直流调速系统

目录
1 前言 (1)
直流调速系统的开展史 (1)
研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1)
本文的研究内容 (2)
2 总体方案设计 (4)
方案比拟 (4)
方案论证 (4)
方案选择 (5)
3 直流调速系统 (6)
直流调速系统的调速原理及性能指标 (6)
直流调速系统的调速原理 (6)
直流调速系统的性能指标 (7)
动态性能指标 (8)
电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 (10)
双闭环调速的工作过程和原理 (10)
双闭环直流调速系统的组成及其静特性 (11)
双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 (14)
双闭环直流调速系统的数学模型的建立 (14)
起动过程分析 (14)
动态抗干扰性分析 (17)
调节器的设计方法 (18)
3.4.1PI 调节器 (18)
调节器的设计方法 (18)
Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比拟 (19)
转速 -电流调节器结构确实定 (20)
电流环、速度环的设计 (20)
转速调节器、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用 (20)
调节器的具体设计 (21)
4 PWM脉宽调
制 (24)
4.1PWM 根本介绍 (24)
脉宽调制变换器 (24)
桥式可逆 PWM 变换器 (26)
5 直流电动机数学模型的建立 (28)
数学模型的建立 (28)
写出平衡方程式、拉普拉斯变换 (28)
动态结构图 (29)
6 双闭环直流调速系统仿真 (33)
仿真模型 (33)
动态性能分析 (34)
8 总结与体会 (35)
9 谢辞 (36)
10 参考文献 (37)
附录一指标参数 (38)
附录二外文资料翻译.................................................................................................................................. 错误!未定义书签。

1前言
1.1 直流调速系统的开展史
直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿
用至今。

早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁
场回路电阻实现有级调速。

1930 年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供
电给直流电动机〔由交流电动机M 和直流发电机G 构成，简称 G—M 系统〕，
以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，大规模集成电路和计算机控制技
术，随着电力电子和电子技术，实现了直流传动的无接点控制。

由直流电动机的
速度和输入电压的使用特点已通过调整直流电流或汞弧整流器触发阶段获得可
变直流电压供电的直流电动机，所以容易实现速度之间的鼓励原理简单的比例关系。

然而，这种方式后来州长可控整流直流电源供给速度控制系统所取代，已不再使用。

可控硅 1957 年后，直流驱动系统的快速性，可靠性和经济性不断提高，
在 20 世纪，作为一个主流高速传输很长一段时间。

今天是逐步推广计算机控制
的全数字直流调速精度高，速度控制控制系统的使用范围广泛，代表了直流电气
传动的开展方向。

之所以多年后的直流驱动器，工业生产的开展仍然被广泛使用，
关键是一个简单的手段来实现高性能。

例如，该系统稳定的速度最高为每万件稳速
精度，宽转速 1:1 万或更多的速比控制系统数万，快速响应系统响应时间缩短到几
毫秒或更少。

在实践中，作为电能转化为机械的主要设备能源电动汽车，二是生产机器的
根底上应该能够控制和管理的技术要求电机的旋转速度。

如何电机的速度控制性能，提高产品质量，提高生产效率和节约能源有直接的，决定性的影响。

因此，速度控
制技术一直是研究的重点。

性能优越的直流调速掩盖由于结构复杂的工程过程中广泛使用的缺点。

减直流
电动机在额定速度运行，以保持恒定励磁电流，该方法可用于改变电枢电压来实现恒转矩速度高于额定速度运行，晶闸管相控装置的问世使用可变直流电源已经由直
流传动为主。

电力电子技术和设备的进展及可控硅系统具有良好的动态性
能，以保持恒定电枢电压可以用来改变的方法来实现恒功率励磁传输速度。

直流电
动机运行，它必须有较高的机械和电气能量转换效率，具有良好的功能，很长一
段时间控制，直流调速控制系统已被垄断，其中双回路直流直流调速控制系统是在系统中占主导地位的主流设备，它具有调速范围宽，稳定性好，速度稳定，
精度高，无论在理论和实践更加成熟的体系，拖动领域发挥着极为重要的作用。

80 年代以来，直到深夜才在工业马达驱动 19 世纪 19 世纪多年来一直用于直
电动机笼后无调速交流电机驱动器是由直流电动机驱动器取代。

但是，随着生产，
变速驱动器的速度不断开展，在很多现代应用，变速驱动系统，满足根本要求的
同时一定的速度范围，连续〔无级〕的速度，我们还必须有持续稳定和良好的瞬
态性能。

虽然直流电机，以满足这些要求，但由于直流电动机容量，体积，重量，本钱，生产操作和维修交流电动机不长的人一直渴望，而不是利用直流电动机驱动
器马达。

从 60 年代起，国外对交流电机的转速控制已开始重视。

特别是功率
半导体器件的开展做出了使用半导体技术交流转换器的速度控制系统可以实现的。

特别是 70 年代以来，现代控制理论的交流电机驱动系统开发中的应用创造
了交流驱动系统的各类有利条件：如串级调速控制系统，变频调速系统，无换向
器电机驱动系统，如矢量控制和快速开展。

交流电机驱动系统，目前已经有一个
很宽的速度范围，高稳速精度，动态响应快，效率高，可四象限运行和制动，其
静态特性已与 DC 相媲美的电机驱动系统已。

在电动驱动系统的国际交流，许多
国家已进入实用阶段行业，多以取代直流电动驱动系统的势头。

1.2 研究双闭环直流调速系统的目的和意义
速度和电流双闭环直流调速系统具有良好的性能，最广泛使用的直流马达，
转速，电流双闭环直流调速系统的静态和动态的速度商品的特定质量调节特性。

速度和电流双闭环直流调速系统的控制律，性能特点以及交流和直流电源驱动的
自动化控制系统的设计方法品种的重要根底。

首先，应该有速度和电流双闭环直
流调速系统的根本组成局部及其静态特性;然后，在动态模型的系统从一开始免
疫的根底上，建立和它的性能和速度的两个方面与目前的两个监管机构的作用，
三是工程设计方法的根本调节，古典控制理论，动态校正方法，推导出了设计方
法，即计算简单的优点，方便，易于掌握;第四，应用工程解决方案，以两环速
度控制两个监管系统的设计，等等。

以速度，电流双闭环直流调速系统的控制，使我们能够更好地理解党的根本
控制系统理论及相关内容，其各种性能更好的了解，而该部找到了系统的完善缺
乏的缺陷，能改善该系统的性能，使其能适用于各种工作环境，并提高其效率。

并在此根底上，交流驱动系统的进一步研究，并最终掌握了交流和直流调速控制
系统的各种原那么，以便能在国民经济各生产领域。

1.3 本文的研究内容
本设计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，而且详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

利用 MATLAB对系统进行了各种参数给定下的仿真，之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，通过仿真获得了参数整定的依据。

本设计的主要工作：
1.掌握电机传动的工作原理及应用；
2.设计调速系统；
主要内容包括：
（1〕触发电路设计；
（2〕电流调节器设计；
（3〕转速调节器设计；
（4〕建立数学模型，计算其参数；
（5〕进行数字仿真，验证其设计；
（6〕完成相关实验。

2总体方案设计
2.1 方案比拟
方案一：单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反响构成的闭环控制系统。

在电动机轴上装一台测速发电机，引出与转速成正比的电压U f与给定电压 U d比拟后，得偏差电压U，经放大器 FD 产生触发装置 CF 的控制电压U k，用以控制电动机的转速，如图 2.1 所示。

电压放大器
整流触发装置
电动机负载速度检测
图 2.1 方案一原理框图
方案二：双闭环直流调速系统
该方案主要由给定环节、 ASR、ACR 、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。

为了使转速负反响和电流负反响分别起作用，系统设置了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR 。

转速调节器 ASR 和转速检测反响回路构成转速环电流调节器； ACR 和电流检测反响回路构成了电流环，称为双闭环调速系统。

因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。

在电路
中， ASR 和 ACR 串联，即把 ASR 的输出当做 ACR 的输入，再由 ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的 PI 调节器，且转速和电流都采用负反响闭环。

该方案的原理框图如图 2.2 所示。

电流检测
电压
ASR ACR整流触发装置电动机负载
速度检测
图 2.2 方案二原理框图
2.2 方案论证
方案一采用单闭环的速度反响调节时整流电路的脉波数m =2，3，6，12，其数目总是有限的，比直流电机每对极下换向片的数目要少很多。

因此,除非主
电路电感 L=∞，否那么晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来很多影响，主要有：（1〕脉动电流产生脉动转矩 ,对生产机械不利，〔 2〕脉动电流 (斜波电流 )流入电源 ,对电网不利，同时也增加电机的发热。

没有转速负反响，不让电流负反响发
挥主要作用，既能控制转速，把交流分量引到运算放大器输入端，不仅不起正常的调节作用，反而会产生干扰，严重时会造成放大器局部饱和，从而破坏系统的正常工作。

方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对本钱较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。

并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外，还含有交流分量。

在启动过程的主要阶段，只有电流负反响，实现转
速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最正
确过渡过程，很好的实现了生产需求。

2.3 方案选择
1.在单闭环速度控制信号采用多种系统集成的稳压器，参数相互影响，是难
以监管机构调整系统的动态性能的动态参数，是不好的。

电流切断在系统中使用，以限制负反响循环，启动电流，电机过载不能最快的动态反响，即是最好的过渡充分利用。

2.双闭环调速控制系统不仅可以加速无静电错误，有一个良好的动态性能。

理想在电机快速起动电流下的最大允许限度的调解下，利用力矩电机超负荷充分利用，目前仍然在过渡期间〔扭矩〕是最大允许，使电驱动系统能够启动的最大
加速度，稳定的速度，从而使电流下降，立即让曾经的负载转矩平衡，而进入稳
定状态转变。

在主回路电感的作用，电流不能突变，但闭环系统在双负反响的使用可以近似恒流当前进程。

为了计算对过程的理想，克服了一个缺点控制器的输入，最好的方法是调整速度的集成几个信号，并通过调整两个监管机构，目前的金额分别控制辅助进行了调整，速度和电流，构成了速度和电流双闭环调速控制系统。

因此，这为最终
规划设计方案二。

3直流调速系统
直流调速系统是人为或自动改变直流电动机到达所需的机械的工作速度。

从机械性能角度来看，那个或通过改变外加电压电机的参数等方法来改变电动机的
机械性能，从而改变的力学性能和电机的工作特性是力学性能的交集电机的速
度变化的稳定运行。

3.1 直流调速系统的调速原理及性能指标
一个速度的任何设备控制的需要，对生产过程的控制性能有一定要求。

例如，精密机床的加工精度要求几十微米到数微米 ;重型机床进给机构要求的速度，最
高和最低差近300 倍宽的范围；初轧机轧辊的几千千瓦的电动机容量不有 1 的时间来完成从现在的进程，扭转。

第二；高速纸机造纸速度1000m/min ，需要稳定的速度误差小于 0.01 ％。

作为一个设计系统的根底上，所有这些要求，可
以转化为运动控制系统的静态和动态指标。

3.1.1 直流调速系统的调速原理
直流电动机具有良好的效果，制动性能，适当的速度平稳广泛，电力拖动自
动控制系统有调速系统、位置随动系统〔伺服系统〕、张力控制系统、多电机同步
控制系统等多种类型，是一个电气传动自动化与控制系统更普遍的应用。

这是在
理论上，实践，比拟成熟，但也从闭环控制的角度是，它也是外汇管理制度的
根底。

从生产机械要求控制的物理量来看，由可控硅所以直流电机〔 VM 〕中的直流
调速控制系统组成，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系
统是最根本的电力拖动控制系统。

直流电动机的转速和其它参量的关系和用式
〔 3–1〕表示：
U IR
n〔3–1〕
K e
式中 n—电动机转速；
U—电枢供电电压；
R—电枢回路总电阻；
I—电枢电流；
K e—由电机机构决定的电势系数。

在上式中， K e 是常数，电流 I 是由负载决定的，因此， 调节电动机的转速可以有三种方法：
〔1〕减弱励磁磁通
；
〔2〕改变电枢回路电阻 R ；
〔3〕调节电枢供电电压 U 。

在为所需的顺利无级调速控制系统， 例如一定范围内， 以标准的方式， 最好的电枢电压。

抵抗变革的速度只能到达调整， 超过了小范围的弱磁励磁磁通减少，即使它可以平稳速度控制， 但往往只是与监管方案的速度范围小， 在根本速度〔额定转速〕，升速度。

因此，直流电机调速自动控制趋于改变主电压。

3.1.2 直流调速系统的性能指标
根据机械一般可控制系统的所有要求概括为各种典型的生产动态和静态速
度指标。

该指标的动态调节系统启动， 制动速度快，平稳，并具有良好的抗干扰，静电的传输速度自动控制系统的最大速度， 最小速度在调整速度范围， 并在不同的工作速度要求的指标， 速度和稳定性。

是该系统的干扰是稳定运行的速度， 应该是独立的负载变化和电源电压波动和其他因素。

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
n max 与最低转速
n min 之比，称为调速范围，用符号
D 表示：
D
n
max
〔3–2〕
n
min
〔 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 n ed 与理想空载转速 n 0 之比，用百分数表示为
s
n
ed
100%
n 0n
ed
100%
〔3–3〕
n 0
n 0
显然，机械特性硬度越大，
n ed 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 3.1 中的线 1 和线2，它们有相同的转速降落
n ed1n ed 2，但由于 n02n01，因此s2s1。

这说明平行机械特性低速时静
图 3.1 静差率
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 o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 3.1 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。

事实上，速度范围以及这两项指标静态误差率并不孤立于对方，而且还必须提供有意义的。

速度速度控制系统的范围是定义在静态SLIP 最低速度能满足所提出的要求，速度可调范围为时间。

出的速度范围，以满足给定的静态滑也容易得多，在转身对任何控制系统的要求静态防滑，可以得到非常高的速度范围。

3.1.3 动态性能指标
生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能
指标。

自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动
输入信号的抗扰性能指标。

一、跟随性能指标
条件可以用来描述以下性能指标。

当信号的表示没有给予同样的时间，输出
响应是不一样的。

通常情况下，初始输出值为零，在给定的信号过渡进程中的一
个阶跃变化后，作为一个典型的，那么动态响应也被称为阶跃响应的进程。

一般
希望在阶跃响应中输出量 c(t)与其稳态值 c∞的偏差越小越好， c∞到达的时间越快
越好。

常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：在给定信号〔或称参考输入信号〕R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情。

〔 1〕上升时间 t
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c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。

图 3.2 典型的阶跃响应
〔 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：
c
max c
%100%
〔3–4〕
c
超调量反映系统的相对稳定性。

超调量越小，那么相对稳定性越好，即动态响应比拟平稳。

〔 3〕调节时间 t s
调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。

原那么上它
应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。

对于线性控制系统来说，理论上要到 t才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不
是这样。

因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取5%或2% 的范围作为允许误差带，以响应曲线到达并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时
间，可见图。

二、抗扰性能指标
一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗
扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图。

常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：
〔 1〕动态降落c max％
系统稳定运行时，突加一定数值的扰动〔如额定负载扰动〕后引起转速的最大降落值c max％叫做动态降落，用输出量原稳态值 c 1的百分数来表示。

输出
量在动态降落后逐渐恢复，到达新的稳态值 c 2， (c 1 -c 2 ) ，是系统在该扰动作
用下的稳态降落。

动态降落一般都大于稳态降落〔即静差〕。

调速系统突加额定
图 3.3 抗性动态性能指标
负载扰动时的动态降落称作动态降落n max％。

〔 2〕恢复时间 t f
从阶跃扰动作用开始，到输出量根本上恢复稳态，距新稳态值 c 2之差进入
某基准量 c 的5%(或2%〕范围之内所需的时间，定义为恢复时间t f，其中c
称为抗扰指标中输出量的基准值。

实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求
而定。

一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。

3.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析
3.2.1 双闭环调速的工作过程和原理
速度调节器的输出作为电流参考电压到电流调节器，然后才等于最大电流上升
时间对于一个不断给定的电机电流最大速度值的最大启动。

两者之间实行嵌套连接，电机最大电流〔堵转电流〕可以通过设置调整的变化幅度的输出速度的限制。

在电机转速到达给定的速度，速度控制器的输入错误信号减少到接近零，速度调节器和电流调节器饱和退出，闭环发挥调节。

电流调节器来修复触发相电压，整流输出直
流电压和电机速度校正偏差补偿相应的修改时间。

另一个很小的常
数，而且还因为功率电机电枢电流调节电流调节器的快速变化波动的时候，一直没有时间在改变电机转速，从而使电流恢复到原来的价值，所以我们的速度更良好稳定的速度运行。

3.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性
为了实现转速和电流两种负反响分别起作用，在此那么以给定值的电流调
节器输出信号的转变，在直流电压和电流的快速增加，可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响和电流负反响。

如图 3.4
所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，速度由负载引起的波
动，速度控制器的输入信号将产生错误随时由速度调节器，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。

一、双闭环直流调速系统的组成
图 3.4 转速、电流双闭环直流调速系统
其中： 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，U n—转速给定电压， Un—转速反响电压，U i
—电流给定电压， U i—电流反响电压。

二、双闭环直流调速系统的静特性分析
静态特性分析，关键是掌握稳定状态PI 调节器的特点，所以一般有两个条件：饱和-限制输出幅度，不饱和-输出幅度不符合限制。

当调整饱和度，输出是恒定值，输入变化没有影响输出，除非有一个反向输入信号，在退出饱和度调
节，换句话说，监管机构暂时切断饱和输入和输出连接调整环相当于开环。

当不
饱和稳压器， PI 的失调电压U 输入的作用是在稳定状态下的总零。

际上，在正常运行时，电流调节器是不会到达饱和状态的。

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。

图 3.5 双闭环直流调速系统的稳态结构框图
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，
U n U n n n0〔3–5〕
U i U i I d〔3–6〕由第一个关系式可得：
U n
n n0〔3–7〕
从而得到图 3.5 所示静特性曲线的CA 段。

与此同时，由于ASR 不饱和，
U i U im可知 I d I dm，这就是说，CA段特性从理想空载状态的I d=0 一直延
续到 I d I dm。

而I dm，一般都是大于额定电流I dm的。

这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。

2．转速调节器饱和
这时， ASR 输出到达限幅值U im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统
不再产生影响。

双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

稳态时：
I d U
im I dm〔3–8〕
其中，最大电流 I dm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB 段，它是一条垂直的特性。

这样是下垂特性只适合于 n n0的情况，因为如果n n0,那么U n U n，ASR将退出饱和状态。