双闭环控制直流电机调速系统
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。
双闭环直流调速系统ACR设计
双闭环直流调速系统ACR设计双闭环直流调速系统（ACR）是一种使用两个反馈环来控制直流电机转速的系统。
其中一个环，被称为速度环（内环），用来控制电机的速度；另一个环，被称为电流环（外环），用来控制电机的电流。
ACR系统能够提供更精确的转速控制，同时能够保护电机免受过流和过载的损坏。
ACR系统的设计首先需要确定控制器的参数。
其中，内环控制器的参数包括比例增益（Kp）和积分时间（Ti）；外环控制器的参数包括比例增益（Kp）和积分时间（Ti）。
这些参数需要根据实际系统的需求来选择，可以通过试验和调整来获得最佳参数。
在内环控制器中，比例增益决定了速度误差与输出调节器输入信号之间的比例关系，即输出调节器的输出值与速度误差的乘积。
积分时间决定了对速度误差的积分时间长度，即速度误差累计值。
在外环控制器中，比例增益决定了电流误差与输出调节器输入信号之间的比例关系，即输出调节器的输出值与电流误差的乘积。
积分时间决定了对电流误差的积分时间长度，即电流误差累计值。
ACR系统的设计还需要确定速度传感器和电流传感器的类型和位置。
速度传感器用于测量电机的转速，可以选择编码器、霍尔传感器等；电流传感器用于测量电机的电流，可以选择霍尔传感器、感应电流传感器等。
这些传感器需要合理安装在电机上，以确保准确测量电机的转速和电流。
在系统工作时，ACR系统通过测量电机的转速和电流，并与设定值进行比较，计算得到速度误差和电流误差。
然后，内环控制器根据速度误差来产生控制信号，控制电机的速度接近设定值；外环控制器根据电流误差来产生控制信号，控制电机的电流接近设定值。
这些控制信号通过功率放大器输出到电机，实现对电机速度和电流的控制。
ACR系统的设计需要考虑诸多因素，如电机的负载特性、速度和电流的响应时间、系统的稳定性等。
通过合理选择控制器的参数和传感器的类型和位置，采取适当的控制策略，可以实现高精度、高效率的直流电机调速系统。
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1.双闭环直流调速系统的特性：(1)调速性能优良：双闭环控制可以提高调速性能，使得速度响应更加迅速、稳定。
由于速度闭环控制，系统可以实时检测速度偏差，并根据偏差调整电机的控制信号，从而使电机转速保持恒定。
(2)载荷抗扰性好：双闭环直流调速系统具有良好的抗负载扰动能力。
通过电流闭环控制器对电流进行反馈控制，一旦发生负载变动，系统可以根据反馈信号快速调整电流，以保持电机输出功率稳定。
(3)适应性强：双闭环直流调速系统适应性强，可以适应各种负载条件下的调速要求。
通过速度闭环控制器可以实时检测速度偏差，并根据偏差调整电机的控制信号，以适应不同的负载要求。
(4)技术难度较高：双闭环直流调速系统需要同时进行速度闭环控制和电流闭环控制，涉及到多个反馈环节和控制算法的设计与调试，技术难度相对较高。
2.双闭环直流调速系统的原理：(1)速度闭环控制原理：速度闭环控制器测量电机的速度，并将测量值与期望速度信号进行比较，得到速度偏差。
根据速度偏差，通过控制器计算得到电机的控制信号，调整电机的输入电压或者电流，使得速度偏差减小，并最终稳定在期望速度值上。
(2)电流闭环控制原理：电流闭环控制器测量电机的电流输出值，并将测量值与期望电流信号进行比较，得到电流偏差。
根据电流偏差，通过控制器计算得到电机的控制信号，调整电机的输入电压或者电流，使得电流偏差减小，并最终稳定在期望电流值上。
(3)内环逆变器控制：双闭环直流调速系统通常采用内环逆变器控制方式。
内环逆变器控制主要是通过改变电机的输入电压或者电流来控制其输出转矩和速度。
内环逆变器可以调整直流电动机的极性和大小，以实现对电机力矩和速度的精确控制。
(4)反馈和调节：双闭环直流调速系统中的反馈环节起到了至关重要的作用。
通过测量电机的速度和电流输出值，并与期望值进行比较，得到偏差信号，通过控制器计算得到控制信号，对电机输入电压或者电流进行调节，以实现对速度和电流的闭环控制。
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
双闭环直流调速系统介绍
电流环的设计：采用PI控制器，实现对电机电流的精确控 制。
双闭环调速系统的参数整定：根据系统特性和实际需求，对 速度环和电流环的参数进行整定，以实现最佳的调速性能。
双闭环直流调速 系统的应用
双闭环调速系统在工业控制中的应用
01 电机控制：用于控制电机 的转速、位置和扭矩等参 数，实现精确控制
04
够抵抗各种干扰和故障，保持正常运行
双闭环调速系统的设计步骤
01
确定系统需求：分 析系统需求，确定 调速系统的性能指
标
02
设计调速系统结构： 选择合适的调速系 统结构，如双闭环
调速系统
03
设计控制器：设计 控制器参数，包括 比例、积分、微分
等参数
05
设计驱动电路：设 计驱动电路，包括 功率放大器和驱动
双闭环调速系统的特点
速度闭环控制：通过速度传
感器检测电机转速，实现速
01
度的精确控制
响应速度快：双闭环调速系
统能够快速响应负载变化， 03
提高系统的动态性能
精度高：双闭环调速系统能
够实现高精度的速度和位置 05
控制，满足各种应用需求
位置闭环控制：通过位置传
02 感器检测电机位置，实现位
置的精确控制
双闭环直流调速系统介 绍
演讲人
目录
01. 双闭环直流调速系统的基本 概念
02. 双闭环直流调速系统的设计 03. 双闭环直流调速系统的应用 04. 双闭环直流调速系统的发展
趋势
双闭环直流调速 系统的基本概念
双闭环调速系统的组成
01
速度环：用于控 制电机转速，实
现速度调节
双闭环直流调速系统设计
双闭环直流调速系统设计1.电机数学模型的建立首先要建立电机的数学模型，这是设计双闭环直流调速系统的基础。
根据电机的参数和运动方程，可以得到电机的数学模型，一般为一组耦合的非线性微分方程。
2.速度内环设计速度内环负责实现期望速度的跟踪控制。
常用的设计方法是采用比例-积分(PID)控制器。
PID控制器的输出是速度的修正量，通过与期望速度相减得到速度误差，然后根据PID算法计算控制器输出。
PID控制器的参数调节是一个关键问题，可以通过试探法、经验法或优化算法等方法进行调节，以实现最佳的速度跟踪性能。
3.电流外环设计电流外环的作用是保证电机的电流输出与速度内环控制输出的一致性。
一般采用PI调节器进行设计。
PI调节器的参数通过试探法、经验法或优化算法等方法进行调节，以实现电流输出的稳定性。
4.稳定性分析与系统稳定控制设计好速度内环和电流外环后，需要对系统的稳定性进行分析。
稳定性分析可以通过线性化方法、根轨迹法、频率响应法等方法进行。
分析得到系统的自然频率、阻尼比等参数后，可以根据稳定性准则进行系统稳定控制。
常用的控制方法包括模型预测控制、广义预测控制、滑模控制等。
5.鲁棒性设计在双闭环直流调速系统设计中，鲁棒性是一个重要的指标。
通过引入鲁棒性设计方法，可以提高系统对参数扰动和外部干扰的抑制能力。
常用的鲁棒性设计方法包括H∞控制、μ合成控制等。
以上是双闭环直流调速系统设计的一般步骤，具体的设计过程可能因实际应用和控制要求的不同而有所差异。
设计双闭环直流调速系统需要深入了解电机的特性和系统的控制需求，综合运用控制理论和工程方法，通过模拟仿真和实验验证来不断调整和优化控制参数，以实现系统的高性能调速控制。
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双闭环直流调速系统是一种常用的控制系统，用于调节和控制直流电动机的速度。
该系统通过两个闭环来实现目标速度的精确控制，其中一个闭环负责速度检测与控制，另一个闭环负责电流检测与控制。
下面将详细介绍双闭环直流调速系统的工作原理。
1.电机：用于产生机械功的装置，是整个系统的核心部分。
2.传感器：用于检测电机的速度和电流。
3.控制器：根据传感器的反馈信号，计算并控制电机的输入电压和输出扭矩。
4.功率放大器：将控制器输出的电压信号放大后，传递给电机。
5.脉宽调制（PWM）驱动器：将控制器输出的模拟信号转换为数字信号，用于驱动功率放大器。
下面是双闭环直流调速系统的工作过程：1.速度检测与控制环路：该环路用于检测和控制电机的速度，通过传感器测量电机的速度，并将该速度信号反馈给控制器。
控制器根据目标速度和反馈速度之间的误差，计算出控制电压，并将该控制电压传递给功率放大器。
功率放大器将控制电压放大后，通过PWM驱动器将控制信号传递给电机。
电机根据控制信号的大小和频率，调整自身的旋转速度，使得反馈速度与目标速度尽可能接近。
2.电流检测与控制环路：该环路用于检测和控制电机的电流，通过传感器测量电机的电流，并将该电流信号反馈给控制器。
控制器根据反馈电流和目标电流之间的误差，计算出控制电压，并将该控制电压传递给功率放大器。
功率放大器将控制电压放大后，通过PWM驱动器将控制信号传递给电机。
电机根据控制信号的大小和频率，调整自身的输出扭矩，使得反馈电流与目标电流尽可能接近。
通过双闭环控制，系统可以实现对电机速度和电流的高精度控制。
速度检测与控制环路可以保证电机的速度稳定在设定值附近，并可根据需求进行调整。
电流检测与控制环路可以保证电机输出扭矩的精确控制，从而满足不同工作负载下的要求。
总结起来，双闭环直流调速系统通过速度检测与控制环路和电流检测与控制环路，实现了对直流电动机速度和电流的精确控制。
该系统在工业自动化领域具有广泛的应用，可以确保电机在不同工作条件下的稳定运行，并满足不同任务的要求。
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控制系统数字仿真与CAD
课程报告
题目：“双闭环控制直流电机调速
系统”数字仿真实验
姓名：
专业：电气工程及其自动化
班级：
学号：
完成时间：
“双闭环控制直流电机调速系统”仿真实验
摘要：直流电机具有模型简单控制方便的优点，因此交流电机变频调速时总是将交流电机通过变换等效成直流电机后进行控制。
在本次实验中，依次进行双闭环直流电动机调速系统的建模，设计电流环／调节器并进行电流环动态跟随性能仿真实验；设计转速环／调节器并进行转速环动态抗扰性能仿真实验；分析系统动态性能。
验证了直流电机双闭环调速系统的PID设计方法。
关键词：Matlab/Simulink图形化建模，数字仿真，直流电机，双闭环 PID控制
1 引言
目前，交流电机变频调速系统已经大面积代替直流电机调速系统。
但是直流电机具有模型简单控制方便的优点，因此交流电机变频调速时总是将交流电机通过变换等效成直流电机后进行控制。
研究典型的双闭环控制直流电机调速系统对于深入理解交流电机变频调速过程有重要意义。
2 原理/建模
直流电机双闭环调速系统的动态模型结构图如下。
图1 双闭环调速系统动态结构图
3 设计
3.1 系统基本参数
系统中采用三相桥式晶闸管整流装置，基本参数如下：
直流电动机：220V，13.6A，1480r/min，C e =0.131V/（r/min），允许过载倍数λ=1.5；
晶闸管装置：K s=76；
电枢回路总电阻：R=6.58Ω；
时间常数：T l=0.018s，T m =0.25s；
反馈系数：α=0.00337V/（r/min），β=0.4V/A；
反馈滤波时间常数：T oi=0.005s，T on=0.005s。
3.2 控制系统参数
三相桥式电路的平均失控时间：T s=0.00167s
ACR超前时间常数：τi=T l=0.018s
ACR的比例系数：
电流调节器传递函数：
最小时间常数近似处理：
ASR的比例系数：
转速调节器传递函数：
ASR输出限幅值：
4 仿真实验/结果分析
4.1 系统动态结构的Simulink建模
根据理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如图2所示。
图3为按照理论设计得到的转速输出波形。
从图2中可以清楚地看出，输出转速有很大的超调，最大可达83.3%，调整时间达1.7s之久，实际系统中这是所不能接受的。
图2 双闭环调速系统动态结构图
图3 理论设计条件下输出转速曲线
对ACR 和ASR 的参数进行整定，特别是速度控制器的参数。
就对其作出了适当的调整，将速度控制器的传递函数改成0.8s+1
0.03s ，将电流调节器的传递函数改为
0.018s+10.067s。
修正
后的系统动态结构图如图4所示。
图5为控制系统参数修正后得到的转速输出波形。
从图5中可以清楚地看出，输出转速超调为25%，调整时间为2s 。
转速超调与调整时间均符合一般要求。
图4修正后的双闭环调速系统动态结构图
图5 修正后输出转速曲线
4.2 电流环跟随性能仿真实验
将电流环从系统中分离出来。
电流环的模型如图6所示。
运用Simulink工具进行线性分析。
选择Tools菜单下的Control Design 栏并选择Linear Analysis。
运行后得到系统的单位阶跃响应如图7所示，Bode图如图8所示，Nyquist 图如图9所示。
从实验结果图中可以得到电流环的时域特性，超调量约为PO=2%，稳态时间约为t s=0.05s；频域特性，剪切频率约为ωc=160rad/s，相角裕量约为δ=45°。
图6 ACR模型
图7 电流环的单位阶跃响应
图8 电流环的Bode图
图9 电流环的Nyquist图
4.3 转速环抗扰性能仿真
4.3.1 启动性能分析
图10、图11、图12 分别为ASR 的输出与电动机转速动态特性仿真结果，ACR 的输出与电动机转速动态特性仿真结果以及电动机电流与电动机转速动态特性仿真结果。
图10 ASR的输出特性
图11 ACR的输出特性
图12电动机电流特性
从图10可以看出ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态，即饱和限幅输出与线性调节状态；从图11可以看出ACR从起动到稳速运行的过程中仅工作在一种状态，即线性调节状态；该系统对于起动特性来说，已达到预期目的；从图5和图12可以清楚地看出对于系统性能指标来说，起动过程中电流的超调量约为3%，转速的超调量约为25%。
这与理论最佳设计有一定差距，尤其是转速超调量略高一些。
4.3.2 抗扰性能分析
实验中选取Start time=0.0，Stop time=5.0，仿真时间从0s到5.0s。
扰动加入的时间均为3.5s。
一般情况下，双闭环调速系统的干扰主要是负载突变与电网电压波动两种。
图13、图14分别绘出了电网电压突加（ΔU=100V）情况下晶闸管触发整流装置输出电压U d0、电动机电枢电流I d与输出转速n的关系；图14、图15分别绘出了电网电压突减（ΔU=100V）情况下晶闸管触发整流装置输出电压U d0、电动机电枢电流I d与输出转速n的关系；图16、图17分别绘出了突加负载（ΔI=12A）情况下晶闸管触发整流装置输出电压U d0、电动机电枢电流I d与输出转速n的关系。
图13 电网电压突加+100v的抗扰性能（U d0）
图14 电网电压突加+100v的抗扰性能（I d）
图15 电网电压突加-100v的抗扰性能（U d0）
图16 电网电压突加-100v的抗扰性能（I d）
图17 突加12A负载抗扰特性（U d0）
图18 突加12A负载抗扰特性（I d）
从图13至图16中可以看出系统对电网电压的大幅波动具有良好的抗扰能力。
在ΔU=100V的情况下，系统速降非常小，恢复时间约为t f=0.5s。
从图17和图18中可以看出系统对负载的大幅度突变具有良好的抗扰能力，在ΔI=12A 的情况下系统速降约为Δn=40r/min，恢复时间约为t f=1.2s。
5 结论
思考题：
1．在系统启动过程的第二阶段中，理想的电流特性为：实际值小于给定/设定值，试说明为何？
答：这是因为电动机反电动势呈线性增加，该扰动为一斜波扰动，而按典型Ⅰ型系统设计的ACR无法消除静差，因此实际值便小于给定值。
2．动态性能中，电流/转速特性的“超调量”与理论值是否有偏差？如有偏差，试给出分析解释。
答：动态性能中电流/转速特性的“超调量”与理论值有偏差，这可能是由于建模过程中的近似和计算过程中的舍入误差造成的。
3．在“双闭环直流电动机调速系统”中，电流调节器与速度调节器的输出都要设置“限幅”，试说明：你是如何选取限幅值的？
答：首先由电机的过载能力和拖动系统允许的最大加速度确定最大电流I dm，用I dm乘以ACR反馈系数就得到了限幅值。
4．假设系统中的励磁电压减小/增加，试说明：系统转速将可能怎样变化？
答：系统中的励磁电压减小，则会导致励磁电流减小，励磁电流与主磁通基本呈正比例关系。
反映到系统动态结构图中为参数T m变大。
在双闭环结构中,这基本不会影响电机稳态转速，但是系统的启动时间和抗扰恢复时间会变长。
参考文献
[1]“控制系统数字仿真与CAD”实验指导书，2011。