电流调节器设计举例
双闭环直流调速系统的设计
双闭环直流调速系统设计一、系统组成与数学建模1）系统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。
二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。
L+-图中，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。
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P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。
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U c为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
2）数学建模图中W ASR(s)和W ACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
如果采用PI调节器，则有ss K s W i i iACR 1)(ττ+= ss K s W n n nASR 1)(ττ+=二、 设计方法采用工程设计法 1、设计方法的原则： （1）概念清楚、易懂； （2）计算公式简明、好记；双闭环直流调速系统的动态结构图（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； （4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； （5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。
2、工程设计方法的基本思路:（1）选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。
（2）设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。
一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为∏∏==++=n1i irm1j j )1()1()(s T ss K s W τ上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。
根据 r=0，1，2，……等不同数值，分别称作0型、I 型、Ⅱ型、……系统。
%e5%ae%9e%e9%aa%8c%e4%b8%89%ef%bc%8d%e5%8f%8c%e9%97%ad%e7%8e%af%e7%b3%bb%e7%bb%9f%e4%bb%bf%e7%9c%9f1
3.1.2 稳态结构图与参数计算
~
TA
I Un* Un n n
TG
Ui* ASR
Ui ACR Uc UPE Ud
Id
M
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
1. 稳态结构图和静特性
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制 了电力电子变换器的最大输出电压， 当调节器饱和时，输出达到限幅值，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； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
（1）抗负载扰动
IdL Un* Un Ui*
WASR(s) WACR(s )
Uc
Ks Tss+1
Ud0
1/R Tls&
1 Ce
n
Ui β
α
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器 ASR来产生抗负载扰动的作用。 在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。
1. 转速调节器的作用
转速调节器是调速系统的主导调节器，它 使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采 用PI调节器，则可实现无静差。 对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
2. 电流调节器的作用
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随 其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最 大电流。 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的 最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障 消失，系统立即自动恢复正常。
异步电机运动控制系统电流调节器参数设计
异步电机运动控制系统电流调节器参数设计一、实验目的1.了解运动控制系统电流控制器的系统结构框图和硬件组成2.了解DSP实现数字式电流调节器3.掌握电流调节器参数调节对系统性能的影响二、实验设备三、实验线路和原理1、异步电动机电流调节器线路原理在电流调节器的线路中需要两路16位的数字PI调节器去调整D轴和Q轴的电流的值。
图2-1 异步电机电流调节器框图由上图可以看出，所测量的两相电流I a、I b先经3/2变化和旋转变换后转化为旋转坐标上的两个分量I d、I q。
图中的电流调节器为PI离散调节器，I d、I q在电流调节器中和I*d、I*q参考比较，计算得到的参考电压U*d和U*q，U*d和U*q 根据所提供的位置信息（Δθ）经逆变换后转换为提供给逆变器的相电压参考（U *a 、U *b 和U *c ）。
根据这些参考电压，由DSP 生成的PWM 信号，经功率驱动级放大后输出调制波形电压。
2、电流调节器参数调节在本实验中电流回路通过一个离散的PI 调节器进行调节，其PI 调节的传递函数为：C Ts z Ki Kp z R _1)(1⨯-+=- 式中Kp 为电流调节器比例系数，Ki 为积分系数，Ts_C 为电流环取样时间。
Kp 、Ki 的系数通过调整电流环回路电流动态响应曲线来获取（如图2-2所示），通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。
图2-2 电流控制回路结构图在MotionChip 芯片内部PI 调节器的执行如图2-3所示：图2-3 MotionChip 电流调节器执行原理由图可以看出，调节器需要外部输入下列参数：● I_ref ：参考电流，由下列三种方式产生：参考发生器（电流／转矩模式）、速度调节器输出（配置了速度环）或位置／外部变量调节器输出（在位置模式且没有速度调节器），本实验直接由参考发生器产生，即Ib 。
● I_fbk ：电流反馈，即Ia 。
调节器在外部信号输入到参考信号输出之间还需要一系列参数，这些参数将由“Motion Studio ”软件提供。
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 。
某车床直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计
目录第一章设计任务分析 (1)1.1 课题的内容与要求 (1)1.2 系统概述 (1)第二章主电路分析和双闭环调速系统的组成 (2)主电路分析 (2)双闭环调速系统的组成 (2)第三章电流、转速调节器的设计 (4)电流调节器 (4)电流调节器原理图 (4)电流调节器参数选择 (4)转速调节器 (6)转速调节器原理图 (6)转速调节器参数选择 (7)第四章设计总结 (9)参考文献 (10)第一章设计任务分析1.1 课题的内容与要求设计题目：某车床直流双闭环有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）。
设计要求：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。
1.2 系统概述直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。
直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。
本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。
第二章主电路分析和双闭环调速系统的组成用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。
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。
交流电机离散时间电流调节器的设计
摘要： 分析 了运行 在较 高基 频 与采样 频 率 的比值 下异 步 电机 的 离散 时间 电流 调节器 的 特点 ， 该情 况普遍 应用 在 高速列 车驱动和 大型 牵 引驱动上 。若 电流调 节器 的设计 不能很 好地满 足控 制系 统离散 特性 。 在较 高的基频
与采 样频率 比值下 ， 统会发 生严重 的振荡 或者不稳 定响应 。 过 一个含 Ｓ Ｐ 系 通 Ｖ ＷＭ 延 迟 的 离 散 时 域 交 流 电机 模
Ｔ ｉ ｍｏ ｅ ｓ ｕ ｅ ｏ ｄ ｓ ｎ ａ ｄ ｓ ｒ ｔ ・ ｍｅ ｄ ｍａ ｎ ｖ ｒｉ ｎ ｏ ｈ ｏ ｌｘ ｖ ｃｏ ＵＴ ｎ ｅ ｕ ａｏ ｈ ｔｄ ｍｏ ｓ ａｅ ｈｓ ｄ ｌｉ ｓ ｄ ｔ ｅ ｉ ｉｃ ｅｅ ｔ ｏ ｉ ｅ ｓｏ ｆ ｔｅ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｔｒ Ｃ ｌ ｔｒ ｇ ｌ ｔｒ ｔ ａ ｅ ｎ ｔ ｔｓ ｇ ｉ ｅ ｒ
ｖ ｓｉａ ｉｎ． ｉｃ ｅｅ ｔ ｏ ｉ ｃ ｉ ｅ ｍｏ ｅ ｓ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｔ ａ ｎ ｌ ｄ ｓ ｔ ｅ ｄ ｌｙ ｓｏ ｉｔｄ ｗ ｔ ＶＰ ｅｔ ｔ ｇ ｏ ａ ｄ ｓ ｒ ｔ － ｍｅ ｄ ｍａ ｎ ＡＣ ｍａ ｈ ｎ ｄ ｌｉ ｅ ｅｏ ｅ ｈ ｔｉ ｃｕ ｅ ｈ ｅ ａ ｓ ａ ｓ ｃａｅ ｉ ｌ Ｓ ＷＭ ． ｉ Ｉ
ｉ ｒ ｖ ｄ ｒ ｓ ｏ ｓ ｏ ａ ｅ ｉ ｈ ｔ ｅ ｅ ｕ ａｏ ｓ ｓｕ ｉｄ Ｓ ｍｕａｉ ｎ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ａ ｅ ｕ ｔ ｐ ｏ ｅ ｔ ａ ｈ ｍｐ ｏ ｅ ｅ ｐ ｎ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗ ｔ ｔ ｅ ｏ ｈ ｒ ｒｇ ｌ ｔｒ ｔ ｄ ｅ ． ｉ ｌｔ ｎ ｈ ｘ ｅ ｉ ｈ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｓ ｌ ｒ ｖ ｈ ｔ ｔｅ ｌ ｓ
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汽车换挡控制中电流调节器的设计
３ Ｃｈ ｎ ｉ ｇ ｏ ｇ ｅ ｉｉｎ Ｉ ｕ ｔｉ ． ｏ ｇｑｎ Ｈ ｎ ｙｕ Ｐｒｃｓｏ ｎ ｓｒａｌＣｏ．ａｄ， ｏ ｇ ｎ ４ ０ ０ Ｃｈｉａ） ｄ １ Ｃｈ ｎ ｑｉｇ ０ ０ ０， ｎ
ｔｏ ｒ ｂｌｍ ｕｒｅ ｅ ｕｌｔ ｒ． Ｔｈ ｓｍ ｅｈｏ ａ ｏ ｖ ｈｅｓ ｔ ｒ ｔｏｎ ｐ ｏ ｅ ｏｆｃ ｒ ｅ ｅ ｌｔ ｉｎ ｐ ｏ ｅ ｏｆｃ ｒ ｎｔｒ ｇ ａ ｏ ｉ ｔ ｄ ｃ ｎ ｓ ｌ ｅ ｔ ａ ｕ ａ ｉ ｒ ｂｌｍ ｕ ｒ ｎｔｒ ｇｕａ ｏｒｗｈｅ ｔ ｅ ｎ ｈ
电 气传 动 ２ １ ０ ０年 第 ４ Ｏ卷 第 １ １期
ＥＬＥ ＣＴＲＩ ＤＲＩ ２ １ Ｖｏ． ０ Ｎｏ １ Ｃ ＶＥ ＯＯ １４ ．１
汽 车 换 挡 控 制 中 电流 调 节 器 的设 计
程 小 强 王 辉 陈 璐 张 彬 。 ， ， ，
（． １ 湖南大 学 电气与信 息工程 学院 ， 南 长 沙 ４ ０ ８ ； 湖 １ ０ ２
方 法来 解 决 换 挡过 程 中 电流 调节 器 的饱 和 问题 。该 方 法 通 过 电流 解 耦 环 和 电压 补 偿 环 的 控 制 ， 能够 解ห้องสมุดไป่ตู้决 永 磁 同 步 电机 在 速 度变 化 较 大 时 电流 调 节 器 饱 和 的 问题 ， 且 能 够 快 速 、 确 地 跟 踪 电 流 。最 后 建 立 了 电流 解 耦 并 准 和 电压 补 偿 的 Ｐ Ｍ 的 双 闭环 控 制 系 统模 型 ， 真结 果 证 明 了 该 方 法 的可 行 性 ， 且 在 工 程 实 际 中得 到 了 ＭＳ 仿 并
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双闭环直流调速系统设计举例
例题２-1:某晶闸管供电得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得设计
1.确定时间常数
(1)整流装置滞后时间常数Ｔs 。
-I dL
U d0 U n
+
-
-
+
-
U i
ACR
1/R
T l s+1 R
T m s
U *i
U c
K s
T s s+1 I d
1 C e
+
E
β
T 0i s+1 1 T 0i
s+1 ASR 1 T 0n s+1 α
T 0n s+1
U *n n
三相桥式电路得平均失控时间Ｔｓ=0、0０17s。
（2)电流滤波时间常数
三相桥式电路每个波头得时间就是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
于就是,ACR得比例系数为
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得条件:; 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、计算调节器电阻与电容
取R。
=40,各电阻与电容值计算如下
,取3２
, 取0、75
=0、2 取0、2
按照上述参数，电流环可以达到得动态指标为：σi％＝4、3％＜5％,满足设计要求。