流的精确控制。
1.精确控制：通过精确的调节速度环和电流环的参数，可以实现对电机转速和电流的精确控制，满足不同工况下的要求。
2.快速响应：双闭环结构可以利用速度环和电流环的双重反馈信息，在系统受到外部扰动时，能够快速调节输出，保持稳定的运行状态。
3.负载适应性：通过电流环的控制，可以根据电机所承受的外部负载变化，自动调整输出电压或电流，保持电机的运行稳定性和性能。
双闭环直流调速系统
双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统是一种电力电子变换器设计用于控制直流电机转速的重要方法。
它使用两个控制循环，内环控制电机转速，外环控制负载的速度变化。
其中一般采用PI控制器，理论上能够在滞后角度及相位裕量方面提供相应的保障。
本文将对双闭环直流调速系统进行详细讲解。
系统结构双闭环直流调速系统包含两个主要部分：电机和电力电子变换器。
电机是系统的执行部分，它将电能转化为机械能。
电力电子变换器则是将电源接通到电机的途径。
其包含整流器/变频器、PWM控制器和功率放大器等组成部分。
在系统中，电力电子变换器通过对电流、电压和功率方面的控制，实现对电机的控制。
双闭环直流调速系统包含两个控制环路，内环和外环。
内环用于控制电机的转速，外环用于控制负载的变化速度。
内环控制器与电机直接耦合，接受电机转速控制信号，并控制电机驱动电压或电流。
外环控制器将负载反馈信号与期望速度信号进行比较，并计算出负载期望机械功率。
内环控制器为外环控制器提供实时电机转速，以便自动调整期望速度。
内部控制环路内环是双闭环直流调速系统的核心部分，它使用反馈控制技术控制电机转速。
内环控制器接受来自电机的反馈信号，并根据电机实际转速和期望转速之间的差异来控制驱动电压或电流。
转速反馈可以使用反电动势（EMF）或霍尔传感器来实现。
最常用的电机控制器是基于PI型控制器。
此控制器将PID控制（比例、积分、微分控制）的K值设定为0（因为在直流电机控制中微分控制几乎不可行），并针对不同比例和积分控制来为电机控制提供所需的响应特性。
反馈中的延迟和其他因素会导致偏差，因此比例控制器通常用于加速响应。
积分控制器用于使系统更加稳定，以响应慢速变化。
这些控制器参数通常是根据预期转速、电压和电流范围进行调整。
系统优缺点优点1.与传统的直流调速系统相比，双闭环直流调速系统能够更好地控制直流电机的转速。
内外环的设计使得控制速度响应更快，同时提高了系统的稳定性。
2.内环和外环控制器，使用的是速度反馈，可实时监测直流电机的转速，以控制电压和电流从而实现所需功率/MN的输出。
《双闭环调速系统》课件
实际应用效果
在电动汽车控制系统中应用双闭环调速系统，可以提高车辆的能源利用效率，延长续航里 程，同时提高车辆的操控性能和行驶安全性。
06 双闭环调速系统的未来发 展与展望
技术发展趋势
数字化
随着数字化技术的不断发展，双闭环调速系统将更加依赖于数字信号处理，实现更快速 、更精确的控制。
电流环的控制方式
通常采用比例控制器（P）或比例积分控制器（PI），根据电流偏 差进行调节。
PI调节器
PI调节器的定义
PI调节器是一种线性调节器，由比例（P）和积分（I）两部分组 成。
PI调节器的作用
根据输入的偏差信号，输出相应的控制信号，以减小偏差。
PI调节器的参数调整
需要根据实际情况调整比例和积分系数，以获得最佳的控制效果。
各种设备的速度进行精确控制，确保生产流程的稳定性和高效性。
03
实际应用效果
在工业自动化生产线上应用双闭环调速系统，可以提高生产效率，降低
人工干预，减少生产成本。
案例三：电动汽车控制系统中的应用
电动汽车控制系统概述
电动汽车控制系统是指通过电子控制技术实现对电动汽车的能源管理和行驶控制。
双闭环调速系统的应用方式
触发电路
触发电路的定义
01
触发电路是用于控制电机换相的电路。
触发电路的工作原理
02
根据电流环的输出和实际电流的偏差，调整触发脉冲的相位，
以控制电机的换相时刻。
触发电路的控制方式
03
通常采用锯齿波或正弦波控制方式，根据需要选择合适的控制
方式。
保护电路
双闭环直流调速系统介绍
双闭环直流调速系统介绍
系统由两个主要的闭环控制回路组成：速度环和电流环。
速度环是系统的外环控制回路，其作用是根据用户对电机转速的需求进行反馈控制。
速度传感器测量电机的转速，并将测量值与设定值进行比较，产生差值作为输入信号。
这个差值通过控制器（通常为PID控制器）进行处理，并输出一个调节信号。
调节信号通过控制执行器（如PWM控制器）调节电机的输入电压或电流，从而控制电机的转速。
速度环的目标是使电机的转速稳定在用户设定的值附近。
电流环是系统的内环控制回路，其作用是根据速度环的输出信号来补偿负载扰动和电机参数变化所引起的转矩变化。
电流环的输入信号为速度环的输出调节信号，通过控制器处理后，输出一个电流指令。
这个电流指令通过控制执行器调节电机的输入电压或电流，从而控制电机的转矩。
电流环的目标是使电机的转矩稳定在速度环要求的范围内。
1.高精度：通过使用两个闭环控制回路，系统能够实现高精度的电机转速调节，并具备对负载扰动和电机参数变化的补偿能力。
2.快速响应：系统使用PID控制器作为控制算法，能够快速响应用户对电机转速的需求。
3.稳定性好：速度环和电流环形成了互补的控制关系，能够保持电机转速和转矩的稳定性。
4.可靠性高：双闭环直流调速系统结构简单，组件少，可靠性较高。
综上所述，双闭环直流调速系统通过使用速度环和电流环两个闭环控制回路，实现对电机转速的高精度控制和负载扰动补偿。
该系统具备精度
高、响应快、稳定性好、可靠性高等优点，广泛应用于各种需要精确电机调速的领域。
转速﹑电流双闭环直流调速系统
—转速反馈系数;—电流反馈系数
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。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。
1．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
由第一个关系式可得
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知 。这就是说，CA段特性从理想空载状态的 一直延续到 ，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
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。
图2—1
事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
1）上升时间
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。
图2—2
2）超调量
在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：
（2—4）
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
对于不同的负载电阻L R，测速发电机输出特性的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图3-4中实线所示。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 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 时，对应于转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
双闭环直流电动机调速系统
电流负反馈作用机理
为了解决反馈闭环调速系统的起动和 堵转时电流过大的问题，系统中必须有自 动限制电枢电流的环节。
根据反馈控制原理，要维持哪一个物 理量基本不变，就应该引入那个物理量的 负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能 够保持电流基本不变，使它不超过允许值。
电流负反馈引入方法
（1）电枢回路串检测电阻。
Uct
Ks
Ud0
1 Tss
3、比例放大器传函（输出响应可认为是瞬时
变化的）
U ct (s) U (s)
K
p
4、测速发电机传函（输出响应可认为是瞬时 变化的）
U n(s) n(s)
将上述四个环节按系统中的相互关系连接在 一起，便得到单闭环调速系统动态结构图。
IL(s)
U
* n
U KP
IL(s)
R(TLs 1)
Ud0(s) -
1
Ce
n(s)
Tm s(TL s 1) 1
2、触发器和晶闸管整流装置数学模型及 动态结构图
晶闸管触发导通后，在尚未关断之前， 改变控制电压Uct的值，但整流电压的瞬时波 形和 角并不能立即跟随Uct的变化，通常把 这个滞后时间称作整流装置的失控时间，用 Ts来表示。
1、额定励磁下直流他励电动机的数学模型 及动态结构图
电枢回路传函 电枢回路电压平衡方程为
U d0EIdR Ld d ItdR (IdT ld d Itd)
进行拉氏变换得 U d 0 (s ) E (s ) R Id (s )( 1 T ls )
Id(s) 1 Ud0(s)E(s) R(1Tls)
脉宽调制器
脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置。由控制 电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉 冲信号。
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控制系统数字仿真与CAD
课程报告
题目：“双闭环控制直流电机调速
系统”数字仿真实验
姓名：
专业：电气工程及其自动化
班级：
学号：
完成时间：
“双闭环控制直流电机调速系统”仿真实验
摘要：直流电机具有模型简单控制方便的优点，因此交流电机变频调速时总是将交流电机通过变换等效成直流电机后进行控制。
在本次实验中，依次进行双闭环直流电动机调速系统的建模，设计电流环／调节器并进行电流环动态跟随性能仿真实验；设计转速环／调节器并进行转速环动态抗扰性能仿真实验；分析系统动态性能。
验证了直流电机双闭环调速系统的PID设计方法。
关键词：Matlab/Simulink图形化建模，数字仿真，直流电机，双闭环 PID控制
1 引言
目前，交流电机变频调速系统已经大面积代替直流电机调速系统。
但是直流电机具有模型简单控制方便的优点，因此交流电机变频调速时总是将交流电机通过变换等效成直流电机后进行控制。
研究典型的双闭环控制直流电机调速系统对于深入理解交流电机变频调速过程有重要意义。
2 原理/建模
直流电机双闭环调速系统的动态模型结构图如下。
图1 双闭环调速系统动态结构图
3 设计
3.1 系统基本参数
系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下：
直流电动机：220V，13.6A，1480r/min，C e =0.131V/（r/min），允许过载倍数λ=1.5；
晶闸管装置：K s=76；
电枢回路总电阻：R=6.58Ω；
时间常数：T l=0.018s，T m =0.25s；
反馈系数：α=0.00337V/（r/min），β=0.4V/A；
反馈滤波时间常数：T oi=0.005s，T on=0.005s。
3.2 控制系统参数
三相桥式电路的平均失控时间：T s=0.00167s
ACR超前时间常数：τi=T l=0.018s
ACR的比例系数：
电流调节器传递函数：
最小时间常数近似处理：
ASR的比例系数：
转速调节器传递函数：
ASR输出限幅值：
4 仿真实验/结果分析
4.1 系统动态结构的Simulink建模
根据理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如图2所示。
图3为按照理论设计得到的转速输出波形。
从图2中可以清楚地看出，输出转速有很大的超调，最大可达83.3%，调整时间达1.7s之久，实际系统中这是所不能接受的。
图2 双闭环调速系统动态结构图
图3 理论设计条件下输出转速曲线
对ACR 和ASR 的参数进行整定，特别是速度控制器的参数。
就对其作出了适当的调整，将速度控制器的传递函数改成0.8s+1
0.03s ，将电流调节器的传递函数改为
0.018s+10.067s。
修正
后的系统动态结构图如图4所示。
图5为控制系统参数修正后得到的转速输出波形。
从图5中可以清楚地看出，输出转速超调为25%，调整时间为2s 。
转速超调与调整时间均符合一般要求。
图4修正后的双闭环调速系统动态结构图
图5 修正后输出转速曲线
4.2 电流环跟随性能仿真实验
将电流环从系统中分离出来。
电流环的模型如图6所示。
运用Simulink工具进行线性分析。
选择Tools菜单下的Control Design 栏并选择Linear Analysis。
运行后得到系统的单位阶跃响应如图7所示，Bode图如图8所示，Nyquist 图如图9所示。
从实验结果图中可以得到电流环的时域特性，超调量约为PO=2%，稳态时间约为t s=0.05s；频域特性，剪切频率约为ωc=160rad/s，相角裕量约为δ=45°。
图6 ACR模型
图7 电流环的单位阶跃响应
图8 电流环的Bode图
图9 电流环的Nyquist图
4.3 转速环抗扰性能仿真
4.3.1 启动性能分析
图10、图11、图12 分别为ASR 的输出与电动机转速动态特性仿真结果，ACR 的输出与电动机转速动态特性仿真结果以及电动机电流与电动机转速动态特性仿真结果。
图10 ASR的输出特性
图11 ACR的输出特性
图12电动机电流特性
从图10可以看出ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态，即饱和限幅输出与线性调节状态；从图11可以看出ACR从起动到稳速运行的过程中仅工作在一种状态，即线性调节状态；该系统对于起动特性来说，已达到预期目的；从图5和图12可以清楚地看出对于系统性能指标来说，起动过程中电流的超调量约为3%，转速的超调量约为25%。
这与理论最佳设计有一定差距，尤其是转速超调量略高一些。
4.3.2 抗扰性能分析
实验中选取Start time=0.0，Stop time=5.0，仿真时间从0s到5.0s。
扰动加入的时间均为3.5s。
一般情况下，双闭环调速系统的干扰主要是负载突变与电网电压波动两种。
图13、图14分别绘出了电网电压突加（ΔU=100V）情况下晶闸管触发整流装置输出电压U d0、电动机电枢电流I d与输出转速n的关系；图14、图15分别绘出了电网电压突减（ΔU=100V）情况下晶闸管触发整流装置输出电压U d0、电动机电枢电流I d与输出转速n的关系；图16、图17分别绘出了突加负载（ΔI=12A）情况下晶闸管触发整流装置输出电压U d0、电动机电枢电流I d与输出转速n的关系。
图13 电网电压突加+100v的抗扰性能（U d0）
图14 电网电压突加+100v的抗扰性能（I d）
图15 电网电压突加-100v的抗扰性能（U d0）
图16 电网电压突加-100v的抗扰性能（I d）
图17 突加12A负载抗扰特性（U d0）
图18 突加12A负载抗扰特性（I d）
从图13至图16中可以看出系统对电网电压的大幅波动具有良好的抗扰能力。
在ΔU=100V的情况下，系统速降非常小，恢复时间约为t f=0.5s。
从图17和图18中可以看出系统对负载的大幅度突变具有良好的抗扰能力，在ΔI=12A 的情况下系统速降约为Δn=40r/min，恢复时间约为t f=1.2s。
5 结论
思考题：
1．在系统启动过程的第二阶段中，理想的电流特性为：实际值小于给定/设定值，试说明为何？
答：这是因为电动机反电动势呈线性增加，该扰动为一斜波扰动，而按典型Ⅰ型系统设计的ACR无法消除静差，因此实际值便小于给定值。
2．动态性能中，电流/转速特性的“超调量”与理论值是否有偏差？如有偏差，试给出分析解释。
答：动态性能中电流/转速特性的“超调量”与理论值有偏差，这可能是由于建模过程中的近似和计算过程中的舍入误差造成的。
3．在“双闭环直流电动机调速系统”中，电流调节器与速度调节器的输出都要设置“限幅”，试说明：你是如何选取限幅值的？
答：首先由电机的过载能力和拖动系统允许的最大加速度确定最大电流I dm，用I dm乘以ACR反馈系数就得到了限幅值。
4．假设系统中的励磁电压减小/增加，试说明：系统转速将可能怎样变化？
答：系统中的励磁电压减小，则会导致励磁电流减小，励磁电流与主磁通基本呈正比例关系。
反映到系统动态结构图中为参数T m变大。
在双闭环结构中,这基本不会影响电机稳态转速，但是系统的启动时间和抗扰恢复时间会变长。
参考文献
[1]“控制系统数字仿真与CAD”实验指导书，2011。