双闭环直流调速系统仿真课程设计用

1．双闭环直流调速系统的原理及组成

对于正反转运行的调速系统，缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流

（电磁转矩）为允许的最大值，是调速系统以最大的加（减）速度运行。

当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相

平衡，从而迅速转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流

不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使

I的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理电流保持为最大值

dm

量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈应该能够得到近

似的恒流过程。

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间

实行嵌套连接，如图1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。从闭环结构上看，

电流环在里面，称做内环；转速环在外面，称做外环。这就形成了转速

电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两

个调节器一般采用PI调节器。

图1 双闭环直流调速系统原理图

2．双闭环控制系统起动过程分析

前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。

U由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如双闭环调速系统突加给定电压*

n

图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三

个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

第Ⅰ阶段：0～t 1是电流上升阶段。突加给定电压*

n U 后，d I 上升，当d I 小于

负载电流dL I 时电机还不能动；当dL d I I ≥后，电动机开始转动，由于机电惯性的

作用，转速不会很快增长，因此转速调节器ASR 的输入偏差电压n n

n U U U -=∆*

数值仍很大其输出电压保持限幅值*

im U ，强迫电流d I 迅速上升。直到dm d I I ≈，*im i U U ≈时，电流调节器ACR 很快压制了d I 的增加，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。

图2 双闭环调速系统起动过程的转速和电流波形

第Ⅱ阶段：t 1～t 2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这

个阶段中，ASR 始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒流*im U 给定下

的电流调节系统，基本上保持电流d I 恒定，因此系统是加速度恒定，转速呈线性增长，同时电机的电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，正是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，d U 和c U 也必须基本上按线性增长才能保持

d I 恒定。当ACR 采用PI 调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压

必须维持一定的，即d I 应略低于dm I 。

第Ⅲ阶段：t 2以后是转速调节阶段。当转速上升到给定值*n 时，转速调节器

ASR 的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用，还维持在限幅值*

im U ，所

以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR 输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，*i U 和d I 很快下降，但是，只要d I 仍大于dL I 转速就继续上升，直到dL d I I =转矩L e T T =，则dn/dt=0，转速n 才到达峰值，此时3t t =，此后电机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在43~t t 时间段为dL d I I <，直到运行稳定。第Ⅲ阶段ASR 和ACR 都不饱和，ASR 起主导的转速调节作用，ACR 则力图使d I 尽快跟随*i U ，即电流环是一个电流随动系统。

总上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点： 1）饱和非线性控制：在不同情况下表现为不同结构的线性系统。

2）转速超调：按照PI 调节器的特性，只有转速超调，ASR 的输入偏差电压n U ∆为负值，才能使ASR 退饱和。这就是说，采用PI 调节器的双闭环调速系统的转速必超调。

3）准时间最优控制：其动态过程的主要阶段是第二阶段的恒流升速，其主要特征是电流保持恒定，一般选择为电机允许的最大电流，以使充分发挥电机的过载能力，使起动最快，这个阶段是有限制条件的最短时间控制。

1 直流调速系统的理论设计

1.1 系统组成及要求

本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图1 所示，系统参数如下：电动机：V U N 220=；A I N 136=；rpm n N 1460=；rpm v C e /132.0=； 允许过载倍数：

5.1=λ；三相桥式整流装置放大倍数：40=s K ；电枢回路总电阻：

Ω=∑5.0R ；时间常数： s T l 03.0=；ss T m 18.0=，电流反馈系数：A V /05.0=β；

转速反馈系数：rpm V /07.0=α。

设计要求：（1）稳态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量%5≤i σ，启动到额定转速时的转速超调量%10≤n σ；

1.2 电流调节器设计

1：确定时间常数。

（1）整流装置滞后时间常数s T 三相桥式电路的平均失控时间s T s 0017.0=；（2）电流滤波时间常数oi T 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ，为了基本滤平波头，应该有

ms T oi 33.3)2~1(=,因此取s T oi 002.0=；（3）电流环小时间常数i T ∑ 按小时间常数近似

处理，取s T T T oi s i 0037.0=+=∑。

图1直流双闭环调速系统动态结构图

2：确定将电流环设计成何种典型系统

根据设计要求：%5≤i σ，而且 1011.80037.0/03.0/<==∑i l T T ，因此设计成典型I 型系统。

3：电流调节器的结构选择

电流调节器选用比例积分调节器（PI ）,其传递函数为s s K s W i i i ACR ττ/)1()(+=。 4：选择电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：s T l i 03.0==τ； 电流开环增益：因要求%5≤i σ，故

取5.0=∑i I T K ，因此1

1.1350037.0/5.0/5.0-∑===s T K i I ，于是电流调节器的比例系

数为013.1/==s i I i K R K K βτ

5：校验近似条件 电流环截止频率1

1.135-==s K I ci ω

1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：s ci T 3/1≤ω，因为ci s s T ω>=-1

1963/1

，所以满足近似条件；

2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：l m ci T T /13≥ω，由于

ci l m s T T ω<=-138.40/13，满足近似条件；

3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：oi s ci T T /1)3/1(≤ω，