双闭环直流调速系统特性与原理.doc

直流电动机具有良好的起动、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。从控制的角度来

看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终

消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转

速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负

载电流。并通过 Simulink 进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速

系统的特性。

自 70 年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称 KZ—D 调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中 KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有

各自优点的同时也存在着不同的局限性。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一

种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能

力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环

的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对

系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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。在单闭环系统中，只有电流截止至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，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保

持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到

达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的

条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、

金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制

回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电

路又包括转速检测和电流检测等部分。

双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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。在单闭环系统中，只有电流截止至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，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电

力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转

速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动

过程。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧

钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需

要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

全数字直流调速装置与早先的模拟直流调速装置相比较，全数字直流调速装

置具有不可比拟的优越性，最显著的特点是：工作可靠、速度控制精度高，并

且不受环境温度等条件的影响、系统还具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，这样就给用户的使用、维护提供了极大的方便。而且随着技术发展及大批量生产，全数字直流调速装置的价格已经大幅度下降，与模拟直流调速装置相比较已相差无几，所以在短短的几年内全数字直流调速装置几乎取代了模拟直流调速装置。

目前，在直流调速方面 IGBT一电动机调速系统已发展得很成熟，但脉冲宽度调制 (PWM)直流调速系统与之相比有着许多无可比拟的优点，因而具有相当广阔的发展前景。

目录

第一章：双闭环直流调速系统特性与原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 双直流速系的成与原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1

双直流速系的静特析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1

双直流速系的构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3

第二章：双闭环直流调速系统的数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 双直流速系的数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4

器的具体⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4

速度的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 6

双直流速系仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第三章：直流闭环PI 调速控制系统的设计与仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 系控制系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9

直流机 PI 速控制系的建模与仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14

速、流反的双直流速装置步⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 21

附⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22 参考献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯23