直流电机的转速电流双闭环控制演示教学
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-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）。
Pid控制直流双闭环调速系统ppt课件
比例部分
比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)
在模拟 PID 控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作 出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量 向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 Kp ，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快， 控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生 振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当， 才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
直流双闭环调速系统
单闭环直流调速系统 同开环调速系统一样，转速闭环调速系统
中电机的转速大小受转速给定电压Un*控制， 给定电压为零时，电机停止；给定电压增大 时，电机转速升高；给定电压减小时，电机 转速下降。
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整定方法
凑试法 临界比例法 经验法
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这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次 输出均与过去状态有关，计算时要对ek进行累加，工作 量大；并且，因为计算机输出的uk对应的是执行机构的 实际位置，如果计算机出现故障，输出的u将大幅度变 化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严 重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。
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转速电流双闭环直流调速系统PPT课件
转速电流双闭环直流调速系统通常由 转速调节器、电流调节器、直流电机 、测速装置和功率电子装置等组成。
工作原理简介
工作原理
转速电流双闭环直流调速系统通过采集电机的转速和电流信号，经过调节器的处理，输出相应的控制信号来调节 电机的输入电压或电流，从而实现对电机速度的控制。
控制流程
转速调节器根据实际转速与设定转速的差值，输出一个转速调节电压；电流调节器根据实际电流与设定电流的差 值，输出一个电流调节电压。这两个调节电压共同作用，通过功率电子装置控制电机的输入电压或电流，实现电 机的精确调速。
抗扰动能力强
转速环调节器能够有效地抑制外部扰动和内部参数变化对系统稳定性的影响。
转速环的抗干扰性能
抗噪声干扰
采用滤波算法等手段减小噪声对转速检测的影响，提高转速 检测的准确性。
抗负载扰动
通过优化调节器设计，减小负载扰动对转速环稳定性的影响 ，提高系统的鲁棒性。
03
电流控制环
电流检测与调节器设计
02
转速控制环
转速检测与调节器设计
转速检测
采用光电编码器等传感器实时检 测电机转速，并将转速信号转换 为电信号传输给调节器。
调节器设计
根据转速偏差和转速变化率等信号， 采用比例、积分、微分（PID）等 控制算法计算出控制量，实现对电 机转速的调节。
转速环的动态特性
快速响应
转速环调节器具有较快的响应速度，能够快速地调节电机转速，减小超调量。
测试方案制定
根据系统要求，搭建测试平台，包括电源 、电机、测速装置、数据采集系统等。
根据系统性能指标，制定详细的测试方案 ，包括测试项目、测试步骤、测试数据记 录等。
测试数据采集与分析
验证与改进
第二章转速电流双闭环直流调速系统ppt课件
（2） 转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈 开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双
闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节
器 弱磁控制的直流调速系统。
2.1 转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性
问题的提出 第1章中表明，采用转速负反馈和PI调
节器的单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，例如： 要求快速起制动，Байду номын сангаас加负载动态速降小等 等，单闭环系统就难以满足需要。
不饱和——输出未达到限幅值
当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐 明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳 态时总是零。
3. 系统静特性
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。
双闭环直流调速 系统的静特性如图 所示，
n
n0 C
A
B
O
Idnom
Idm
Id
图2-5 双闭环直流调速系统的静特性
（1）转速调节器不饱和
U
* n
Un
n
n0
U
* i
Ui
Id
式中， —— 转速和电流反馈系数。
由第一个关系式可得
n
U
* n
n0
(2-1)
从而得到上图静特性的CA段。
静特性的水平特性
与此同时，由于ASR不饱和，U*i < U*im， 从上述第二个关系式可知: Id < Idm。
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 。
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．实验系统原理图：直流电机主回路二．实验内容及步骤： 1． 脉冲触发单元零位整定：（同实验一）。
2．电流环调试：1） 电流调节器ACR 的限幅整定：（不加强电）g u cu PI调电流调节器ACR 的RP1，使触发角︒︒=30~15α2）电流反馈系数β整定及反馈极性判定：开环，g c u u +→ 不加励磁，Rm 最大，负载开路。
合上强电后，增加g u ，使1.1Id A =，调整FBC 的RP1，使电流反馈*5i im U U V ==。
此时，UiIdβ=。
判定0Ui >。
3）电流闭环运行（接入Rm ）：g u -cu PIiu +不加励磁，合上强电。
增大g u -，使 1.0Id A =，调Rm ，Id 应不变。
3． 转速环调试：1） 转速调节器ASR 的输出限幅整定：（不加强电）g u*i u PI-ASR 接成PI 调节器，不通强电。
正给定u g +接ASR 的输入端, 用万用表测量ASR 的输出：调ASR 的电位器RP2（对应负输出），使*5i u V =-。
2） 转速反馈系数α整定及极性判定：u g + -> u c ，开环运行，加强电，加励磁，Rm 最大。
调正给定u g ，开环运行至min /1500r n =。
调转速反馈单元FBS 中的电位器RP,使转速反馈电压5n u V =-(用万用表测量)。
由于ASR 、ACR 是反相器，故双闭环时转速反馈电压端极性应取负。
4. 系统双闭环调试：按原理图双闭环接线，检查无误后，合强电，测机械静特性。
（方法步骤同实验一）。
5. 突加给定，观察转速和电流的波形：在4.基础上，空载1400/min n r =，将给定打至零，再突加给定，用慢扫描示波器观察转速和电流的波形。
第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统-PPT文档资料
第3章 转速、电流反馈控制 的直流调速系统
内 容 提 要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法 MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制 的直流调速系统的仿真
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在 Idm,
0 Id Idm t
电动机加速 到了给定值 n*。
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流 闭环调节系统。稳态时
Id
U
* im
Idm
(3-2)
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n < n 0。
3.1.2 稳态结构图与参数计算
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 。
双闭环控制的直流调速系统PPT课件
。
0 Id Idm
t
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Id基本保持在Idm,电动机加速
到了给定值n*。
ASR调节器始终保持在饱和状
0 Id Idm
t
态，转速环仍相当于开环工作。 系统表现为使用PI调节器的电 流闭环控制
电流调节器的给定值就是ASR
2.2 转速、电流双闭环直流调速系统
双闭环问题的引入 双闭环调速系统的稳态结构与稳态
参数计算 双闭环直流调速系统的动态数学模 型与动态性能分析
* 知 识 回 顾 *
n
堵转电 流过大
* K p Ks (U n U com )
Ce (1 K )
( R K p Ks Rs ) I d Ce (1 K )
1、 原理图
I 内环 Un* Un n 外环 n
TG
~
TA
ASR
Ui*
Ui ACR Uc UPE Ud
Id
M
ASR-转速调节器
ACR-电流调节器
TA-电流互感器
转速、电流双闭环的优势： 将电流、转速调节器分开，分别用两个调节器； 转速环为外环，转速环的输出作为电流环的给定。
2、 稳态结构
转速无静差 系统（PI）
开 环
特性 太软
转速闭环 （ P）
加电流截 至负反馈
系统有 静差
考虑转速单闭环调速系统的局限性：
仅考虑了静态性能，没考虑启、制动过程（动态性能） 未考虑对负载扰动的电流控制问题
启、制动波形
•理想的启、制动波形
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直流电机的转速电流双闭环控制直流电机的转速电流双闭环控制摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。
来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。
该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI 调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。
而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。
两个PI调节器都采用集成运放实现。
其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。
关键词：电流环；转速环；PI调节器The Rotate Speed and Current Double Closed LoopFeedback Control for DC MotorAbstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC motor.The major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating stably.yields making the DC motor started rapidly with the largest load current.It is the same to starting rapidly with the largestaccerelation.Simultaneous,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the task.The priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop.Key word: current feedback loop; rotate speed feedback loop;PI regulator目录摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI 调节器的设计。
来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。
该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。
而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。
两个PI调节器都采用集成运放实现。
其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。
(2)1 引言 (5)直流电机由于其调速的控制方法简易而获得了广泛的应用，其控制规律容易理解，并且便于通过线性控制系统的分析方法去解决工程设计的实际问题。
电力电子技术的发展为直流电机提供了多种多样的供电电源，进而也使其控制精度进一步得到了提高，而且也促进了交流调速技术的发展，而交流调速的现代控制的基本规律和直流电机又有相同之处，因而研究直流电机将为交流电机的控制提供一定的基础。
(6)2电机的供电电源 (7)2.1 三相桥式整流电源 (7)3转速、电流双闭环系统的静态结构 (12)3.1转速、电流双闭环直流调速系统的构成 (12)3.1.1双闭环系统的结构框图 (12)3.1.2稳态结构框图和静态特性 (13)4.双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 (16)4.1 双闭环直流调速系统的数学模型 (16)4.1.1直流电机的动态数学模型 (16)4.1.2双闭环直流调速系统的完整的动态结构框图 (18)4.2 动态性能的时域分析 (18)4.2.1起动过程分析 (18)4.2.2动态抗扰性能分析 (20)4.3 调节器的工程设计方法 (21)4.3.1工程设计方法的基本思路 (22)4.3.2典型系统 (22)4.4控制系统的动态性能指标 (25)4.4.1跟随性能指标 (25)4.4.2抗扰性能指标 (26)4.4.3典型Ⅰ型系统性能指标和参数的关系 (27)4.4.4典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系 (33)5.按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 (39)5.1 电流调节器的设计 (40)5.1.1电流环结构图的化简 (40)5.1.2电流调节器结构的选择 (41)5.1.4电流调节器的实现 (43)5.2 转速调节器的设计 (44)5.2.1电流环的等效闭环传递函数 (44)5.2.2转速调节器结构的选择 (45)5.2.3转速调节器的参数计算 (46)5.2.4转速调节器的实现 (47)6系统仿真 (47)6.1 系统动态结构的MATLAB仿真 (47)6.2 系统的整体结构的仿真 (49) (52)7总结 (52)参考文献： (53)1 引言直流电机由于其调速的控制方法简易而获得了广泛的应用，其控制规律容易理解，并且便于通过线性控制系统的分析方法去解决工程设计的实际问题。
电力电子技术的发展为直流电机提供了多种多样的供电电源，进而也使其控制精度进一步得到了提高，而且也促进了交流调速技术的发展，而交流调速的现代控制的基本规律和直流电机又有相同之处，因而研究直流电机将为交流电机的控制提供一定的基础。
直流电机的转速电流双闭环控制则是为了同时满足动态和静态两种需求而设计的，是应用最广的直流调速技术。
该调速技术的实际应用很多，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，这样的工程机械的要求是尽量缩短起动、制动过程的时间来提高生产效率。
而转速、电流双闭环控制直流调速系统性能能满足以上两项要求，直流电机的电流控制环能保证嗲及在最大允许电流的条件下快速起动，也即是充分利用直流电机的过载能力，此时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，是转矩马上与负载转矩平衡，从而转入稳态运行。
直流电机的转速控制环则能保证电机在给定控制电压控制下以某一恒定转速稳定运行，并且在突加负载时转速降落的值很小，在采用PI控制时理论上市没有转速降落的，也即实现了恒速稳定的运行，转速外环的控制精度取决于运算放大器的性能和测速发电机的线性化精度，如果测速环精度受到干扰，由于反馈控制规律只能消除前向通道上的各种干扰，而无法消除反馈支路上的干扰。
因此测速的精度对于转速外环的控制精度非常的重要。
本设计采用模拟电路实现两个调节器的功能，当然也可以采用数字控制系统，并且数字控制系统的控制精度要比模拟控制系统的控制精度要高。
但是模拟控制系统的结构简单，而且便于理解其控制规律，转速调节器和电流调节器都采用模拟电路里面的有运放组成比例积分控制电路组成，这样的控制器原理都是很容易理解的，而且也便于工程调试和使用。
本设计分一下几个部分，首先概要介绍晶闸管组成的三相桥式整流电源及其控制电路，第二部分介绍转速和电流组成的系统的静态特性，第三部分介绍整个系统的动态性能，包括一些基础的典型ⅠⅡ型系统和典型Ⅱ型系统。
第三部分则是根据典型系统的要求来设计的各个环节的工程参数。
直流调速系统的广泛应用使得对其控制理论的研究已经非常成熟，出现了各种各样的控制系统，例如斩波控制方式，H桥可逆控制方式，以及PWM控制方式。
但是转速电流双闭环控制由于其经过工程实践的检验，并且其控制系统的设计方法已经很成熟，并且被广泛的应用在其他的调速系统之中，典型的PI 控制规律也容易本大多数人所理解。
2电机的供电电源2.1 三相桥式整流电源本设计的直流电机采用调节电源电压的方法来调节电机的转速，三相桥式整流电路能够满足这样的要求，采用集成触发电路可以实现对输出电压的线性控制，并且三相桥式整流桥的带负载能力很强，串接电抗器以后可以实现电流连续并且无脉动。
该电路的主电路部分如图1所示。
该电路有六个晶闸管组成，组成三相六脉波整流电路，当负载是直流电机时还需要添加电抗器来保证负载电流的连续不然电机机械特性会比较软，而且带负载能力不强，突加负载时会造成电机的瞬间停转，进而产生不必要的损害。
该电路采用相位控制的方式来调节输出电压，现在已经有各种各样的相位触发控制电路用于晶闸管的控制，为了满足线性控制精度的要求，本电路采用集成相位触发控制器件，KJ004和KJ041，这两个芯片采用直流电压控制相位的方法，可以实现线性控制，其相关原理可查阅相关资料。
由三个KJ004和一个KJ041组成的相位触发控制电路如图2USaUS USc 至VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6图1三相桥式电路2.2 整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时，可以吧晶闸管触发和整流装置当做系统中的一个环节来看待。
应用线性控制理论时，须求出这个环节的放大系数和传递函数实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。
如有可能最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，级Ud=f(Uc)曲线，图3是采用锯齿波触发器移相时的特性。
设计师，希望整个调速范围的工作点都落在近似线性范围之中，并有一定的调节余量。
这时，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks 可由工作范围内的特性斜率决定，计算方法是如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。
例如，党触发控制电压Uc 的调节范围是0～10V ，对应的整流电压Ud 的变化范围是0～220V 时，可取Ks=220/10=22.cds U U K ∆∆=图3锯齿波触发器移相特在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。
众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。
图4给出了单相桥式整流电路的的触发相位与整流输出电压的波形，假如在1α时刻触发晶闸管导通，整流装置开始工作，由晶闸管的工作特性可知今年晶闸管一旦导通，是不能用触发电压来使其关断的，假设在整流输出电压过零前想让整流装置停止工作，此时给出控制信号，但是整流装置不会响应，这样就会造成整流电压滞后于控制电压的状况。
于是出现了一个时空电压Ts。