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
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
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。
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。
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。
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。
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一、实验目的1．了解转速、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。
~FBCFASWTA RgLIdRMGSL DZSSG GUn*ASRUi*UiACRGTUcVTUd0AMSF 220VUnFBSTG实验图2-1 转速、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*变转速给定电压Un可方便地调节电动机的转速。
速度调节器ASR、电流调节器ACR 均设有*限幅电路，ASR的输出Ui*作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅Uim起限制起动电流的作用；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。
min的**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*速起动，直到电动机转速达到给定转速(即Un?Un)并出现超调，使ASR退出饱和，最后稳定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。
三、实验设备及仪器 1.主控制屏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起始移相控制角，检查和调整ASR、ACR，整定其输出正负限幅值。
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.研究电流环和转速环的动态特性，将系统调整到可能的最佳状态，画出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
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”
3.1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。
转速电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性ppt课件.ppt
稳态时 ：两个调节器均不饱和（输入偏差为零，偏差的积分使调节器
有恒定的电压输出，输出没有达到饱和值）
n
U
* n
n0
U n * U n n n 0 ,
ASR饱和时 : U*i = U*im，
Id
Ui*m
Idm
反馈系数：
U
* nm
n max
U
* im
I dm
U i * U iI dL
• 双环系统PI调节器的特点：
ASR饱和(AB段)：当负载电流达到Idm时，对应于转速调节 器的饱和输出Uim*，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。
比较：电流截止负反馈。
cf：带电流截至，转速负反馈无静差直流调速系统的静 特性，Idcr和IdbL均小于Idm
5、双环系统稳态参数计算
• P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器未饱 和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器 输入为零，才停止积分。
• PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到 达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由 它后面环节的需要决定的。稳态时：
ASR的输出： Ui* Id
篮球比赛 是根据 运动队 在规定 的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
解： （1）电流反馈系数 β=0.25V/A，
转速反馈系数 α=0.01V.min/r。 （2）当电动机在最高转速发生堵转时，看稳态结构图。
转速为0，ASR饱和，Ui*= Uim*=10V。 E为0，Ud0-IdR=0，此时Id=Idm=40A，R=1Ω 所以Ud=40V。Ks=40，Uc=1V Ui= Idmβ=10V。
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运动控制系统期中作业电气与控制工程学院自动化1102王颖琪1106050219稳态参数计算：额定转速下的给定电压值：U n *=n 0α=αn nom =0.007*1460=10.22v U U i i =*=βI d =0.05*136=6.8v 电流调节器的限幅值：U c=KI U c sdl eRn +÷*α=8.69v根据稳态参数可取V U nm 10= V U im 10= 所以： α≈nUnmmax=0.007 β=IdmUim=0.05v/A 132.00=-=nR I UC d d e假设Ks=30动态参数计算：电流环的设计（1）确定时间常数a.整流装置滞后时间常数T s .假设HZ f 7000=，所以T s s 00014.0=b.电流滤波时间常数T oi . 单相桥式电路每个波头的时间是10ms ，三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ，为了基本滤平波头，可取T oi =2ms=0.002s.c.电流环小时间常数之和Ti∑.按小时间常数近似处理，取Ti∑.=T S +T oi =0.00214s(2)选择电流调节器结构根据设计要求δi ≤5%，可按典型I 型系统设计电流调节器。
电流环的控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器，其传递函数为： W(s)=ss Ki ii ττ)1(+(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：τi =T l 02.0==RL电流环开环增益：要求δi ≤5%，所以取K I *T i ∑=0.5,因此：K I =Ti∑5.0≈233.6s-1于是，ACR 的比例系数为：βτK K K si Ii R ==1.5576 （4）校验近似条件电流环截止频率：ωci =K I =233.6s-1a.校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：Ts 31=00014.031*≈2380.95s-1>ωci 满足近似条件b.校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： TT lm13*≈48.84s-1<ωci 满足近似条件c.校验电流环小时间常数近似处理条件：TT oiS131*s 194.629-≈>ωci 满足近似条件（5)计算调节器的电阻电容，按所用运算放大器取K R 400=,各电容和电阻值计算如下：uF uF F K RT CRC RK R oioi iii ii2.040000008.0432.032.06200002.0304.62405576.10610====⨯===Ω=⨯=*=-τ所以:uFuF K CCR oiii 2.032.062==Ω= 故得SS W ACR 02.0)102.0(5576.1+=按照上述参数003.4=δi，满足设计要求 。
转速调节器设计 （1）确定时间常数 a.电流环等效时间常数KI1.已知5.0=∑T K i I ，则KI1=00428.02=∑T i S.b.转速滤波时间常数T on 。
根据所用测速发电机纹理情况， S T on 01.0=转速环小时间常数T n ∑。
按小时间常数近似处理，取sT KT on In 01428.01=+=∑（2）选择转速调节器结构按照设计要求，选择PI 调节器，其传递函数=)(s W ASR ss Kn nn ττ)1(+（3)计算转速调节器参数按跟随性和抗扰性都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为：s h T n n0714.001428.05=⨯==∑τ转速环开环增益：s T h K n h N 22247.58821-≈∑+=ASR 比例系数为：97.142)1(≈+=∑T T C Knme nR h h αβ（4）检验近似条件转速环截止频率s K n N cn 101.42-≈=τωa.电流环传递函数简化条件s TK iI113.11000214.06.2333131-∑≈=>ωcn满足简化条件b.转速环小时间常数近似处理条件s TK onI194.5001.06.2333131-≈=>ωcn满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容 取R 0=40K,则uF uFK RT CR C RK R on onnnn nn14000004.0412.0599*******.08.5984097.140===≈==Ω=⨯==τ所以：uFuF K CCR onnn 112.0599==Ω= (6)校验转速超调量00max5.6))((2≈-∆=∑*∆TTn n CC mn Nbi z λσ<0010所以设计满足要求。
ss s W ASR 0714.0)10714.0(97.14)(+=晶闸管的选型：选择晶闸管主要是选择它的额定电压U TM 和额定电流I T 。
对于本设计采用的是三向桥式PWM 逆变电路，晶闸管按1至6顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受因素，还要放宽2—3倍的安全系数，则晶闸管额定电压U TM 的计算结果为：MATLAB 仿真（1）电流环的仿真设计 仿真模型：仿真结果：（2）转速环仿真设计转速环空载仿真模型：仿真结果：转速环满载仿真模型：仿真结果：转速双闭环直流调速系统的硬件电路设计（1）桥式可逆PWM变换电路本次设计采用桥式可逆PWM变换电路供电，电动机两端电压的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。
桥式可逆PWM变换电路如下图：（2）含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器如下图所示（参数标注在图上)（3）含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如下图所示（参数标注在图上）（4）给定及偏移电源此电路用于产生15V电压作为转速给定电压以及基准电压。
（5）信号产生电路电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS(固定频率开关电源)提供全部控制电路系统的控制单元。
由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达1000KHZ,适宜构成100-500W中功率推挽输出式开关电源。
SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。
由SG3524构成的基本电路如图所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。
9脚是误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。
12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节11 、14引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。
SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V的工作电压和基准电压,振荡器先产生0.6V-3.5V的连续不对称锯齿波电压,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。
振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器CT和外接电阻器RT决定,其值为:f=1.15/RTCT。
考虑到对CT的充电电流为(1.2-3.6/RT一般为30μA-2mA),因此RT的取值范围为1.8kΩ~100kΩ,CT为0.001μF~0.1μF,其最高振荡频率为300kHz。
开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压,送至PWM比较器的一个输入端,另一个则接锯齿波电压,由此可控制PWM比较器输出的脉宽调制信号.SG3524管脚构成的电路图：（6）转速检测电路转速检测电路与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压Un*相比较后，得到转速偏差电压Un输送给转速调节器。
测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如上图所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数（7）总电路设计图：双闭环直流调速系统的工作原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器转速和电流，两者之间实行串联连接。
把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去驱动PWM供电电路的触发装置。
从闭环结构上看，电流调节器在闭环里，叫内环。
转速调节器在外面，叫外环。
这样就构成了转速，电流双闭环直流调速系统。
如总电路图所示的直流调速系统的原理给定及偏移电源产生15V电压作为转速给定电压，从而使转速调节器产生输出。
把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去驱动由SG3524控制的桥式可逆PWM变换电路对电动机进行供电。
然后通过电流环和转速环的反馈调节和PI调节达到电机调速的目的。
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