案例5.3-转速、电流双闭环直流调速系统
转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计
《运动控制系统》课程设计题目 :转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计1.设计题目转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计2.设计任务已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采纳三相桥式电路，基本数据以下：1）直流电动机： 160V、 120A、1000r/min、 C e=r，同意过载倍数λ=K s=302）晶闸管装置放大系数：3）电枢回路总电阻： R=Ω4）时间常数：T l =，T m=，转速滤波环节时间常数T on取5）电压调理器和电流调理器的给定电压均为10VSimulink成立系统试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调理器和转速调理器，并用模型，给出仿真结果。
系统要求：1）稳态指标：无静差2）动向指标：电流超调量σi≤ 5%；空载起动到额定转速时超调量σn≤ 10%3.设计要求依据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤以下：1）设计电流调理器的构造和参数，将电流环校订成典型I 型系统；2）在简化电流环的条件下，设计速度调理器的构造和参数，将速度环校订成典型II 型系统；3）进行 Simulink 仿真，考证设计的有效性。
4.设计内容1）设计思路：带转速负反应的单闭环系统，因为它能够跟着负载的变化而相应的改变电枢电压，以赔偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。
当反应控制闭环调速系统使用带比率放大器时，它依赖被调量的偏差进行控制的，所以是有静差率的调速系统，而比率积分控制器可使系统在无静差的状况下保持恒速，实现无静差调速。
对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，能够用附带电流截止负反应作限流保护，但这其实不可以控制电流的动向波形。
按反应的控制规律，采纳某个物理量的负反应就能够保持该基本量基本不变，采纳电流负反应就应当能够获得近似的恒流过程。
此外，在单闭环调速系统中，用一个调理器综合多种信号，各参数间互相影响，难于进行调理器的参数调速。
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
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 。
转速电流双闭环直流调压调速系统综述
3 1 3
1
40.82
TmTl
0.18 0.03
（3）校验电流环小时间常数近似处理条件
1 1 1
1
180.8
3 TsToi 3 0.0017 0.002
ci
2.2.5 调节器电阻和电容的计算
2 系统参数------------------------------------------------------------------ 6 2.1 参数要求------------------------------------------------------------ 6 2.2 电流调节器的参数计算------------------------------------------------ 6 2.2.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 6 2.2.2 电流调节器的结构选择 -----------------------------------------6 2.2.3 电流调节器的参数计算------------------------------------------ 7 2.2.4 校验近似条件 -------------------------------------------------7 2.2.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 7 2.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------------ 8 2.3.1 确定时间常数-------------------------------------------------- 8 2.3.2 转速调节器的结构---------------------------------------------- 8 2.3.3 转速调节器的参数计算------------------------------------------ 8 2.3.4 检验近似条件-------------------------------------------------- 9 2.3.5 调节器电阻和电容的计算---------------------------------------- 9 2.3.6 校核转速超调量------------------------------------------------ 9
转速电流双闭环控制的直流调速系统动态分析 ppt课件
四 、教学思路流程
动态数学模型 转速电流双闭环调速系统起动过程分析
动态抗扰性能分析
两个调节器的作用
五、 教学过程
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
U*n
U*i
+ - ASR
ACR
-
Un
Ui
±∆Ud
-IdL
Ks Tss+1
Ud0 -
1/R Id Tl s+1
RE
n
Tms
1/Ce
直流调速系统的动态抗扰作用（ 双闭环系统） △Ud—电网电压波动在整流电压上的反映
转速电流双闭环控制的直流调速系统动态 分析
综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环 直流调速系统中的作用可以分别归纳如下：
2.4 转速、电流双闭环控制的直流调速系统动态分析
一 、教学目的与教学要求
1 初步了解双闭环调速系统的动态数学模型 2 定性分析双闭环调速系统起动过程分析 3 具备分析转速、电流双环系统的动态性能的能力 4 了解ASR、ACR两个调节器的作用
二、 教学内容
2.4转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型和动态特性分析
一、 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，则决定电机允许的最大电流
转速电流双闭环控制的直流调速系统动态 分析
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。
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）。
双闭环直流电机调速系统设计参考案例
《运动控制系统》课程设计指导书一、课程设计的主要任务（一）系统各环节选型1、主回路方案确定。
2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。
（二）主要电气设备的计算和选择1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。
2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。
3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。
4、平波电抗器选择计算。
（三）系统参数计算1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。
2、转速调节器ASR 中n n R C 、计算。
3、动态性能指标计算。
（四）画出双闭环调速系统电气原理图。
使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。
二、基本要求1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。
2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。
3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。
4、掌握触发电路的选型、设计方法。
5、掌握同步电压相位的选择方法。
6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。
7、掌握电气系统线路图绘制方法。
8、掌握撰写课程设计报告的方法。
三、 课程设计原始数据有以下四个设计课题可供选用：A 组：直流他励电动机：功率P e ＝1.1KW ，额定电流I e =6.7A ，磁极对数P=1，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =2.34Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝246.25Mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，K s =58.4，机电时间常数T m =116.2ms ，滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值10V U im =*，速度给定最大值 10V U n=* B 组：直流他励电动机：功率P e ＝22KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =116A,磁极对数P=2，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =0.112Ω,主电路总电阻R＝0.32Ω，L ∑＝37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数C e =0.138 Vmin ／r ，K s =22，电磁时间常数T L =0.116ms ，机电时间常数T m =0.157ms ，滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 10V U im=*，速度给定最大值 10V U n=* C 组：直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.0015Ω,主电路总电阻R ＝0.036Ω，Ks=41.5，电磁时间常数TL=0.0734ms ，机电时间常数Tm=0.0926ms ，滤波时间常数Ton=Toi=0.01s ，过载倍数λ＝1.2，电流给定最大值 8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =*D 组：直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=6.5A,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=3.7Ω,主电路总电阻R ＝7.4Ω，Ks=27，电磁时间常数TL=0.033ms ，机电时间常数Tm=0.26ms ，滤波时间常数Toi=0.0031s ，Ton=0.01s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =*，β＝0.77V/A ，α＝0.007 Vmin ／r双闭环直流电机调速系统设计参考案例第一章 绪 论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。
按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统
按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统一．设计内容及相关参数：已知晶闸管－直流电动机双环调速系统（V-M）整流装置采用三相桥式线路，已知参数为:直流电动机：P N=10kW，U N=220V，I N=136A，n N=1500r/min，Ce=0.228V/r.minλ=1.2V-M系统主电路总电阻：R=0.863Ω电枢回路电磁时间常数：T l =0.028s系统运动部分飞轮矩相应的机电时间常数：T m=0.383s 系统测速反馈系数α=0.0041v·min/r系统电流反馈系数β=0.028V/A触发整流装置的放大系数：K s=30三相桥式平均失控时间：T s=0.00167s电流环滤波时间常数：T oi=0.005s转速环滤波时间常数：T on=0.005s二、设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量σi%=5％；空载起动到额定转速时的转速超调量σn%=10％。
第一章题目的意义及个人对题目的理解随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面，提出了更高的要求，这就要大量使用调速系统。
由于直流电动机的调速和转矩控制性能好，从20世纪30年代起就开始使用，其中最典型的是转速电流双闭环控制的直流调速系统。
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
在闭环控制的直流系统中表明，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，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。
根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。
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案例5.3-转速、电流双闭环直流调速系统
案例5.3 转速、电流双闭环直流调速系统
一、概述
晶闸管电动机直流调速系统在工业生产中获得广
泛应用。
国内外晶闸管—电动机直流调速装置品种繁多。
现以ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置（简称ZCC1系列）为例，来阐述晶闸管—电动机直流调速系统分析、调试的一般方法与步骤。
ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置为三相全控桥不可逆直流调速装置，是以Z2、Z3系列直流电动机电枢供电为主要用途的、通用的晶闸管—电动机调速装置。
该装置的基本性能如下：
(1)装置的负荷性质按连续工作制考核。
(2)装置在长期额定负荷下，允许150%额定负荷持续二分钟，200%额定负荷持续10秒钟，其重复周期不少于1小时。
(3)装置在交流进线端的电压为（0.9~1.05）380伏时，保证装置输出端处输出额定电压和额定电流。
电网电压下降超过10%范围时输出额定电压同电源电压成正比例下降。
(4)装置在采用转速反馈情况下，调速范围为20∶1，在电动机负载从10%~100%额定电流变化时，转速偏差为最高转速的0.5%（最高转速包括电动机弱磁的转速）。
转速反馈元件采用ZYS型永磁直流测速发电机。
(5)装置在采用电动势反馈（电压负反馈、电流正
(6)
(7)
由图3-1可知，控制系统主要由给定积分器（GJ）、速度（转速）调节器（ASR）、电流调节器（ACR）、触发输入及保护单元（CSR）、触发器（CF）、速度变换器（SB）、电流变换器（LB）等组成。
速度（转速）调速器的输出作为电流调节器的给定电压，电流调节器的输出作为触发装置的移相控制电压，速度（转速）调节器和电流调节器采用PI调节器。
ZCC1系列晶闸管直流调速装置各单元的电气原理图如图3-2至图3-9所示。
三、直流调速系统简单工作原理
下面结合整个系统对不可逆直流调速系统停车、正向启动、减速各种运行工作过程进行分析。
(1)停车状态电动机停车时，开关S打开，给定电
压U
gn =0，速度（转速）调节器单元中A
1
速度比较器输出
一个大于+8V的推β信号电压，使速度（转速）调节器
输出电压为负向限幅值-U
gi
，电流调节器输出电压为正
向限幅值U
Kmax
，通过触发输入单元CSR、触发器CF，使晶
闸管变流器控制角处于最小逆变角β
min
，电动机处于停车状态。
(2)电动机正向启动运行当开关S闭合，给出负的
正向速度给定电压（U
gn =-），当速度给定电压U
g
>0.2时
A
1
速度比较器迅速翻转输出为负电压，使速度（转速）
调节器迅速退出负限幅值-U
gi
并开始按速度偏差信号进
行P、I调节。
经积分给定器使给出负的给定电压'
gn
U变成
线性变化的负的给定电压U
gn。
速度（转速）调节器的输
入偏差△U
n =U
gn
-U
fn
，其极性为负。
由于转速反馈电压U
fn
受机械惯性影响，增加较慢，所以速度（转速）调节器
的输出U
gi 为正的限幅值。
该输出电压U
gi
是电流调节器的
电流给定电压，电流调节器输入电压△U
i =U
gi
-U
fi
,极性为
正，因而电流调节器的输出电压U
K
为负。
经过触发输入
单元CSR-1，触发器CF-1使晶闸管变流器的控制角从β
min 向前移动使α<90°，晶闸管变流器工作于整流状态，电动机正向启动。
以后启动过程和前面所述的速度电流双闭环调速系统启动过程一样，不再重复。
稳态运行时，
速度反馈电压U
fn 基本上等于速度给定电压U
gn
，速度（转
速）调节器的输出电压U
gi 基本上与负载电流反馈电压U
fi
相等。
(3)减速（或停车）正向减速时速度给定值减小，极性不变仍为负给定电压，而电动机转速来不及改变，
所以速度（转速）调节器的输入端偏差△U
n =U
gn
-U
fn
为正，
速度（转速）调节器ASR的输出U
gi
为负的限幅值，使电
流调节器的输出电压U
C
为正，经过触发输入单元CSR，触发器CF使晶闸管变流器的控制角从α<90°迅速后移至
β
min
，主回路电流经本桥逆变后很快衰减到零。
对于不可逆系统由于晶闸管变流器只能提供一个方向的电流，
电动机只在负载阻力矩作用下减速，直至电动机转速降至接近新的给定值时，由于速度微分反馈的提前作用使
速度给定值U
gn 重新大于速度反馈值U
fn
，速度（转速）调
节器输出开始退出负的限幅值，电流调节器输出从正的
最大值向负电压变化，触发器CF的触发脉冲从β
min
开始前移，电流环和速度（转速）环相继投入闭环工作，晶闸管变流器控制角α<90°工作在整流状态，电动机在新的给定值下运行。
当正向停车时速度给定电压U
gn
=0（<0.2V时），速
度（转速）调节器单元中A
1
速度比较器输出一个大于+8v 的推β信号电压，使速度（转速）调节器输出为负向限
幅值-U
gi ，电流调节器输出为正向限幅值+U
cmax
，使晶闸
管变流器控制角迅速后移到β
min
，电动机在阻力矩作用下减速至停车。