#直流电机调速系统分析与设计

第一部分并励直流电动机的工作原理
并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。

导体受力的方向用左手定则确定。

这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。

如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。

当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab
后，从电刷B流出。

这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。

因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。

这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。

这就是直流电动机的工作原理。

转速电流双闭环原理
转速、电流双闭环直流调速系统的组成，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。

限幅的作用：
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im
－－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流；
τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm
－－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

第二部分
PID算法的基本原理
PID调节器各校正环节的作用
1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节
器立即产生控制作用以减小偏差。

2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分
时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。

3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太
大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减
小调节时间。

下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。

控制点目前包含三种比较简单的ＰＩＤ控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。

这三种ＰＩＤ算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。

1) PID增量式算法
离散化公式：
注：各符号含义如下
u(t);;;;; 控制器的输出值。

e(t);;;;; 控制器输入和设定值之间的误差。

Kp;;;;;;; 比例系数。

Ti;;;;;;; 积分时间常数。

Td;;;;;;; 微分时间常数。

T;;;;;;;; 调节周期。

对于增量式算法，可以选择的功能有：
(1) 滤波的选择
可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。

(2) 系统的动态过程加速
在增量式算法中，比例项和积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。

由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。

但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。

为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|< β时，即被控量接近给定值时，就按正常规律调节，而当|e(t)|>= β时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号和积分项一致。

利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。

(3) PID增量算法的饱和作用及其抑制
在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。

纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。

第三部分各单元模块设计
晶闸管直流传动70年代前后在我国得到大力的推广和使用，经过30多年的发展历史，还停留在分立器件的基础上，体积大，接线复杂，使用极不方便而且价格昂贵。

我公司开发的双闭环直流调速模块，本着集成和使用方便的原则将直流调速系统模块化。

先进的工艺流程和高性能的电路设计大大提高了模块的使用寿命和可靠性，而且性价比很高，为直流调速领域增添了新的活力。

一、模块内部的电路构成
本模块内含功率晶闸管、移相控制电路、转速电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，其方框图见图1。

图1双闭环调速系统框图
图 2 双闭环系统中电流及转速变化图
（一）功率晶闸管完成变流及功率调整，采用进口方形芯片、高级芯片支撑板，经特殊烧结工艺，保证焊接层无空洞，使用DCB板及其它高级导热绝缘材料，导热性能好，基板不带电，使用安全可靠。

热循环次数超过国家标准近10倍，具有很长的使用寿命。

（二）积分环节可实现直流电机软起动，并且起动时间可调，设计时给用户预留两个端口，其连接如图6，调节两个电位器，可改变积分时间长短，从而达到改变电机起动时间的目的。

积分环节适用于起动过渡过程平稳的场合，如高炉卷扬机、矿井提升机、冷热连轧机等。

当输入为阶跃信号时，通过给定积分器变换成有一定斜率的线性渐变输出信号，作为速度调节器的给定输入，给定积分器的稳定输出即为电机的速度给定，给定积分器输出的变化斜率即为电机的加速度，其启动电流波形图见图2。

如果用户要求在负载一定的条件下，电机以最大的等加速度起动，可把积分环节去掉，模块留出两个端口作为电流环和速度环的输出限幅（如图6），调节电流环的输出限幅，
改变电机的最大起动电流，获得理想的过渡过程。

其起动电流波形图见图3。

（三）转速电流双闭环电路速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。

设计过程采用“二阶最佳”参数设计法设计，结合系统动静态效果选择最佳参数。

从抑制超调的观点出发，电流环校正成典型I型系统。

为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型II型系统。

内外环对数幅频特性的比较，图4画出了电流环和转速环的开环对数幅频特性：
从上图可以看出，图中转折频率和截止频率点一个比一个小，这是一个必然的规律。

这样设计的双环系统，外环总比内环慢。

一般来说，调整过程一般是先外环后内环，电流环要想提高系统的动态效果，可增大电流环阻容端的电阻，但要减小电容，其关系是C1＊0.03/R1。

速度环要想提高动态效果，从典型II型系统的各项指标中得出，它的动态效果是一个中间的参数，需要反复调试，增大电阻R2可提高系统的稳态精度，相应的减小电阻可获得良好的动态效果，具体情况可根据用户的系统参数要求调节，其关系是C2 0..87/R2（电流超调量<＝5），模块设计过程留出四个端口（其联接如图6），作为速度环和电流环的阻容端，用户可根据实际情况调节。

（四）电流反馈采用国外进口霍尔传感器，并置于模块内部。

主要完成电流信号的取样，具有极高的线性度，简化了系统的外围器件。

（五）保护电路模块内部设置过流和缺相保护电路，保证了电机的安全运行，而且留出一个端口作为过流保护给定信号输入（其联接如图6），用户可以根据自己设备的过载能力调节，更加突出了本模块的使用灵活性。

三、模块的使用
电流转速双闭环调速电路，因其具有极高的调速范围、很好的动静态性能及抗扰性能，在调速领域得到广泛的使用。

实验条件：模块为MSZ—ZLTS—400，直流电动机：Ued=220V，Ied=41A，
Ned=1500r/min，允许过载倍数为1.5。

实验结果：速度超调量Vp<5％，电流超调量Ip<0.5％，调整时间Ts<0.5S，振
荡次数H<=2，转速稳定度Vb<=0.02，转速稳定度Vs<0.5%（如图5）
图5 双闭环直流调速系统主电路图
系统各环节计算
（1） 直流电机参数
①Ka =1/Ra=2
②s T a 03.0=
③Ce Φ =0.132min /1-⋅r V
④s T m 18.0=
(2)整流器
①To=2ms
②400=k
(3)电流反馈环节
①β=10/1.5*136=0.049
②s T fi 001.0=
（4）速度反馈环节
①α=10/1460=0.0068
②s T fn 002.0=
2.电流环设计（二阶优化）
①T ∑i =To+Tfi=0.003s
②τi=Ta=0.03s
③Ki=0.03/2*2*40*0.049*0.003=1.275
④T β=s T fi 001.0=
⑤电流调节器电路参数
R 11=R22=20K Ω ， Rf=1.275*20*1000=25.5 K Ω
Cf=0.03/25500=1.18μF, C B =0.004/2000=0.2μF
3.速度优化设计（三阶）
①Tei=2*0.003=0.006s
②Ten=0.008s
③tn=0.032s
④Kn=0.18*0.049*0.132/0.016*0.0068*0.5=0.00116424/0.0000544=21.4
⑤Ta=4*0.024+5*0.002=0.106s
⑥速度调节器电路参数
R 11=R 22=20K Ω ， Rf= Kn*R 11=428 K Ω
Cf=0.032/428000=0.075μF ， C A =4*0.106/20000=21.2μF
总结和体会 这次电机控制课程设计历时两个星期，在整整两个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

1.学习是没有止境的。

在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。

但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。

最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。

并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都
还不知道。

其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。

2.多和同学讨论。

我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后程序和在一起。

讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。

3.多改变自己设计的方法。

在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。

最后感谢在这次课程设计中对我做过精心知道的个位老师和同学，谢谢！
参考资料
1. 《电机控制》
2. 《电力电子技术》
3. 《特种电机及其控制》
4. 《开关型磁阻电动机调速控制技术》
5. 《电机拖动和控制》
6. 《特种交流电机及其计算机控制和仿真》。