转速电流双闭环直流调速系统
双闭环直流调速系统特性与原理
双闭环直流调速系统特性与原理双闭环直流调速系统是一种用于控制直流电动机转速的调速系统。
它由两个闭环控制回路组成，分别是转速外环和电流内环。
其中，转速外环控制直流电机的转速，通过调节电压来控制直流电机的转矩；而电流内环则控制直流电机的电流，通过调节电压来控制直流电机的转矩。
1.稳定性：双闭环控制系统能够有效地控制直流电动机的转速和电流，使其在运行过程中保持稳定的转矩输出。
通过转速外环对转速进行控制，可以实现精确的转速调节；而电流内环则能够控制电机的电流，防止过载和短路等故障。
2.响应速度：双闭环控制系统的转速外环具有较快的响应速度，能够实现快速的转速调节。
而电流内环的响应速度则相对较慢，主要起到电机保护的作用。
3.鲁棒性：双闭环控制系统具有较好的鲁棒性，能够对外部干扰和参数变化具有一定的抗干扰能力。
通过合理的控制策略和参数调整，可以提高系统的鲁棒性。
1.转速外环控制原理：转速外环将输出电压与给定的转速进行比较，得到转速误差，并通过调节电压反馈回内环控制器中。
转速外环控制器通常采用PI控制器，根据转速误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得转速误差趋于零，从而实现对直流电机转速的调节。
2.电流内环控制原理：电流内环控制器将输出电压与给定的电流进行比较，得到电流误差，并通过调节输出电压来控制电流。
电流内环控制器通常也采用PI控制器，根据电流误差和积分项来控制输出电压。
通过不断调节输出电压，使得电流误差趋于零，从而实现对直流电机电流的调节。
3.反馈信号处理：双闭环直流调速系统中，转速和电流测量信号需要经过滤波和放大等处理，以便传递给控制器进行计算。
滤波器通常采用低通滤波器，用于去除高频噪声，放大器则用于放大信号强度。
4.控制指令处理：由上位机或人机界面输入的控制指令需要经过处理，包括限幅、线性化等，以确保输入信号符合控制系统的要求。
处理后的指令将送入控制器，进行计算和控制输出电压。
通过双闭环直流调速系统的控制，可以实现对直流电机的转速和电流的精确调节，并具有较好的稳定性、响应速度和鲁棒性，广泛应用于工业自动化领域。
运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统
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。在这种情况下，电流负反
馈环起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂
特性，如图 3-5中的AB段虚线所示。
第二十一页，编辑于星期三：九点 二十二分。
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
差调节。
第二十页，编辑于星期三：九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
1) 转速调节器饱和
在电动机刚开始起动时，突加阶跃给定信号 U*n，由于
机械惯性，转速 n很小，转速负反馈信号 Un很小，则转速偏
差电压 ΔUn=U*n-Un>0很大，转速调节器 ASR 很快达到饱和
状态， ASR的输出维持在限幅值
图 3-5 双闭环直流调速系统的静特性
第二十三页，编辑于星期三：九点 二十二分。
第3章 转速、电流双闭环直流调速系统
2) 转速调节器不饱和
当转速n达到给定值且略有超调时 (即n>n0)，ΔUn=
U*n-Un<0，则转速调节器 ASR的输入信号极性发生改变，
ASR 退出饱和状态，转速负反馈环节开始起转速调节作用，
用以调节起动电流并使之保持最大值，使得转速线性变化， 迅速上升到给定值； 在电动机稳定运行时，转速调节器退 出饱和状态，开始起主要调节作用，使转速随着转速给定信 号的变化而变化，电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流 以平衡负载电流。
第六页，编辑于星期三：九点 二十二分。
第 3章 转速、电流双闭环直流调速系统
器ACR和转速调节器 ASR的输入电压偏差一定为零，因此，
转速、电流双闭环直流调速系统
第2章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性采用PI 调节的单个转速闭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，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。
电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。
在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形示于图2-1b 。
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dm I 的恒流过程。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。
2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图2-2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。
转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，图2-3。
两个调节器的输出都是带限幅+TG nASRACRU*n+ -U nU iU*i+-U cTAM+-U dI dUPE-MT图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构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 —电力电子变换器内外ni2作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。
转速电流双闭环直流调速系统
运 动 控 制 系 统期 中 作 业转速电流双闭环直流调速系统一、已知参数：电动机的参数：nom P =0.2kw ，nom U =48v ，nom I =3.7A ，nom n =200r/min ，Ω=5.6a R ，电势系数，允许过载倍数电枢回路总电阻28R =Ω=λrmin/.V 12.0Ce =电磁时间常数lT =0.015s ，机电时间常数s 001.0T o i ,2.0==电流反馈滤波时间常数s T m ，转速滤波时间常数.005.0s T on =设调节器输入输出电压V U U U cm im nm 10**===，调节器输电阻Ω=K R 400。
已计算出电力晶体管D202的开关频率为f=1KHZ ，PWM 环节的放大倍数8.4=s K 。
2、设计指标：稳态无静差，电流超调量%5≤i δ，空载起动到额定转速时的转速超调量%20≤n δ，过渡过程时间s t s 1.0≤。
二、电流环的设计： 1. 确定时间常数整流装置滞后时间常数：s fT s 0005.0121==电流滤波时间常数：s T oi 001.0= 电流环小时间常数按小时间常数近似处理 取s T T Toi s i0015.0001.00005.0=+=+=∑2. 选择电流调节器结构和参数根据设计要求，电流环设计为典I 系统，选择PI 调节器，其传递函数为:()ss K s W i i iττ1ACR+=电流反馈系数： 35.1210==nomI βV/AACR 超前时间常数：s T l i 015.0==τ，电流开环增益：要求量%5≤i δ，应取5.0=∑ii KT ，即s l T K iI /3.3330015.05.05.0==∑=ACR 的比例系数为：17.6=∙=si I i K R K K βτ3. 校验近似条件电流环截止频率=ci ωs l K I /3.333=1) 晶闸管装置传递函数近似条件：sciT 31≤ωci sT ω 7.6660005.03131=⨯=，满足近似条件。
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
转速﹑电流双闭环直流调速系统
引言目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。
我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭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，单闭环系统就难以满足需要。
故需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重阐明其控制规律﹑性能特点和设计方法，是各种交﹑直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。
在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。
电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。
因此，调速技术一直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。
直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。
轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。
随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。
从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。
这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。
直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。
在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。
实验二 转速电流双闭环直流调速系统
实验二转速电流双闭环直流调速系统实验二转速、电流双闭环直流调速系统实验二速度和电流双闭环直流调速系统一、实验目的1.了解速度和电流双闭环直流调速系统的组成。
2．掌握双闭环直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。
3．测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标。
4．了解调节器参数对系统动态性能的影响。
二、实验系统的组成及工作原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。
实际系统的组成如实验图2-1所示。
~Fbcfaswtarglidrmgsldzsssggun*asrui*uiacrgtucvtud0amsf220vunfbstg实验图2-1速度和电流双闭环直流调速系统主电路采用三相桥式全控整流电路供电。
系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改*变速和给定电压UN可以轻松调整电机的速度。
速度调节器ASR和电流调节器ACR均配备*限制电路。
ASR的输出UIM*用作ACR的设置，ASR的输出限制UIM用于限制启动电流用；acr的输出uc作为触发器tg的移相控制电压，利用acr的输出限幅ucm起限制α作用。
分钟**当突加给定电压un时，asr立即达到饱和输出uim，使电动机以限定的最大电流idm加*以高速启动，直到电机速度达到给定速度（即UN？UN）并出现超调，从而使ASR退出饱和并最终稳定定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。
三、实验设备和仪器1主控制面板nmcl-322.直流电动机-负载直流发电机-测速发电机组3.nmcl－18挂箱、nmcl-333挂箱及电阻箱4.双踪示波器5.万用表四、实验内容1.调整触发单元并确定其初始相移控制角，检查并调整ASR和ACR，并设置其输出正负限幅。
2.测定电流反馈系数β和转速反馈系数α，整定过电流保护动作值。
3.研究电流回路和速度回路的动态特性，将系统调整到最佳状态，并绘制ID？F（T）和n?f(t)的波形，并估算系统的动态性能指标（包括跟随性能和抗扰性能）。
转速电流双闭环直流调速系统设计
转速电流双闭环直流调速系统设计一、引言直流调速系统是控制直流电机转速的一种常用方法。
在实际应用中，为了提高系统性能，通常采用双闭环控制结构，即转速环和电流环。
转速环用于控制电机转速，电流环用于控制电机电流。
本文将对转速、电流双闭环直流调速系统进行详细设计。
二、转速环设计转速环的主要功能是通过控制电机的转矩来实现对转速的精确控制。
转速环设计步骤如下：1.系统建模：根据电机的特性曲线和转矩方程，建立电机数学模型。
通常采用转速-电压模型，即Tm=Kt*Ua-Kv*w。
2.设计转速环控制器：选择适当的控制器类型和参数，比如PID控制器。
根据电机数学模型，可以使用根轨迹法、频域法等进行控制器参数设计。
确定控制器增益Kp、Ki和Kd。
3.闭环仿真：使用仿真软件，进行闭环仿真，验证控制器的性能。
4.实际系统调试：将设计好的转速环控制器实施到实际系统中，进行调试和优化。
根据实际情况对控制器参数进行微调。
三、电流环设计电流环的主要功能是控制电机的电流，以确保电机输出的转矩能够满足转速环的要求。
电流环设计步骤如下：1.系统建模：根据电机的特性曲线和电流方程，建立电机数学模型。
通常采用电流-电压模型，即Ia=(Ua-R*Ia-Ke*w)/L。
2.设计电流环控制器：选择适当的控制器类型和参数，比如PID控制器。
根据电机数学模型，可以使用根轨迹法、频域法等进行控制器参数设计。
确定控制器增益Kp、Ki和Kd。
3.闭环仿真：使用仿真软件，进行闭环仿真，验证控制器的性能。
4.实际系统调试：将设计好的电流环控制器实施到实际系统中，进行调试和优化。
根据实际情况对控制器参数进行微调。
四、双闭环控制系统设计在转速环和电流环都设计好的基础上，将两个闭环控制器连接起来，形成双闭环控制系统。
具体步骤如下：1.控制系统结构设计：将电流环置于转速环的前端，形成串级控制结构。
2.系统建模：将转速环和电流环的数学模型进行串联，建立双闭环控制系统的数学模型。
转速电流双闭环pwm—m可逆直流脉宽调速系统实验报告
转速电流双闭环pwm—m可逆直流脉宽调速系统实验报告转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统实验报告一、引言直流调速系统是现代工业中常用的电机调速方式之一，在实际应用中具有广泛的使用。
其中，转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统是其中一种典型的调速控制方式。
本实验旨在通过搭建转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统，研究其调速性能以及运行特点。
二、实验目的1. 理解转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统的原理和结构；2. 掌握控制脉宽调制技术在直流电机调速系统中的应用；3. 通过实验验证该调速系统的性能和运行特点。
三、实验原理转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统是将转速和电流两个回路分别采用闭环控制的直流调速系统。
其中，转速回路通过传感器对电机转速进行采集，与期望转速进行比较后，经过PID控制器得到转速控制信号，再经过比较器进行与PWM脉宽控制信号进行比较产生控制脉宽；电流回路通过采集直流电机的电流信号，经过PID控制器得到电流控制信号，再与PWM控制脉宽信号进行比较生成最终的输出脉宽。
四、实验步骤1. 搭建转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统实验装置；2. 设置期望转速和电流参考值；3. 分别采集电机转速和电流信号；4. 利用PID控制器对转速和电流进行闭环控制；5. 通过比较器生成脉宽控制信号，控制电机转矩；6. 记录实验数据并进行分析。
五、实验结果与分析通过实验，我们可以得到实验数据并进行分析。
其中，我们可以通过比较实际转速与期望转速的差距，来评价转速闭环控制的性能。
同时，通过比较实际电流值与期望电流值之间的差距，来评价电流闭环控制的性能。
根据实验数据，我们可以得到转速与电流控制的准确性、稳定性以及响应速度等指标，评估整个调速系统的性能。
六、结论通过实验，我们成功搭建了转速电流双闭环PWM-M可逆直流脉宽调速系统实验装置，并完成了相关实验。
根据实验结果分析，我们可以评估该调速系统的性能和运行特点。
双闭环直流调速系统介绍
双闭环直流调速系统介绍
系统由两个主要的闭环控制回路组成：速度环和电流环。
速度环是系统的外环控制回路，其作用是根据用户对电机转速的需求进行反馈控制。
速度传感器测量电机的转速，并将测量值与设定值进行比较，产生差值作为输入信号。
这个差值通过控制器（通常为PID控制器）进行处理，并输出一个调节信号。
调节信号通过控制执行器（如PWM控制器）调节电机的输入电压或电流，从而控制电机的转速。
速度环的目标是使电机的转速稳定在用户设定的值附近。
电流环是系统的内环控制回路，其作用是根据速度环的输出信号来补偿负载扰动和电机参数变化所引起的转矩变化。
电流环的输入信号为速度环的输出调节信号，通过控制器处理后，输出一个电流指令。
这个电流指令通过控制执行器调节电机的输入电压或电流，从而控制电机的转矩。
电流环的目标是使电机的转矩稳定在速度环要求的范围内。
1.高精度：通过使用两个闭环控制回路，系统能够实现高精度的电机转速调节，并具备对负载扰动和电机参数变化的补偿能力。
2.快速响应：系统使用PID控制器作为控制算法，能够快速响应用户对电机转速的需求。
3.稳定性好：速度环和电流环形成了互补的控制关系，能够保持电机转速和转矩的稳定性。
4.可靠性高：双闭环直流调速系统结构简单，组件少，可靠性较高。
综上所述，双闭环直流调速系统通过使用速度环和电流环两个闭环控制回路，实现对电机转速的高精度控制和负载扰动补偿。
该系统具备精度
高、响应快、稳定性好、可靠性高等优点，广泛应用于各种需要精确电机调速的领域。
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
转速电流双闭环直流调速系统直流调速系统是一种基于电动机转速等控制参数，控制电动机输出转矩和速度，从而实现对生产现场机械化设备的控制，保护和自动化控制的一种电气控制系统。
该系统的作用不仅在于简化操作流程，提高生产效率和产品质量，还能保护成本昂贵的机械设备，提高生产安全性和稳定性。
本文将对传统的直流调速系统进行改进，引入转速电流双闭环控制算法，以提高系统稳定性和性能精度。
一、直流调速系统的基本原理直流调速系统核心是由一组功率电子器件和控制回路组成的控制电路，它通过调节直流电动机电磁场中的旋转子、定子电磁能量转换比例，实现对电机转速和扭矩的调速和控制。
传统直流调速系统由电源、整流器、PWM变换器、逆变器和电机组成。
其中，电源常用交流电源，整流器将其转换为直流电源供给PWM变换器，PWM变换器通过调节开关时间，改变直流电压的大小和方向，输出可控的交流电源。
逆变器将输出的交流电源进一步变换转化为所需的方向、大小和频率的电源供给电机，并通过反馈调速回路实现对电机转速和扭矩的精确控制。
虽然传统直流调速系统具有结构简单、故障率低、性能稳定等优点，但同时也存在缺点，如控制精度低、抗干扰能力差、控制性能难以满足高精度或高动态性能的要求等问题。
因此，我们需要将目光放在对直流调速系统的提升上，寻找解决控制精度低和抗干扰能力差的解决方案。
转速电流双闭环控制系统是在传统直流调速系统的基础上，增加了电流控制环节，并通过转速电流双闭合控制算法，实现对控制性能的提升，具体包括两个闭合回路：（1）速度控制回路：电动机的转速是该传动系统动作的基础，对于常见的机械传动来说，转速的稳定性直接影响机械精度和运动平顺度。
如图1所示，速度控制回路根据电机的实际转速和给定的转速进行比较，求出误差值，然后进行电路调节，调整终端直流电压的大小和方向，从而控制电动机的输出扭矩和速度。
（2）电流控制回路：通过实现比例积分补偿算法，控制实际输出电流与设定电流的误差，从而实现电机负载扭矩的控制。
转速﹑电流双闭环直流调速系统
—转速反馈系数;—电流反馈系数
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。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。
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
由第一个关系式可得
(2-1)
从而得到图2-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知 。这就是说，CA段特性从理想空载状态的 一直延续到 ，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
由图2—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。
图2—1
事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
1）上升时间
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 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2—2。
图2—2
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：
（2—4）
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
对于不同的负载电阻L R，测速发电机输出特性的斜率也不同，它将随负载电阻的增大而增大，如图3-4中实线所示。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 时，对应于转速调节器的饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内﹑外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。
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”
3.2转速、电流双闭环直流调速系统的起动过程
-IdL
U*n +
+
WASR(s)
WACR(s)
Un
U*i Ui
Uc
Ks Tss+1
- 1/R Id
Ud0
Tl s+1 +
±∆Ud
R
n
Tms E 1/Ce
由于电流环的抑制作用，由电网电压 波动引起的转速动态变化会比单闭环系统 小得多。
（四）两个调节器的作用 （1）转速调节器的作用 ①转速跟随给定电压变化； ②对负载变化起抗扰作用； ③输出限幅值决定电机允许的最大电流。 配合电流调节器，起到了限制电枢电 流最大值的作用。
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（四）两个调节器的作用 （2）电流调节器的作用 ①电流跟随电流给定变化； ②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； ③起到了限制电枢电流最大值的作用； ④对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
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
（二）双闭环直流调速系统的起动过程
（1）起动过程分析 ③第 III 阶段——转速调节阶段
n
n* I
II
III
.
O
t
Id
Idm
IdL
O
t1Leabharlann t2t3t4t
（二）双闭环直流调速系统的起动过程
（2）起动过程特点
n
n*
.
O
t
Id
Idm
IdL
O
t
①饱和非线性控制。
②转速超调。
3.1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性new
关于所设计的直流调速系统进展情况①调速方法：降低电枢电压调速；②可控电源： V-M系统或PWM-M系统；③稳态指标：比例控制闭环调速系统；④稳定性：动态校正为PI调节器；⑤电流问题：添加电流截止负反馈。
目前系统：牺牲了快速性，获得稳定性与静态无差。
转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性主讲人：张敬南副教授主要内容01 理想起动过程的控制要求02 双闭环直流调速系统的组成03 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性04 双闭环直流调速系统的稳态计算（1）如何减少起动时间？2375e L GD dnT T dt-=2375d L T GD dnI I C dt-=显然，要对电流进行控制，并实现最大电流起动来提升跟随性能。
（2）理想的起动过程I d =I dLn=n*tI d O I d =I dm 控制要求：（1）第1段，最大电流起动，电流控制；（2）第2段，保证转速调节，速度控制。
转速、电流双闭环直流调速系统。
内环外 环 nASR ACR U *n + - U n U i U *i + - U cTA V+ - U d I dUPEL- M TG+（1）转速、电流双闭环调速系统的组成①ASR ：电流给定、限幅为最大电流； ②ACR ：控制电压、限幅为最大控制电 压，对应最大直流电压。
输出达到限幅值，可称为调节器饱和。
（2）两个调节器输出与限幅设置nASRACR U *n + - U n U i U *i + - U c TA V+ - U d I d UPE L- MTG+内环外 环（3）ASR饱和状态对应了两个状态根据ASR是否饱和来实现：①ASR饱和后， ASR不起调节作用，但输出限幅值决定了最大电流，只要转速 ASR不退饱和，只有 ACR 起调节作用，为最大电流控制系统。
②ASR退饱和后，ASR起调节作用，为转速控制系统。
显然，满足了理想起动过程的控制要求。
（3）ASR 饱和状态对应了两个状态nASR ACRU *n + - U n U i U *i + - U c TA V+ - U d I dUPEL- M TG+内环外 环 注意：结合ASR 的限幅和电流环，能够实 现限制电流的作用。
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课程设计说明书课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：转速电流双闭环直流调速系统院系：学生姓名：学号：专业班级：指导教师：2010年12 月30 日转速电流双闭环直流调速控制系统摘要：此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。
该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。
该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器目录第一章.直流拖动控制系统总体设计 (1)一、直流调速系统拖动方案的对比 (1)二、直流调速系统控制方案的确定 (2)三、直流电动机的调速方式 (2)第二章.主电路参数计算和保护环节设计 (3)一、整流变压器额定参数的计算 (3)二、主电路器件的计算与选择 (3)三、主电路保护环节的设计与计算 (3)四、电抗器参数计算与选择 (4)第三章.调速系统控制单元的确定和调整 (4)一、检测环节 (4)二、调节器的选择与调整 (5)三、系统的给定电源 (11)第四章．触发电路的设计 (12)第五章.调速系统动态参数的工程计 (12)心得体会 (12)参考文献 (13)附件.课程设计要求 (13)第一章．直流拖动控制系统总体设计一．直流调速系统控制方案的对比1.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馈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与给定电压比较后,得偏差电压ΔU ,经放大器,产生触发装置的控制电压U k ,用以控制电动机的转速,如图下图：2.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。
为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。
电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，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馈闭环。
该方案的原理框图如图下图：3.方案论证方案一采用单闭环的速度反馈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得多。
因此,除非主电路电感L = ∞,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,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。
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。
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，虽然相对成本较高，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。
在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，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佳过渡过程，很好的满足了生产需求。
二、直流调速系统控制方案的确定1.在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，系统的动态性能不够好。
2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，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。
所以本文选择方案二作为设计的最终方案。
三、直流电动机的调速方式1.减弱励磁磁通Φ保持电动机磁场为额定，改变电枢供电电压，实现电动机基速以下的转速无级调节，属恒转矩调速。
对于要求有一定范围的无级平滑调速系统来说，此种方式最为常见。
2.减弱励磁磁通Φ保持电动机端电压为额定，改变电动机励磁磁通Φ，实现电动机基速以上的转速无级调速，即恒功率调速。
此种方式虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往与调压方式配合使用，在基速以上作小范围的升速。
有些晶闸管直流调速系统，为了扩大系统的转速调节范围，又能充分利用电动机的容量，就需要采用调压和弱磁配合调速的方案，得到电动机在基速上下两个区域的转速调节，如初轧机主传动、连轧机以及龙门刨床主拖动系统，均可采用这种带有弱磁控制的直流调速系统。
第二章．主电路参数计算和保护环节设计一、整流变压器额定参数的计算单相晶闸管整流电路电压脉动大、脉动频率低。
影响三相电网的平衡运行，一般多用于5KW以下的拖动系统。
由本课题要求电动机容量是22KW，额定电压是220V，额定电流时116A，而三相全控桥的输出电压是220V—440V，输出电流是160A—300A，所以选择三相全控桥。
整流变压器参数计算：查表得，A=2.345 C=0.5二、主电路器件的计算与选择正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。
所谓正确合理地选择元件，是指晶闸管元件额定电流（通态平均电流）和额定电压一定要考虑合适的电流和电压裕量。
从设计和使用的经验来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠，特别是对某些生产。
1.整流元件的额定电压U TNU TN=（2—3）U TmU TM=2.45Ue所以晶闸管额定电压是1078—1617V2.同上可求得：I TN=64—85A三、主电路保护环节的设计与计算由于晶闸管承受过电压和过电流的能力较差，所以短时间的过压或过流就会造成元件损坏。
因此在系统主电路设计中，对晶闸管装置的各种保护措施及主要保护环节的设计与计算，应予以足够的重视。
为使系统能长期可靠地运行，除了合理地选择晶闸管外，必须针对过电压、过电流和电压、电流上升率的发生原因采取恰当的保护措施。
1.晶闸管过电压保护直流侧与交流侧过电压保护方法相同，元件选择原则也相同。
实际中采用压敏电阻保护较为合理。
为防止在换相过程中，被关断的晶闸管出现反向过压，而导致反向击穿。
通常在晶闸管元件两端并联RC阻容吸收电路。
电容的耐压一般选取晶闸管实际承受最大电压的1.1～1.5倍。
由于上述所选晶闸管额定电流为85A，所以查表可知：C=0.25UFR=20。
2.整流以及晶闸管保护电路如下：四、电抗器参数计算与选择对晶闸管直流调速系统，当负载电流较小，会出现电流断续的现象，使电动机的机械特性变软，影响系统的静、动态性能。
电动机电枢电感一般较小，不能满足电流连续的要求，故必须在晶闸管输出电路中串入电抗器。
对于三相全控桥平波电抗器的大小选择为:L cr=0.693（U2/I dmin）第三章．调速系统控制单元的确定和调整一、检测环节根据反馈控制原理为了构成闭环直流调速系统，提高系统运行指标，必须对系统控制对象的多种参量进行检测，其中最基本的是转速、电流、电压等反馈信号的检测。
精确、快速地检测这些信号是调速系统可靠工作的基本保证。
1.转速的检测常用的转速检测装置是各种测速发电机和脉冲测速装置。
由于直流测速发电机无需另设整流装置，且无剩余电压，故在直流调速系统中转速反馈信号广泛采用直流测速发电机，将转速转换成电压。
检测电路如下：2.电流的检测电流反馈环节的输入信号是主电路的电流量，经变换后获得输出为直流电压的反馈量U i，根据电流反馈环节的组成，常用的电流反馈方式和检测元件有下面几种：1.利用整流桥直流侧的电阻作检测元件2.以交流电流互感器作为检测元件3．以直流电流互感器作为检测元件4．以霍尔效应电流变换器作为检测元件。
对于本课题我的选择了第一种，其简单电路图如下：二、调节器的选择与调整1.电流调节器设计从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想堵转特性，可见采用典型的I系统就足够了。
再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压的抗扰作用时次要的。
为此电流环以跟随特性为主，应选用典型I系统。
根据设计要求电流超调<5%，并保证稳态电流无差，也应选择典型I系统设计电流调节器。
电流环可以选择PI型电流调节器，其传递函数如下：W ACR（S）=K i（T i S+1）/(T i*S)(1)确定时间常数1)整流装置滞后时间常数T s。
查表可得三相全控桥电路平均失控时间T s=0.0017s。
2)电流滤波时间常数T oi。
由题的三相桥式电路T oi=0.00235s3)电流环小时间常数之和T∑i=T oi+T s=0.00405s(2)电流调节器的结构根据要求可知选择PI调节器。
(3)流调节器参数电流调节器时间常数T i=T l=0.116s电流环开环增益：要求超调<5%时，查表应取K I*T∑i=0.5所以K I=0.5/T∑i=0.5/0.00405=123.5于是，ACR的比例系数为：K i=K I*T i*R/(K S*b)= 3.6 (b=10/(1.5*Ie))(4)近似条件电流环截止频率Wci=K I=123.5①晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/(3*T)=196.1>123.5满足近似条件②忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件有公式计算的22.2<Wci满足近似条件③电流环小时间常数近似处理条件有公式计算的166.8>Wci满足近似条件(5) 调节器电容和电阻按所使用的运算放大器取R0=40K，个电阻和电容值为：Ri=K i*R0=144K 取150KCi=T i/Ri=0.8U F 取1U FCoi=4*Toi/R0=0.235U F 取0.3U F按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标，满足设计要求。
2转速调节器设计为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。
现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传函应共有两个积分环节，所以设计成典型Ⅱ型调节系统，这样同时也能满足动态性能要求。