带转速微分负反馈直流双环调速
带转速微分负反馈直流双闭环调试系统设计
成绩运动控制系统课程设计题目: 带转速微分负反馈直流双闭环调试系统设计院系名称:专业班级:学生姓名:学号:指导教师:评语：电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
单闭环系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩干扰对转速稳态的影响。
但单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。
因此常采用双闭环系统，因为电流调节器是内环，因此首先设计电流调节器，对其进行必要的变化和近似处理，电流环设计完后，把电流环等效成转速环的一个环节进行处理，从而设计转速调节器。
再根据设计要求设计转速微分负反馈，使系统的转速无超调。
同时双闭环直流调速系统的设计进行了分析及其原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，并介绍电流调节器和转速调节器的设计和一些参数选择、计算，使其设计参数要求的指标。
关键词：双闭环系统电流调节器转速环转速微分负反馈1 概述 (1)2 设计要求与方案 (1)2.1 设计要求 (1)2.2 设计方案 (1)3 系统电路的设计 (3)3.1 转速给定电路的设计 (3)3.2 系统主电路的设计 (4)3.3 转速检测电路的设计 (5)3.4 电流检测电路的设计 (6)3.5 触发电路的设计 (7)3.6 电流调节器电路的设计 (9)3.7 转速调节器电路的设计 (10)3.8 转速微分负反馈电路的设计 (11)4 系统参数的整定 (12)4.1 电流调节器参数的整定 (12)4.1.1 电流调节器的简化与选型 (12)4.1.2 电流调节器参数的计算 (13)4.2 转速调节器参数的整定 (14)4.2.1 转速调节器的简化与选型 (14)4.2.2 转速调节器参数的计算 (16)4.2.2 转速微分负反馈的计算 (17)5 设计心得 (17)6 参考文献 (18)1概述闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。
直流电机双闭环(电流环、转速环)调速系统非线性分析
摘要:本文采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行辅助设计，构建了此系统的结构框架与数学模型，选择PI调节器对系统进行控制，并用非线性控制理论对控制效果进行了分析，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。
关键词: 双闭环系统直流调速PI调节器数学模型一、系统背景介绍电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的转置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置，速度，加速度，压力，张力和转矩等。
许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。
而直流调速系统宜于在大范围内平滑调速、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。
二、系统概述直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。
但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。
在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
直流双闭环调速系统电路设计说明
目录1设计方案分析 (2)2 直流双闭环调速系统电路设计 (3)2.1 晶闸管—电动机（V-M系统）主电路的设计 (3)2.2稳态结构图与参数 (3)2.3动态结构图 (4)2.4 转速、电流调节器的设计 (5)2.4.1 电流调节器的设计 (5)2.4.2 转速调节器的设计 (7)3 MTALAB仿真 (9)3.1仿真模型设计 (9)3.2仿真结果分析 (9)3.2.1稳定运行时的仿真结果 (9)3.2.2稳定运行时负载变化和磁场减半的仿真 (11)4 小结体会 (13)参考文献 (14)附录（一）双闭环直流调速系统仿真模型 (15)双闭环调速系统设计及变负载扰动磁场突然减半MATLAB仿真1设计方案分析转速、直流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能最优良，应用最广的直流调速系统。
直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。
其中转速调节器是调速系统的主导调节器，它的作用主要有一下三点。
（1）它使转速n很快地跟随给定电压变化，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。
（2）对负载变化起抗扰动作用。
（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
电流调节器作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用主要有以下四点。
（1）电流紧紧跟随其给定电压变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得点动机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
下图转速、电流反馈控制直流调速调速系统的原理图。
图1 转速电流反馈控制直流调速系统原理图为使转速和电流两种负反馈分别起作用，引入的转速负反馈和电流负反馈的调节环节之间实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。
转速、直流双闭环调速系统
转速、直流双闭环调速系统引言：目前，需要高性能可控调速系统的领域多数都采用直流调速系统。
转速、电流双闭环调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调速系统发展而来的。
单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。
一、总体设计本系统的电源部分是自制0～15V可调线性电源，系统的给定在0～10V范围内可调。
转速调节器ASR的输入是给定值，输出作为电流调节器ACR的输入，ACR输出与锯齿波发生器的输出经比较器，经驱动电路驱动H桥。
电流环反馈是采用电流互感器转换反馈回电流调节器的输入端，转速环是利用测速发电机与电动机同轴相连进行测速，再反馈至转速调节器的输入端。
假定系统产生扰动，或是外加干扰，或是系统给定改变的扰动，转速环和电流环的输出都发生改变，锯齿波发生器与其进行比较，输出的PWM的占空比相应的会发生改变，起到了调速的功能，转速反馈和电流反馈进行调节，系统趋于稳定。
二、硬件系统设计1、电源部分电源部分是利用变压器降压，线性稳压芯片7815稳压，输出稳定的15V电压。
在7815的前级和后级分别加上滤波电容，出去杂波扰动。
输出给定时，利用可变电阻分压使给定在0～10V之间。
原理图如图-1所示。
图-1前级和后级电容分别采用1μF和470μF，是为了将不同频率段的杂波都滤去，高频和低频都不会产生干扰。
2、转速调节器为了实现转速无静差，在负载扰动作用前必须有一个积分环节，它包含在转速调节器ASR 中。
因为扰动作用点后会有一个积分环节，故转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以设计成典Ⅱ型系统，这样系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
由此，ASR 采用PI 调节器，其传递函数为：s s K W n n nASR ττ1+=含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器原理图如图-2所示：3、电流调节器在设计电流调节器时，首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。
双闭环直流电动机数字调速系统设计1
双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。
如图设计的总框架。
双闭环直流调速系统设计总框架转速、电流双闭环直流调速系统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Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图直流调速系统的直流电源晶闸管-电动机调速系统(简称V-M 系统)的原理图。
V—M 系统原理确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts 。
由《电力拖动自动控制系统》课本附表可知，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s 。
（2）电流滤波时间常数Toi 。
三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms ，因此取Toi=2ms=0.002s 。
（3）电流环小时间常数之和i T Σ。
按小时间常数近似处理，取=Ts+Toi=0.0037s i T Σ。
（4）电磁时间常数l T 的确定。
由前述已求出电枢回路总电感。
21min 0.69314018.130.153.5l d U L K mH I ×===×则电磁时间常数18.130.03130.58l l L mH T s R Σ===Ω选择电流调节器的结构根据设计要求5%i σ≤，并保证稳态电流无静差，可按典型I 型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型调节器，其传递函数为()(1)i i ACR s i K s W s ττ+=式中i K ------电流调节器的比例系数；i τ-------电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：0.0313s ==8.460.0037sl i T T Σ,参照附表6.2的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I 型系统设计。
PLC的直流电机双环调速系统解读
摘要随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，可编程控制器（PLC）的功能更加完善，应用更为广泛，基于PLC的控制系统渐渐成为工业控制系统的主流。
本文介绍了基于PLC的直流电机双环调速系统，根据直流调速理论及自动控制系统的理论，介绍了PLC控制的双闭环调速系统的组成、工作原理和动态性能。
本系统实现了对直流电机双闭环调速系统进行全数字化的改造，使电流环和速度环控制器都由PLC系统来实现。
重点讨论了用西门子S7-200系列PLC中的CPU222及其两个扩展模块来实现直流电机双闭环调速系统。
应用PLC的PID功能指令来实现直流电机速度的闭环控制。
系统易于扩展，便于扩展各种I/O模块和功能模块。
关键词:可编程控制器；直流电动机；双闭环；控制目录第1章绪论 (1)1.1 直流电动机简介 (1)1.2 双闭环调速系统 (1)1.3 PLC在电机调速中的应用 (2)第2章系统总体设计及算法模型确定 (4)2.1 系统总体设计 (4)2.2 双闭环调速系统常用控制方法介绍 (5)2.3 控制方法的确定 (6)2.3.1 PID控制的结构 (7)2.3.2 PID参数的调整 (9)2.3.3 PID模块 (9)2.4 系统参数计算 (11)2.4.1 主电路参数计算 (11)2.4.2 电流环节（ACR）的设计 (11)2.4.3 转速环（ASR）的设计 (13)2.4.4 按转速环(ASR)退饱和重新计算超调量 (14)第3章硬件设计 (15)3.1 系统总体结构 (16)3.1.1 CPU主机部分 (16)3.1.2 电机驱动部分 (16)3.2 检测部分 (17)3.2.1 电流检测部分 (17)3.2.2 速度检测部分 (18)3.3 数据采集模块 (19)3.3.1 PLC输入/输出端口 (20)3.3.2 用于PLC的输入/输出模块 (22)3.3.3 采集时序控制电路 (22)3.3.4 正交采用 (23)3.3.5 模块量混合模块EM235 (24)3.4 晶体管驱动、触发电路的设计 (24)3.4.1 驱动电路原理 (24)3.4.2 触发电路原理 (24)3.5 稳压电源 (25)第4章软件设计 (25)4.1 系统程序设计方案 (26)4.2 主程序设计 (26)4.3 速度初始化子程序 (27)4.4 转速检测子程序 (28)4.5 电流检测子程序 (29)4.6 PID控制子程序 (30)4.7 电流环及转速换子程序 (31)参考文献 (32)附录A 程序清单 (33)附录B 系统原理图 (37)附录C 元器件清单 (38)总结 (39)第1章绪论1.1直流电动机简介直流电动机调速系统在当前的工业生产中应用相当广泛。
第六章多环控制直流调速系统简
二、多环控制的直流调速系统1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性目的及方法：在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大加速度起动，到稳态转速后，电流下降，使电矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。
起动时，保持电流为最大值（电流负反馈）近似恒流，稳态转速后为转速负反馈。
静特性上看：饱和—输出为恒值（不随输入变）；不饱和—输出末达到限幅值。
饱和时：除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，饱和调节器隔断了输入和输出间的联系，使调节器开环。
调节器不饱和，PI 作用使输入偏差在稳态时为零。
稳态结构图如下：正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态。
只有转速调节器饱和与不饱。
（一） 转速调节器不饱和稳态时两调节器均不饱和，输入偏差电压都是零。
n U U n nα==*；0n U n n==→*α静特性的n 。
—A 段d i i I U U β==*； 由于ASR 不饱和 , Ui*<Uim*→Id<Idm（二）转速调节器饱和 转速调节器饱和时，n<n 。
，Ui*=Uim*，转速环呈开环状态，转速变化时对系统不产生影响，变成一个电流无静差调速系统，稳态时 dm imd I U I ==β*静特性的A —B 段。
Id<Idm 时转速无静差；Id=Idm 时电流无静差。
从动态响应看：突加给定电压，转速反馈n=0来不及作用，转速调节器很快饱和输出Uim*，经ACR 电动机起动，反馈电压上升，但由于ASR 的作用，Un<Un*，转速调节器输出维持限幅值不变，直到转速超过给定值，Un>Un*时，输入△Un<0,才开始使ASR 输出电压降低下来，在整个升速过程中，ASR 开环，只有恒流环起作用，在最大的电流下起动，直到超调后，转速环才能起作用，使转速稳定。
一、各变量的稳态工作点和稳态参数计算 当稳态工作中，两个调节器均不饱和0n n U U n n αα===*；dL d i i I I U U ββ===*；sdL nesd e s d ct K R I U C K R I n C K U U +=+==*α0比例调节器输出与输入成正比，而PI 调节器的输出量的稳态值与输入无关，这里PI 调节器的输出值由后面环节需要决定的，后面的PI 调节器需要多大值，它就能提供多少，直到饱和为止。
双闭环调速
① 调节速度调节器参数：可适当降低Kn，以使最大 超调量(σ)减小，但调整时间ts将会有所增加。 ② 增设转速微分负反馈环节(Derivative Negative Feedback)。使转速的最大超调量减小。
综上所述，可知双闭环调速系统具有明显的优点： ①具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特 性”)。 ②具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应 快)，超调量也较小。 ③系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网 电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环 节扰动的影响，并最后消除转速偏差。 ④由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可 以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速 度环)，调整方便。
新授：
转速、电流双闭环直流调速系统
一、转速、电流双闭环直流调速系统的组成 1、系统组成原理图
2、系统组成框图
•两个环：
电流环—内环 转速环—外环
•转速、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅功能。
二、双闭环调速系统的工作原理
（运放器输入端 “看作”正相输入） 1、电流环的自动调节
电流环是由ACR和电流负反馈组成的闭环，它的主 要作用是稳定电流。
<3>发光二极管说明
（1）LED1:+12V电源指示；LED2:-12V电源指 示；LED3:过流指示；LED4:过热指示； （2）LED3、LED4全亮表示缺相。
<4>调节元件说明
C4R17为速度环调节元件；C3R16为电流环调 节元件。
小结：
1、双闭环直流调速系统的组成： 直流电动机——晶闸管控制执行——电流调节器—— 转速调节器——电位器给定。互感器电流测量反馈、测速 发电机转速测量反馈。 2、双闭环直流调速系统框图（PI） 3、双闭环直流调速系统的自动调节(PI调节器) 电流环：稳定电流， Id=Usi/β 转速环：稳定转速，消除转速静差 n= Usn/α 4、双闭环调速模块及控制板介绍
电力拖动自动控制系统习题集及解答
第二章 习题集及解答2-1、某可控硅供电的双闭环直流调速系统，整流装臵采用三相桥式电路，基本数据如下：V U nom 220=，A I nom 136=，rpm n nom 1460=，Ra ＝0.2Ω，5.1=λ，40=s K ，电枢回路总电阻Ω=5.0R ，平波电抗器mHL 15=，2264.22Nm GD =，调节器的限幅值为10V ，V U n 10*max =，反馈滤波时间常数S T oi 002.0=，S T on 01.0=。
设计要求：稳态指标：无静差。
动态指标：电流超调量%5%≤i σ，起动额定转速时的转速超调量%10%≤n σ。
解：电流环设计：rpm V n I R U C nomnoma nom e /132.0=-=。
三相桥式可控硅整流装臵的滞后时间常数：S T s 0017.0=min/.007.0146010/05.0136*5.110*5.1101018.030*375,03.0*max 22r V n U A V I I SC R GD T S R L T nom n nom dm e m l ===========αβπ 电流环的小时间常数：S T T T oi s i 0037.0002.00017.0=+=+=∑，1011.80037.003.0<==∑i l T T ，因此可按典型I 型系统设计，选电流调节器为PI 调节器，其传递函数为：SS K i i iττ1+ 选S T l i 03.0==τ，因为要求%5%≤i σ取5.0=∑i I T K 因此11.1350037.0*2121-∑===S T K i I1.0345.005.0*40*0037.0*22===∑R K T K s i i β 校验条件：11.135-==S K I ci ω11960017.0*3131-==≤S T s ci ω满足条件 182.4003.0*18.01313-==≥S T T l m ci ω满足条件 18.180002.0*0017.0131131-==≤S T T oi s ci ω满足条件电流调节器的参数：取R0=40K Ω，R0=K i R0=41.36K Ω，SS 0296.0103.0034.1+f R C iii μτ74.01==∴，取0.75μff R T C oi oi μ2.0104002.04430=⨯⨯==按上述指标设计：%5%3.4%≤=i σ，满足设计要求。
维修电工高级理论知识题库单选七
维修电工高级工试题库单选七7-1、自动控制系统正常工作的首要条件是( C )。
A、系统闭环负反馈控制B、系统恒定C、系统可控D、系统稳定7-2、由比例调节器组成的闭环控制系统是( A )。
A、有静差系统、B、无静差系统C、离散控制系统D、顺序控制系统7-3、自动调速系统稳态时，积分调节器中积分电容两端电压( D )。
A、一定为零B、不确定C、等于输入电压D、保持在输入信号为零前的对偏差的积分值7-4、微分环节和积分环节的传递函数( A )。
A、互为倒数B、互为约数C、线性关系D、不相关7-5、若给PI调节器输入阶跃信号，其输出电压随积分的过程积累，其数值不断增长( A )。
A、直至饱和B、无限增大C、不确定D、直至电路损坏7-6、( B )是直流调速系统的主要调速方案。
A、减弱励磁磁通B、调节电枢电压C、改变电枢回路电阻RD、增强励磁磁通7-7、转速负反馈调速系统对检测反馈元件和给定电压造成的转速扰动( B )补偿能力。
A、有B、没有C、对前者有补偿能力，对后者无D、对前者无补偿能力，对后者有7-8、电压负反馈调速系统对( D )有补偿能力。
A、励磁电流的扰动B、电刷接触电阻扰动C、检测反馈元件扰动D、电网电压扰动7-9、双闭环调速系统中，当电网电压波动时，几乎不对转速产生影响。
这主要依靠( B )的调节作用。
A、ACR及ASRB、ACRC、ASRD、转速负反馈电路7-10、转速、电流双闭环调速系统中不加电流截止负反馈，是因为其主电路电流的限流( D )。
A、由比例积分调节器保证B、由转速环控制C、由电流环控制D、由速度调节器的限幅保证7-11、( B )是直流调速系统的主要控制方案。
A、改变电源频率B、调节电枢电压C、改变电枢回路电阻RD、改变转差率7-12、实际的直流测速发电机一定存在某种程度的非线性误差，CYD 系列永磁式低速直流测速发电机的线性误差为( B )。
A、1％～5％B、0.5％～1％C、0.1％～0.25％D、0.01％～0.1％7-13、为了减小直流测速发电机的误差，使用时必须注意( A )。
青岛科技大学 运动控制系统 第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统
U n 0 U U n n n0 —转速由U 决定
* n * n
Ui 0
Ui* Ui Id IdL —Ui*由IdL决定
* U d 0 I d R Ce n I dL R Ce U n
* U d 0 I dL R Ce U n Uc Ks Ks
U i*
Un
双闭环
- U i
ACR
Ks Ts s 1
Ud0
-
1 R Id Tl s 1
- I dL
R Tm s
E
1 Ce
n
2、ACR的作用
(1)在转速调节过程中,使电流跟随其给定电压Ui*变化 (2)对电网电压变化起及时抗扰作用。 (3)起动时保证获得允许的最大电流。 (4)当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,从 而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能 自动恢复正常。 U - I dL
- I dL
R Tm s
E
1 Ce
n
ns 1 WARS s K n ns is 1 WACR s K i is
3.2.2 转速、电流反馈控制直流调 速系统的动态过程分析
1. 起动过程分析
起动过程分三个阶段： 第I阶段: 0—t1,电流上升段 0 第Ⅱ阶段(主要阶段) : t1—t2，恒流升速阶 Id 段 第Ⅲ阶段： IdL t2—t4转速调节段 0
Ui* 转速
转速给定 平衡滤波
电流环给定 平衡滤波
晶闸管功率放大
电枢回路 传递函数
传动装置传递函数
电流 电流反馈滤波 电流反馈系数
转速反馈滤波
转速反馈系数
带转速微分负反馈直流双环调速
目录摘要 (1)1 系统概述 (2)2 系统电路设计 (3)2.1 主电路设计 (3)2.2 控制电路设计 (4)2.2.1 触发电路设计 (4)2.2.2 调节器电路设计 (6)2.3 系统给定及偏移电源电路设计 (7)2.4 转速电流的检测 (8)3 系统工程设计 (8)3.1 电流调节器设计 (9)3.2 转速调节器设计 (11)附录：总体电路图 (13)总结与体会................................................. 错误！未定义书签。
参考文献：................................................. 错误！未定义书签。
摘要电力拖动自动控制系统是将电能转换成机械能的装置，它主要包括有调速系统、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。
而各种系统又往往都是通过控制转速来实现的，因此转速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛应用。
晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），它相比于旋转变流机组及离子拖动变流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
而转速、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。
本课程设计为V-M双闭环不可控直流调速系统设计，报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，然后对电路各元件进行参数计算，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数确定。
进而对双闭环调速系统有一个全面、深刻的了解。
关键词：直流调速晶闸管双闭环带转速微分负反馈直流双环调速系统设计1 系统概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛的应用。
直流双闭环调速转速微分负反馈设计
1.3
电机控制方面在这些年来发生了日新月异的改变，源头不单单是电力电子技术，自动控制也起到了非常大的作用。在1970年，单片机的优秀功能被人们频繁的运用在调速领域这一方面。在这个时候，微机同样由于它非常良好的功能在控制系统中起到了至关重要的作用。
2
可以说直流电机，必须让三相直流电机进行提供电能，让它能够正常运转的的一方面的电机，基本上用的是三相交流380伏电压，就必须把它整流成我们所需要的直流电。这个系统使用得是三相桥式整流电路，整成我们需要的直流，最终可以满足本次系统的的要求[1]。系统的总框架如图2-1：
图2-1 调速设计图
直流电机双闭环调速系统里面，电流，转速负反馈是本次设计系统中的重中之重，就是电流，转速负反馈，让本次的稳定性大大提高。他们之间采用的是串级连接。稳速精度是整个系统组成里面非常重要的一点，它是由外环，即转速负反馈来保障的。而电流负反馈环很明显的是内环，它的存在很好的改善了整个调速系统的动态性能，一般的调节器由于性能各方面问题，必须使用PI调节器。
3.1.2
解释设计电路的几个通常数值之后，不得不处理具有和直流调速电路中的两个最一般的问题：
（1）电路的稳定对电路放大率的条件；
（2）电枢电流和快速启动与电流的不行变化的条件。
处理第一个问题可以说是很容易，应该在单闭环直流调速系统电路中加入转速负反馈环节，PI调机器运用在系统中大大提高了稳定性
第二个问题相对来说就处理比较复杂，制，启动时间的降低，这样的话速率就会大大增加。对启动，制动的要求比较高，需要它在时刻中稳定在一个最大值，这样调速系统的加速度（减速度）就能稳定在一个最大值。当系统上升到一个稳定的转速后，电流立刻下降，电机将安定的运转。比如，图3-1中可以看出电流的一些变化：
带转速微分负反馈的双闭环直流调速系
目录摘要 (2)一、概述 (2)二、设计任务与要求 (3)2.1 设计任务 (3)2.2 设计要求 (3)三、理论设计 (4)3.1 方案论证 (4)3.2 系统设计 (4)3.2.1 电流调节器设计 (4)3.2.1.1 电流环结构框图的化简 (5)3.2.1.2 确定时间常数 (6)3.2.1.3 选择电流调节器的结构 (6)3.2.1.4 校验近似条件 (6)3.2.1.5 计算调节器电阻和电容 (6)3.2.2 速度调节器设计 (7)3.2.2.1 确定时间常数 (8)3.2.2.2 选择转速调节器结构 (9)3.2.2.3 检验近似条件 (9)3.2.2.4 计算调节器电阻和电容 (9)3.2.2.5 校核转速超调量 (9)3.2.3 转速微分负反馈设计 (10)四、系统建模及仿真实验 (11)4.1 MATLAB 仿真软件介绍 (11)4.2 仿真建模及实验 (11)4.2.1 单闭环仿真实验 (12)4.2.2 双闭环仿真实验 (14)4.2.3 带转速微分负反馈的双闭环仿真实验 (16)4.2.4 仿真波形分析 (17)五、实际系统设计及原理 (19)5.1 系统组成及工作原理 (19)5.2 设备及仪器 (19)5.3 实验过程 (20)5.3.1 实验内容 (20)5.3.2 实验步骤 (20)六、总结与体会 (21)参考文献 (22).摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。
双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。
采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。
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。
根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink 做了带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。
转速超调的抑制—转速微分负反馈和弱磁控制的直流调速系统
（3）非线性环节与线性环节的连接纯属结构上的联系，在采用仅适用于线性系统的等效变换时须十分慎重。
Recall
图1-34c整个直流电动机的动态的结构框图
转速调节器的设计
由于在弱磁过程中直流电动机是一个非线性对象，如果转速调节器ASR仍采用线性的PI调节器，将无法保证在整个弱磁调速范围内都得到优良的控制性能。
2.独立控制励磁的调速系统（图）
RP2—励磁给定电位器
AFR—励磁电流调节器
VFC—励磁电流可控整流装置
工作原理
在基速以下调压调速时，RP2不变保持磁通为额定值，用RP1调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用。
在基速以上弱磁升速时，通过RP2减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速；(转速反馈电压Un随着升高)为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节RP1，以提高电压。
Q1调压与弱磁的配合控制
Q2非独立控制励磁的调速系调节器的设计
Q1
调压与弱磁的配合控制
概述
在他励直流电动机的调速方法中，前面讨论的调电压方法是从基速（即额定转速nN）向下调速。
如果需要从基速向上调速，则要采用弱磁调速的方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速。
为了解决这个问题，原则上应使ASR具有可变参数，以适应磁通的变化。
一种简单的办法是在ASR后面增设一个除法环节，使其输出量（表示Te*）除以磁通后再送给ACR作为输入量，如图2-38所示。
图2-38弱磁控制系统中的转速环结构框图
忽略电流环小时间常数时两个非线性环节对消
如果忽略电流环小时间常数1/KI的影响，则÷和×两个非线性环节相邻，可以对消，使ASR的控制对象简化成线性的。
转速电流负反馈双闭环自动调速
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电
4.3.1 单闭环调速系统存在的问题
2，单闭环调速系统存在问题及原因 一个PI调节器的单环系统，可保证系统稳定 条件下实现转速无静差。但难以满足系统高动态性能， 如要求快速启动、制动、突加负载、动态速降小等， 原因是：单闭环系统不能按需要控制动态过程的
两个调节器的输出都是带限幅的。
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电
4.3.3 系统静态特性分析
4.3.3系统静态特性分析
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电
4.3.3 系统静态特性分析
PI调节器的稳态特征为两种状况： 饱和──输出达到限幅值；
同时对电动机的速度和电流二者进行控制。 1，最佳过渡过程的概念
最佳过渡过程指在过渡过程中保持电动机电枢电流为 最大允许值Idm。利用电动机的过载能力的极限值， 使过渡过程时间最短来获得最高生产效率的过渡过程。
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电
4.3.1 单闭环调速系统存在的问题
电流或转矩。 采取电流截止负反馈环节，虽可限制最大电流，
但电流反馈信号与速度反馈信号同时作用于 同一调节器入口，启动过程中，电流闭环调整同时，
存在速度反馈信号，其作用破坏了电流负反馈的 调整作用使电枢电流无法维持在最大值上。
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第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电
4.3.2 转速、电流双闭环调速系统组成
双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。
当负载电流小于Id m时表现为转速无静差，这时，
【补充内容】转速微分负反馈(打印稿)
表中结果表明：
Δnb =2K2T∑nΔIdL
=
2R CeTm
T∑ n .ΔI dL
=
2(λ
−
Z )ΔnN
T∑ n Tm
① 引入转速微分负反馈后，动
态速降大大降低；τdn越大 (δ越大)，动态速降越小.
② 引入转速微分负反馈后，恢
复时间却拖长了，其物理意
义是很明显的。微分负反馈 强度越大(δ越大) ，动态恢 复时间越长 。
)
+
1)
−
αCdn sn(s )
RdnCdn s + 1
=
U
* i
(s
)
Rn
+
1 Cns
式中：
U
* n
(s
)
T0ns + 1
−
αn(s) −
T0ns + 1
ατ dnsn(s)
T0dn s + 1
=
U
* i
(s
)
K
n
τ
ns τn
+ s
1
（1）
τdn=R0Cdn ——转速微分时间常数； Todn=RdnCdn ——转速微分滤波时间常数；
河南科技大学《电气传动》课件（Pro. Bu W.S）
Un*(s) 1 +
T0ns +1 -
-
Kn
τns +1 τns
Ui*(s)
1/ β 1 s+1 KI
IdL(s)
Id (s) - R n(s)
+
Ce Tms
α T0ns +1
ατdns T0dns +1
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目录摘要 (1)1 系统概述 (2)2 系统电路设计 (3)2.1 主电路设计 (3)2.2 控制电路设计 (4)2.2.1 触发电路设计 (4)2.2.2 调节器电路设计 (6)2.3 系统给定及偏移电源电路设计 (7)2.4 转速电流的检测 (8)3 系统工程设计 (8)3.1 电流调节器设计 (9)3.2 转速调节器设计 (11)附录：总体电路图 (13)总结与体会................................................. 错误！未定义书签。
参考文献：................................................. 错误！未定义书签。
摘要电力拖动自动控制系统是将电能转换成机械能的装置，它主要包括有调速系统、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。
而各种系统又往往都是通过控制转速来实现的，因此转速系统是最基本的电力拖动控制系统。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛应用。
晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统），它相比于旋转变流机组及离子拖动变流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
而转速、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。
本课程设计为V-M双闭环不可控直流调速系统设计，报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，然后对电路各元件进行参数计算，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数确定。
进而对双闭环调速系统有一个全面、深刻的了解。
关键词：直流调速晶闸管双闭环带转速微分负反馈直流双环调速系统设计1 系统概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛的应用。
采用PI调节的转速单环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
对于经常正反转运行的调速系统，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，尽量缩短起制动过程时间是提高生产率的重要因素。
为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，达到稳态转速是立即使电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
为此需引入电流负反馈，构成转速电流双闭环直流调速系统。
系统原理图如图1所示。
图1 带转速微分的双闭环直流调速系统原理图为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
两者之间构成串级控制系统。
把转速调节器的输入当作电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出去控制电力电子变换器，即三相集成触发器。
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PI 调节器，即设计成带转速微分的负反馈直流调速系统。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc 为正电压的情况标出的，并考虑到运放的倒相作用。
2 系统电路设计2.1 主电路设计本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。
通过调节触发延迟角α的大小来控制输出电压d U 的大小，从而改变电动机M 的电源电压。
由改变电源电压调速系统的机械特性方程式如下20(/)()/d e a e T n U C R R T C C =Φ-+Φ式中：d U －整流电压 0R －整流装置内阻通过上式可知，改变整流电压d U 即可改变电机转速n 。
4图2 系统主电路系统主电路如图2所示。
图中Q1-Q6组成三相全桥整流电路，晶闸管的触发脉冲来自三相集成触发电路。
其中图中还画出了通过电流互感器和测速发电机分别检测电枢电流和转速的大小，经过相应的变换后分别反馈到电流调节器和转速调节器的输入端，这一部分在后续设计中将会有详细的介绍。
2.2 控制电路设计2.2.1 触发电路设计1.触发电路的实现三相集成触发电路如图3和图4所示。
其中图3所示为六路双脉冲发生电路采用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，形成六路双脉冲。
图4所示的脉冲放大电路为采用六个三极管进行脉冲放大用以驱动六个脉冲变压器，从而控制主电路中的六个晶闸管。
KJ004的同步信号由三相同步变压器T2提供。
偏移电压为-8V ，由直流稳压电源提供。
控制电压Uc 来自电流调节器ACR 的输出。
图3 六路双脉冲发生电路图4 脉冲放大电路2.芯片KJ004介绍KJ004 可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。
KJ004 器件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。
KJ004 电路具有输出负载能力大、移相性能好、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。
（1）工作原理KJ004 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。
电原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。
对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。
同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。
触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。
R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。
KJ004 的同步电压为任意值。
（2）引脚图KJ004为16脚双列直插式芯片，其引脚图如下图5所示，各引脚的有关说明见表1所示。
图5 KJ004引脚图表1 KJ004引脚说明3. 芯片KJ041介绍KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路，具有双脉冲形成和电子开关控制封锁功能。
使用2块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正反组可逆系统。
（1）工作原理KJ041电路是脉冲逻辑电路。
当把移相触发器的触发脉冲输入到KJ041电器的1～6端时，由输入二极管完成“或”功能，形成双脉冲，再由T1～T6电流放大分六路输出。
补脉冲按+A→-C，-C→+B，+B→-A，-A→+C，+C→-B，-B→+A序列组合。
T7是电子开关，当控制7端接逻辑“0”电平时T7截止，各路输出触发脉冲。
当控制7端接逻辑“1”电子(+15V)时T7导通，各路无输出触发脉冲。
KJ041电路内部原理图如下，图中输出端如果接3DK4作功率放大，可得到800mA的触发脉冲电流。
使用2块KJ041电路相应输人端并联，二个控制端分别作为正反组控制输入端，输出接12个功率放大管，这样就可组成一个12脉冲正反组控制可逆系统，控制端逻辑“0”电平有效。
（2）引脚图KJ041也是16脚双列直插式芯片，其引脚图如下图6所示，各引脚的有关说明见表2所示。
图6 KJ041引脚图表2 KJ041引脚说明2.2.2 调节器电路设计系统调节器电路如图7所示。
系统调节器包括速度调节器和电流调节器。
转速调节器采用带转速微分负反馈的转速调节器以减小超调。
设计中采用模拟调节器电路，由运放及相关阻容元件构成。
转速调节器的给定为8V，由直流稳压电源给定；反馈信号由测速发电机提供。
由于检测到的转速信号中含有交流成分，为了使其不影响调节器的输入，需加入低通滤波器。
转速调节器的输出为电流调节器的给定，而经电流互感器检测到的三相电流信号Ui为电流调节器的反馈信号。
由于运放输入电压的最大值为10V左右，为了使运放正常工作，其供电设为±15V。
图7 调节器电路双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I时表现为转速无静差，这时，转速负反dm馈起主要调节作用；当负载电流达到I后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作dm用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
其中在调节的具体过程中转速调节器的主要作用为：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n 很快地跟随给定电压变化，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。
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
电流调节器的主要作用为：（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程2.3 系统给定及偏移电源电路设计低压供电电路提供+15V，-15V，+8V，-8V四个电压值以满足调节器和三相集成触发电路供电的需要。
市电经变压器后提供两组18V的交流电，经过一个全桥整流、滤波和两个三端固定输出的集成稳压芯片7815和7915得到+15V，-15V。
同时为了得到+8V，-8V的直流电压，系统中又采用了两个集成稳压芯片7808和7908。
图8 稳压电源电路2.4 转速电流的检测该部分包含在图2中。
电流采用三相电流互感器检测，其输出经过三相无控整流和电位器分压后送到电流调节器的反馈输入端。
转速则由测速发电机检测，其输出同样经过电位器分压后送到转速调节器的反馈输入端。
3 系统工程设计如下图9所示即为双闭环调速系统的动态结构框图。
在双闭环系统中，按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流内环看作是转速调节器中的一个环节，再设计转速调节器。
在设计的过程中需对电流环和转速环进行近似处理和结构化简，从而确定调节器的结构，以利于后续的模拟电路设计和参数计算。
图9 双闭环调速系统的动态结构框图3.1 电流调节器设计1. 确定时间常数（1）电流反馈系数: *80.039/136 1.5im dm U V A I β==≈⨯（2）整流装置之后时间常数s T 。
经查下表3有三相桥式电路的平均失控时间:0.0017s T s =。
表3各种整流电路的失控时间（f=50Hz ）（3）电流滤波时间常数0.002oi T s =。
（4）电流环小时间常数之和0.00170.0020.0037s oi T T T s ∑ι=+=+=。
2.选择电流调节器结构根据设计要求5%ισ≤，并保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI 型电流调节器。