转速、电流双闭环控制的直流调速系统动态分析汇总
运动控制系统第三章转速、电流双闭环直流调速系统
系统性能优化与改进
01
根据仿真结果的分析，找出系统性能的瓶颈和不足 之处。
02
提出优化方案，如改进控制算法、调整参数等，并 进行仿真实验验证优化效果。
03
对优化后的系统进行实际测试，评估优化效果的实 际表现。
05
CATALOGUE
实际应用与案例分析
实际应用中的问题与解决方案
01
02
03
问题1
系统调速范围有限。解决 方案：采用多级调速或使 用PWM控制技术，实现 更精细的调速控制。
运动控制系统第三 章转速、电流双闭 环直流调速系统
目 录
• 转速、电流双闭环直流调速系统概述 • 转速环设计 • 电流环设计 • 系统仿真与分析 • 实际应用与案例分析
01
CATALOGUE
转速、电流双闭环直流调速系统概述
系统组成与工作原理
系统组成
转速、电流双闭环直流调速系统由转速调节器、电流调节器和直流电机等组成 。
参数选择
需要根据系统的动态特性和稳定性要 求，合理选择调节器的比例系数、积 分时间和微分时间。
电流环的动态特性分析
动态特性
电流环的动态特性包括系统的稳定性、快速性和准确性等。
分析方法
通过建立电流环的数学模型，采用频域分析和时域分析等方法，对系统的动态特性进行 分析和优化。
04
CATALOGUE
系统仿真与分析
问题2
系统抗干扰能力差。解决 方案：加入滤波器或采用 隔离技术，减少外部干扰 对系统的影响。
问优化控制算法， 提高系统的动态响应速度 。
典型案例介绍与分析
案例1
某工厂的直流电机调速系统，采用转速、电流双闭环控制，实现 了高精度的速度控制，提高了生产效率。
运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
此时，电流
I
d
U
* im
I dm
，Idm为最大电流，是由设
计者选定的，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，一般选择为额定电流IdN的1.5～2倍。 注意，图3-5中的AB段下垂特性只适合于n<n0(n0为电动
机理想空载转速)的情况，如果n>n0，则ASR退出饱和状态。
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
图3-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
对于龙门刨床、可逆压钢机那样经常正反转运行的调速 系统，尽量缩短其起、制动过程的时间是提高生产率的重要 因素。
为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及 电动机的过载能力，要求实现理想的起动过程。带电流截止 负反馈的单闭环直流调速系统的理想起动过程如图3-1(b)所 示，起动电流呈方形波，即在整个起动过程中，使起动电流 一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩起动，转速迅 速按线性规律增长，以缩短起动时间； 起动过程结束后， 电流从最大值迅速下降到负载电流值且保持不变，转速维持 给定转速不变。这是在最大电流(转矩)受限制时调速系统所 能获得的最快的起动过程。
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
另外，在单闭环直流调速系统中只有电流截止负反馈环 节是专门用来控制电流的，但它只能在电流超过临界电流值 Idcr以后才起作用，靠强烈的负反馈作用限制最大起动电流， 而不能保证在整个起动过程中维持最大电流，因而并不能很 理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直 流调速系统起动时的电流和转矩波形如图3-1(a)所示。由图 可见，随着转速的上升，电动机反电动势增加，使起动电流 到达最大值后又迅速降下来，电磁转速也随之减小，影响了 起动的快速性(即起动时间较长)，使起动过程延长。
09.2.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能分析
讨论：分析限幅输出的PI调节器的动态响应？
二、具有限幅输出的PI调节器的动态响应
采用一个PI调节器的调速系统动态结构图:
对调速系统而言，Uin为恒值。PI调节器输出Uc，由比例部分 Ucp和积分部分Uci组成，即 K
U c = K pi ∆U +
pi
τ1
∫ ∆Udt
分三种情况分析PI调节器的动态响应。 (1)偏差信号△U是阶跃信号时 (2)偏差信号△U最初为突加，然后随着输出Uout的增长而缓慢降低时 (3)偏差信号△U 最初为突加，然后随着输出Uout的迅速增长而急剧下降时
由静止状态开始启动时， 由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
2、启动过程具有三个特点
饱和非线性控制
不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这种系统，可以用 分段线性化方法来处理。同时，分析过渡过程时，还应注意初 始状态
转速一定有超调
只有转速超调，才能使．ASR退出饱和。 若工艺上不允许转速超调，则应在ASR中引入转速微分负反馈， 这样，不仅可以抑制或消灭转速超调，而且可以大大降低动态 速降。
由静止状态开始启动时， 由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
对比：理想的起动过程，带电流截止负反馈的单闭环无静差 调速系统起动过程和双闭环调速系统起动过程
理想的起动过程
带电流截止负反馈的单闭环无静差 调速系统的起动过程
由静止状态开始启动时， 由静止状态开始启动时，转速和电流 随时间变化的波形
准时间最优控制
2、动态抗扰性能分析
原则：抑制反馈环内前向通道上的扰动。 两种类型的扰动：
负载扰动――在转速反馈环内、电流反馈环外，靠转速环来抑 制。 电网电压波动――在电流环内，可通过电流环对该扰动抑制更 及时。
3.2转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程
转速、电流双闭环直流调速系统的动态过程分析主讲人：张敬南副教授主要内容01 双闭环直流调速系统动态结构图02 双闭环直流调速系统的起动过程03 动态抗扰性能分析04 转速调节器和电流调节器的作用（一）双闭环直流调速系统动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图U *n αU c -I dLnU d0 U n + - - β+- U iW ASR (s) W ACR (s) K sT s s +11/R T l s+1 R T m s U *i I d 1/C e+ E（1）起动过程分析U *n αU c -I dLn U d0 U n + - - β+ - U iW ASR (s) W ACR (s) KsT s s +11/R T l s+1 R T m s U *i I d 1/C e + E零初始状态突加给定电压（1）起动过程分析U *n αU c -I dLn U d0 U n + - - β+ - U iW ASR (s) W ACR (s) KsT s s +11/R T l s+1 R T m s U *i I d 1/C e + E转速的变化：结合运动方程； 电流的变化：结合电压方程。
（1）起动过程分析I dLI d nn * I dmO O I II IIIt 4 t 3 t 2 t 1 t t①第 I 阶段——电流上升阶段 2375()=-Td L C dnI I dt GD d d =--ds c e d I L K U C n I R t（1）起动过程分析I dLI d nn * I dmO O I II IIIt 4 t 3 t 2 t 1 t t②第 II 阶段——恒流升速阶段 2375()=-Td L C dnI I dt GD d d =--ds c e d I L K U C n I R t（1）起动过程分析②第 II 阶段——恒流升速阶段U *n α-I dLn U n + - W ASR (s) R T m s U *i 1/C e I d U c U d0 - β+ - U iW ACR (s)K sTs s +1 1/R T l s+1 + E（1）起动过程分析③第 III 阶段——转速调节阶段 I dLI d nn * I dmO O I II III t 4 t 3 t 2 t 1 t t.（2）起动过程特点 ①饱和非线性控制。
转速电流双闭环调速实验报告
转速、电流双闭环调速系统的工程设计直流电动机在启动阶段，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等于最大给定值，直流电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流(堵转电流)可以通过调整速度调节器输出限制的幅值来改变。
在电动机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。
对于负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来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，从而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, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节，可以在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速调整电流恢复到原来值，从而使直流电动机更好地在稳定转速下运行。
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使直流电动机转速很快地跟随给定电压变化，而在电机稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
转速调节器对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电机允许的最大电流值。
电流调节器作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压变化，及时抗扰。
在直流电动机转子转速动态过程中，电流调节器可以保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
设计内容设计要求双闭环总设计在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。
对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。
根据具体情况选定预期特性，即典型Ⅰ系统或典型Ⅱ系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。
转速电流双闭环直流调压调速系统综述
3 1 3
1
40.82
TmTl
0.18 0.03
（3）校验电流环小时间常数近似处理条件
1 1 1
1
180.8
3 TsToi 3 0.0017 0.002
ci
2.2.5 调节器电阻和电容的计算
2 系统参数------------------------------------------------------------------ 6 2.1 参数要求------------------------------------------------------------ 6 2.2 电流调节器的参数计算------------------------------------------------ 6 2.2.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 6 2.2.2 电流调节器的结构选择 -----------------------------------------6 2.2.3 电流调节器的参数计算------------------------------------------ 7 2.2.4 校验近似条件 -------------------------------------------------7 2.2.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 7 2.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------------ 8 2.3.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 8 2.3.2 转速调节器的结构---------------------------------------------- 8 2.3.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------ 8 2.3.4 检验近似条件-------------------------------------------------- 9 2.3.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 9 2.3.6 校核转速超调量------------------------------------------------ 9
论文转速、电流双闭环控制的直流调速系统
摘要转速、电流双闭环控制的直流调速系统是性能很好的直流调速系统，更是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统，它具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以在电力传动系统中得到了广泛的应用。
基于设计题目，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，调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。
本论文首先确定整个设计的方案和框图；然后确定主电路的参数以及框图中所需的电动机参数；本论文的重点设计是直流电动机的转速调节器和电流调节器的设计，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，在直流调速系统起动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，只要转速负反馈，二者之间实行串级联接。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。
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都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统就能获得良好的静、动态性能。
最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，使其满足工程设计参数指标。
关键词：电力传动；双闭环；直流调速系统；电流调节器；转速调节器AbstractSpeed, current double closed loop control of DC speed regulation system is a very good performance of the DC motor speed control system, is also a kind of wide applications, economic, applicable to electric drive system, it has a wide speed range, high precision, good dynamic performance and easy to control, is all kinds of AC, DC electric drive automatic control system important basis, so in electric drive automatic control system has been widely used. Based on the design of the subject, the DC motor speed controller, the speed, current double closed loop speed control circuit, control system's main circuit adopts a three-phase full-bridge controlled rectifier circuit to supply power. This paper firstly determine the whole design scheme and block diagram; then to determine the parameters of the main circuit and the block diagram of the desired motor parameters; the focus of this paper is the design of DC motor speed regulator and current regulator design, respectively, to adjust the speed and current, which are respectively introduced into the speed negative feedback and current negative feedback, in DC control system start process only the current negative feedback, to achieve steady speed, as long as the speed negative feedback, two between implementation of cascade connection. From the closed loop structure, the current loop on the inside, known as the inner ring; the speed loop outside, called outer ring. This form of speed, current double closed loop speed regulation system. Speed and two current regulators have adopted PI regulator, the DC double loop speed control system can obtain good static, dynamic performance. Finally using the MATLAB / SIMULINK on the speed regulation system simulation and analysis are carried out, in order to meet the engineering design parameters.Key words:power transmission；double closed loop；DC speed control system；current regulator；speed regulator目录摘要................................................................................................................................................... Abstract (I)目录 (II)第1章绪论.......................................................................................................................... - 0 -1.1 课题的背景、目的及意义......................................................................................... - 0 -1.2 课题研究的现状和发展趋势..................................................................................... - 0 -1.3 本课题采用的技术方案及技术难点......................................................................... - 1 -1.4 本设计的主要研究内容............................................................................................. - 2 -1.4.1 建立系统的数学模型...................................................................................... - 2 -1.4.2 经典控制部分.................................................................................................. - 2 -1.4.3仿真部分........................................................................................................... - 2 - 第2章双闭环调速系统的工作原理及数学模型.............................................................. - 3 -2.1 系统的参数测定......................................................................................................... - 3 -2.2 双闭环调速系统的工作原理..................................................................................... - 6 -2.2.1 转速控制的要求和调速指标.......................................................................... - 6 -2.2.2 调速系统的两个基本矛盾.............................................................................. - 6 -2.2.3 调速系统的双闭环调节原理.......................................................................... - 8 -2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析.................................................................. - 9 -2.2.5动态性能和转速、电流两个调节器的作用................................................. - 10 -2.3晶闸管—电动机主电路的设计................................................................................ - 12 -2.4 主电路参数计算....................................................................................................... - 12 -2.5 主电路的过电压和过电流保护............................................................................... - 13 -2.5.1 过电压保护.................................................................................................... - 13 -2.5.2 过电流保护.................................................................................................... - 13 - 第3章按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器.................. - 14 -3.1设计要求.................................................................................................................... - 14 -3.1.1基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）............................................. - 14 -3.1.2 设计指标........................................................................................................ - 15 -3.1.3 工程设计方法的基本思路............................................................................ - 15 -3.2电流调节器额定设计................................................................................................ - 16 -3.2.1电流环动态结构图的简化............................................................................. - 16 -3.2.2电流调节器结构的选择................................................................................. - 17 -3.2.3 电流调节器参数的计算................................................................................ - 18 -3.2.4电流环的动态性能指标................................................................................. - 19 -3.3转速调节器的设计.................................................................................................... - 20 -3.3.1电流环的等效闭环传递函数......................................................................... - 20 -3.3.2转速环的动态结构图及其近似处理............................................................. - 21 -3.3.3 转速调节器结构的选择.............................................................................. - 22 -3.3.4 转速调节器参数的计算................................................................................ - 23 -3.3.5 转速环的抗扰性能指标................................................................................ - 26 -3.4电流环、转速环开环对数幅频特性的比较............................................................ - 26 - 第4章调速系统性能指标的数字仿真.............................................................................. - 28 -4.1 基于工程设计的数字仿真....................................................................................... - 28 -4.2 时域分析................................................................................................................... - 29 - 参考文献.................................................................................................................................. - 30 - 结束语...................................................................................................................................... - 31 - 致谢.......................................................................................................................................... - 32 -第1章绪论1.1 课题的背景、目的及意义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。
双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析2.3.1 双闭环直流调速系统的数学模型的建立双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。
全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct 与整流输出电压Ua0的关系为：)cos(cos 220ct a KU AU AU U ==α其中：A---整流器系数；2U ---整流器输入交流电压；α ---整流器触发角； ct U ---触发器移项控制电压；K---触发器移项控制斜率；整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：K=ct a U U /0。
绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图2—7 双闭环直流调速系统的动态结构框图2.3.2 起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压gn U 由静止状态起动时，转速调节器输出电压gi U 、电流调节器输出电压k U 、可控整流器输出电压d U 、电动机电枢电流a I 和转速n 的动态响应波形过程如图2—8所示。
由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。
第一阶段是电流上升阶段。
当突加给定电压gn U 时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压0=fn U ，这时，fn gn n U U U -=∆很大，使ASR 的输出突增为gio U ，ACR 的输出为koU ，可控整流器的输出为do U ，使电枢电流a I 迅速增加。
当增加到L a I I ≥（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR 的输出很快达到限幅值gim U ，从而使电枢电流达到所对应的最大值am I （在这过程中d k U U ,的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR 的给定电压基本上是相等的，即am fi gim I U U β=≈式中，β——电流反馈系数。
第二章转速、电流双闭环直流调速系统
如采用自适应控制、鲁棒控制等策略，提 高系统对负载扰动的抵抗能力。
加入滤波器
优化系统结构
在系统中加入适当的滤波器，以滤除高频 噪声和干扰信号，提高系统稳定性。
通过改进系统结构或采用先进的控制算法 ，提高系统的稳定性和动态性能。
05
双闭环直流调速系统动态性能分 析
动态性能指标评价
跟随性
系统输出跟随输入指令变化的快速性和准确性，通常由上升时间、 超调量和调节时间等指标来评价。
工程整定法
基于经验公式或实验数据，通过 试凑法调整参数，使系统满足性 能指标要求。
解析法
02
03
仿真法
通过建立系统数学模型，利用控 制理论求解满足性能指标的参数 值。
利用计算机仿真技术，模拟系统 实际运行情况，通过调整参数优 化系统性能。
性能指标评价
稳态误差
反映系统稳态精度，要求稳态误差小 于允许值。
为企业带来了显著的经济效益和 市场竞争力提升。
THANKS
感谢观看
解析法
02
通过建立系统数学模型，利用优化算法求解最优参数。
智能优化算法
03
如遗传算法、粒子群算法等，可自动寻优得到最佳参数组合。
性能指标评价
稳态误差
反映系统稳态精度，越小越好。
调节时间
反映系统从扰动发生到重新达到稳态所需的 时间，应尽可能短。
超调量
反映系统动态过程中的最大偏离量，应尽可 能小。
鲁棒性
传统调速系统存在的问题
传统单闭环调速系统存在调速精度低、动态响应慢等问题， 无法满足现代工业生产的需要。
系统设计方案及实施过程
设计方案：采用转速 、电流双闭环控制策 略，其中转速环为外 环，电流环为内环， 通过PI调节器实现对 电机转速和电流的高 精度控制。
转速与电流双闭环直流调速自动系统
ｉ 周节器来发挥调节作 的， 堋 而转速调节器的作用却 小 著 ，往 往在 电动 机转 速还 没有 发 生显 著 变化 由式 ｆ町 见 ， 定 电流 反馈 系数 Ｂ（ 电 位 时，电流调节器已经使电动机恢复了转矩平衡 ， ３ ） 整 调节 达 器 Ｒ 减 调节 Ｓ Ｐ Ｒ的限幅值 Ｕ ｉ 即可 整定最 大 电 到 了使 转速 稳定 的 目的。 ｓ ｍ， 流Ｉ 的数 值 ， 一般 整定 Ｉ＝２ ．５ 为 电动机 （～２ ） ｌ ３ 结论 的额定 电涧 。系数的取 值是 由设 计者选 定的 ， 取决 综 上所 述 ，车 速调节 器 和电流 调节 器在 双闭 々 于 电机 的 容 许过载 能 力 和拖 动 系统允 许 的最 大加 环调速 系统 中的作 用可 以归纳 如下 ： 速 度 。 ！出现 ｌ 时 ， 环将 立即进 干凋 节 ， ｄ ＞Ｉ 电流 『 使 ３ 车 速州 傣 的作用 ．々 １ ｊ 电流涮 回到 ／ 数 值上 ，从 而 自动 地 限制 了最 Ｂ ３ ．使转速跟随给定 电压变化，并实现稳态 ．１ １ 大电流。 此当电机过载甚至于堵转时， 可限制电 无静差 。 枢电流最大值 ， Ｊ 决速的安全的保护作用。 从而走 ３ ２对 负载 变化起 抗扰 作用 。 ． １ ２ ２电流测 整器 在起动 过程 中的主 导作用 ３ ．其输“限幅值确定允许的最大电流。 ．３ １ ｝ 突加给 定 电压 Ｕ ｎ ， ｓ 后 由于机 电惯 性作 用 ， 转 ３ ２电流 渊节器 的作用 速增 长不会 决， 因而转速润节器 Ｓ Ｒ的输入偏差 ３ ．对 电网电 波动起 及时 坑扰作用 。 ．１ ２ 电压△ｌ 【 Ｕ 数值较大， ＩＪ ＝ 其输出很 陕达到限幅 ３ ２起 动时 保证获 得允 许的最 大 电流 。 ． ２ 值 强迫电流 Ｉ 迅速 ｆ 升。由于转速调节器 Ｓ Ｒ ３ ．在转速调 ．３ ２ 中，使电流跟随其给定 是 Ｐ凋节器， 所以只要 ＡＵ￣０其输出电压就会保 电压 变化 ： ＞ ， 持 在 限幅值 Ｕ 不变 。也 就是说 ， 电动机 速度 达 到 ３． ２４当电机 过载甚 至堵 转时 ，限制 电枢 电流 给定 蔓之前 ，Ｒ 起调节作用 ， Ｓ 相当 于转速环处 的最大 值 ， 而起 到怏速 的安 全保护 作用 。 从 予 开环 状态 。 起 动过 程的绝 大多 数时 间里 ， 流 电 双［环调速系统由两个涮节器分别调节转速 ｉ ＿ ｊ 调节器 （｛ 发挥主导作用 ， ｆ 它使电动机电流在很短 和电流， 这两个调节器可以分别设计 ， 分别调整硒 Ｈ１ ｌ 岫 ４ｕｑ ＇ Ｊ 大值 并维 持基本 不变 ， 因而拖动 系统 常 ；内环 ， 环） ｌ 己 后外 ， 结构合 理 ， 调整方 便 。由于采用 的ｌｌ Ｉ ｌ ， 速 旱线 性 增 长 ， Ｊ述 定 转 Ｊ ｊ 以保 汪 电动 机 的 Ｐ 调节器， Ｉ 町实现静态无静差 ， 因此具有 良好的稳 起动时『最短． “ Ｊ ．只足存起动过程 ｝结束前 ， 央 当转速 陛能 。 同时 也 有 良好 的动态 性能 。 系统 还能 较 达到给定值 ， 此时转速渊节器 Ｓ Ｒ的输入 ＡＵ ０但 好地抑制负载变化、 ＝， 电网电压波动等扰动对转速的 系统Ａ 扰能力强。因此双闭环调速系统获 埘充 此刻其输出仍维持在 Ｕ ，所以电动机仍在 Ｉ 作 影响． 用下加速， 必然使转速超调。超凋后出现ＡＵ＜ ， Ｏ使 得 了广泛 的应 用， ， Ｓ Ｒ退出饱和， 转速环才参 与转速调节， 使电动机转 速 稳定 下来 ， 许保 持在 给定速 度下运 转 。 ２ ３突加负载时系统的］作 ： 电动机突加负载时，轴上转矩的平衡遭到 责任编 辑 ： 丽敏 赵 ｒ 坏， 破 从 产牛 ｒ电动机 转速的降 落 。在这 个 系
转速电流双闭环直流调速系统的研究和设计2600字
转速电流双闭环直流调速系统的研究和设计2600字摘要：在需要高性能调速控制的工业生产中，直流调速系统有着极其重要的作用。
分析了单闭环控制和双闭环控制各自的特点，若采用转速电流双闭环控制，可以使直流调速系统能更好地满足电机的动态性能要求，实现快速的启制动。
为此进行了双闭环直流调速系统的的设计，以实现电机的双闭环控制。
关键词：直流调速系统；电机；反馈；单闭环；双闭环调速系统是目前电力拖动自动控制系统中应用最广泛的系统，近年来，交流调速系统迅速发展，基本取代了直流调速系统，但是，直流电动机由于其结构简单、调速性能优良，直流拖动系统在理论和技术上都比较成熟，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用，目前的电力拖动自动控制系统中在需要高性能调速的领域大多采用直流调速系统。
1 单闭环和双闭环直流调速系统的概述直流调速系统目前虽然被交流调速取代，但是直流调速在某些场合大有用处，其中最简单的直流调速控制是采用单闭环控制，也就是系统中只有一个转速负反馈，可以实现对转速的自动控制。
单闭环控制的直流调速系统结构简单、工作稳定性好、可靠性高，当采用比例积分调节器还可以实现转速的无静差控制，但是，如果实际调速系统不仅要求转速稳定，还需要较高的调速动态性能时，比如要求调速系统能快速的起制动，系统在负载变化时能减小动态速降等，则单闭环控制的直流调速系统就难以满足要求了，主要原因在于单闭环控制的直流调速系统在工作时不能随心所欲地控制转矩和电流的动态变化过程，在单闭环直流调速系统中，虽然采用电流截止负反馈能控制电流，但这种反馈只能在电机超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态变化波形。
在实际生产中需要频繁正、反转运行的直流调速系统，提高生产率的重要因素就是缩短起、制动过程的时间。
就这要求调速系统在起动和制动过程中，要始终保持电流为电机允许的最大值，以便使电磁转矩达到最大值，才能使调速系统以最大的加减速度运行，满足实际工作中对调速系统的要求。
转速、电流双闭环控制直流调速系统带仿真结果
摘要转速、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，是目前直流调速系统中的主流设备。
具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点。
在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电力拖动领域中发挥着及其重要的作用。
本人此次设计的步骤主要是:查阅相关的资料、书籍，确定整个设计的方案和框图。
然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。
接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。
转速和电流调节器的计算和设计给予详细介绍。
每一步设计都会给出相应的原理图，并进行分析。
最后用学过的MATLAB/SIMULINK进行仿真，给出模块搭建及仿真图形的结果。
目录第1章系统总体设计 (1)1.1设计任务 (1)1.2设计要求 (1)1.3设计的基本思路 (1)第2章整体电路分析 (4)2.1电流调节器的设计 (4)2.2转速调节器的设计 (7)第3章硬件电路图及保护电路的设计 (10)3.1系统主电路图绘制 (10)3.2晶闸管的保护与选择 (10)3.3 整流变压器的选择 (13)3.4触发电路的设计 (14)3.5.电动机的励磁回路 (15)第4章MATLAB仿真 (16)结论 (19)参考资料 (20)第1章 系统总体设计1.1 设计任务设计一个V-M 转速、电流双闭环直流调速系统，相关数据：电动机参数：N P =40kw 、N U =300v 、N I =148A 、N n =910rpm 、f U =220v 、dm I =296A 、 2GD =1.00kg ⋅2m 、a R =0.08Ω、a L =2.05mH ；其它参数：整流侧内阻n R =0.092Ω、整流变压器漏感T L =7.5mH ，电抗器直流电阻H R =0.15Ω、电抗器电感H L =4.0mH 、负载2GD 折算值=9 kg ⋅2m ；电流、转速滤波时间常数参考教材例题数据。
闭环-转速电流双闭环直流调速系统
§2.2 转速、电流双闭环直流调速系统
一、双闭环调速系统的控制规律
转速单闭环系统被调节的是n，检测的误差是n， 要消除的也是扰动对n的影响。故不能控制电流（转 矩）的动态过程。
电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，不 能控制电流保持为某一所需值。
经常正、反转运行的调速系统，希望尽量缩短 启动、制动和反转过渡过程的时间，即要求系统动 态性能好，单闭环就不能满足要求了。
整个系统的本质由外环速度调节器来决定。即： 当ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的 速降完全被ASR的积分作用所抵消了；一旦ASR饱 和，当负载电流过大，系统实现保护作用使n下降 过大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用， 这时系统表现为恒流调节系统，静特性便会呈现出 很陡的下垂特性。
各变量的稳态工作点和稳态参数计算:
C
IdN
Idm
Id
BC段：描述ASR饱和后（ACR不饱和）的电流单闭环
系统的静特性，转速外环呈开环状态，表现为电流
无静差。
Id
U
* im
Idm
(n < n0 )
ASR的限幅值Uim由设计者选定——限定了最大电 流值Idm。
2、稳态参数：
转速调节器输出：
U
* i
Ui
Id
I dL
电流调节器输出：Uc
加快动态过程。 （4）电机过载/堵转时，限制Idlmax，起快速自动保护作用。
调节器的输出限幅作用
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定
电流给定电压的最大值Idm；
电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制 了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现 “只有电流负反馈，没有转速负反馈”
2-3 23转速电流双闭环直流调速系统的数字实现总结
2.3 转速、电流双闭环直流 调速系统的数字实现
2.3.1 2.3.2 2.3.3
微机数字控制的特点 转速检测的数字化 数字PI调节器
2.3.1微机数字控制的特点
模拟系统 在第一节与第二节中我们讨论了直流调速系统的基本组成，所有的调 节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。 优点: 具有物理概念清晰、控制信号流向直观，便于学习入门。动 态响应快。 缺点： 1）硬件线路复杂，通用性差，控制效果受到器件的性 能、温度等因素的影响。 2）PI调节器参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象
Q n2 n1
2.数字测速指标
2)测速误差率 转速实际值和测量值之差Δn 与实际值 n 之比定义为测速误差率，记作 （2-37） 测速误差率反映了测速方法的准确性，δ 越小，准确度越高。
n 100 % n
3.M法测速
记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数 来算出转速的方法称为M法测速，又称测频法测 速。 60M 1 n (2-38) ZTc
根据计数值 M1 计算出对应的转
速值 n。
测速原理与波形图
3. M法测速 M法测速的计算公式
设编码器输出脉冲的频率f1: f1=M1/Tc 个/秒 Tc—秒 设电机每转一转产生Z个脉冲,则转速 n=f1/Z 转/秒 转化为每分钟转则有:
M1 1 60M 1 n 60标准化程度高，制作成本低，且不 受器件温度漂移的影响；稳定性好，可靠性高。
微型计算机的数字运算功能替代了原先由运算放大器
所组成的调节器， 微型计算机直接输出UPE的控制信号，通过功率放大 环节驱动了电力电子功率器件。
微机数字控制的特点
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t Idm
IdL
t2 t3 t4
t
2、第 II 阶段恒流升速阶段（t1 ~ t2）
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
n I II
III n
*
在恒值电流U*im 给定下 的电流调节系统，基本
上保持电流 Id 恒定
O Id
t Idm
因而系统的加速度恒 定，转速呈线性增长。
2.4 转速、电流双闭环控制的直流调速系统动态分析
一 、教学目的与教学要求
1 初步了解双闭环调速系统的动态数学模型 2 定性分析双闭环调速系统起动过程分析 3 具备分析转速、电流双环系统的动态性能的能力 4 了解ASR、ACR两个调节器的作用
二、 教学内容
2.4转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型和动态特性分析
看图说话？？（ t2 以后）
n
n* I
II
III
O
t
Id
Idm
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
控制的物理过程：
当转速上升到给定值 时，转速调节器ASR的 输入偏差减少到零，但 其输出却由于积分作用 还维持在限幅值U*im ， 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， U*i 和 Id 很快下降。但是， 只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。
WASR(s) U*i -
U
WACR(s) Uc
Tss+1
Ud0
Tl s+1
+
Tms
1/Ce
E
分别表示转速调
i
节器和电流调节
器的传递函数。
如果采用PI调节器，则有
WASR
(s)
Kn
ns 1
ns
WACR
(s)
Ki
is 1 is
2.4.2 起动过程分析
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，
一、系统动态结构
看图说话——参数意义
U*n
+-
Un
+
WASR(s)
U*i -
Ui
WACR(s) Uc
Ks Tss+1
-
Ud0
1/R Tl s+1
Id -IdL R
+
Tms
1/Ce E
n
双闭环直流调速系统的动态结构图
二、 数学模型
-IdL
U*n
+
Ks
-
1/R
Id
R
n
WASR(s)和WACR(s)
+Un
O t1
IdL
t2 t3 t4
t
恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段！！
为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中电流 调节器ACR能否进入饱和？
ACR是不应饱和的！
另外，电力电子装置 UPE （V系统或PWM系统） 的最大输出电压也须留有余地，设计时必须注意的！！
3、第 Ⅲ 阶段 转速调节阶段（ t2 以后）
O Id
t Idm
IdL
O
t1
t2 t3
t4
t
双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
II
III
保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速
n
*
上升。
• 直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流
O
调节器很快就压制 Id 了的增长，标 Id
志着这一阶段的结束。
在这一阶段中，ASR很快进入并 保持饱和状态，而ACR一般不饱和。 O t1
n n* I
II
III
为什么呢？
在（ t3 ~ t4 ）时间段内，
由于此时 Id < IdL ， Te<TL，
所以电动机在负载的阻力 O
t
下减速，直到稳定Id = IdL Te=TL
Id
Idm
系统进入速度恒定控制！
பைடு நூலகம்
如果调节器参数整定得不够 IdL 好，也会有一些振荡过程。
O
t1
t2
t3
t4
t
在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主
三 、教学时间 2 学时
四 、教学思路流程
动态数学模型 转速电流双闭环调速系统起动过程分析
动态抗扰性能分析
两个调节器的作用
五、 教学过程
2.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控
制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所
示。
因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起
动过程。
n
双闭环直流调速系统 n* I
II
III
突加给定电压U*n由静止状
态起动时，转速和电流的
动态过程示于右图所示。
一、起动过程分析
由于在起动过程中转 O
t
速调节器ASR经历了不饱 Id
Idm
和、饱和、退饱和三种情
况，整个动态过程就分成 图中标明的I、II、III三个 IdL
看图说话：
什么时候（条 件），转速n才到达
n n* I
II
最大的峰值？
直到Id = IdL时，转
矩Te= TL ，则dn/dt = O
0，转速n才到达峰值 （t = t3时）。
Id
Idm
III t
IdL
O
t1
t2
t3
t4
t
第 Ⅲ 阶段（ t3 ~ t4 ）工作波形分析
在（ t3 ~ t4 ）时间段内，如 图所示，电动机开始减速，
导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i ， 或者说，电流内环是一个电流随动子系统。
二、起动过程的特点分析
1、 饱和非线性控制
起动过程中，可根据速度调节器ASR的饱和与不饱和，整个系 统处于完全不同的两种状态：
（1）当ASR饱和时，转速环开环（恒值输出），系统表现为恒电流值 控制的单闭环系统；
（2）当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速 系统，而电流内环表现为电流随动系统。
也就是说，该系统在不同的控制阶段，呈现不同的控制结构，产 生的原因又是ASR饱和造成的，因而，称该系统为饱和非线性！
2、 转速超调问题
问题：
采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应一定有有超调么？
由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程 结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 △Un 为负值，才能使ASR退 出饱和。
阶段。
O
t
t
tt
t
1、第I阶段 电流上升的阶段（0 ~ t1）
nI
II
III
n*
• 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小 于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。
• 当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由 于机电惯性作用，转速不会很快增 长，因而转速调节器ASR的输入偏 差电压的数值仍较大，其输出电压 n I
即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应 必须有超调（尽管超调不是我们所希望的）！
3、准时间最优控制
时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控
制称为“时间最优控制”！
电动机在允许过载能力下的恒流起动，就是“时间最
优控制”！ 但是，通过分析我们知道：
n
I
II
III n*
起动过程中包括电流建立、恒流