转速、电流双闭环电机直流调速

第一章绪论

1.1 直流调速概念

直流调速[1]是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

1.2 直流调速系统的发展史

直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁场回路电阻实现有级调速。1930年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M和直流发电机G构成，简称G—M系统），以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。但这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。1957年晶闸管问世后，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、可靠性和经济性不断提高，在20世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。今天正在逐步推广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。直流传动之所以经历多年发展仍在工业生产中得到广泛应用，关键在于它能以简单的手段达到较高的性能指标。例如高精度稳速系统的稳速精度达数十万分之一，宽调速系统的调速比达1：10000以上，快速响应系统的响应时间已缩短到几毫秒以下。

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。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位，其中，双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，它具有调速范围宽、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，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传动所用的电动机一直以直流电动机为唯一方式。到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单，坚固耐用的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。然而，随着生产的不断发展，调速对变速传动装置是一项基本的要求，

现代应用的许多变速传动系统，在满足一定的调速范围和连续（无级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。虽然直流电动机可以满足这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、成本、制造和运行维护方面都不及交流电动机，所以长期以来人们一直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。从60年代起，国外对交流电动机调速已开始重视。随着电力电子学与电子技术的发展，特别是电力半导体器件的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统：如串级调速系统，变频调速系统，无换向器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳速精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以四象限运行和制动，其静特性已可以与直流电动机拖动系统相媲美。国际上许多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化阶段，大有取代直流电力拖动系统的势头。

但就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：(1) 常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便；(2) 动态参数调整方便；(3) 系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性；(4) 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；(5) 可采用数字反馈来提高系统的精度；(6) 容易与上一级计算机交换信息；(7) 具有信息存储、数据通信的功能；(8) 成本较低。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，又是交流调速系统的基础，因此，应首先着重研究直流调速系统，这样才可以在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索[1]。

1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 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、电流双闭环直流调速系统的控制规律，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，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，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；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

1.4 本文的研究内容

本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

本文的主要工作：

1.掌握电机传动的工作原理及应用；

2.设计调速系统；

主要内容包括：触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计。

3.建立数学模型，计算其参数；

4.进行数字仿真，验证其设计；

5.完成相关实验。

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、 已知条件及控制对象的基本参数：

（1）已知电动机参数为：nom p =3kW ，nom U =220V ，nom I =17.5A ，nom n =1500r/min ，电

枢绕组电阻a R =1.25Ω，2GD =3.532

N m 。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻rec R =1.3Ω。平波电抗器电阻L R =0.3Ω。整流回路总电感L=200mH 。

（2）这里暂不考虑稳定性问题，设ASR 和ACR 均采用PI 调节器，ASR 限幅输出im U *=

－8V ，ACR 限幅输出ctm U =8V ，最大给定nm U *=10V ，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电

流 dbl I =2.1nom I ，临界截止电流 dcr I =2nom I 。

（3）设计指标：电流超调量δi %≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量δn ≤10%，

空载起动到额定转速的过渡过程时间 t s ≤0.5。

三、 设计要求

（1）分别用工程设计方法和西门子调节器最佳整定法进行设计，决定ASR 和ACR 结构并选

择参数。

（2）对上述两种设计方法进行分析比较。

（3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图

四、 设计方法及步骤：

Ⅰ 用工程设计方法设计

（1）系统设计的一般原则：

按照“先内环后外环” 的设计原则，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。

双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-22所示，它包括了电流滤波，转速滤波和

两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节

器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时

间常数Toi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在一直交流分量的同时，滤波环

节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间

常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延

时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用

Ton 表示。再根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton 的给定滤

波环节。

（2）电流环设计

电流环动态结构图及简化

在图2-22点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工

作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，

系统的电磁时间常数Tl 远小于几机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢

的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认

为反电动势基本不变，即dE=0.在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的

影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-23

所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中wci---电流环开环频率特

性的截止频率。

如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*(s)/β,

则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便

之处了。

最后由于Ts 和Toi 一般都比Tl 小的多，可应当作小惯性群而近似的看作一个惯性环节，

其时间常数为：

T T T

oi s i +=∑进而

1） 确定时间常数

根据已知数据得

T m =2375e m GD R C C =23.53 2.853750.13230

π????s = 0.162s 3

200100.072.85

l L T s s R -?=== 三相桥式晶闸管整流电路的平均时间0.0017s T s =，取电流反馈滤波时间常数

0.002oi T s =，可得电流环的小时间常数为

i T ∑=s T +oi T = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s

2） 选择电流调节器结构

虽然 l i T T ∑=0.070.0037

= 18.9 > 10 ，但从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，对电流超调量有较严

格要求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。

为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型I 型系统设计。电流调节器选用PI

调节器，其传递函数为：

1()i ACR i

i s W S K s

ττ+= 3） 选择电流调节器参数

积分时间常数 i τ=l T = 0.07 s 为满足δi %≤5%要求，取电流环开环增益I K 为

I K =

12i T ∑=1(20.0037)

? 1s - = 135.14 1s - 电流调节器比例系数i K 为

i K = i I s

R K K τβ=135.140.07 2.85 3.270.21837.84??=? 取调节器的输入电阻o R =20k Ω，则电流调节器的各参数为

i R =i K o R =3.27?20k Ω=60.54 k Ω，取62 k Ω

i C =i i

R τ =6

30.07106210??F μ=1.13F μ，取1F μ

oi C =4oi o

T R =5

340.002102010???F μ=0.4F μ，取0.47F μ

根据上述参数可以达到的动态指标为

δ

i %=4.3%≤5% 故能满足设计要求。

4） 校验近似条件

电流环截至频率ci ω= I K =135.141s -，晶闸管装置传递函数近似条件为 ci ω13s

T ≤

, 现 13s T 130.0017

=?1s -=196.11s ->ci ω 故该近似条件满足。

忽略反电动势影响的近似条件为 ci

ω≥，现

=1s -=28.21s -

故该近似条件满足。

小时间常数近似处理条件为 ci

ω≤，现

1s -=180.81s ->ci ω 故该近似条件满足。

（3）转速环设计

电流环经过简化后可视作为转速环中的一个环节，为此，需要求出它的闭环传递函数

Wcli （s ），忽略高次项，可由近似条件T

K w i I cn ∑≤

31，降阶近似为 ()1

11+≈K W I cli s 接入转速环内，电流环在转速环内应等效为：1

11

+s K

I β

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效为只有较

小时间常数1/I K 的一个惯性环节，这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电

流的跟随作用，这是局部闭环（内环）的一个重要功能。

转速环动态结构图及简化：

1） 确定时间常数

因 n U * = nom n α，故转速反馈系数α为

α=n nom U n *=101500

V *min/r=0.0067 V *min/r

电流环的等级时间常数为 2i T ∑=0.0074s 。取转速反馈滤波时间常数on T =0.01s ，转速环的

时间常数为

2n i on T T T ∑∑=+=0.0074s+0.01s=0.0174s

2） 选择转速调节器结构

设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如

采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似PI 调节器，按典型

II 型系统进行设计。这样的系统同时也可满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超

调量较大那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大

大降低，当近似PI 调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为

1()n ASR n

n s W S K s

ττ+= 3） 选择转速调节器参数 按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量δn %和过渡过程时间

s t 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h 值计算有关参数；否则要改变h 值重新进

行计算，直到满足设计要求为止。

当h=5时，ASR 退饱和超调量为

δn %=max (%)b C C ?2()nom n m

z n T n T λ∑*-? 式中，λ为电动机允许过载系数，按题意 λ=2.1；z 为负载系数，设为理想空载起动，则

z=0; nom n ?为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，nom n ?= nom e

I R C ；max (%)b C C ?是基准值为b C 时的超调量相对值，而b C =2()n nom m

T z n T λ∑-?。 当h=5时，max (

%)b

C C ?=81.2%，故起动到额定转速，即 n *= nom n 时，退饱和超调量为 δn =9.2%≤10%

满足设计要求。

空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR 饱和而不起调节作用，使

过渡过程时间s t 延长，s t 可表示为

s t =2t +0t

其中2t 为恒流升速时间，0t 是退饱和超调过渡过程时间。

2t =

e m nom nom

C T n R I λ=0.1320.1621500 2.85 2.117.5????s=0.31s 退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5时0t =8.8n T ∑=0.153s 。但

恢复时间是按误差为5%b C 计算的。这里b C =22K TN= 2n nom e m

RT I C T λ∑=170.4r/min ，故 5%b C = 8.5r/min 。这就是说，转速进入8.5r/min 的恢复时间为 0.153s 。但这里的恢复时间应按

转速进入5%nom n 来计算，由于5%nom n =75 r/min 〉〉8.5 r/min ，显然所需时间将远小于

0.153s ，故可忽略不计，于是s t ≈2t =0.31s 。可见，能满足设计要求。这样，就可根据h=5

选择转速调节器的参数。

ASR 的时间常数为

n τ=h n T ∑=5?0.0174s=0.087s

转速环开环增益为

2212N n

h K h T ∑+==226500.0174s -?=2396.4s - ASR 比例系数为 (1)2e m n n

h C T K h RT βα∑+==60.2180.1320.162100.0067 2.850.0174??????=8.4 如设调节器输入电阻 o R =20k Ω，则

n R =n K o R =8.4?20 k Ω=168k Ω，取160 k Ω

n C =n n R τ=8

3

0.0871016010??F μ=0.54F μ,取0.47F μ on C =4on n

T R =6

340.01102010F μ???=2F μ，取2F μ 4） 校验近似条件

转速环截止频率为

cn ω=1N

K ω=N K n τ=396.4?0.0871s - =34.51s -

电流闭环传递函数简化条件为cn ω15i T ∑≤

，现 15i T ∑=150.0037

?1s -=54.11s ->cn ω 故满足该简化条件。

小时间常数近似处理条件为 cn ω

≤，现

1s -=38.751s ->cn ω 故满足该简化条件

5）易犯错误

由例2-2知，此系统是有差系统，ASR 似乎可用比例调节器并按典型I 型系统进行设计。

这时，转速环的开环放大系数为

N K =

ASR e m W R C T αβ 根据设计指标，转速超调量要求δn ≤10%，据此可选择参数为

N n K T ∑=0.69

于是

0.690.1320.2180.1620.01740.0067 2.85

ASR W ???=??=9.7 上述设计过程的错误是：ASR 采用比例调节器，当其放大系数为9.7时，虽可满足动态

指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时

KASR=76.3，即ASR 采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR 采用PI

调节器（或近似PI 调节器）后，才能较好地解决这个矛盾。为此，当系统对稳态指标要求

较高时，即使是有差系统，ASR 仍应采用PI 调节器，并按典型II 型系统进行设计。

另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间s t 时，若查教材表2-6，当h=5时，得

s t =9.55n T ∑=9.55?0.174 s = 0.17 s

是不对的，此错误在于：教材表2-6所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它

只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后，由于ASR 饱和不再起调节作用，因此其过渡

过程时间 将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。

Ⅱ 用西门子调节器最佳整定法设计

（1）电流环的动态校正

双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图2-27所示。对于这种调节对象由一个大惯

性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI 调节器，即

1()i ACR Di s W S s

ττ+= 如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统

i i T τ=

12s D K R

βτ=

i T ∑ 所得调节器参数为 i i T τ==i i RC =0.07

12s D K R βτ=i T ∑=0i R C = 20.21837.840.00372.85

??? s = 0.021 s 因o R =20k ，故i C =6

30.021102010F μ??=1.05F μ，取1F μ，于是i i i

R C τ== 3

0.07101

k ?Ω=70k Ω ，取68k Ω。这时电流环可达到的动态指标为：最大超调量 i σ%=4%，

上升时间

r t =4.7i T ∑=4.7× 0.0037s=0.017。

（2）转速环的动态校正

将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如教材中图

2-33所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可

以采用PI 调节器，即

21 ()i ACR i D s W S K s

ττ+= 如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统

4n n T τ∑=

n K =

2n D ττ=2e m n C T T R

βα∑ 所得调节器参数为 4n n T τ∑==n C n R =4×0.0174s=0.0696s

n K =0.1320.1620.21820.01740.0067 2.85

?????=7 因o R =20k Ω，故n R =n K o R =7×20 k Ω=140 k Ω，取n R =130 k Ω，则n C =

n n

R τ=0.54μF ，取n C =0.47μF 。给定滤波器的时间常数为 τ=4n T ∑=0.0696s

当转速调节器采用上述参数，并在输入端加给定滤波器

11s τ+后，系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量δ

n =8.1%，过渡过程时间s t =16.4n T ∑=16.4×0.0174s=0.265s 。

Ⅲ 两种设计方法的分析比较

（1）西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型I 型系统在结构上

是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I 型系统中选12K T

= 的情况。 （2）西门子设计方法中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II 型系统在结构上是一

样的。前者选择参数的条件，相当于典型II 型系统中选中频宽h=4的情况。

（3）西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR 饱和，因此给出的δ

n 过大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小δn ，因此只要ASR 饱和，此滤波环节

对抑制超调就无作用。此外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这

就给现场调试带来一定困难。

第二章 直流调速系统

2.1 直流调速系统的调速原理及性能指标

2.1.1 直流调速系统的调速原理

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶

闸管—直流电动机(V —M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传

动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，

它又是交流调速系统的基础[1，6]。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位

置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各

种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控

制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示

Φ-=e K IR

U n （2—1）

式中 n ——电动机转速；

U ——电枢供电电压；

I ——电枢电流；

R ——电枢回路总电阻，单位为Ω

e K ——由电机机构决定的电势系数。

在上式中， e K 是常数，电流I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速

可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U ；

（2） 减弱励磁磁通Φ；

（3） 改变电枢回路电阻R 。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方

式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速

的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁

升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

2.1.2 直流调速系统的性能指标

根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态

调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范

围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系

统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1，6]。

一、静态性能指标

1）．调速范围

生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速max n 与最低转速

min n 之比，称为调速范围，用符号D 表示

min max

n n D = （2—2）

2）．静差率

静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s 来表示。具

体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加

到额定值时，对应的转速降落ed n ?与理想空载转速0n 之比，用百分数表示为

%100%100000?-=??=

n n n n n s ed ed （2—3）

显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，ed n ?越小，静差率就越小，

转速的稳定度就越高。

然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性

的静差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落

1ed n ?=2ed n ?，但由于0102n n <，因此12s s >。这表明平行机械特性低速时静差率

较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min 时降落10r/min ，只占1%；在

100r/min 时也降落10r/min ，就占10%；如果0n 只有10r/min ，再降落10r/min 时，

电动机就停止转动，转速全都降落完了。

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。

2.1.3 动态性能指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能

指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输

入信号的抗扰性能指标。

一、跟随性能指标

在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情

况可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。

通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过

程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳

态值∞c 的偏差越小越好，达到∞c 的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指

标有上升时间，超调量和调节时间：

1）上升时间r t

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∞c 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%σ

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：

%100%max ?-=

∞∞c c c σ （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。

3）调节时间s t

调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它

应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系

统来说，理论上要到∞=t 才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并

不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取()%2%5±±或的范围

作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调

节时间，可见图2—2。

二、抗扰性能指标

一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗

扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图2—3。常用的抗扰性能指标为

动态降落和恢复时间：

1）动态降落%max c ?

系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的

最大降落值%max c ?叫做动态降落，用输出量原稳态值1∞c 的百分数来表示。输出

量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值()212,∞∞∞-c c c 是系统在该扰动作用

下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负

载扰动时的动态降落称作动态降落%max n ?。

2）恢复时间f t

从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值2∞c 之差进

入某基准量b c 的()%2%5±±或范围之内所需的时间，定义为恢复时间f t ，其中b

c 称为抗扰指标中输出量的基准值。

实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要

求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。

图2—3

2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析

2.2.1 双闭环调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速

(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压

保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定

值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流

电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加

速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来

改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近

于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起

的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调

节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补

偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起

的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变

时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行[1，5，，6，8]。

2.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性

一、双闭环直流调速系统的组成

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。两者之间实行嵌套

连接，如图2—4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。

图2—4 转速、电流双闭环直流调速系统

其中：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 *Un -转速给定电压 Un-转速反馈电压 *Ui -电流给定电压

Ui -电流反馈电压

二、 双闭环直流调速系统的静特性分析

图2—5 双闭环直流调速系统的稳态结构框图

分析静特性的关键是掌握PI 调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱

和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒

值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换

句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压ΔU 在稳态时总为零。

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[1，5，，6，8]。

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，

*Un = Un =n ?α=0n ?α

*Ui = Ui =d I ?β

由第一个关系式可得：n=α*n

U =0n

从而得到图2-5所示静特性曲线的CA 段。与此同时，由于ASR 不饱和，

*Ui <*im U 可知d I

到d I =dm I 。而dm I ，一般都是大于额定电流dn I 的。这就是静特性的运行段，它

是一条水平的特性。

2．转速调节器饱和

这时，ASR 输出达到限幅值*im

U ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系

统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳

态时：

d I =β*im U =dm I

其中，最大电流dm I 取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加

速度，由上式可得静特性的AB 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适

合于0n n ?的情况，因为如果0n n ?,则*n n U U ?,ASR 将退出饱和状态.

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dm I 时表现为转速无静差,这

时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到dm I 时,对应于转速调节器的饱

和输出*im

U ,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。然

而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际

上都略有很小的静差，见图2—6中虚线。

图2—6 双闭环直流调速系统的静特性

三、 各变量的稳态工作点和稳态参数计算

由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，

当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：

*Un =Un =n ?α=0n ?α

*i U =i U =d I ?β=dl I ?β

c U =s

d K U 0=s d

e K R

I n C ?+?=s dl n e K R I U C ?+?α

上述关系表明，在稳态工作点上，转速n 是由给定电压*Un 决定，ASR 的输

出量*i U 是由负载电流dl I 决定的，而控制电压c U 的大小则同时取决

于n 和d I ，或者说，同时取决于 *Un 和dl I 。PI 调节器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。后面需要PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供

多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环

有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给

定与反馈值计算有关的反馈系数。

转速反馈系数：α= *nm U /max n ;

电流反馈系数：β= *im U /dm I ;

两个给定电压的最大值*nm U 、*im U 由设计者给定，受运算放大器允许输入电

压和稳压电源的限制。

2.3 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分

析

2.3.1 双闭环直流调速系统的数学模型的建立

双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关

内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。全控式整流在稳

态下，触发器控制电压Uct 与整流输出电压Ua0的关系为：

)cos(cos 220ct a KU AU AU U ==α

其中：A---整流器系数；2U ---整流器输入交流电压；α ---整流器触发角；

ct U ---触发器移项控制电压；K---触发器移项控制斜率；

整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大

系数为：K=ct a U U /0。

绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：

图2—7 双闭环直流调速系统的动态结构框图

2.3.2 起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压gn U 由静止状态起动时，转速调节器输出

转速电流双闭环直流调速系统实训设计说明

摘要 电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 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。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。

在转速闭环直流调速系统中，只有电流截止负反馈环节对电枢电流加以保护，缺少对电枢电流的精确控制，也就无法充分发挥直流伺服电动机的过载能力，因而也就达不到调速系统的快速起动和制动的效果。通过在转速闭环直流调速系统的基础上增加电流闭环，即按照快速起动和制动的要求，实现对电枢电流的精确控制，实质上是在起动或制动过程的主要阶段，实现一种以电动机最大电磁力矩输出能力进行启动或制动的过程。 一、设计要求 设一个转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H桥PWM方式驱动，已知电动机参数为：

双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验

双闭环直流电机调速系统的SIMULINK仿真实验 魏小景张晓娇刘姣 （自动化0602班） 摘要：采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计，选择调节器结构，进行参数的计算和校验;给出系统动态结构图，建立起动、抗负载扰动的Matlab Simulink 仿真模型.分析系统起动的转速和电流的仿真波形 ,并进行调试 ,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善。 关键词:双闭环调速系统;调节器;Matlab Simulink建模仿真 1.引言 双闭环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，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器。调节器的设计一般包括两个方面:第一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度. 第二选择调节器的参数,以满足动态性能指标。本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用Matlab/Sim-ulink进行仿真。 2.基本原理和系统建模 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,二者之间实行串联连接. 把转速调节器ASR 的输出当作电流调节器ACR 的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置GT ,TA为电流传感器,TG 为测速发电机. 从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环,转速调节环在外边叫做外环,这样就形了转速、 图1 直流电机双闭环调速系统的动态结构图

转速电流双闭环可逆直流调速系统仿真与设计方案

《运动控制》课程设计题目：转速，电流双闭环可逆直流宽频调速系统设计 系部：自动化系 专业：自动化 班级：自动化1班 学号：11423006 11423025 11423015 姓名：杨力强.丁珊珊.赵楠 指导老师：刘艳 日期：2018年5月26日-2018年6月13日

一、设计目的 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数：< 直流电动机(3> ） 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH 电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数=1.5 额定转速 970rpm 直流电动机控制系统设计参数 环境条件： 电网额定电压:380/220V。电网电压波动:10%。 环境温度:-40~+40摄氏度。环境湿度:10~90%. 控制系统性能指标： 电流超调量小于等于5%。 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%。 调速范围D＝20。 静差率小于等于0.03.

1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为： ,，，电枢回路总电阻，机电时间常数 ，电动势转速比，Ks=40，，Ts=0.0017ms，电流反馈系数，转速反馈系数，试对该系统进行初步设计。2、技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。 三、主电路方案和控制系统确定 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。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原理图

转速电流双闭环直流调速系统 课程设计

课程设计任务书 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，基本数据为： 直流电动机：U N=220V，I N=205A，=575r/min , R a=0.1，电枢电路总电阻R=0.2，电枢电路总电感L=7.59mH，电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。 晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数 电流反馈系数( 转速反馈系数() 滤波时间常数取，。 ；调节器输入电阻R0=40。 设计要求： 稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。

目录 课程设计任务书 (1) 第一章直流双闭环调速系统原理 (3) 1.1系统的组成 (3) 1.2 系统的原理图 (4) 第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计 (6) 2.1 电流调节器的设计 (6) 2.2 转速调节器的设计 (13) 第三章系统仿真 (21) 心得体会 (26) 参考文献 (27)

第一章直流双闭环调速系统原理 1.1系统的组成 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。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。 为了实现在允许条件下的最快启动，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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以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，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把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；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

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。 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* n U 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*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作 用；ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。 当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出* im U ，使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动，直到电动机转速达到给定转速(即* n n U U )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-32 2.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)(t f I d =和)(t f n =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） 。 4.测定高低速时系统完整的静特性)(d I f n =（包括下垂段特性），并计算在一定调速范围内系统能满足的静态精度。 五、实验步骤及方法 1.多环调速系统调试的基本原则 (1)先部件,后系统。即先将各环节的特性调好，然后才能组成系统。 (2)先开环,后闭环。即先使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈后组成闭环系统。 (3)先内环,后外环。即闭环调试时，先调电流内环，然后再调转速外环。 2.单元部件参数整定和调试 (1)主控制屏开关按实验内容需要设置 (2)触发器整定 将面板上的U blf 端接地，调整锯齿波触发器的方法同实验1。 (3)调节器调零 断开主回路电源开关SW ，给定电压U g 接到零速封锁器DZS 输入端，并将DZS 的输出接到ASR 和ACR 的封锁端。控制系统按开环接线,ASR 、ACR 的反馈回路电容短接，形成低放大系数的比例调节器。 a)ASR 调零 将调节器ASR 的给定及反馈输入端接地，调节ASR 的调零电位器，使ASR 的输出为零。 b)ACR 调零 将调节器ACR 的给定及反馈输入端接地，调节ACR 的调零电位器，使ACR 的输出为零。 (4)调节器输出限幅值整定 a)ASR 输出限幅值整定 ASR 按比例积分调节器接线，将U g 接到ASR 的输入端，当输入U g 为正而且增加时，调节 ASR 负限幅电位器，使ASR 输出为限幅值* im U ，其值一般取为8~6--V 。 b)ACR 输出限幅值整定 整定ACR 限幅值需要考虑负载的情况，留有一定整流电压的余量。ACR 按比例积分调节器接线，将g U 接到ACR 的输入端，用ACR 的输出c U 去控制触发移相，当输入g U 为负且增加时，通过示波器观察到触发移相角α移至οο30~15min =α时的电压即为ACR 限幅值U cm ，可通过ACR 正限幅电位器锁定。 3.电流环调试(电动机不加励磁) (1)电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定。 整定时ASR 、ACR 均不接入系统，系统处于开环状态。直接用给定电压g U 作为c U 接到移相触发器GT 以调节控制角α，此时应将电动机主回路中串联的变阻器M R 放在最大值处，

案例转速电流双闭环直流调速系统

案例转速、电流双闭环直流调速系统 一、概述 现以ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置（简称ZCC1系列）为例，来阐述晶闸管—电动机直流调速系统分析、调试的一般方法与步骤。该装置的基本性能如下： (1)装置的负荷性质按连续工作制考核。 (2)装置在长期额定负荷下，允许150%额定负荷持续二分钟，200%额定负荷持续10秒钟，其重复周期不少于1小时。 (3)装置在交流进线端的电压为（0.9~1.05）380伏时，保证装置输出端处输出额定电压和额定电流。电网电压下降超过10%范围时输出额定电压同电源电压成正比例下降。 (4)装置在采用转速反馈情况下，调速范围为20∶1，在电动机负载从10%~100%额定电流变化时，转速偏差为最高转速的0.5%（最高转速包括电动机弱磁的转速）。转速反馈元件采用ZYS型永磁直流测速发电机。 (5)装置在采用电动势反馈（电压负反馈、电流正反馈）时，调速范围为10∶1，电流负载从10%~100%变化时，转速偏差小于最高转速的5%（最高转速包括电动机弱磁的转速）。 (6)装置在采用电压反馈情况下，调压范围为20∶1，电流负载从10%~100%变化时，电压偏差小于额定电压的0.5%。 (7)装置给定电源精度，在电源电压下降小于10%以及温度变化小于±10℃时，其精度为1%。 二、系统的组成 1、主电路 ZCC1系列装置主电路采用三相桥式全控整流电路，交流进线电源通过三相整流变压器或者交流进线电抗器接至380V交流电源。为了使电机电枢电流连续并减小电流脉动以改善电动机的发热和换向，在直流侧接有滤波电抗器L。 2、控制系统 ZCC1系列晶闸管直流调速装置的控制系统采用速度（转速）电流双闭环控制系统，其原理方框图如图3-1所示

直流电机双闭环调速大作业

题目(中)直流电机双闭环控制调速 姓名与学号 指导教师 年级与专业

所在学院

目录： 一、电机控制实验目的和要求 (4) 二、双闭环调速控制内容 (4) 三、主要仪器设备和仿真平台 (5) 四、仿真建模步骤及分析 (5) 1．直流电机双闭环调速各模块功能分析 (5) 2.仿真结果分析（转速、转矩改变） (18) 3.转速PI调节器参数对电机运行性能的影响 (24) 4.电流调节器改用PI调节器后的仿真 (27) 5.加入位置闭环后的仿真 (28) 6.速度无超调仿真 (30) 七、实验心得 (32)

一、电机控制实验目的和要求 1、加深对直流电机双闭环PWM调速模型的理解。 2、学会利用MATLAB中的SIMULINK工具进行建模仿真。 3、掌握PI调节器的使用，分析其参数对电机运行性能的影响。 二、双闭环调速控制内容 必做： 1、描述Chopper-Fed DC Motor Drive中每个模块的功能。 2、仿真结果分析：包括转速改变、转矩改变下电机运行性能，并解释相应现象。 3、转速PI调节器参数对电机运行性能的影响。 4、电流调节器改用PI调节器后，对电机运行调速结果的影响。 选做： 5、加入位置闭环 6、速度无超调

三、主要仪器设备和仿真平台 1、MATLAB R2014b 2、Microsoft Officials Word 2016 四、仿真建模步骤及分析 1．直流电机双闭环调速各模块功能分析 参考Matlab自带的直流电机双闭环调速的SIMULINK仿真模型： demo/simulink/simpowersystem/Power Electronics Models/Chopper-Fed DC Motor Drive

直流电动机转速电流双闭环调速系统设计

直流电动机调速系统课程设计 班级：电气0802 姓名：刘志勇 学号： 08140218

目录 第一章：设计内容 (2) 1.1设计内容： (2) 第二章：设计要求 (2) 2.1设计要求 (2) 2.2设计参数： (2) 第三章：双闭环直流调速系统设计 (3) 3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成 (3) 3.2系统电路结构 (4) 3.3调节器的设计 (7) 第四章单闭环直流调速系统设计 (14) 4.1闭环系统调速的组成及其静特性 (14) 4.2 稳态参数计算 (16) 第五章相关原理图设计波形图 (19) 5.1.主电路图 (19) 5.2.控制电路图 (20) 第六章设计总结及参考文献 (23) 6.1设计总结 (23) 6.2 参考资料 (23) 1

第一章：设计内容 1.1设计内容： （1）根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统 （2）根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，使用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统 第二章：设计要求 2.1设计要求 2.1.1根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图 2.1.2直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量γ及GM、计算调节器参数、绘系统动态结构图 2.1.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图 2.1.4测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、电压电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。 2.2设计参数： =1.8Ω 2.2.1电枢电阻R a 电枢电感L =9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms a 2

直流电机双闭环调速系统设计.

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，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。 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。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个

转速电流双闭环直流调速系统仿真设计

转速电流双闭环直流调速系统仿真 摘要：本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统以及对MATLAB软件的使用。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用PI调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个PI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。二者实行嵌套连接，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，形成转速电流双闭环直流调速系统。在Simulink中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。 关键词：双闭环直流调速系统，MATLAB/SIMULINK仿真，ASR，ACR。 课程概述：直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。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。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截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，靠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。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，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。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启动，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，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启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入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。其次并基于双闭环的电气原理图的SIMULINK的仿真，分析了直流调速系统的动态抗干扰性能。采用工程设计方法

转速电流双闭环直流调速系统设计

电力拖动自控系统课程设 计报告 题目转速电流双闭环直流调速系统设 计 学院：电子与电气工程学院 年级专业：2012级电气工程及其自动化（电力传动方向）姓名： 学号： 指导教师： 成绩：

电力拖动自动控制系统综合课程设计 设计任务书 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，基本数据为： 直流电动机：kW 5.7P N =，V 400U N =，A 8.21I N = ,min /r 3000N =n ， W 716.0R a =，电枢回路总电阻Ω=75.1R ，电枢电路总电感mH 60L =,电流允许 过载倍数5.1=λ，折算到电动机轴的飞轮惯量22m N 64.2GD ?=。励磁电流为1.77A 。 晶闸管整流装置放大倍数40K s =，滞后时间常数s 0017.0T s = 电流反馈系数)I 5.1/V 15(A /V 4587.0βN ≈= 电压反馈系数)/V 15(r m in/V 005.0αN n ≈?= 滤波时间常数s 002.0T oi =，s 01.0T on = V 15U U U cm *im *nm ===;调节器输入电阻Ω=K 40R o 。

设计要求：稳态指标：无静差； 动态指标：电流超调量00i 5≤σ；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。 目 录 1 概述 (1) 1.1问题的提出 ............................................................................................................ 1 1.2解决的问题 ............................................................................................................ 1 1.3实现目标要求设计 . (1) 2 主电路计算 (2) 2.1整流变压器的计算 .............................................................................................. 2 2.2晶闸管及其元件保护选择 (2) 3 直流双闭环调速系统设计 (8) 3.1转速和电流双闭环调速系统的组成 .............................................................. 8 3.2系统静态结构图及性能分析 ............................................................................ 9 3.3系统动态结构图及性能分析 .. (10)

传动教材第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

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 n ASR ACR U *n + - U n U i U * i + - U c TA M + - U d I d UPE - M T 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 n i

转速、电流双闭环直流调速系统设计

运动控制课程设计 专业：自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2015年07月 16 日

转速、电流双闭环直流调速系统设计 1.设计目的 一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。故采用转速、电流双闭环控制系统。 2.设计任务 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： (1)直流电动机：220V、160A、1460r/min、Ce=0.129Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5； (2)晶闸管装置放大系数：K s=40； (3)电枢回路总电阻：R=0.5Ω； (4)时间常数：T l=0.03s，T m=0.19s； (5)电流反馈系数：β=0.042V/A； (6)转速反馈系数：α=0.0068Vmin/r； 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。 3.设计要求 根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统： (1)设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统； (2)分析电流环不同参数下的仿真曲线； (3)在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统； (4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线 (5)进行Simulink仿真，验证设计的有效性。 4.设计内容 4.1双闭环直流调速系统的组成

双闭环直流电机调速系统

双闭环直流电机调速系统 摘要： 关键词： 引言：速度和电流双臂环直流调速系统，是由单闭环调速系统发展而来的，调速系统采用比例积分调节器，实现了转速的无静差调速。又采用直流截止负反馈环节，限制了启（制）动时的最大电流。这对一般要求不太高的调速系统，基本已能满足要求。但是由于电流截止反馈限制了最大电流，再加上电动机反电动势随着电机转速的上升而增加，使电流达最大值后便迅速将下来。此时，电机的转矩也减小，使启动过程变慢，启动时间较长。 一、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原理如图 1 所示。系统的组成框图如图2所示。

图1 转速-电流双闭环直流调速系统 图2 转速-电流双闭环直流电机调速系统组成框图 由图可见，该系统由两个反馈构成两个闭环回路，其中一个是由电流调节器ACR和电流检测——反馈环节构成的电流环，另一个是由速度调节器ASR和转速检测——反馈环节构成的速度环。由于速度环包围电流环，因此称电流环为内环，称速度环为外环。在电路中，ASR和ACR实行串级联接，即由ASR去“驱动”ACR，再由ACR去控制“触发电路”。图中ASR和ACR均为PI调节器。ASR、ACR的输入、输出量的极性主要视触发电路对控制电压的要求而定。 （一）直流电机各物理量间的关系 直流电动机的电路图如图3所示。由图可知，直流电动机有两个独立回路，一个是电枢回路，另一个是励磁回路。

1．电枢绕组的电磁转矩和转矩平衡关系： 2．电枢回路电压平衡关系 结合以上公式可推出即e e T a e a T K K R K U n ?Φ -Φ= 2 其中，Φ ?= e a K U n 0，称为电机理想空载转速，e e T a T K K R n ?Φ=?2为电机转速降，故 直流电机的调速方法 改变电压调速，采用此方法的特性曲线如下图6所示： 图6 改变U 时的机械曲线特性 3．直流电动机的系统框图 （二）转速调节器与速度调节器—比例积分电路（PI 调节器） PI 调节器的电路原理图如图7所示：

转速电流双闭环直流调速系统设计

《电力拖动自动控制系统》课程设计 设计报告 题目:转速电流双闭环直流调速系统设计 学院信息科学与工程学院 专业自动化 班级0603 学号 2 学生姓名杨明 指导老师潘炼 日期2009/7/2

转速电流双闭环直流调速系统设计 1. 设计题目 转速、电流双闭环直流调速系统设计 2. 设计任务 已知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： 1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=0.136Vmin/r，允许过载倍数λ=1.4 2）晶闸管装置放大系数：K s=30 3）电枢回路总电阻：R=0.4Ω 4）时间常数：T l=0.023s，T m=0.2s，转速滤波环节时间常数T on取0.01s 5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。 系统要求： 1）稳态指标：无静差 2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10% 3. 设计要求 根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如下： 1）设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统； 2）在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统； 3）进行Simulink仿真，验证设计的有效性。 4.设计内容 1）设计思路： 带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。 当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静差调速。 对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负

电力拖动自动控制系统第二章习题答案 (2)

第二章双闭环直流调速系统 2-1在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调节什么参数？改变转速调节器的放大倍数行不行？改变电力电子变换器的放大倍数行不行？改变转速反馈系数行不行？若要改变电动机的堵转电流，应调节系统中的什么参数？ 答：改变电机的转速需要调节转速给定信号Un※；改变转速调节器的放大倍数不行，改变电力电子变换器的放大倍数不行。若要改变电机的堵转电流需要改变ASR的限幅值。 2-2 （1 （2 （1 （2 （3 （4 2-3是多少？ 答：=βId=Ui，Uc=U d0 2-4如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器，而是比例调节器，对系统的静、动态性能会有什么影响？ 答：若采用比例调节器可利用提高放大系数的办法使稳态误差减小即提高稳态精度，但还是有静差的系统，但放大倍数太大很有可能使系统不稳定。 2-5在转速、电流双闭环系统中，采用PI调节器，当系统带额定负载运行时，转速反馈线突然断线，系统重新进入稳态后，电流调节器的输入偏差电压△Ui是否为0，为什么？

答：反馈线未断之前，Id=In，令n=n1，当转速反馈断线，ASR迅速进入饱和，Un※=Un※max，Uc↑，Id↑至Idm，Te＞T l，n↑，Id↓，△Ui出现，Id↑至Idm，n↑，Id↓，此过程重复进行直到ACR饱和，n↑，Id↓，当Id=In，系统重新进入稳态，此时的速度n2＞n1，电流给定为Un※max=Idmaxβ＞电流反馈信号Un=Inβ，偏差△Ui不为0。 2-6在转速、电流双闭环系统中，转速给定信号Un※未改变，若增大转速反馈系数α，系统稳定后转速反馈电压Un是增加还是减少还是不变？为什么？ 答：Un不变，因为PI调节器在稳态时无静差，即：Un※=Un，Un※未改变，则，Un也不变。 2-7 Unm*试求：（1 （2 解：（1 α=Unm* （2 2-8Uim=8V （1）Ui （2）Uc 解：（1 电流为 电流为 （2）Uc增加。 2-9在双闭环直流调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行，现因某种原因电动机励磁下降一半，系统工作情况将会如何变化？（λ=1.5） 答：设突发状况之前的磁通为?1，令此时的磁通为?2，之前的电磁力矩为Te1，此刻的电磁力矩为Te2，负载转矩恒为T l，电机励磁下降一半，则?2=0.5?1，Te2=Cm（?2）Id=0.5Te1＜T l，n↓，Id↑甚至到Idm，Te2=Cm（?2）Idm=0.75Te1＜T l，n会一直下降到0。

转速电流双闭环直流调速系统的设计说明

《电力拖动与运动控制系统》课程设计------ 转速电流双闭环直流调速 系统的设计 学院： 年级: 班级： 姓名： 座号： 学号： 指导老师：

目录 一设计任务 (3) 二设计要求 (3) 三．设计的基本思路： (3) 四．设计过程 (4) 1确定转速、电流反馈系数 (4) 2.电流环的设计 (5) 3.转速环的设计 (6) 五．硬件电路图设计 (9) 1 系统主电路图绘制 (9) 2 系统触发电路图 (9) 3 电流环电路 (12) 4.转速环电路： (13) 4.控制电路总体电路图 (14) 六．心得体会： (15) 七参考资料 (15)

一 设计任务 设计一转速、电流双闭环直流调速系统，采用他励直流电动机、晶闸管三相全控桥式整流电路，其数据如下： 直流电动机：PN=60KW ，UN=220V ，IN=305A ，Nn=1000r/min ； 晶闸管整流触发装置的放大系数 Ks=30 电磁时间常数：T1=0.012S; 机电时间常数：Tm=0.12s; 反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s,Ton=0.014s; 额定转速时的给定电压：Unm=10V; 调节器饱和输出电压：10V ； 系统调速围：D=20； 系统的静、动态性能指标：无静差，电流超调量5%i δ≤，启动到额定转速时的超调量10%δ≤ 二 设计要求 1．确定转速、电流反馈系数； 2．设计电流调节器； 3．用min r M 准则设计转速环，确定转速调节器的结构和参数； 4．计算最低速启动时的转速超调量； 5．绘制系统线路图（主电路、触发电路、控制电路）。 三．设计的基本思路： 转速，电流双闭环调速系统属于多环控制系统。对电流双闭环调速系统而言，先从环（即电流环）出发，根据电流控制要求，确定把电流环校正为那种典型系统。按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环环节之后，把它等效成一个小

转速电流双闭环直流调速系统

课程设计说明书 课程名称：电力拖动自动控制系统 设计题目：转速电流双闭环直流调速系统 院系： 学生姓名： 学号： 专业班级： 指导教师：

2010年12 月30 日

转速电流双闭环直流调速控制系统 摘要：此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。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。 关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器

目录 第一章.直流拖动控制系统总体设计 (1) 一、直流调速系统拖动方案的对比 (1) 二、直流调速系统控制方案的确定 (2) 三、直流电动机的调速方式 (2) 第二章.主电路参数计算和保护环节设计 (3) 一、整流变压器额定参数的计算 (3) 二、主电路器件的计算与选择 (3) 三、主电路保护环节的设计与计算 (3) 四、电抗器参数计算与选择 (4) 第三章.调速系统控制单元的确定和调整 (4) 一、检测环节 (4) 二、调节器的选择与调整 (5) 三、系统的给定电源 (11) 第四章．触发电路的设计 (12) 第五章.调速系统动态参数的工程计 (12) 心得体会 (12) 参考文献 (13) 附件.课程设计要求 (13)

双闭环直流电机调速系统设计参考案例

《运动控制系统》课程设计指导书 一、课程设计的主要任务 （一）系统各环节选型 1、主回路方案确定。 2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。 （二）主要电气设备的计算和选择 1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。 2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。 3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。 4、平波电抗器选择计算。 （三）系统参数计算 1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。

2、转速调节器ASR 中n n R C 、 计算。 3、动态性能指标计算。 （四）画出双闭环调速系统电气原理图。 使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。 二、基本要求 1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。 2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。 3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。 4、掌握触发电路的选型、设计方法。 5、掌握同步电压相位的选择方法。 6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。 7、掌握电气系统线路图绘制方法。 8、掌握撰写课程设计报告的方法。 三、 课程设计原始数据

有以下四个设计课题可供选用： A 组： 直流他励电动机：功率P e ＝1.1KW ，额定电流I e =6.7A ，磁极对数P=1， n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =2.34Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝246.25Mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，K s =58.4，机电时间常数 T m =116.2ms ，滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 10V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* B 组： 直流他励电动机：功率P e ＝22KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =116A,磁极对 数P=2，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =0.112Ω,主电路总电阻R ＝ 0.32Ω，L ∑＝37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数 C e =0.138 Vmin ／r ，K s =22，电磁时间常数T L =0.116ms ，机电时间常数T m =0.157ms ， 滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 10V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* C 组： 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.0015Ω,主电路总电阻R ＝0.036Ω，Ks=41.5，电磁时间常数TL=0.0734ms ，机电时间常数