直流双闭环调速系统
无刷直流电机(BLDC)双闭环调速解析
无刷直流电机(BLDC)双闭环调速系统在无刷直流电机双闭环调速系统中，双闭环分别是指速度闭环和电流闭环。
对于PWM 的无刷直流电机控制来说，无论是转速的变化还是由于负载的弯化引起的电枢电流的变化，可控量输出最终只有一个，那就是都必须通过改变PWM的占空比才能实现，因此其速度环和电流环必然为一个串级的系统，其中将速度环做为外环，电流环做为内环。
调节过程如下所述：由给定速度减去反馈速度得到一个转速误差，此转速误差经过PID调节器，输出一个值给电流环做给定电流，再由给定电流减去反馈电流得到一个电流误差，此电流误差经过PID 调节器，输出一个值就是占空比。
在速度环和电流环的调节过程中，PID的输出是可以作为任意量纲(即无量纲，用标幺值来表示；标幺值：英文为per unit，简写为pu，是各物理量及参数的相对单位值,是不带量纲的数值)来输入给下一环节或者执行器的，因此无需去管PID输出的量纲，只要是这个输出值反映了给定值和反馈值的差值变化，能够使这个差值无限趋近于零即可，相当于将输出值模糊化，不用去搞的太清楚，如果你要是一直在这里纠结输出值具体是个什么东西时，那么你就会瞎在这里出不来了。
假如你要控制一个参数，并且这个参数的大小和你给定量和反馈量有着直接的关系(线性关系或者一阶导数关系或者惯性关系等)，那么就可以不做量纲变换。
比如速度环的PID之后的输出就可以直接定义为转矩，因为速度过慢就要提高转矩，速度过快就要减小转矩，PID输出量的意义是调整了这个输出量，就可以直接改变你要最终控制的参数，并且这个输出量你是可以直接来控制的，这种情况下PID输出的含义是你可以自己定的，比如直流电机，速度环输出你可以直接定义为转矩，也可以定义为电流，然后适当的调节PID的各个参数，最终可以落到一个你能直接控制的量上，在这里最终的控制量就是占空比的值，当占空比从0%—100%时对应要写入到寄存器里面的值为0—3750时，那么0—3750就是最终的控制量的范围。
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
综述采用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，例如要求快速制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统的动态性能就难以满足需要。
这主要是以为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
为此本文提出一种将神经网络理论结合传统PID控制机理，构成单神经元PID控制器，并应用于直流调速系统。
通过在线边学习边控制的方式，解决了传统PID的不足，实现了调速系统的快速过程实时在线控制要求。
仿真结果表明，这控制方法具有良好的自适性，且系统鲁棒性优于传统双闭环控制。
1双闭环直流调速系统简介1.1 单闭环系统的劣势采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统（以下简称单闭环系统）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，例如要求快速制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统的动态性能就难以满足需要。
这主要是以为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但是它只能在超过临界电流Idcr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机的动态波形。
带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统启动和转速波形如图1-1（a）所示，启动电流突破Idr以后，受电流负反馈的作用，电流只能升高一点，经过某一最大值Idr以后就降了下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必须延长。
对于经常正、反转的调速系统，例如龙门刨床，可逆轧钢机等，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。
为此，在惦记最大准许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为准许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。
这样的理想起动过程波形如图1-1（b）所示，这时，起动电流是方形波，转速按线性增长。
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的设计与仿真实验报告
双闭环直流调速系统的设计与仿真实验报告一、系统结构设计双闭环直流调速系统由两个闭环控制组成，分别是速度子环和电流子环。
速度子环负责监测电机的转速，并根据设定值与实际转速的误差，输出电流指令给电流子环。
电流子环负责监测电机的电流，并根据电流指令与实际电流的误差，输出电压指令给电机驱动器，实现对电机转速的精确控制。
二、参数选择在进行双闭环直流调速系统的设计之前，需选择合适的控制参数。
根据实际的电机参数和转速要求，确定速度环和电流环的比例增益和积分时间常数等参数。
同时，还需根据电机的动态特性和负载特性，选取合适的速度和电流传感器。
三、控制策略速度子环采用PID控制器，通过计算速度误差、积分误差和微分误差，生成电流指令，并传递给电流子环。
电流子环也采用PID控制器，通过计算电流误差、积分误差和微分误差，生成电压指令，并输出给电机驱动器。
四、仿真实验为了验证双闭环直流调速系统的性能，进行了仿真实验。
首先，通过Matlab/Simulink建立双闭环直流调速系统的模型，并设置不同转速和负载条件，对系统进行仿真。
然后，通过调整控制参数，观察系统响应速度、稳定性和抗干扰性等指标的变化。
五、仿真结果分析根据仿真实验的结果可以看出，双闭环直流调速系统能够实现对电机转速的精确控制。
当系统负载发生变化时，速度子环能够快速调整电流指令，使电机转速保持稳定。
同时，电流子环能够根据速度子环的电流指令，快速调整电压指令，以满足实际转速的要求。
此外，通过调整控制参数，可以改善系统的响应速度和稳定性。
六、总结双闭环直流调速系统是一种高精度的电机调速方案，通过双重反馈控制实现对电机转速的精确控制。
本文介绍了该系统的设计与仿真实验，包括系统结构设计、参数选择、控制策略及仿真结果等。
仿真实验结果表明，双闭环直流调速系统具有良好的控制性能，能够满足实际转速的要求。
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一、 设计要求
1.1已知条件
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：
直流电动机：220V,136A ，1460r/min,r V C e min/132
.0⋅=,允许过载倍数5.1=λ；
晶闸管装置放大系数： 40=s K 电枢回路总电阻：
Ω=5.0R
时间常数： s T s
T m l 18.0,03.0==
电流反馈系数： A V /05
.0=β
转速反馈系数：
V min/V 007.0⋅=α
1.2设计要求
（1）设计电流调节器，要求电流超调量%5i ≤σ
（2）要求转速无静差，空载起动到额定转速超调量%10n ≤σ
二、 理论设计
2.1电流调节器的设计
2.1.1确定时间常数 三相桥式电路失控时间取s T s 0017.0= 电流滤波时间常数取s T oi 002.0=
电流环小时间常数之和取s T T T oi s i 0037.0=+=∑
2.1.2选择ACR 的结构 因为要求%5i ≤σ且
1011.8<=∑i
l
T T 所以设计成典I 系统，选择PI 调节器 2.1.3参数的计算
ACR 超前时间常数s T l i 03.0==τ
要求%5i ≤σ，选取I i K T =0.5 所以电流开环增益11.1355
.0-∑≈=
s T K i
I
则ACR 比例系数为013.1≈=β
τs i I i K R
K K 2.1.4计算电阻、电容
选取040R K =Ω则 1.0134040.52i i i R K R K ==⨯=Ω
uF R C i
i
i 75.0==
τ uF R T C i
oi 2.040
0==
电流环的超调量i %=4.3%<5%σ满足要求 电流调节器原理如图所示。
βI d
U ct
U i *
电流调节器原理图
2.2转速调节器的设计
2.2.1确定时间常数 电流环等效时间常数
s s T K i I
0074.00037.0221
=⨯==∑
转速滤波时间常数on T =0.01s
转速小环时间常数s T K T on I
n 0174.01
=+=∑
2.2.2选择ASR 的结构 选用PI 调节器
2.2.3参数计算
取h(中频宽)=5，则ASR 超前时间常数为
s hT n n 087.0==∑τ
转速开环增益为
22
2N 4.39621
s T h h K n
=+=
∑
ASR 比例系数为 7.112)1(n =+=
∑n
m
e RT h T C h K αβ
2.2.4计算电阻、电容
选取040R K =Ω则0468n n R K R K ==Ω 选取470n R K =Ω
uF R C n
n
n 185.0==
τ 选取uF C n 2.0=
uF R T C on
on 140
==
%8.31%10%n σ=<达到要求。
转速调节器的原理图如图所示。
U n αn
U i*转速调节器原理图
三、建模及仿真
3.1电流环的设计
3.1.1仿真模型的设计
电流环仿真模型
ACR内部结构
限幅值设置：-10—+10
3.1.2仿真结果
调节PI参数，观察其对性能的影响，找到合适的参数。
KT=0.5时：
KT=0.5时，电流环无超调量：
此时无超调量，上升时间过长。
KT=1时，超调量很大：
此时上升时间短，但是超调量过大。
3.2电流环的设计
3.2.1仿真模型的设计
速度环仿真线路图3.2.2仿真结果
空载时波形图
在1s的时候突加100的负载的波形图：
突加负载波形图
1s时突加负载后，电流有所上升，但是转速由于调节作用，会迅速调节到额定转速，很好的体现了电机的机械特性。
3.3总体设计及分析
3.3.1仿真模型
用MATLAB的SUMLINK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如图所示
仿真波形和速度环设计时的空载波形相同。
3.3.2 波形分析
从转速及电流波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：
第Ⅰ阶段：电流上升阶段：
突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。
由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。
在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.
第Ⅱ阶段：是恒流升速阶段：
从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，这是起动过程中的重要阶段。
在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。
因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。
第Ⅲ阶段：转速调节阶段：
在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。
转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。
但在一段时间内，转速仍继续上升。
达到最大值后，转速达到峰值。
此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。
在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。
根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在三闭环直流调速系统中的作用归纳为：
1). 转速调节器的作用
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给
定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
2). 电流调节器的作用
（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程
（4）当电机过载甚至堵转时，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。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
3.3.3干扰性分析
负载变化对系统的影响
空载起动，在1s时突加100的负载，在2s时突减50的负载，波形如下
由上图可知当突加突减负载时，速度调节器会马上感应负载的变化，速度波形会跟随着发生一定的抖动，但是经过转速和电流双闭环PI调节器的调节之后，一定时间之内，又重新进入稳态，稳定在给定值工作运行。
3.4 上升时间的调节
ASR限幅值为：上限40 下限-100 ASR积分限幅值为：上限10 下限-10 ACR限幅值为：上限100 下限-100 ACR积分限幅值为：上限10 下限-10
ASR限幅值为：上限10 下限-100 ASR积分限幅值为：上限10 下限-10 ACR限幅值为：上限100 下限-100 ACR积分限幅值为：上限10 下限-10
经两组参数的比较，调节ASR限幅值范围，可以调节系统的上升时间。
经过不断的调试，可得找好的幅值范围。
最后采用：ASR限幅值为：上限10 下限-10
ASR积分限幅值为：上限10 下限-10
ACR限幅值为：上限10 下限-10
ACR积分限幅值为：上限10 下限-10
3.5 模型的比较
电机模型仿真图
电机参数设定
得到的速度波形图如下图：
可见两条速度曲线基本重合，说明结构图和电路仿真图结果一样,证明用结构图仿真的到的一系列结果是准确的。
四、结论
利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。
通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。
该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。