电流调节器设计举例
2线式电流调节器
2线式电流调节器本设计实例是一个2线式电流调整器(图1)，它在性能和器件数目之间达到了很好的平衡。
通过使用三个晶体管、三个电阻和一个LED灯，可实现很好的调整效果(在大部分电压范围内精确度好于1%)、较低的工作电压(通常为1.2V)，以及比简单度相同的其他电路更抱负的温度系数(0.07%/K)。
它可在从几十毫安到几安的电流范围下运行。
要找到合适的器件并不困难，例如，LM10可用来制作性能更高的电路，但该IC没有许多厂商可供货，因此很可能消失停产。
图1：2线式电流调整器。
红外LED用作约1.05V的基准，由自举电流源Q1驱动。
Q2和Q3形成主电流调整器。
R1供应启动电流，R2设定参考电流的大小，R3设定流过Q2的电流，其掌握流过调整器的99%的电流。
在启动时，R1的全部电流流入Q3的基极，其反过来使Q1和Q2导通，从而为Q3供应更多电流。
这一状况将持续到D1开头导通且R3的电流形成足够电压来开头关闭Q3，从而产生负反馈。
由于Q3调整Q2的电流，它也调整Q1的电流-其获得相同偏置，但其放射极电阻R2将电流缩小。
此时，Q1和Q2的电流将稳定在R3或R2(较小程度上)所设定的值上。
维持Q1电流恒定要求其热耦合到Q2，由于Q2将耗散掉电路内大部分功率。
实现这一点最简单的方式是Q1和Q2采纳相同的晶体管，并将Q1和Q2通过螺栓固定在散热器两边。
此外，还可将Q1黏附在Q2上。
在低电流状况下，可选用一个双晶体管。
第四种选择是放弃热跟踪，通过降低R1来进行补偿。
由于Q2的耗散功率将是电压的函数，这使Q1的电流降低也为电压的函数，从而可以通过R1进行补偿。
但是，全部四种方法将在电源突然发生变化时导致热瞬变，最终一种方法造成的热瞬变幅度最大且时间最长。
Q2的电流由D1的电压和Q3的VBE(通常为0.3V～0.4V)之间的差值除以R3，即(VD1-VBE)/R3设定。
D1正向电压的温度系数几乎与Q3的相同(相差0.25mV/K)，从而使调整器的总温度系数约为0.07%/K。
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 。
电流环调节器设计过程
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 sK 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 sK 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 fτ==，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。
直流电动机的转速调节器和电流调节器设计毕业设计
摘要转速、电流双闭环控制的直流调速系统是性能很好的直流调速系统，更是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统，它具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以在电力传动系统中得到了广泛的应用。
基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路，调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。
本论文首先确定整个设计的方案和框图；然后确定主电路的参数以及框图中所需的电动机参数；本论文的重点设计是直流电动机的转速调节器和电流调节器的设计，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，在直流调速系统起动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，只要转速负反馈，二者之间实行串级联接。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。
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都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统就能获得良好的静、动态性能。
最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，使其满足工程设计参数指标。
关键词：电力传动；双闭环；直流调速系统；电流调节器；转速调节器AbstractSpeed, current double closed loop control of DC speed regulation system is a very good performance of the DC motor speed control system, is also a kind of wide applications, economic, applicable to electric drive system, it has a wide speed range, high precision, good dynamic performance and easy to control, is all kinds of AC, DC electric drive automatic control system important basis, so in electric drive automatic control system has been widely used. Based on the design of the subject, the DC motor speed controller, the speed, current double closed loop speed control circuit, control system's main circuit adopts a three-phase full-bridge controlled rectifier circuit to supply power. This paper firstly determine the whole design scheme and block diagram; then to determine the parameters of the main circuit and the block diagram of the desired motor parameters; the focus of this paper is the design of DC motor speed regulator and current regulator design, respectively, to adjust the speed and current, which are respectively introduced into the speed negative feedback and current negative feedback, in DC control system start process only the current negative feedback, to achieve steady speed, as long as the speed negative feedback, two between implementation of cascade connection. From the closed loop structure, the current loop on the inside, known as the inner ring; the speed loop outside, called outer ring. This form of speed, current double closed loop speed regulation system. Speed and two current regulators have adopted PI regulator, the DC double loop speed control system can obtain good static, dynamic performance. Finally using the MATLAB / SIMULINK on the speed regulation system simulation and analysis are carried out, in order to meet the engineering design parameters.Key words:power transmission；double closed loop；DC speed control system；current regulator；speed regulator目录摘要 (I)Abstract (II)目录............................................................................................................................................... I II 第1章绪论.......................................................................................................................... - 1 -1.1 课题的背景、目的及意义......................................................................................... - 1 -1.2 课题研究的现状和发展趋势..................................................................................... - 1 -1.3 本课题采用的技术方案及技术难点......................................................................... - 2 -1.4 本设计的主要研究内容............................................................................................. - 3 -1.4.1 建立系统的数学模型...................................................................................... - 3 -1.4.2 经典控制部分.................................................................................................. - 3 -1.4.3仿真部分........................................................................................................... - 3 - 第2章双闭环调速系统的工作原理及数学模型.............................................................. - 4 -2.1 系统的参数测定......................................................................................................... - 4 -2.2 双闭环调速系统的工作原理..................................................................................... - 6 -2.2.1 转速控制的要求和调速指标.......................................................................... - 6 -2.2.2 调速系统的两个基本矛盾.............................................................................. - 7 -2.2.3 调速系统的双闭环调节原理.......................................................................... - 8 -2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析.................................................................. - 9 -2.2.5动态性能和转速、电流两个调节器的作用................................................. - 11 -2.3晶闸管—电动机主电路的设计................................................................................ - 12 -2.4 主电路参数计算....................................................................................................... - 13 -2.5 主电路的过电压和过电流保护............................................................................... - 14 -2.5.1 过电压保护.................................................................................................... - 14 -2.5.2 过电流保护.................................................................................................... - 14 - 第3章按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器.................. - 15 -3.1设计要求.................................................................................................................... - 15 -3.1.1基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）............................................. - 15 -3.1.2 设计指标........................................................................................................ - 16 -3.1.3 工程设计方法的基本思路............................................................................ - 16 -3.2电流调节器额定设计................................................................................................ - 17 -3.2.1电流环动态结构图的简化............................................................................. - 17 -3.2.2电流调节器结构的选择................................................................................. - 18 -3.2.3 电流调节器参数的计算................................................................................ - 19 -3.2.4电流环的动态性能指标................................................................................. - 20 -3.3转速调节器的设计.................................................................................................... - 21 -3.3.1电流环的等效闭环传递函数......................................................................... - 21 -3.3.2转速环的动态结构图及其近似处理............................................................. - 21 -3.3.3 转速调节器结构的选择.............................................................................. - 22 -3.3.4 转速调节器参数的计算................................................................................ - 24 -3.3.5 转速环的抗扰性能指标................................................................................ - 26 -3.4电流环、转速环开环对数幅频特性的比较............................................................ - 27 - 第4章调速系统性能指标的数字仿真.............................................................................. - 29 -4.1 基于工程设计的数字仿真....................................................................................... - 29 -4.2 时域分析................................................................................................................... - 30 - 参考文献.................................................................................................................................. - 31 - 结束语...................................................................................................................................... - 32 - 致谢.......................................................................................................................................... - 33 -第1章绪论1.1 课题的背景、目的及意义20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。
解电流调节器的设计样本
运动控制系统期中考试电控学院自动化0905贺奎（）解： 电流调节器设计 （1） 拟定期间常数1）整流装置滞后时间常数。
三相桥式电路平均失控时间=0.0017s 。
2）流滤波时间常数。
据题意给定=0.002s 。
3）电流环小时间常数之和。
按小时间常数近似解决=S T +oi T =0.0037s 。
4）电磁时间常数。
5）电力拖动系统机电时间常数。
因此（2）选取调节器构造依照设计规定,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，因而可用PI 调节器。
传递函数为。
检核对电源电压抗扰性能：,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：。
电流环开环增益：规定时，应取,因而于是，ACR 比例系数为（4）校验近似条件 电流环戒指频率：1）校验晶闸管整流装置传递函数近似条件满足近似条件2）校验忽视反电动势变化对电流环动态影响条件满足近似条件3）校验电流环小时间常数近似解决条件满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容取取40取0.75取0.2转速调节器设计（1）拟定期间常数1）电流环等效时间常数。
,则2）转速滤波时间常数。
依照题意。
3）转速环小时间常数。
按小时间常数近似解决，取（2）选取转速调节器构造按照设计规定，选用PI调节器，其传递函数为（3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好原则，取h=5,则ASR超前时间常数为转速环开环增益ASR比例系数为（4）检查近似条件转速环截止频率为1）电流环传递函数简化条件满足条件2）转速环小时间常数近似解决条件满足条件（5）计算调节器电阻电容取取470取0.2取1（6）校验转速超调量①②联立①②得符合设计规定综上所述触发电路控制电压Uk输出电路和反馈电路某些电路电源某些整流某些和反馈电路某些电路整流各元件同步电压Port5所接晶闸管晶闸管VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6Port4所接同步电源-usc Usb -usa Usc -usb usa系统构造框图为一、原理图实现直流调速系统原理：（1）通过实验调节RP3使得电流反馈系数即电流反馈电压与电枢电流之比为0.05（2）通过实验调节RP2使得转速反馈系数即转速反馈电压与转速之比为0.007（3）通过实验调节R1和C1，使得触发电路R1和C1构成一种滞后/3滤波电路，这样由于余弦交点触发电路输出相位与控制电压成比例关系，从而控制整个整流电路触发，从而控制电机转速（4）接下来就是电机控制运营当电机刚启动时，由于电机转速变化很慢，几乎等于0，此时转速环饱和，电流环起作用，且电流环给定达到最大值，使得电枢电流达到最大值，此时得到最大转速加速度，电机以定加速度上升直至转速达到n最大值，此时，电动机仍旧由于转速环是积分环节使得电动机仍加速，当转速超过给定值时，转速环节输入偏差为负，使它退出饱和，电枢电流不久下降，此时电流环节饱和，转速环起作用。
双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计
纲要双闭环直流调速系统课程设计纲要：这份课程设计实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果能够准确直观的察看转速 - 电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各样不一样的调理器参数及控制策略并剖析其多系统性能的影响，获得了很好的成效。
进一步解决限流问题，独一的门路就是对电流也推行反应控制，问题是如何办理好转速控制和电流控制之间的关系。
经过频频研究和实践，终于发现，假如在系统中设置两个调理器，分别调理转速和电流，二者之间推行串连连结，即以转速调理器的输出作为电流调理器 ACR的输入，再用电流调理器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调理作用就能相互当合，相辅相成了。
重点词：双闭环直流调速系统；不行逆系统；直流电动机； MATLAB；仿真；课程设计目录一目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 二已知条件及控制象的基本参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 三要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 四方法及步⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 Ⅰ 用工程方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 （ 1）系的一般原⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 （2）流器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 （3）速器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 5 Ⅱ 用西子器最正确整定法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 （1）流的校订⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 （2）速的校订⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 Ⅲ 两种方法的剖析与比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 五心得⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 六参照文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12一、设计题目：双闭环V-M 调速系统中主电路电流调理器及转速调理器的设计二、已知条件及控制对象的基本参数：（ 1 ）已知电动机参数为：p nom=3kW， U nom =220V，I nom，n nom=1500r/min ，电枢绕组电阻R a， GD2 N m2。
电流、转速双闭环调节器设计
设计题目1：电流、转速双闭环调节器设计设计内容：1.转速调节器ASR 及电流调节器ACR 的设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成触发电路设计4.主电路及其保护电路设计设计要求：1.转速调节器ASR （%5≤n σ）；2.电流调节器ACR （%5≤i σ）设计题目2：单闭环交流电机调压调速系统设计内容：1.实现交流电动机调压调速系统2.实现交流电动机开环调速3.实现交流电动机的闭环调速设计要求：1.交流电动机开环调速（n≤1500rpm ）2.交流电动机闭环调速（n≤1000rpm ）3.用MATLAB 软件进行仿真设计题目3：基于矢量控制的PMSM 高性能伺服调速系统设计内容：空间电压矢量的宽调制技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。
而PMSM 矢量控制系统采用C 语言Q 格式编程技术使系统达到较高的性能指标，位置环30000个脉冲给定值（电机转3圈），调节时间为0.15s 。
设计要求：1.了解空间矢量脉宽调制原理。
2.了解永磁同步电机（PMSM ）。
3.掌握基于矢量控制的PMSM 高性能伺服调速系统的设计方法。
设计题目4：绕线式异步电动机串级调速系统设计设计内容：本设计主要内容是绕线式异步电动机的串级调速系统主电路和触发电路的设计。
其中主电路的设计包括可控整流电路、不可控整流电路和逆变变压器；触发电路主要包括KC 系列的移相触发电路和ULN2003。
考虑到系统运行时可能出现的问题，相应的设计了系统的保护电路。
设计要求：1.设计串级调速主电路；2.选择和设计串级调速触发电路；3.针对过电压、过电流产生的原因采取恰当的保护措施，设计合适保护电路。
设计题目5：无刷直流电机的数学建模与仿真设计内容：掌握无刷直流电机的工作原理，掌握无刷直流电机的数学建模方法设计要求：1.完成MA TLAB 中simulink 环境下无刷直流电机的双闭环控制系统的仿真设计题目6：转速、直流双闭环调速系统设计内容：主电路采用三相可控晶闸管整流电路，整流装置采用三相桥式电路，用PI 调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压进行调速，学会使用MA TLAB 软件的使用。
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
-
按工程设计方法设计双闭环系统的调节器(转速调节器和电流调节器)
Id=Idm n=n*
在ASR退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，其结构图如图2-26b。描述系统的微分方程和前面分析线性系统跟随性能时完全一样，只是初始条件不同了。
图2-26b
分析线性系统跟随性能时，初始条件为
3）小惯性环节近似处理
Ts和T0i一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为
T∑i=Ts+Toi（2-55）
简化的近似条件是什么？
（2-56）
2.
电流调节器结构的选择
典型系统的选择
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-23c可以看出，采用I型系统就够了。
转速超调量不是按线性系统规律的超调，而是经历了饱和非线性区域之后的超调。可以称作“退饱和超调”
3
有关“退饱和超调”的分析p84-85
退饱和超调量显然会小于线性系统的超调量，但究竞是多少，要分析饱和非线性的动态过程才能知道。
对于这一类非线性问题，可采用分段线性化的方法，按照饱和与退饱和两段，分别用线性系统的规律分析。
1确定时间常数
2选择转速调节器结构
3计算转速调节器参数
4检验近似条件
5计算调节器电阻和电容
6校核转速超调量
例2-3
解:
2.系统设计原则
系统设计的一般原则--“先内环后外环”从内环开始，逐步向外扩展。
在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
Q1
电流调节器的设计
设计分为以下4个步骤：
1.电流环结构图的简化
直流双闭环逻辑无环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计
直流双闭环逻辑无环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计某钻床直流双闭环逻辑无环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计为某钻床设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。
已知系统中直流电动机主要数据如下：直流电动机：2KW，220V，136A，1460 r/min，Ce=0.132，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：Tl=0.03，Tm=0.18；电流反馈系数：β=0.05V/A（?10V/1.5In）；转速反馈系数：α=0.007 min/r（?10V/ nn）。
设计电流调节器，要求电流超调量σi%?5%,要求转速无静差，空载起运到额定转速时的转速超调量σn%?10%。
按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。
钻床是具有广泛用途的通用性机床，可对零件进行钻孔、扩孔、铰孔、锪平面和攻螺纹等加工。
通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。
在实际生产中，有许多生产要求既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地启动和制动。
逻辑无环流直流调速系统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态性能和能量利用率。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
因此，我们选择这样的系统不仅可节省成本，而且增强了系统的可靠性。
转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统，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。
转速、电流调速系统可以实现在允许条件下的最快起动，可以再保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。
这就是逻辑控制的无环流系统。
电路电流调节器及转速调节器的设计20220525
电路电流调节器及转速调节器的设计20220525一、设计题目双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计二、具体内容（1）主回路及其保护系统的设计；（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；三、已知条件及直流电机相关参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，电枢电阻Ra=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；晶闸管装置T=0.00167，放大系数K=40；平波电抗器：电阻RP0.1、电感LP4mH；电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5N·m2；电流调节器最大给定值Uim=10.2V，转速调节器最大给定值Unm=10.5V；电流滤波时间常数Toi=0.002，转速滤波时间常数Ton=0.01。
设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量i5%；空载启动到额定转速的转速超调量n10%。
四、设计要求1.写出设计说明书，内容包括（1）各主要环节的工作原理；（2）整个系统的工作原理；（3）调节器参数的计算过程。
2.画出一张详细的电气原理图3.采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。
将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。
五、参考文献1．阮毅，陈维钧．运动控制系统．清华大学出版社，20062．陈伯时．电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第3版）．机械工业出版社，20033．童福尧．电力拖动自动控制系统习题例题集．机械工业出版社，19934．尔桂花，窦曰轩．运动控制系统．清华大学出版社，20025．廖晓钟，刘向东．自动控制系统．北京理工大学出版社，20056．曾毅．现代运动控制系统工程．机械工业出版社，20067．余发山等．自动控制系统．中国矿业大学出版社，20058．黄俊，王兆安．电力电子变流技术（第3版）．机械工业出版社，20019．李华德等．电力拖动控制系统（运动控制系统）．电子工业出版社，2006六、考核方式考核方式分为课程设计报告和答辩。
转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
(2-32)
典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性
L / dB
––4400dB/dec
h
中频宽度
20lg K
0
=1
1
1
-–2200dB/dec
c
/ s-1
2
1 T
-–4400dB/dec
图2-16 典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性和中频宽
N (s)
b)
1 W1 (s)
典型I型系统
W2 (s)
C(s)
由于抗扰性能与 W1(s) 有关，因此抗扰 性能指标也不定，随着扰动点的变化而变 化。在此，我们针对常用的调速系统，分 析图2-16的一种情况，其他情况可仿此处 理。经过一系列计算可得到表 2-3 所示的 数据。
表2-3 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 (控制结构和扰动作用点如图2-15所示，已选定的参数关系KT=0.5)
m T1 T
1
1
1
1
T2 T2
5
10
20
30
Cmax 100% Cb
55.5%
33.2%
18.5%
12.9%
tm / T
2.8
3.4
3.8
4.0
tv / T
14.7
21.7
28.7
30.4
分析结果
由表2-3中的数据可以看出，当控制对象 的两个时间常数相距较大时，动态降落减 小，但恢复时间却拖得较长。
2.3.5 典型II型系统性能指标和参数的关系
可选参数： 在典型II型系统的开环传递函 数式(2-10)中，与典型 I 型系统相仿，时间 常数T也是控制对象固有的。所不同的是，
待定的参数有两个： K 和 ，这就增加了
运动控制期中作业
运动控制期中作业电气与控制工程学院自动化1102班李珂1106050220电流调节器的设计：（1） 确定时间常数：1） 给定PWM 开关频率为5KHz ，整流装置滞后时间常数Ts ，Ts=1/f=1/5000=0.0002s2） 电流滤波时间常数Toi ，取Toi=0.002s=2ms 。
3） 电流环小时间常数之和T ∑i 。
按小时间常数近似处理，取T ∑i =Ts+Toi=0.0022s 。
（2） 选择电流调节器结构：根据设计要求σi ≦5%，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ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，其传递函数式：W ACR (S)= iSiS Ki ττ)1(+。
检查对电源电压的抗扰性能：T l /T ∑=0022.002.0≈9.1，参看表3‐2的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，都是可以接受的。
（3） 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：τi=T l =0.02s电流环开环增益：要求σi ≦5%时，根据表3-1，应取K I T ∑i =0.5，因此K I =∑T 5.0=0022.05.0s -1≈227.27 s -1于是ACR 的比例系数为 Ki=βτKs RK i I K I =227.27 s -1 τi =0.02s R=0.5Ω λ=1.5所以最大允许电流为：I dm =1.5×I nom =204A,给定U im *=10V , 则β=dm im I U *=20410≈0.05取晶闸管放大系数Ks=40将以上数据带入Ki 公式内即可求出Ki ≈1.136 (4) 检验近似条件电流环截止频率: ωci =K I =227.27 s -11) 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件: W ci ≤sT 31s T 31=0002.031⨯ s -1≈1666.7 s -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的条件：ωc i ≧3lm T T 1 3l m T T 1=3×02.01⨯m TT m =me C C RGD 3752 C e =n R I U d d -0=0.132 C m =π30 C e =1.26T m =me C C RGD 3752≈0.183l m T T 1=3×02.018.01⨯=50＜ωci 满足近似条件 3） 检验电流环小时间常数近似处理条件 ωci ≤31ois T T 131oi s T T 1= 31×002.00002.01⨯ s -1≈527.046 s -1＞ωci 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下图示，按所运用放大器取R 0 =40K Ω,各电阻和电容值计算如下：R i =K i ×R 0 =1.136×40=45.44K Ω 取45K ΩC i =Riiτ=0.44×10﹣6 F=0.44υF 取0.44υFC oi =04R Toi⨯=0.2×10﹣6 F=0.2υF 取0.2υF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为σ％=4.3％＜5％ 满足设计要求含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器电路图：MATLAB 仿真及仿真结果转速调节器的设计：（1） 确定时间常数：1）电流环等效时间常数1/K I 。
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
造纸机转速电流双闭环直流调速系统调节器设计
造纸机转速电流双闭环直流调速系统调节器设计第一章转速、电流双闭环直流调速系统—主电路设计（一）转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统ASR---转速调节器ACR---电流调节器ZYS---测速发电机TA---电流互感器UPE---电力电子变换器Ugn---转速给定电压Ufn---转速反馈电压Ugi---电流给定电压Ufi---电流反馈电压为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。
二者之间实行嵌套连接，如图所示。
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。
（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：双闭环直流调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图中还表示了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Ugim决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
（三）1. 转速、电流双闭环直流调速系统的稳态结构图2. 转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构图（四）静特性及稳态参数之间的关系1、静特性2、稳态参数之间的关系Ugn的大小决定了电动机稳态转速n的大小;Idl的大小决定了转速调节器ASR稳态输出Ugn的大小。
由下式可知：Ugi和Idl的大小决定了电流调节器ACR稳态输出Ua的大小。
3、α、β的确定公式：（五）转速、电流双闭环调速控制系统的动态性能及其仿真电流上升阶段为“Ⅰ”阶段。
电流调节器设计举例
晶闸管装置放大系数Ks =40。
双闭环直流调速系统设计举例例题2-1 :某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置米用二相桥式电路，基本数据如下:直流电动机：220V、136A、1460r / min, Ce=0.132V • min/ r,允许过载倍数入=1.5电枢回路总电阻R= 0.5 时间常数兀二珏忑二°任电流反馈系数 3 =0.062V/A (3 - 10V/1.5I N)试按工程方法设计电流调节器，设计要求如下要求稳态指标：电流无静差；动态指标：电流超调量5 %。
双闭环直流调速系统结构图如下I nn *i iT oi S+Ton s+i双闭环直流调速系统电流环的设计1 •确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控时间T s=0・0 017s电流调节器设计举例(2)电流滤波时间常数兀：三相桥式电路每个波头的时间是3. 33ms,为了基本滤平波头，应有(I〜2)匚=3. 33ms,因此取匚=2ms= 0.002s 。
(3)电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取匹：'厂'=0.0037s。
2.选择电流调节器结构根据设计要求：玉三5%,而且0.030.0037=8.1K 10因此可按典型1型系统设计。
电流调节器选用PI型，其传递函数为3 •选择电流调节器参数ACR超前时间常数：6 =兀=0.03s电流环开环增益：要求=5%时，应取匚二=0.5因此7于是，ACF的比例系数为=0.S17 4 •校验近似条件电流环截止频率出二也』=[s-1(1)晶闸管装置传递函数近似条件叫V 空h 丁-------------------- =]9焉.] 1 门】现在.■-二s＞叫满足近似条件a b川 2L>1心2fl丄工工工忌现在，佔5—40恐打池％=20.0017：：＜ 0.002 7"' g(2) 忽略反电动势对电流环影响的条件:满足近似条件。
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双闭环直流调速系统设计举例
例题2-1：某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：
直流电动机： 220V、 136A、 1460r／min，Ce=0.132V﹒min／r，允许过载倍数λ=1.5。
晶闸管装置放大系数Ks =40。
电枢回路总电阻R＝0.5
时间常数
电流反馈系数β=0.062V／A（β≈10V/1.5I N）
试按工程方法设计电流调节器，设计要求如下
要求稳态指标：电流无静差；
动态指标：电流超调量＜5％。
双闭环直流调速系统结构图如下
双闭环直流调速系统电流环的设计
1．确定时间常数
(1)整流装置滞后时间常数Ts。
三相桥式电路的平均失控时间 T s=0.0017s。
（2）电流滤波时间常数
三相桥式电路每个波头的时间是3．33ms，为了基本滤平波头，应有（l～2）=3．33ms，
因此取=2ms＝0.002s。
（3）电流环小时间常数；按小时间常
数近似处理，取＝0.0037s。
2．选择电流调节器结构
根据设计要求：5％，而且
因此可按典型1型系统设计。
电流调节器选用PI型，其传递函数为
3．选择电流调节器参数
ACR超前时间常数：== 0.03s。
电流环开环增益：要求5％时，应取
＝0.5因此
于是，ACR的比例系数为
4．校验近似条件
电流环截止频率s-1（1）晶闸管装置传递函数近似条件
﹤
现在= s-1>
满足近似条件
（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：
；
现在，=
满足近似条件。
（3）小时间常数近似处理条件：
=
满足近似条件。
5. 计算调节器电阻和电容
取R。
＝40，各电阻和电容值计算如下
，取32
, 取0.75
=0.2 取0.2
按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：σi％＝4.3％＜5％，满足设计要求。