电流环调节器设计过程
电流闭环调试技术报告
电流闭环设计
1占空比与输出电流之间关系
电流闭环设计首先需要得到的重要参数是调制占空比与输出电流之间的关系，依次改变调制占空比从51%-59%，分别得到输出电流值如下表所示，二者关系曲线如图1所示，I=11.036*duty-5.5186
图1 输出电流与占空比的关系曲线
从上图的拟合曲线可以看出，占空比和输出电流线性度良好。
2电流闭环算法设计
电流环调节器采用PI 型控制器，并为了加快电流响应速度，在算法中加入前馈环节，整体的电流环控制框图如图2所示。
其中0.0906*I+0.5即为依据电流与占空比关系得到的前馈量。
图2 电流环设计框图
其中PI 调节器的具体参数可根据实际调试结果进行调整。
3电流闭环实验
电流闭环调试时，不断改变PI 调节器的比例和积分系数，通过示波器观察输出电流的变化，当给定电流值从0.3A 突变到2A 来观察电流的响应速度和超调大小。
从图3中可以看出电流上升时间较短，超调量较小，此时的比例系数为1.4，积分系数为0.06，即确定为最终的电流环PI 参数。
图3 0.3A 上升至2A 时电流波形图
循环改变给定电流值，示波器捕获的输出电流波形如下图4所示，可以看出电流跟踪速度较好。
图4 循环给定电流指令时得到的输出电流波形
14ms
2.04V
2.82V
2.533V 6
3.2%
图5 电流上升时间测算
图5所示为电流环响应时间测算原则，以实际电流从0值开始上升到给定电流差值的63.2%之间的时间作为响应时间，对应负载的等效时间常数。
电流环设计
（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数s T 。
按表2-2，三相桥式电路的平均失控时间s T =0.0017s 。
2）电流滤波时间常数oi T 。
三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有（1~2）oi T =3.33ms ，因此取oi T =2ms=0.002s 。
3）电流环小时间常数之和i T ∑。
按小时间常数近似出黎，取∑i T=s T +oi T =0.0037s 。
（2）选择电流调节器结构根据设计要求i σ≤5%，并保证稳态电流误差，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 型电流调节器，其传递函数见式(3-48)。
检查对电源电压的抗扰性能：i l T T ∑≈0.00370.03≈8.11，参看表3-2的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。
（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：s T l 03.0i ==τ。
电流环开环增益：要求i σ≤5%是，按表3-1，应取i I T K ∑=0.5，因此1-i I 135.10.00370.5T 0.5K s ≈==∑ 于是，ACR 的比例系数为 1.5350.044360.60.03135.1K R K K s i I i ≈⨯⨯⨯==βτ （4）校验近似条件 电流环截止频率：-1I ci 135.1s K ==ω1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件ci ω>≈⨯=1-1-s 196.1s s 0.0017313T 1 满足近似条件2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影像的条件ci l m s s T ω<≈⨯⨯=--1136.9203.022.013T 13 满足近似条件3）校验电流环小时间常数近似处理条件ci oi s s s T ω>≈⨯⨯=--118.18002.00017.0131T 131 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图3-21所示，按所用运算放大器取Ω=40K R 0，各电阻和电容值计算如下Ω=Ω⨯==K K R K i i 61.440535.1R 0 取61ΩK F F F R C i ii μτ49.010.490106103.063=⨯≈⨯==- 取0.75F μ F F F R T C oi μ2.0102.01040002.044630oi =⨯=⨯⨯==- 取0.2F μ 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4i <=σ 满足设计要求。
直流电动机双闭环调速系统设计
1 设计方案论证电流环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。
方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。
转速环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。
方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。
2双闭环调速控制系统电路设计及其原理综述随着现代工业的开展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。
相对于单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程的弱点。
双闭环控制那么很好的弥补了他的这一缺陷。
双闭环控制可实现转速和电流两种负反应的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。
其良好的动态性能主要表达在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。
正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进展深入的探讨和研究。
本次课程设计目的就是旨在对双闭环进展最优化的设计。
整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。
共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。
变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。
三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。
为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。
三相桥式全控整流电路的工作原理是当a=0°时的工作情况。
电流环的设计
中国农业大学 课程设计（2010-2011学年春季学期）论文题目：基于双闭环的直流脉宽调速系统计算书课程名称： 电力拖动自动控制系统 任课教师： *** 班 级： 自动化081 学 号： 0808140823 姓 名： 李璐基于双闭环的直流脉宽调速系统建模及调节器设计一、设计总体要求：要求设计双闭环直流脉宽调速系统，可完成以下任务：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作；(2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）；(3) 动态性能指标：转速超调量δn ＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s ；(4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；(5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。
电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。
转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。
图1-1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。
双闭环直流调速系统原理框图如下图1-2所示：图1-2 双闭环直流调速系统原理框图由此得到系统电气原理图见附图1。
二、电流调节器设计电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
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。
由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。
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。
直流双环系统(三)的设计及仿真分析(三)(DOC)
课程设计题目直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三）学院自动化学院专业自动化专业班级1005班姓名指导教师刘芙蓉2014 年01 月10 日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1005班 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院题 目: 直流双环系统（三）的设计及仿真分析（三） 初始条件：双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。
系统基本数据如下：直流电动机： U nom =220V ，I nom =136A ，n nom =1460r/min ，0.132min/e C V r =，允许过载倍数 1.5λ=，额定转速时的给定电压*10,n U V =调节器ＡＳＲ，ＡＣＲ饱和输出电压*10im U V =。
时间常数：T L =0.03s ，T m =0.18s ，晶闸管装置放大倍数：K S =40，电枢回路总电阻：R=0.5Ω。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 试对该系统进行动态参数设计。
设计指标：稳态无静差，电流超调量5%i σ≤；空载起动到额定转速时的转速超调量20%n σ≤，过渡过程时间0.1s t s ≤。
画出系统结构框图并计算：(1) 电流反馈系数β和转速反馈系数α；(2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取040R k =Ω）；(3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取040R k =Ω）；(4) 让电机带载（带一半额定负载）启动到额定转速，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。
时间安排：2013.12.25布置课程设计题目2013.12.26 - 2013.12.29 完成课程设计2013.12．30 – 2014.1.3 撰写课程设计报告2014.1.6 答辩并上交报告指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要 (1)直流双闭环控制系统的设计 (2)1直流双环系统工作原理 (2)1.1直流双环系统的组成框图 (2)1.2直流双环系统的数学模型 (3)1.2.1直流双环系统的稳态（静态）数学模型 (3)1.2.2直流双环系统的动态数学模型 (3)1.3直流双环系统的动态过程描述 (4)2调节器的工程设计方法概述 (6)3直流双环系统的动态设计与校验 (6)3.1直流双环系统电流环设计 (6)3.1.1电流环调节器结构选择 (6)3.1.2电流环调节器参数计算 (7)3.1.3电流环设计校验近似条件 (7)3.1.4计算电流调节器电阻和电容 (8)3.2直流双环系统转速环设计 (9)3.2.1转速环调节器结构选择 (9)3.2.2转速环调节器参数计算 (9)3.2.3转速环设计校验近似条件 (10)3.2.4计算转速调节器电阻和电容 (10)4直流双环系统MATLAB/SIMULINK仿真 (12)4.1直流双环系统电流环仿真 (12)4.2直流双环系统总体仿真 (13)5心得体会 (16)参考文献 (17)运动控制系统是以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象、以控制器为核心、以电力电子功率变换装置为执行机构、在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
电压环与电流环设计
控制电路设计一、电流环的设计电流环的设计核心是控制主电路上电感电流的平均值，使它处于稳定状态，根据主电路与设计思路得电流控制环的系统框图如下：IL其中Vcv 为电压环的输出电压（即系统的参考电压），Vs 为锯齿波的幅值，IL 为电感上的电流，K1为采样的放大倍数。
设置PI 为单零点—单极点补偿网络。
如下图所示：因为系统的开关频率为100KHZ ，为了避免开关频率对控制环路的影响，穿越频率fci 必须远远小于开关频率，当然为了对系统动态响应的速度，我们希望fci 越大越好，在一般的开关电源中，fci 都小于开关频率的1/10，此处我们设置为开关频率的1/10，即10KHZ 。
补偿网络的传递函数为：211111()R C S G s R C S +=, 由系统框图可以得系统的开环传递函数为：21211(1)11()1S R C S G S K R C S V SL+=， 式中：Vs=5V ；L=15uH;K1=1/100; S=jw;代入上式，当fci=10KHz 时，2()G S =1，令补偿零点角频率1211w R C =在fci/2处，即1211w R C ==5KHz ，经计算得11R C =62.710-⨯,21R C =4210-⨯,所以21R R =74，令1R =1K ，得2R =74K ，1C =2.7 nf, 代入得开环传递函数为：2245000()/10S G S S -+=，经MATLAB 画出BODE 图如下：从上图可以看出，在(1/2)fci 频率处，开环传递函数的斜率由-40dB 变成-20dB ，可以达到较快的动态响应，由于传递函数以-20dB 的斜率穿越0dB 线，也可以获得足够的相位裕量（64度）。
同时由于从0Hz~(1/2)fci 之间，开环传递函数以-40dB 斜率衰减，可以获得很高的静态增益，从而使得静态误差非常的小。
根据乃奎斯特环路稳定性判据，系统是稳定的，设计也合理。
电流环速度环实验报告有图
转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真1.电流环的仿真（1）典型I型系统图1 典型Ⅰ型电流环的仿真模型图2 图3图4以上图2、图3、图4分别为KT=0.25、0.5、1.0的仿真结果图，其按典型Ⅰ型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数分别为、、。
当KT=0.25时，系统无超调，但上升时间长;当KT增大时，出现超调，KT越大，超调量越大，但上升时间随着变短了。
观察图2、图3、图4的仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于λ=200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，如图1，所示，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于。
（2）典型Ⅱ型系统图5 典型Ⅱ型电流环的仿真模型图6 图7图8以上图6、图7、图8分别为KT=0.25、0.5、1.0的仿真结果图，其按典型Ⅱ型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数分别为、、。
观察仿真结果图，可知，随着KT的增大，超调量越来越大，且上升时间也随着变短了。
2.转速环的系统仿真图9 转速环的仿真模型图10 图11图12以上图10为阶跃输入模块的阶跃值为10时，得到启动时的转速与电流响应曲线，转速波形先是缓慢升速，然后恒加速上升，产生超调后，最终稳定于给定转速值。
而电流则是先上升，产生超调后稳定一个值，后下降至另一稳定值。
即转速调节器在这三个阶段中经历了快速进入饱和、饱和及退饱和三种情况。
图11为把负载电流设计为136，满载启动时的转速与电流响应曲线，其启动时间延长，且退饱和超调量减少了。
图12为空载稳定运行时突加额定负载的转速与电流响应曲线，其转速先降低后又上升至原来的稳定值，其抗扰性能强，而电流则是先上升后下降到另一个新的稳态值。
电流环的设计
中国农业大学 课程设计（2010-2011学年春季学期）论文题目：基于双闭环的直流脉宽调速系统计算书课程名称： 电力拖动自动控制系统 任课教师： *** 班 级： 自动化081 学 号： 0808140823 姓 名： 李璐基于双闭环的直流脉宽调速系统建模及调节器设计一、设计总体要求：要求设计双闭环直流脉宽调速系统，可完成以下任务：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作；(2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）；(3) 动态性能指标：转速超调量δn ＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s ；(4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；(5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。
电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。
转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。
图1-1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。
双闭环直流调速系统原理框图如下图1-2所示：图1-2 双闭环直流调速系统原理框图由此得到系统电气原理图见附图1。
二、电流调节器设计电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
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。
由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。
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。
解--电流调节器的设计
运动控制系统期中考试电控学院自动化0905贺奎（0906050509）解： 电流调节器的设计 （1） 确定时间常数1）整流装置滞后时间常数T s 。
三相桥式电路的平均失控时间T s =0.0017s 。
2）流滤波时间常数T oi 。
据题意给定T oi =0.002s 。
3）电流环小时间常数之和T i 。
按小时间常数近似处理T i =S T +oi T =0.0037s 。
4）电磁时间常数T l 。
T l =LR =15∗10−30.5s −1=0.03s −1。
5）电力拖动系统机电时间常数T m 。
T m =GD 2R375Ce C mC m =30πC eC e =0.132V ∗min/r 所以T m =0.18s（2）选择调节器结构根据设计要求σi ≤5%,并保证稳态电流无差，可按典Ｉ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 调节器。
传递函数为W ACR =K i (τi S+1)τi S。
检查对电源电压的抗扰性能：Tl T i=0.030.0037≈8.11,其动态性能指标都可以接受。
（3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τi =T l =0.03s 。
电流环开环增益：要求σi ≤5%时，应取K l T i =0.5,因此K l =0.5T i =0.50.0037s≈135.1s −1于是，ACR 的比例系数为 K i =K l τi R K s β=135∗0.03∗0.540∗0.05≈1.013（4）校验近似条件电流环戒指频率： ωci =K l =135.1s −11）校验晶闸管整流装置传递函数近似条件13T s=13∗0.0017s −1≈196.1>ωci 满足近似条件2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响条件3 1Tm T l=3∗ 10.18∗0.03s −1≈40.82s −1<ωci 满足近似条件3）校验电流环小时间常数近似处理条件131Ts T Oi=13∗10.0017∗0.002s −1≈180.8s −1>ωci 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容 取R 0=40k ΩR i =K i R 0=1.013∗40k Ω=40.52k Ω 取40 k Ω C i =τiR i=0.0340∗10F =0.75∗10−6F =0.75uF 取0.75 uF C oi =4T oi R 0=4∗0.00240∗10F =0.2∗10−6F =0.2uF 取0.2 uF转速调节器的设计 （1） 确定时间常数1）电流环等效时间常数1K l。
2-4-按工程设计方法设计双闭环系(新3版)1
4. 电流调节器的实现 • 模拟式电流调节器电路
图中 U*i —为电流给定电压；
–Id —为电流负反馈电压；
Uc —电力电子变换器的
控制电压。
图2-25 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
• 电流调节器电路参数的计算公式
比普通转速调节器
Rn
Cn
增加了电容Cdn和电阻Rn 在转速负反馈的基础上叠加
了一个转速微分负反馈信号
Un* R0/2
R0/2
Ui*
τ dn=RoCdn
转速微分时间常数
Todn=RdnCdn
转速微分滤波时间常数
Con
+
R0/2
R0/2
Con
Cdn
Rdn
-an
带转速微分负反馈的转速动态结构图
Uct
U n *( s )
电流环经简化后可视作转速环中的一个环
节，为此，须求出它的闭环传递函数。由 图2-24a可知
KI
Wcli
(
s)
U
Id (s)
* i
(
s)
/
s(Tis 1) 1 KI
1
Ti s2 1 s 1
s(Tis 1) KI
KI
(2-65)
• 传递函数化简
忽略高次项，上式可降阶近似为
1
+
K nτ n S + 1
1/β
TonS+1
τ nS
2 T ?i S + 1
IdL(S)
R
n (s)
CeCmS
-
表贴式永磁同步电机伺服系统电流环设计
表贴式永磁同步电机伺服系统电流环设计一、本文概述本文旨在深入探讨表贴式永磁同步电机伺服系统的电流环设计。
作为一种高性能的电机控制系统，表贴式永磁同步电机伺服系统在现代工业、机器人技术、航空航天等领域中得到了广泛应用。
电流环作为伺服系统的核心组成部分，其设计的优劣直接关系到整个系统的动态性能和稳定性。
本文将首先介绍表贴式永磁同步电机的基本工作原理和特性，包括其结构特点、电磁关系以及控制难点等。
在此基础上，重点分析电流环的设计原理和实现方法，包括电流环的控制器设计、功率放大电路设计、电流采样与反馈机制等关键环节。
本文还将探讨电流环设计中的关键问题，如电流环的稳定性、快速性、精度以及抗干扰能力等，并提出相应的解决方案和优化策略。
通过本文的研究，旨在为表贴式永磁同步电机伺服系统的电流环设计提供理论支持和实践指导，推动伺服系统性能的提升和应用领域的拓展。
本文也期望为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和启示，共同推动电机控制技术的发展和创新。
二、表贴式永磁同步电机基本理论表贴式永磁同步电机（Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM）是一种广泛应用于伺服系统、电动汽车和风力发电等领域的高效、高性能电机。
其基本理论涵盖了电机的工作原理、电磁关系、数学模型以及控制策略等方面。
工作原理：SPMSM的工作原理基于电磁感应定律和法拉第电磁感应定律。
当电机定子绕组通电时，产生旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，从而驱动转子旋转。
由于永磁体的磁场与定子电流产生的磁场在空间上相互垂直，因此SPMSM具有高效率、高功率密度和低转矩脉动的特点。
电磁关系：SPMSM的电磁关系主要体现在定子电流与转子磁场之间的相互作用。
定子电流通过三相绕组产生旋转磁场，与转子上的永磁体磁场相互作用，产生转矩。
转矩的大小与定子电流的大小和相位、永磁体的磁通量以及电机的极对数等因素有关。
双闭环调速系统调节器设计及(精)
双闭环调速系统调节器设计及matlab仿真验证1设计内容及要求1.1初始条件:不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式整流电路，系统的基本数据如下：直流电动机:75Onom U V =, 760nom I A =, 375min nom n r =, 1.82min e C V r =,允许过载倍数1.5入时间常数:0.031L T s =, 0.112m T s =晶闸管放大倍数：75s K =;主回路总电阻：0.14R = Q额定转速时的给定电压*10n U V =,调节器ASR、ACR饱和输出回路电压10im U V =, 10cm U V =。
1.2 设计要求稳态指标:稳态无静差。
动态指标:电流超调量5%i cW空载启动到额定转速时的转速超调量10%n C丢2双闭环直流调速系统的工作原理转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。
对于经常正、反转运行的调速系统，在起动（或制动过程中，希望始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减速运行。
当达到稳态转速时,最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转 入稳态运行。
采 用单闭环调速系统是无法实现的，因而只能采用转速和电流两个 调节器。
2.1双闭环直流调速系统的组成为了使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，分别引 入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流负反馈以调节转速和电流 实行嵌套连接。
如下图所示。
把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用用转速环采用PI 调节器进行调节。
同时电流内环也采用相应的 PI 调节器也能实现 很好的动、静态特性。
2.2双闭环直流调速系统的数学模型通过相应处理可以得到相应的双闭环直流调速系统的动态结构图如下+-者之间电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE 。
由于题目要求稳态无静差，因而调节器必须采用相应的积分器调节器，故相应其中（ASR W s 和（ACR W s 分别表示转速调节器和电流调节器的传递环视。
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。
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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。
电压环与电流环设计
控制电路设计一、电流环的设计电流环的设计核心是控制主电路上电感电流的平均值,使它处于稳定状态,根据主电路与设计思路得电流控制环的系统框图如下：的速度,我们希望fci 越大越好,在一般的开关电源中,fci 都小于开关频率的1/10,此处我们设置为开关频率的1/10,即10KHZ;补偿网络的传递函数为：211111()R C S G s R C S+= , 由系统框图可以得系统的开环传递函数为：21211(1)11()1S R C S G S K R C S V SL+=, 式中：Vs=5V ；L=15uH; K1=1/100;S=jw;代入上式,当fci=10KHz 时,2()G S =1,令补偿零点角频率1211w R C =在fci/2处,即1211w R C ==5KHz,经计算得11R C =62.710-⨯,21R C =4210-⨯,所以21R R =74,令1R =1K,得2R =74K,1C =2.7 nf, 代入得开环传递函数为：2245000()/10S G S S -+=,经MATLAB 画出BODE 图如下：从上图可以看出,在1/2fci 频率处,开环传递函数的斜率由-40dB 变成-20dB ,可以达到较快的动态响应,由于传递函数以-20dB 的斜率穿越0dB 线,也可以获得足够的相位裕量64度;同时由于从0Hz~1/2fci 之间,开环传递函数以-40dB 斜率衰减,可以获得很高的静态增益,从而使得静态误差非常的小;根据乃奎斯特环路稳定性判据,系统是稳定的,设计也合理; 二、电压环的设计在电压环的设计中,电流环可视为控制对象的一个环节,因此先得求取电流控制环的闭环传递函数,由前面的电流控制环的开环传递函数2245000()/10S G S S -+=得闭环传递函数为：3245000()/105000S G S S S -+=++,同理MATLAB 得其BODE 图如下：根据该闭环传递函数的BODE 图,为了便于分析我们用传递函数441()1/10G S S =+近邻代替它来处理,4()G S 的BODE 图如下所示：再根据整个电路,可以得电压环控制系统的构图如下 ：PI CA 1/SC K2K2+-Vo框图中Vref 为系统给定电压2.5V,CA 电流环控制单元,K2为输出电压采样放大倍数,Vo 为输出电压,1/SC 为输出阻抗;PI 调节器采用与电流环结构一样的单极点—单零点补偿网络,如下图所示：R3R4C2-+由于在fci 以下,电流环增益为1,相位为0,在电压环的设计中,电流环为单位1,为了使整个系统得到较高的中频带宽,设电压环的穿越频率fcv=1KHz,电压环PI 补偿零点角频率2421w R C ==1/2fcv,设计方法与电流环的设计一样：在f<fci 下,系统的传递函数为：42532(1)1()2R C S G S K R C S SC +=, 其中K2=2.5/12=1/4.8,C=4700uf, S=jw,当fcv=1KHz 时,5()G jw =1,代入计算得42R C =1/500,32R C =59.9110-⨯,所以43R R =20,取3R =1K,4R =20K,2C =0.1uf,将计算结果代入523500()/(1.1210)S G S S -+=⨯,得BODE 图如下：由此得出的结果与电流环控制环类似,系统是稳定的;当f>fci 时,把整个电流环加入系统中,得整个电压环的开环传递函数为：62345001()/(1.1210)1/10S G S S S -+=⨯+,得到BODE 图如下：由整个BODE 图可知,系统在0—500Hz 时以-40dB 斜率下降,具有较高的静态增益,从而使得静态误差非常的小,在1/2fcv500Hz 频率处,开环传递函数的斜率由-40dB 变成-20dB,并以-20dB 的斜率穿越0dB 线,可以获得足够的相位裕量58度;当f>fci 时,开环传递函数的以-40dB 斜率下降,从而系统有较大的抗干扰能力;。
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
应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地， 这些都是设计时必须注意的。
第 Ⅲ 阶段:转速调节阶段（ t2 以后）
n
n* I II
III
O
Id Idm
t
IdL
O
t1
t2
t3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t4
t
第 Ⅲ 阶段:转速调节阶段（ t2 以后）
• 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。 • 直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。 此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段 时间内（ t3 ~ t4 ）， Id < IdL ，直到稳定，如果调节器参数整 定得不够好，也会有一些振荡过程。 在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导 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。
是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
1. 抗负载扰动
U*n
+
±∆IdL
Ks
Tss+1
U*i Un
ASR ACR
Ud0 -
1/R
Id
R
Tms
E
Ui
Tl s+1
1/Ce
n
负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗 负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。
电流调节器与转速调节器的设计
ω cn
4．最后校核一下要求的性能指标 电流环设计时， K ITΣi = 0.5 ，所以，σ i = 4.3% < 5% 。
***设计方法详细步骤参考《自动控制系统》第 91 页至 112 页***
28
wci = K I
= 0.5 T∑ i
上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率 wci 与T∑i 的关系满足小惯性环
节的近似条件
wci
<<
1 T∑
i
。
如果按典型 II 型系统设计电流环，则需要将控制对象中的大惯性环节 1 近似为 TL s + 1
积分环节
1 TL s
，当 TL
>
hT ∑i
时
=
0.6RTL K S βT∑i
h +1 wci = 2hT∑i
= 0.6 T∑ i
显然，按工程最佳参数 h=5 确定的 wci 和T∑i 的关系，也可以满足小惯性环节的近似
25
条件。
三、转速调节器的设计
1．电流环的等效传递函数 电流环是转速环的内环，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理，使电流成
-
U*i(S)
1
ToiS + 1
+
Uct(S)
Ud(S)
ARC
ks TsS + 1
1R T1S + 1
Id(S) （a）
βi ToiS + 1
U *i(S) βi
βi ToiS + 1
Uct(S) ARC
Id
ks R (Ts + 1)(T1S + 1)
Id(S) (b)
U *i(S) βi
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电流环PID 调节器设计大致流程
以下设计过程主要参考文献[1]，首先给出永磁同步电机参数表如下：
电机的反电势会使电流输出与给定存在偏差，但低速时反电势较小，可通过调节器的控制消除， 因此设计时可忽略不计。
电流环传函结构图如图1所示，其中，v K 是逆变器电压放大倍数，表示逆变器直流侧电压与三角载波电压幅值之比，v τ是逆变器时间常数，与开关频率有关，s R 是电枢绕组电阻，q L 是交轴电感，β 是反馈系数， oi T 是反馈滤波时间常 数，ACR G 是电流调节器传递函数。
图1
未加校正时的电流环开环传函如下:
(1)()(1)v iob v q s oi K G S L S R T S βτ=
+++ （1） 式中: v τ、oi T 是小时间常数， 因此可将控制对象等效:
()[()1]
v iob q s v oi K G L S R T S βτ=+++ （2） 电流调节器可选用 PI 调节器进行设计: 1p i ACR i K K S G K S
+= （3） 用 PI 调节器的零点来抵消控制对象的大时间常数极点， 如下: 11q p i s L K K S S R +=
+ （4） 得到电流环的开环传递函数:
[()1]*v ik i oi v s
K G K S T S R βτ=++ （5） 系统要求电流环具有较快的响应速度， 同时超调又不可过大， 因此令:
()0.5v oi v i s
K T K R βτ+= （6）
设定逆变器开关频率为f=18kHz ，于是逆变器时间常数155.6v us f
τ==，将15.5dc v s U K U ==、0.6β=、
0.11ms oi T =和表1的电机参数代入到式（4）、式（6）中，得 6.5p K =，0.0022i K =。
加入 PI 调节器之前的系统开环幅相频率特性曲线如图2 所示， 系统明显不稳定; 加入 PI 调节器后得到的系统开环的幅相频率特性曲线如图 3 所示， 可见所设计的电流环是稳定的， 且有 45°左右的相角裕度。
图2 原系统幅相频率特性曲线 图3 补偿后电流环幅相频率特性曲线
参考文献：
[1]刘军，敖然，韩海云，秦海鹏，朱德明．永磁同步电动机伺服系统电流环优化设计［J ］． 微特电机，2012，40（6）:17-20．
[2]熊小娟，韩亚荣，邱鑫．永磁同步电机伺服系统电流环设计及性能分析［J ］． 科技传播，2010，5（上）:62-63．
[3]陈荣，邓智泉，严仰光．永磁同步服系统电流环的设计［J ］． 南京航空航天大学学报，2004，36（2）:220-225．。