直流电机的转速电流双闭环控制
转速电流双闭环控制直流调速系统的课程设计
转速电流双闭环控制直流调速系统的课程设计流程介绍如下：
1.确定系统参数和控制策略：根据具体需求和电机特性，确定系
统参数和控制策略，如电机额定电压、额定电流、最大转速、控制器采样周期、PID控制器参数等。
2.搭建硬件平台：根据系统参数和控制策略，搭建硬件平台。
硬
件平台包括电机、电源、传感器、控制器等。
3.编写程序：根据系统参数和控制策略，编写程序。
程序主要分
为两部分，一部分是转速闭环控制程序，另一部分是电流闭环控制程序。
程序需要实时读取电机转速和电流传感器的反馈信号，并根据PID控制器的输出值调节电机电压和电流。
4.调试和测试：在搭建好硬件平台和编写好程序后，进行调试和
测试。
测试可以分为两个部分，一部分是转速闭环控制测试，另一部分是电流闭环控制测试。
测试的主要目的是验证程序的正确性和系统的控制性能。
5.总结和分析：在测试完成后，对测试结果进行总结和分析。
分
析结果可以用于进一步改进控制策略和优化系统性能。
总之，转速电流双闭环控制直流调速系统的课程设计需要深入了解电机控制原理和PID控制器的设计方法，需要具备一定的电路设计和编程能力。
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。
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
电流转速双闭环直流调速系统的工作原理
电流转速双闭环直流调速系统的工作原理（吴欢欢）（山东工商学院信息与电子工程学院电气122班山东省烟台 264005 ）摘要：在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用。
而采用电流转速双闭环直流调速系统，就可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程。
本次设计主要了解电流转速双闭环直流调速系统的工作原理、系统组成、静态几动态特性。
并绘出工作原理图。
关键词：双闭环控制系统、直流调速系统、ASR、直流电动机。
The working principle of current and speed double closed loop DC speed regulatingsystemWuhuanhuan（Shandong Institute of Business and Technology Yan Tai 264005）ABSTRACT：In industrial production, need to electric drive applications where high performance speed control, DC speed control system plays a very important role. While the current speed double loop speed control system, it can make full use of the overload capacity of a motor to obtain the dynamic process of the fastest. The working principle, the design of the main understanding current speed double loop DC motor control system, the static and dynamic characteristics. And draw the operating system diagram.KEYWORDS：The double closed loop control system、DC speed regulating system、ASR、continuous current motor一、引言直流电机调速，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
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。
直流电机双闭环调速控制系统分析
直流电机双闭环调速控制系统分析摘要：直流电机双闭环调速控制系统用于工业生产中能够为其提供良好的调速支持，具有适应性强、经济性好、抗干扰能力较强等优势。
在工业生产中想要更好的发挥直流电机双闭环调速控制系统的作用，需要对其控制系统的工作原理与结构特点进行研究，应该注重分析系统在设计和应用中的注意事项，在应用过程中不断完善直流电机双闭环调速控制系统，进行细节控制，从而提升工业生产效率。
关键词：直流电机；双闭环调速；控制系统直流电机双闭环调速控制系统是一种结合了电子技术、直流调速、数字控制理论等技术于一体的调速控制系统，将其应用于工业生产中可以为生产活动提供可靠、稳定的电力传动支持，提高生产效率。
钢铁企业在生产过程中，合理的运用直流电机双闭环调速控制系统，能够为生产创造更加稳定、高效的条件，能够提供更加精准的调速，从而保证生产质量。
为了能够更好的应用直流电机双闭环调速控制系统，需要对其硬件要求、软件系统、转速调节原理、转换原理等各项内容进行研究，在了解转速调节程序的相关内容，以便在后续生产活动中更好的发挥其控制作用。
一、直流电机双闭环调速控制系统1、系统概述直流电机可以将电能转化为机械能，驱使机械设备完成生产工作，对于工业生产来说具有重要的意义。
由于工业生产环节和生产目标不同，直流电机的负载也各不相同，因此需要针对不同的负载需求在一定范围内进行电动机转速调节，保证其满足生产需求，直流电机双闭环调速控制系统就是其调速的系统[1]。
直流电机双闭环调速控制系统是应用最为广泛的速度调节控制系统之一，直流电机双闭环调速系统能够实现转速和电流两种负反馈，通过两个调节器的加入，可以分别对电流和转速进行调节，形成转速、电流双闭环调速系统。
2、工作原理直流电机双闭环调速控制系统中，直流电机的能量转换是将电能转化为机械能，而直流调速系统的工作原理是通过电流与转速调节器，由电流控制器负责给转速调节器输出电压，让电枢电流由电流环调节转速偏差，实现调速控制。
直流电动机转速电流双闭环控制系统的设计精选(38页)
Harbin Institute of Technology
f直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计
—x系统建模
L1电动机的数学槟型 1.2晶闸管整流装置的数学模型 L3双闭环调速系统的数学模型
二、电流环与转速环调节器设计 2.1双
闭环控制的目的 2-2关于积分调节器的饱和非线性问题 2-3 ASR与ACK的工程设计方法
L2晶闸锌笹流装哲.的数学模型
1.3双闭坏调速系统的数学模型
二、 电流环与转速环调节器设计
2.1双闭环控制的的
2,2关于积分调节器的_ 械性问题
23 ASR±JACR的工程设计方法
三、 仿真实验
3.1起动特性
,
V 四、结论
/
流电动机转速/电流双闭环拧制系统设计
系统建模与仿真
在图4-7中给出了控制系统的PI控制规律动态过程, 从中我们可知:
三、 仿真实验
3.1起动特性
系统建模与仿真
d
Harbin Institute of Technology
1山:流电动机转速/电流双闭环控制系统设计
系统建模与仿真
系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下， 直流电动机：220Vr 13.6A, 1480r7min，Ce=0.l31V/ (r/min)，允许 过载倍数 a=15;晶闸管装置：Ks=76t电枢回路总电阻！ /e=6.58Qs 时初常数： 77=0.0l8s，Tm=0.25s；反馈系数：a=0.00337V/ (r/min)， /SM).4V/A:反馈滤 波时间常数：7b/=0.005s, 7b«=0(005s P
E = Cen （额定励磁F的感应电动势） （中顿动力学定伴.忽略醐擦
m t额定励磁卜的电磁转斯）
双闭环直流调速系统原理介绍
双闭环直流调速系统原理介绍双闭环直流调速系统由两个环路组成，速度环和电流环。
速度环控制电机的速度，使其始终保持在设定值附近，而电流环控制电机的电流，保证电机的负载特性和响应速度。
速度环和电流环是相互独立的控制过程，通过串联连接实现整体调速控制。
速度环负责对电机转速进行调节，基本原理是将实际转速与设定转速进行比较，然后根据差值计算出调节量，最后通过调节电机的输入电压实现转速调节。
速度环的核心是比例-积分（PI）控制器，通过设定合适的比例系数和积分时间，可以实现对转速的精确调节。
速度环还可以加入速度前馈器，将速度设定值的变化率作为额外输入信号，进一步提高系统的响应速度和稳定性。
电流环负责对电机的电流进行调节，保证电机的负载特性和响应速度。
电流环的基本原理是将实际电流与设定电流进行比较，然后根据差值计算出调节量，最后通过调节电机的输入电压或电流实现电流调节。
电流环的核心也是比例-积分（PI）控制器，通过设定合适的比例系数和积分时间，可以实现对电流的精确调节。
电流环还可以加入电流前馈器，将电流设定值的变化率作为额外输入信号，进一步提高系统的响应速度和稳定性。
双闭环直流调速系统中，速度环和电流环之间通过串联连接的方式进行控制。
速度环输出电压指令作为电流环的输入电流设定值，电流环通过调节电机的输入电流实现电流调节。
而电流环输出电压指令作为速度环的输入电压设定值，速度环通过调节电机的输入电压实现转速调节。
通过这种双重反馈的控制方式，可以实现对电机转速和电流的精确控制。
1.精确控制：通过精确的调节速度环和电流环的参数，可以实现对电机转速和电流的精确控制，满足不同工况下的要求。
2.快速响应：双闭环结构可以利用速度环和电流环的双重反馈信息，在系统受到外部扰动时，能够快速调节输出，保持稳定的运行状态。
3.负载适应性：通过电流环的控制，可以根据电机所承受的外部负载变化，自动调整输出电压或电流，保持电机的运行稳定性和性能。
直流电动机转速、电流双闭环调速系统突加给定启动过程分析
直流电动汽车电机转速、电流双闭环调速系统突加给定启动过程的动态波形如图1 -16所示。
按照启动电流（电枢电流）的变化情况可分为下述三个阶段进行分析。
1．电流上升阶段(t o~t1)启动过程开始（t o）时，转速给定电压U gn突加于转速调节器的输入端，通过转速调节器、电流调节器的控制作用使U d0、I d上升。
由于机电惯性，只有当I d>I L时，转速n才从零开始逐步增加，转速负反馈电压U fn也只能从零开始逐步增加，所以偏差信号△U n=U gn－U fn的数值较大，使转速调节器ASR的输出电压U gi很快达到限幅值U gim，强迫I d迅速上升。
由于转速调节器ASR是PI调节器，只要△U n=U gn－U fn≥0，其输出电压U gi将一直保持U gim不变。
电流调节器和电流环的调节作用使I d很快到达I dm。
在这个阶段，转速调节器ASR由不饱和迅速到达饱和，而电流调节器ACR突加给定启动过程的动态波形一般不饱和，起到调节作用。
2．恒流升速阶段（t1~t2）从t1时刻电流上升到最大值I dm开始一直到t2，转速n上升到给定转速n g为止的这一阶段是启动的主要加速阶段。
在这个阶段，由于n<n g，U f<U g，转速调节器ASR一直处于开环饱和状态，其输出电压U gi一直处于限幅最大值gim不变。
当电流I d=I dm时，电动机以最大的启动转矩等加速度线性上升。
随着电动机转速n上升，电动汽车电机反电动势E n 也相应升高。
由于电枢电流，E m的升高使I d下降，电流反馈电压U fi也下降。
通过电流调节器的调节作用使其输出电压U k上升，从而使晶闸管变流器输出电压U do上升，力图使电流I d又回到最大值I dm。
随着转速n的上升，电流调节器就一直按照上述调节规律，力图使电流I d保持在最大值I dm，此时控制系统表现为恒值电流调节系统，使电动机以最大启动转矩等加速度线性上升。
直流电机双闭环调速--自动控制原理与系统
直流电机双闭环调速--⾃动控制原理与系统⼀、单闭环调速系统存在的问题①⽤⼀个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，②环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进⾏调节，因⽽转速动态降落⼤。
③电流截⽌负反馈环节限制起动电流，不能充分利⽤电动机的过载能⼒获得最快的动态响应，起动时间较长。
电流截⽌负反馈单闭环直流调速系统最佳理想起动过程最佳理想起动过程:在电机最⼤电流（转矩）受限制条件下，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。
缺点：改进思路：为了获得近似理想的过渡过程，并克服⼏个信号综合在⼀个调节器输⼊端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分来加以控制，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。
⼆、转速、电流双闭环调速系统的组成双闭环调速系统其原理图双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统静态结构图静态结构图系统特点（1）两个调节器，⼀环嵌套⼀环；速度环是外环，电流环是内环。
（2）两个PI调节器均设置有限幅；⼀旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输⼊量的变化不再影响输出，除⾮有反极性的输⼊信号使调节器退出饱和；即饱和的调节器暂时隔断了输⼊和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开。
⽽输出未达限幅时，调节器才起调节作⽤，使输⼊偏差电压在调节过程中趋于零，⽽在稳态时为零。
（3）电流检测采⽤三相交流电流互感器；（4）电流、转速均实现⽆静差。
由于转速与电流调节器采⽤PI调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流均为⽆静差。
转速调节器ASR输⼊⽆偏差，实现转速⽆静差。
三、双闭环调速系统的静特性双闭环系统的静特性如图所⽰特点：1）n0-A 的特点①ASR不饱和。
②ACR不饱和。
或n0为理想空载转速。
此时转速n与负载电流⽆关，完全由给定电压所决定。
电流给定有如下关系??因ASR不饱和，，故。
n0A这段静特性从⼀直延伸到。
2）A—B段①ASR饱和。
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常见的电机调速系统，通过两个闭环控制来实现对电机转速的精确控制。
在双闭环直流调速系统中，第一个闭环控制回路称为速度环，用来控制电机转速；第二个闭环控制回路称为电流环，用来控制电机电流。
下面将详细介绍双闭环直流调速系统的特性与原理。
1.转速稳定性好：由于双闭环控制系统可以将负载变化的影响控制在较小的范围内，所以电机的转速可以保持在给定值附近稳定运行。
2.转速快速响应：双闭环控制系统可以通过调节速度环和电流环的参数来实现转速的快速响应，使得电机在变化负载下能够迅速调整转速。
3.调节范围广：双闭环直流调速系统可以通过改变速度环和电流环的控制策略来调节电机的转速范围。
可以实现低转速和高转速的调节。
4.可靠性高：双闭环直流调速系统采用两个闭环控制回路，其中速度环和电流环可以相互独立地控制电机的转速和电流，从而提高系统的可靠性。
速度环：速度环的目标是实现对电机转速的精确控制。
速度环根据给定的转速信号与实际转速信号之间的误差，通过PID控制器计算出控制电压，然后将控制电压输出给电流环。
电流环：电流环的目标是控制电机的电流，保持电机的转速稳定。
电流环通过反馈电流信号与速度环输出的控制电压之间的误差，通过PID控制器计算出电压调节量，然后将调节量输出给电机驱动器。
1.给定一个转速信号，如旋钮或数字输入。
2.速度环将给定转速信号与实际转速信号之间的误差传递给PID控制器。
3.PID控制器计算出控制电压，并将其传递给电流环。
4.电流环将反馈电流信号与PID控制器输出的控制电压之间的误差传递给PID控制器。
5.PID控制器计算出电压调节量，并将其传递给电机驱动器。
6.电机驱动器根据PID控制器输出的电压调节量，控制电机的电流，从而控制电机的转速。
总之，双闭环直流调速系统通过速度环和电流环两个闭环控制回路的相互作用，可以实现对电机转速的精确控制。
通过调节速度环和电流环的参数，可以调节电机的转速范围和响应速度，从而满足不同应用场景的需求。
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。
直流电机的转速电流双闭环控制
直流电机的转速电流双闭环控制摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。
来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。
该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI 调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。
而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。
两个PI调节器都采用集成运放实现。
其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。
关键词：电流环；转速环；PI调节器The Rotate Speed and Current Double Closed LoopFeedback Control for DC MotorAbstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC motor.The major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating stably.yields making the DC motor started rapidly with the largest load current.It is the same to starting rapidly with the largest accerelation.Simultaneous,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the task.The priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop.Key word: current feedback loop; rotate speed feedback loop;PI regulator目录摘要 (1)1 引言 (3)2电机的供电电源 (5)2.1三相桥式整流电源 (5)3转速、电流双闭环系统的静态结构 (9)3.1转速、电流双闭环直流调速系统的构成 (9)3.1.1 双闭环系统的结构框图 (9)3.1.2 稳态结构框图和静态特性 (10)4双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 (12)4.1 双闭环直流调速系统的数学模型 (12)4.1.1 直流电机的动态数学模型 (12)4.1.2 双闭环直流调速系统的完整的动态结构框图 (14)4.2 动态性能的时域分析 (14)4.2.1 起动过程分析 (15)4.2.2动态抗扰性能分析 (16)4.3 调节器的工程设计方法 (16)4.3.1工程设计方法的基本思路 (17)4.3.2 典型系统 (17)4.4控制系统的动态性能指标 (20)4.4.1 跟随性能指标 (20)4.4.2 抗扰性能指标 (21)4.4.3典型Ⅰ型系统性能指标和参数的关系 (22)4.4.4典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系 (27)5.按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 (32)5.1 电流调节器的设计 (33)5.1.1电流环结构图的化简 (33)5.1.2电流调节器结构的选择 (34)5.1.4电流调节器的实现 (36)5.2 转速调节器的设计 (36)5.2.1 电流环的等效闭环传递函数 (36)5.2.2转速调节器结构的选择 (37)5.2.3转速调节器的参数计算 (39)5.2.4 转速调节器的实现 (36)6系统仿真 (38)6.1 系统动态结构的MATLAB仿真 (38)6.2 系统的整体结构的仿真 (40)7总结 (44)参考文献 (44)1 引言直流电机由于其调速的控制方法简易而获得了广泛的应用，其控制规律容易理解，并且便于通过线性控制系统的分析方法去解决工程设计的实际问题。
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、电流双闭环控制直流调速系统带仿真结果
摘要转速、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，是目前直流调速系统中的主流设备。
具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点。
在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电力拖动领域中发挥着及其重要的作用。
本人此次设计的步骤主要是:查阅相关的资料、书籍，确定整个设计的方案和框图。
然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。
接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。
转速和电流调节器的计算和设计给予详细介绍。
每一步设计都会给出相应的原理图，并进行分析。
最后用学过的MATLAB/SIMULINK进行仿真，给出模块搭建及仿真图形的结果。
目录第1章系统总体设计 (1)1.1设计任务 (1)1.2设计要求 (1)1.3设计的基本思路 (1)第2章整体电路分析 (4)2.1电流调节器的设计 (4)2.2转速调节器的设计 (7)第3章硬件电路图及保护电路的设计 (10)3.1系统主电路图绘制 (10)3.2晶闸管的保护与选择 (10)3.3 整流变压器的选择 (13)3.4触发电路的设计 (14)3.5.电动机的励磁回路 (15)第4章MATLAB仿真 (16)结论 (19)参考资料 (20)第1章 系统总体设计1.1 设计任务设计一个V-M 转速、电流双闭环直流调速系统，相关数据：电动机参数：N P =40kw 、N U =300v 、N I =148A 、N n =910rpm 、f U =220v 、dm I =296A 、 2GD =1.00kg ⋅2m 、a R =0.08Ω、a L =2.05mH ；其它参数：整流侧内阻n R =0.092Ω、整流变压器漏感T L =7.5mH ，电抗器直流电阻H R =0.15Ω、电抗器电感H L =4.0mH 、负载2GD 折算值=9 kg ⋅2m ；电流、转速滤波时间常数参考教材例题数据。
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”
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直流电机的转速电流双闭环控制The final edition was revised on December 14th, 2020.直流电机的转速电流双闭环控制摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。
来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。
该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI 调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。
而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。
两个PI调节器都采用集成运放实现。
其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。
关键词：电流环；转速环；PI调节器The Rotate Speed and Current Double Closed LoopFeedback Control for DC MotorAbstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating making the DC motor started rapidly with the largest load is the same to starting rapidly with the largest ,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop.Key word: current feedback loop; rotate speed feedback loop;PI regulator目录摘要…………………………………………………………………………………错误!未定义书签。
1 引言…………………………………………………………………………………错误!未定义书签。
2电机的供电电源……………………………………………………………………错误!未定义书签。
三相桥式整流电源………………………………………………………………错误!未定义书签。
3转速、电流双闭环系统的静态结构………………………………………………错误!未定义书签。
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转速调节器的实现 (36)6系统仿真 (38)系统动态结构的MATLAB仿真 (38)系统的整体结构的仿真 (40)7总结 (44)参考文献 (44)1 引言直流电机由于其调速的控制方法简易而获得了广泛的应用，其控制规律容易理解，并且便于通过线性控制系统的分析方法去解决工程设计的实际问题。
电力电子技术的发展为直流电机提供了多种多样的供电电源，进而也使其控制精度进一步得到了提高，而且也促进了交流调速技术的发展，而交流调速的现代控制的基本规律和直流电机又有相同之处，因而研究直流电机将为交流电机的控制提供一定的基础。
直流电机的转速电流双闭环控制则是为了同时满足动态和静态两种需求而设计的，是应用最广的直流调速技术。
该调速技术的实际应用很多，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，这样的工程机械的要求是尽量缩短起动、制动过程的时间来提高生产效率。
而转速、电流双闭环控制直流调速系统性能能满足以上两项要求，直流电机的电流控制环能保证嗲及在最大允许电流的条件下快速起动，也即是充分利用直流电机的过载能力，此时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，是转矩马上与负载转矩平衡，从而转入稳态运行。
直流电机的转速控制环则能保证电机在给定控制电压控制下以某一恒定转速稳定运行，并且在突加负载时转速降落的值很小，在采用PI控制时理论上市没有转速降落的，也即实现了恒速稳定的运行，转速外环的控制精度取决于运算放大器的性能和测速发电机的线性化精度，如果测速环精度受到干扰，由于反馈控制规律只能消除前向通道上的各种干扰，而无法消除反馈支路上的干扰。
因此测速的精度对于转速外环的控制精度非常的重要。
本设计采用模拟电路实现两个调节器的功能，当然也可以采用数字控制系统，并且数字控制系统的控制精度要比模拟控制系统的控制精度要高。
但是模拟控制系统的结构简单，而且便于理解其控制规律，转速调节器和电流调节器都采用模拟电路里面的有运放组成比例积分控制电路组成，这样的控制器原理都是很容易理解的，而且也便于工程调试和使用。
本设计分一下几个部分，首先概要介绍晶闸管组成的三相桥式整流电源及其控制电路，第二部分介绍转速和电流组成的系统的静态特性，第三部分介绍整个系统的动态性能，包括一些基础的典型ⅠⅡ型系统和典型Ⅱ型系统。
第三部分则是根据典型系统的要求来设计的各个环节的工程参数。
直流调速系统的广泛应用使得对其控制理论的研究已经非常成熟，出现了各种各样的控制系统，例如斩波控制方式，H桥可逆控制方式，以及PWM控制方式。
但是转速电流双闭环控制由于其经过工程实践的检验，并且其控制系统的设计方法已经很成熟，并且被广泛的应用在其他的调速系统之中，典型的PI 控制规律也容易本大多数人所理解。
2电机的供电电源三相桥式整流电源本设计的直流电机采用调节电源电压的方法来调节电机的转速，三相桥式整流电路能够满足这样的要求，采用集成触发电路可以实现对输出电压的线性控制，并且三相桥式整流桥的带负载能力很强，串接电抗器以后可以实现电流连续并且无脉动。
该电路的主电路部分如图1所示。
该电路有六个晶闸管组成，组成三相六脉波整流电路，当负载是直流电机时还需要添加电抗器来保证负载电流的连续不然电机机械特性会比较软，而且带负载能力不强，突加负载时会造成电机的瞬间停转，进而产生不必要的损害。
该电路采用相位控制的方式来调节输出电压，现在已经有各种各样的相位触发控制电路用于晶闸管的控制，为了满足线性控制精度的要求，本电路采用集成相位触发控制器件，KJ004和KJ041，这两个芯片采用直流电压控制相位的方法，可以实现线性控制，其相关原理可查阅相关资料。
由三个KJ004和一个KJ041组成的相位触发控制电路如图2图1三相桥式电路至VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6图2相位触发控制电路整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时，可以吧晶闸管触发和整流装置当做系统中的一个环节来看待。
应用线性控制理论时，须求出这个环节的放大系数和传递函数实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。
如有可能最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，级Ud=f(Uc)曲线，图3是采用锯齿波触发器移相时的特性。
设计师，希望整个调速范围的工作点都落在近似线性范围之中，并有一定的调节余量。
这时，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定，计算方法是如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。