转速、电流双闭环直流调速系统解读
转速、电流双闭环调速系统
转速、电流双闭环调速系统一、概述采用转速负反馈和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。
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。
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，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。
电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。
对于象龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是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的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，起动电流呈方形波，而转速是线性增长的。
这是在最大电流(转矩)受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，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就应该能得到近似的恒流过程。
问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。
怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。
二、转速、电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图一所示。
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。
转速电流双闭环直流调速系统PPT课件
转速电流双闭环直流调速系统通常由 转速调节器、电流调节器、直流电机 、测速装置和功率电子装置等组成。
工作原理简介
工作原理
转速电流双闭环直流调速系统通过采集电机的转速和电流信号，经过调节器的处理，输出相应的控制信号来调节 电机的输入电压或电流，从而实现对电机速度的控制。
控制流程
转速调节器根据实际转速与设定转速的差值，输出一个转速调节电压；电流调节器根据实际电流与设定电流的差 值，输出一个电流调节电压。这两个调节电压共同作用，通过功率电子装置控制电机的输入电压或电流，实现电 机的精确调速。
抗扰动能力强
转速环调节器能够有效地抑制外部扰动和内部参数变化对系统稳定性的影响。
转速环的抗干扰性能
抗噪声干扰
采用滤波算法等手段减小噪声对转速检测的影响，提高转速 检测的准确性。
抗负载扰动
通过优化调节器设计，减小负载扰动对转速环稳定性的影响 ，提高系统的鲁棒性。
03
电流控制环
电流检测与调节器设计
02
转速控制环
转速检测与调节器设计
转速检测
采用光电编码器等传感器实时检 测电机转速，并将转速信号转换 为电信号传输给调节器。
调节器设计
根据转速偏差和转速变化率等信号， 采用比例、积分、微分（PID）等 控制算法计算出控制量，实现对电 机转速的调节。
转速环的动态特性
快速响应
转速环调节器具有较快的响应速度，能够快速地调节电机转速，减小超调量。
测试方案制定
根据系统要求，搭建测试平台，包括电源 、电机、测速装置、数据采集系统等。
根据系统性能指标，制定详细的测试方案 ，包括测试项目、测试步骤、测试数据记 录等。
测试数据采集与分析
验证与改进
第二章转速电流双闭环直流调速系统ppt课件
（2） 转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值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。双
闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节
器 弱磁控制的直流调速系统。
2.1 转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性
问题的提出 第1章中表明，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，Байду номын сангаас加负载动态速降小等 等，单闭环系统就难以满足需要。
不饱和——输出未达到限幅值
当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐 明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳 态时总是零。
3. 系统静特性
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。
双闭环直流调速 系统的静特性如图 所示，
n
n0 C
A
B
O
Idnom
Idm
Id
图2-5 双闭环直流调速系统的静特性
（1）转速调节器不饱和
U
* n
Un
n
n0
U
* i
Ui
Id
式中， —— 转速和电流反馈系数。
由第一个关系式可得
n
U
* n
n0
(2-1)
从而得到上图静特性的CA段。
静特性的水平特性
与此同时，由于ASR不饱和，U*i < U*im， 从上述第二个关系式可知: Id < Idm。
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。
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。
转速电流双闭环直流自动调速
双闭环调速系统1.系统的组成及基本原理图2所示为转速、电流双闭环直流自动调速系统。
该系统有两个比例积分调节器，一个用于转速调节的转速调节器（ST），另一个是用于电流调节的电流调节器。
由于调速系统的主要被调量是转速，所以就把由转速负反馈组成的闭环（称为转速环）作为外环（主环），以保证电动机的转速准确地跟随给定值，并抵抗外来干扰；把有电流负反馈组成的闭环（称为电流环）作为内环（副环），以保证动态电流为最大值，并保持不变，使电动机快速地启、制动，同时还能起限流作用，并可以对电网电压波动及时抗扰。
电动机转速由给定电压Ug来确定，转速调节器ST的输入偏差电压△Uis=Ug-Ufn,转速调节器ST的输出电压Us作为电流调节器LT 的的给定信号（ST输出电压的限幅值Usm决定了LT给定信号的最大值）；电流调节器LT的输入偏差电压为△Uic=-Us+Ufi，电流调节器LT的输出电压Uc作为触发电路的控制电压（LT输出电压的限幅值Uim决定了晶闸管整流电压的最大值Udm）；Uc控制着触发延迟角，使电动机在期望转速下运转。
从图中可以看出，ST的给定电压Ug为正极性，而LT的给定电压Us为负极性。
2.转速、电流双闭环直流自动调速系统的工作过程（1）启动过程双闭环直流自动调速系统的启动过程可分为以下三个阶段1）第1阶段即电流上升阶段开始启动时，n=0, Ufn=0, △Uis=Ug故ST的输入值很高，使ST的输出Us迅速达到饱和限幅值-Usm，在此后的启动升速过程中，只要△Ui s＞0（即n＜n1=Ug/an）,LT就将保持该饱和值而不起调节作用。
LT的输入偏差电压△Uic=-Us+Ufi，由于此时-Us=- Usm 而Ufi=Bid，故△Uic=-Us+ Bid＜0，LT的积分作用将使Uc快速上升，电流Id以最快速度上升，电动机获得较大的启动转矩，加快了电动机的启动。
直到Ufi=BIdm= Usm(即△Uic=0)时，Uc不再增加，Ud不再增加，电动机电流Id,达到所允许的最大电流Idm。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很
理想地控制电流的动态波形。
解决思路 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Idm的 恒流过程。 为此，
我们希望能够实现如下的控制过程：
1. 起动过程，只有电流负反馈，没有转 速负反馈； 2. 稳态时，只有转速负反馈，没有电流 负反馈。
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。
n n0 A n
n0
A
B O Idcr Idbl Id O Inom
B Idm Id
电流截止负反馈调速系统静特性
双闭环调速系统静特性
各变量的稳态工作点和稳态参数计算
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调 节器都不饱和时，各变量之间有下列关系
U U n n n0
* n
Ui* Ui I d I dL
* U d0 Ce n I d R CeU n / I dL R U ct Ks Ks Ks
怎样才能做到这种既存在转速和电流两 种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段 里起作用呢？
2. 转速、电流双闭环调速系统的组成 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。二者之间实行嵌套（或 称串级）联接，如下图所示：
3 转速、电流双闭环调速系统的静特性
Ui Id
R
ACR U ct
U*
n
+
ASR U* i
+
Ks
Ud0 + - E
n 1/Ce
- Un
图2.46 双闭环直流调速系统的稳态结构图
—转速反馈系数; —电流反馈系数
静特性分析的关键—调节器输出是否饱和 调节器饱和时，输入输出之间的联系被 暂时隔断，相当于使该调节器所在的回 路成为开环； 双闭环调速系统在正常运行时，电流调 节器ACR一般是不会达到饱和状态的， 对于静特性的研究，只关心转速调节器 ASR饱和与不饱和两种情况。
转速调节器ASR输出的变化而变化。
n n0
静特性的正常运行段——水平特性
n
A
* Un
n0
由于ASR不饱和，
U*i < U*im
所以 Id < Idm。
O
Inom
Idm
Id
n0-A段静特性范围
图2.47 双闭环调速系统的静特性
Id ∈[ 0， Idm ]
(2) 转速调节器饱和
Ui Id
R
n n0
静特性的垂直特性
I dm
*Hale Waihona Puke U imA由于ASR饱和，
U*i = U*im
B O
所以 Id = Idm。
Id
Inom
Idm
A—B段静特性为
图2.47 双闭环调速系统的静特性
垂直特性 。
双闭环调速系统的特点
双闭环调速系统的静特性在Id < Idm时表现为 转速无静差，这时，ASR起主要调节作用。 当负载电流达到 Idm 后，ASR饱和，ACR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。
系统结构图
TA
+
Ui U* n R0
Rn Cn R0 LM R0
Ri
Ci
L
LM
V
-
R0
Un
U*i ASR
- +
+
+
- ++
Id
+
Uct GT V
Ud
M n
-
ACR
RP2
TG TG
图2.45 转速、电流双闭环调速系统结构
系统原理图
TA L
+
U*n + -
ASR Un
U*
Ui
i
内 环 ACR 外 环 Uct
为了实现直流电动机在允许条件下 的最快启动。
最快启动过程应该是什么样的？
Id
调速系统理想的启动过程
n Idm
nnom
IdL
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。 前面研究的 “电流截止负反馈单 闭环调速系统” 能 否实现这样的启动过 程？
O
t
图2.43 调速系统理想起动过程
运动控制系统
第 2 章
直流调速系统
2.5 转速、电流双闭环直流调速系统
2.5.1 双闭环调速系统的组成及静特性
2.5.2 限幅输出的PI调节器的动态响应 2.5.3 双闭环调速系统的启动过程 2.5.4 双闭环调速系统的动态抗扰性能
2.5.1 双闭环调速系统的组成及静特性 1. 问题的提出
为什么研究双闭环调速系统？
带电流截止负反馈的调速系统
Ui VST + TA
R0
RP1
R1
C1
L
Id Ud
+
U* n R0
R0
- + + Uc
M
n
-
Rbal Un
+
TG
两个反馈作用在同一个点！ 转速和电流控制相互影响！
-
带电流截止负反馈调速系统的启动过程
Id Idm Idcr n
起动电流达到 最大值 Idm 后，受 电流负反馈的作用 降低下来，电机的 电磁转矩也随之减 小，加速过程延长。
V
-
Id
+
+
UPE
Ud
TG TG
M M
n
转速、电流双闭环直流调速系统原理图
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
注意 图中两个调节器的输出都是带限幅 作用的：
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im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Uctm限 制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
(1) 转速调节器不饱和
Ui Id
R
ACR U ct
U*
n
+
ASR U* i
+
Ks
Ud0 + - E
n 1/Ce
- Un
Ui* Ui Id
* Un Un n
n
* Un
n0
(1) 转速调节器不饱和
外回路（转速环）是定值系统，转速始
终维持在给定值；
内回路（电流环）是随动系统，电流随
（参考P57相关内容）
IdL O
t
图2.44 带电流截止负反馈 单闭环调速系统的启动过程
Id
启动过程比较
n Idm Id Idm Idcr IdL
nnom
n
IdL
O
t
O
t
理想起动过程
单闭环调速系统起动过程
原因分析 在单闭环直流调速系统中，电流截止
负反馈环节是专门用来控制电流的，但它
只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈
ACR U ct
U*
n
+
ASR U* i
+
Ks
Ud0 + - E
n 1/Ce
- Un
U U
* i
* im
I dm
* U im
(2) 转速调节器饱和
外回路（转速环）呈开环状态，转速调节器 ASR输出达到限幅值U*im 不再变化；
内回路（电流环）变为定值系统，电流维持
在 I dm
* U im 。