2-3 23转速电流双闭环直流调速系统的数字实现总结
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。
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论文姓名：范洪峰班级：电气111学号：110551032014年9月18日电流转速双闭环直流调速系统的工作原理范洪峰（山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台，264005）摘要：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的无静差，但是对动态性能要求较高的系统，转速闭环系统很难对电流（转矩）进行控制。
电机经常工作在启动、制动、反转等过渡过程中，启动和制动过程的时间在很大程度上决定了电机的效率。
如何缩短这一部分时间，以充分发挥电机的效率，是转速控制系统首先要解决的问题。
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。
在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。
控制系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接。
关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器Current Speed Working Principle of Doubleclosed-loop dcspeed Regulating System Fan Hongfeng(Shandong province industrial and commercial college of information and electronic engineering institute, Yantai,Shandong province, 264005)Abstract: the speed closed-loop speed control system can guarantee the stability of the system under the premise of implementation speed astatic, but system ofhigh dynamic performance requirements, it is difficult to the current (torque) of theclosed-loop control. Motor often work in the process of starting, braking and reverse transition, in the process of starting and braking time to a great extent, determines the efficiency of the motor. How to shorten this part time, in order to give full play to the efficiency of the motor, speed control system is the problem to be solved in the first place. Dc motor speed controller to choose the speed and current double closed loop speed control circuit. Speed control system in the design of main circuit adopts three-phase fully-controlled bridge rectifier circuit for power supply. Tworegulator set in the control system, adjusting the rotational speed and current respectively, a nested connection between them.Key words: double closed loop; Speed governor; Current regulator1直流调速系统1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。
双闭环直流调速系统工作原理
双闭环直流调速系统工作原理1.系统结构：双闭环直流调速系统主要由两个闭环控制组成，即速度内环和电流外环。
速度内环控制器接收速度设定值和速度反馈信号，通过计算得到电流设定值，并发送给电流外环控制器。
电流外环控制器接收电流设定值和电流反馈信号，通过计算得到电压设定值，并输出给电源控制器。
电源控制器接收电压设定值和电源反馈信号，通过调节电源输出电压，以确保电机输出的电压和电流符合控制要求。
2.速度内环控制：速度内环控制器是实现速度调节的关键部分。
它通过比较速度设定值和速度反馈信号，得到速度差，然后根据速度差来调节电流设定值。
控制器根据速度差的大小来调整电流设定值的大小，如果速度差较大，则增大电流设定值；如果速度差较小，则减小电流设定值。
通过不断调整电流设定值，使得速度差逐渐减小，最终达到设定的速度。
3.电流外环控制：电流外环控制器是为了保证电流的稳定性而设置的闭环控制。
它接收电流设定值和电流反馈信号，通过比较二者的差异，计算得到电压设定值。
控制器根据电流设定值和电流反馈信号的差异来调整电压设定值的大小，如果电流差较大，则增大电压设定值；如果电流差较小，则减小电压设定值。
通过不断调整电压设定值，使得电流差逐渐减小，最终达到设定的电流。
4.电源控制：电源控制器是为了保证电机输出的电压和电流符合控制要求而设置的。
它接收电压设定值和电源反馈信号，通过调节电源输出电压来实现电机的调速。
当电压设定值与电源反馈信号存在差异时，控制器会相应地改变电源输出电压，使得电机的电压和电源设定值尽可能接近。
通过不断调整电压输出，最终使得电机的电压和电流稳定在设定值。
5.系统优点：双闭环直流调速系统能够实现对电机的精确调节，具有较高的速度和电流控制精度。
通过速度内环和电流外环的联合控制，可以准确地调节电机的转速，并且能够自动调整输出电流，适应不同负载。
此外，该系统还具有较好的稳定性和抗干扰能力，在外界干扰较大时仍能保持较高的控制精度。
双闭环直流电动机调速系统
04
系统软件设计
控制算法设计
算法选择
算法实现
根据系统需求，选择合适的控制算法， 如PID控制、模糊控制等。
将控制算法用编程语言实现，并集成 到系统中。
算法参数整定
根据系统性能指标，对控制算法的参 数进行整定，以实现最优控制效果。
调节器设计
调节器类型选择
根据系统需求，选择合适 的调节器类型，如PI调节 器、PID调节器等。
在不同负载和干扰条件下测试系统的性能， 验证系统的鲁棒性。
06
结论与展望
工作总结
针对系统中的关键问题，如电流和速度的动态 调节、超调抑制等，进行了深入研究和改进。
针对实际应用中可能出现的各种干扰和不确定性因素 ，进行了充分的考虑和实验验证，提高了系统的鲁棒
性和适应性。
实现了双闭环直流电动机调速系统的优化设计 ，提高了系统的稳定性和动态响应性能。
通过对实验数据的分析和比较，验证了所设计的 双闭环直流电动机调速系统的可行性和优越性。
研究展望
进一步研究双闭环直流电动机 调速系统的控制策略，提高系
统的动态性能和稳定性。
针对实际应用中的复杂环境和 工况，开展更为广泛和深入的 实验研究，验证系统的可靠性
和实用性。
探索双闭环直流电动机调速系 统在智能制造、机器人等领域 的应用前景，为相关领域的发 展提供技术支持和解决方案。
功率驱动模块
总结词
控制直流电动机的启动、停止和方向。
详细描述
功率驱动模块是双闭环直流电动机调速系统的核心部分，负责控制直流电动机的启动、停止和方向。它通常 由电力电子器件（如晶体管、可控硅等）组成，通过控制电动机的输入电压或电流来实现对电动机的速度和 方向的控制。功率驱动模块还需要具备过流保护、过压保护和欠压保护等功能，以确保电动机和整个系统的
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实验二速度和电流双闭环直流调速系统一、实验目的1.了解速度和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、实验系统的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。
~Fbcfaswtarglidrmgsldzsssggun*asrui*uiacrgtucvtud0amsf220vunfbstg实验图2-1速度和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*变速和给定电压UN可以轻松调整电机的速度。
速度调节器ASR和电流调节器ACR均配备*限制电路。
ASR的输出UIM*用作ACR的设置，ASR的输出限制UIM用于限制启动电流用；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。
分钟**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*以高速启动，直到电机速度达到给定速度（即UN？UN）并出现超调，从而使ASR退出饱和并最终稳定定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。
三、实验设备和仪器1主控制面板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初始相移控制角，检查并调整ASR和ACR，并设置其输出正负限幅。
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.研究电流回路和速度回路的动态特性，将系统调整到最佳状态，并绘制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）。
双闭环直流调速系统
Ui(-)
负反馈极性要求 Ufi(+)
ASR反号要求
负反馈极性要求 Un(+)
Ufn(-)
其极性标在双闭环系统电路原理图 所示的系统中。
.
若系统为双环以上的多环调速系统， 则完全可以按同样的方法直接推出各个 调节器的输入输出信号的极性。但实际 分析系统时，必须注意调节器的具体线 路及其输入端的具体接法，以免搞错反 馈极性使系统无法正常工作。
负反馈； 稳态时，只有转速负反馈，没有电流负
反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两 种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶 段里起作用呢？
.
2.1 双闭环调速系统的构成
转速、电流双闭环调速系统的组成 调节器输出限幅值的整定 调节器锁零 系统中调节器输入、输出电压极性
的确定
.
2.1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成
+
RP1 Un R0
-
R0
Ufn
-
Rn Cn
U+fi
R0
ASR
-
+
+
Ui
LM
R0
-
TA
Ri Ci
L
ACR
LM GT
-
+
+
Uc
V
Id
UPE +Ud
M
+
+
-
n
+
RP2 TTGG -
双闭环直流调速系统电路原理图
.
2.1.2 调节器输出限幅值的整定
图中表出，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Uim决定了电流 给定电压的最大值, 完全取决于电动机所允许 的过载能力和系统对最大加速度的需要。
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。
转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计
转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计一、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MATLAB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、设计参数1、直流电动机(1)：输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A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2S 电枢允许过载系数1.5额定转速 1430rpm2、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%3、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0.03.三系统方案选择（1）可控电源选择直流电动机具有良好的起制动性能在广泛范围内可实现平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
从生产机械要求控制的物理量来看，各种系统往往都通过控制转速来实现的。
因而直流调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：① 转电流机组② 适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统但其设备多、体积大、费用高、效率低。
②静止可控整流器可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位从而实现平滑调速且控制作用快速性能好提高系统动态性能。
③PWM(脉宽调制变换器)或称直流斩波器利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压，与V—M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率器件少，开关频率高；电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。
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微机数字控制的特点
优点： 2）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不 受器件温度漂移的影响；稳定性好，可靠性高。
微型计算机的数字运算功能替代了原先由运算放大器
所组成的调节器， 微型计算机直接输出UPE的控制信号，通过功率放大 环节驱动了电力电子功率器件。
微机数字控制的特点
3）采用高速数字信号处理器DSP为控制器，可以实 现复杂的高性能的各种控制策略和方法，而且更 改起来灵活方便。
sam (4 ~ 10)c
c 为控制系统的截止频率。
采样定理用法
在直流调速系统中，电枢电流的时间常数较小， 电流内环必须有足够高的采样频率，而电流调节 算法一般比较简单，采用较高的采样频率是可能 的。 因此电流调节器一般都可以采用间接方法设计， 即先按连续控制系统设计，然后再将得到的调节 器数字化。
的变化自适应能力差。
3）难以实现高级的控制策略和控制方法。 如：最优控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。
微机数字控制的特点
数字控制系统：以微控制器为核心的数字控 制系统。 优点： 1）采用数字给定、数字测速装置，把给定 信号和反馈信号都用数字脉冲的形式加 以实现。与模拟控制系统相比较，数字 控制系统的调速精度大大提高。
可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非
线性、智能化等控制规律。
4）拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制 系统无法实现的功能。如:
运行状态监控、预警、故障诊断. 上下微机的通信。 还可以借助现场总线技术实现底层控制设备的联网，
可更方便的实现高复杂度的多机协同工作。
微机数字控制的特点
但实际系统中信号的最高频率很难确定，尤其对 非周期性信号（系统的过渡过程）来说，其频谱 为 0 至∞的连续函数，最高频率理论上为无穷大。 因此，难以直接用采样定理来确定系统的采样频 率。
系统采样频率的确定
在一般情况下，可以令采样周期
am
1 Tmin (4 ~ 10)
Tmin 为控制对象的最小时间常数； 或用采样角频率 sam
A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，
而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的， 会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。
离散化和数字化的负面效应
D/A转换的滞后效应：
经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数
模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量， 再经放大后驱动被控对象。 但是，保持器会提高控制系统传递函数分母的阶次， 使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。
采样频率越高，离散系统越接近于连续系统。 采样周期内，必须完成信号的采集与转换，完 成控制运算，并输出控制信号。 所以，采样周期又不能太短，即采样周期 总是有限的。 过高的采样频率，可能造成不要的累积误差。 在微机控制系统中，合理选取采样频率相当重 要。 一般把速度环的最大采样周期定为10ms， 把电流环的最大采样周期定为1ms， 把采样周期定被控对象的时间常数的1/5~1/10。
信号的离散化
f (t )
离散化： 为了把模拟的连续信号 输入计算机，必须首先 在具有一定周期的采样 时刻对它们进行实时采 样，形成一连串的脉冲 信号，即离散的模拟信 号，这就是离散化。
O f(nT)
原信号 采样
t
O
1 2 3 4 …
n
信号的数字化 采样后得到的离散模拟信号本质上还是模 拟信号，不能直接送入计算机，还须经过 数字量化， 用一组数码（如二进制数）来逼近离散模 拟信号的幅值，将它转换成数字信号，这 就是信号的数字化。
信号的数字化 数字化： N(nT) 采样后得到的离散信号 本质上还是模拟信号， 还须经过数字量化，即 用一组数码（如二进制 码）来逼近离散模拟信 号的幅值，将它转换成 O 数字信号，这就是数字 数字化 化。
n
离散化和数字化的负面效应
离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的 不连续性，从而引起下述的负面效应：
离散化和数字化负面效应的应对
随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不 断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影 响已经越来越小。 但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需 要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以 解决。
Shannon 采样定理
根据 Shannon(香农) 采样定理，采样频率 fsam 应不小于信号最高频率 fmax 的2倍，即 fsam ≥ 2 fmax 这时，经采样及保持后，原信号的频谱可以不发 生明显的畸变，系统可保持原有的性能。
2.3 转速、电流双闭环直流 调速系统的数字实现
2.3 转速、电流双闭环直流 调速系统的数字实现
2.3.1 2.3.2 2.3.3
微机数字控制的特点 转速检测的数字化 数字PI调节器
2.3.1微机数字控制的特点
模拟系统 在第一节与第二节中我们讨论了直流调速系统的基本组成，所有的调 节器均用运算放大器实现，属模拟控制系统。 优点: 具有物理概念清晰、控制信号流向直观，便于学习入门。动 态响应快。 缺点： 1）硬件线路复杂，通用性差，控制效果受到器件的性 能、温度等因素的影响。 2）PI调节器参数一经设定，不易经常调整，对工况的变化和对象
微机数字控制的结构图
图2-28
微型计算机采样控制系统
信号的离散化
微机控制的调速系统是一个数字采样系统，
K1是给定值的采样开关， K2是反馈值的采样开关， K3是输出的采样开关。
若所有的采样开关是等周期地一起开和闭，则称为同步采 样。 微型计算机只有在采样开关闭合时才能输入和输出信号。 为了把它们输入微型机，必须在采样时刻把连续信号变成 脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是信号的离散化。
采样定理用法
至于转速环，由于系统的动态性能往往对转速环 截止频率的大小有一定要求，不能太低。 但转速控制有时比较复杂，占用的机时较长，因 而转速环的采样频率又不能很高。 如果所选择的采样频率不够高，按连续系统设计 误差较大时，就应按照离散控制系统来设计转速 调节器。
采样定理使用中应注意的问题