直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真

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摘要：对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用Matlab 方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。

关键词：直流电机；调速系统；仿真；Matlab

双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本文就直流电机调速进行了较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，然后进行双闭环直流电机设计方法研究，最后用实际系统进行工程设计，并采用Matlab ／Sim ．ulink 进行仿真，分析了双闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。

1 工程设计

某晶闸管双闭环直流调速系统，采用三相桥式整流电路，已知参数60nom P kw =、220nom v = 、305nom I A =、1000/min nom n r =、0.2/(/min)e C v r =允许电流过载倍数 1.5λ=、0.18R Q =、30s K =、10.012T s =、0.12m T s =、0.0025oi T s =、0.014on T s =，额定时转速给定电压为15V ，调节器限幅电压为12V 。设计指标：静态指标，无静差；动态指标：电流超调量i σ％≤5％；空载起动到额定转速超调量n σ％≤l 5％；调节器输入电阻0R =20k Ω。

计算反馈关键参数：

*120.026 V/A 1.5305

im nom βλ===I ? *nm 150.015/(/min)1000

nom V r n α=== \ 1.1 电流环设计

(1) 确定时间常数

整流装置滞后时间常数s =0.0017s T

电流滤波时间常数=0.0025s Toi

电流环小时间常数i s =+0.0042oi T T T s ∑=

(2) 选择电流调节器结构

根据设计要求： 10.0125%, 2.86100.0042

i i T T σ∑≤==?且可按典型I 型设计，电流调节器选用PI 型。

(3) 选择电流调节器参数

ACR 超前时间常数10.012i T s τ==

电流环开环时间增益1i 0.50.5==119.050.0042i

K s T -∑= ACR 的比例系数.

0.33i i i S R K K K τβ== (4) 校验近似条件

电流环截止频率1119.05ci i W K s -==

（a ）晶闸管装置传递函数近似条件：1

3ci s w T ?

，现为1s 11=191.05330.0017ci s w T s

-=??，满足近似条件。（b ）忽略反电动势对电流环影响的条件：

-1m 1m 11113;3=3=79.06s 0.120.012ci ci w w T T T T ≥???现为

满足近似条件。

（c ）小时间常数近似处理条件：

11s oi 111111;==161.693330.00170.0025

ci ci m w s w T T T T -≤??现为，电流环可以达到的动态指标为：i %=4.3%5%σ?，可以满足设计要求。

1．2 转速环设计

(1) 确定时间常数

电流环等效时间常数： i 220.0042=0.0084T s ∑=?

转速滤波时间常数：0.014on T s =

转速环小时间常数近似处理：n i on =2=0.0084+0.014=0.0224s T T T ∑∑+

(2) 选择转速调节器结构

由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典II 设计并用PI 调节器。

(3) 选择转速调节器参数：n 40.02240.896n hT s s τ∑==?=

转速开环增益：22222141311.42240.0224

n N h K s h T -∑++===?? ASR 的比例系数：(1)50.0260.20.12 6.452240.0150.180.0224

n e m n h C T K h RT βα∑+???===???? (4) 校验近似条件转速截止频率为：11239.160.11226.78N cn N n K w K s w τ-=

==?= （a ）电流环传递函数简化条件：11147.62550.0042

i cn s w T -∑==??满足条件。

（b ）小时间常数近似处理条件：

1111130.7432320.00420.014

i cn on s w T T -∑==???满足条件。 (5) 校核转速超调量

当h=5时，max dnom nom b e %3050.18%=81.2%n ===274.5r/min 0.2

C I R C C ???， 274.50.022481.2%2 1.512.5%15%,10000.12n σ=???

?=?能满足设计条件。 2 仿真分析

采用Matlab ／Simulink 编制仿真程序仿真上述设计，采用LTI Viewer 查看仿真结果。仿真程序图如图1所示。由图1的仿真结果可知，转速的超调量为38．8％，显然超调量不能满足设计要求。下面分别对电流环和转速环的简化前后进行仿真，分析误差的原因。

图1

2．1 对电流环进行仿真分析

(1)不做任何简化的电流环仿真

由图2的仿真结果可知，未作任何简化的电流环的超调量为8．2％，与设计要求a％≤5％相差较大，显然不能满足设计要求。可见未作任何简化的电流环的超调量比简化后的电流环的超调量大，故按工程设计方法设计出的系统实际上并没有满足6％≤5％的设计要求。

图2

图3

(2)忽略反电动势电流环的仿真

忽略反电动势电流环仿真，图3的仿真结果表明超调量为4．65％，满足了设计要求。

T 可见，忽略电动势的变化，对电流环的设计有较大的影响。因为，实际中的电磁时间常数

T，因而电流调节过程往往比转速环快得多。反电动势对电流环般都远小于机电时间常数

来说是一个变化缓慢的扰动作用，同时仿真结果表明，峰值增加40.2-38.9=1.3，稳态值增加38.5-35.9=2.6。

(3)简化电流环仿真

图4

由图4的仿真结果可知，简化的电流环的超调量为4．33％，超调量与设计要求很接近。原因是简化后接近于典型l型系统，符合经典控制理论的结论。

2．2 对转速环进行仿真分析

(1)对转速环不做简化(电流环等效为一个内环)，转速环的动态结构图已经简化为典型II型系统，仿真程序图见图5。

图5

由图5的仿真结果可知，转速环的超调量为52．4％，显然不能满足设计要求。这个超调量与设计要求还差很多，在这个转速调节器中没有加饱和非线性限幅环节。

(2)为便于分析转速环所作简化处理的合理性，我们先对不作任何简化处理转速环的进行分析，仿真程序图如图5，仿真结果如图6。

图6

由图6仿真结果可知，转速环的超调量为39．7％，显然不能满足设计要求。可见转速环各环节的简化处理对转速调节器的参数选择有影响，按工程设计方法设计出来的转速环不能达到理论上计算出来的性能指标。

3 结论

造成系统工程设计方法与仿真实验之间有差距的原因，总结如下几点：

(a)工程设计方法在推导过程中做了许多近似的处理，而这些简化处理在一定的条件下才能成立。

(b)仿真实验在建立模型过程中忽略了许多非线性因素和次要因素。

(c)用Matlab／simulink软件是控制系统的一种功能完善，实现系统控制容易，构造模型简单的强大的动态仿真工具。该方法经济又方便，能大大缩短科研开发的速度，提高开发效率，同时可以尝试不同的控制策略，进行优化设计。

参考文献

[1]陈伯时．电力拖动自动控制系统．第二版．机械工业出版社，2002．

[2]薛定字。陈阳泉．基fMatlab／Simulink的系统仿真与设计．清华大学出版社，2002．

[3]夏德矜．自动控制原理：机械工业出版社，2001．

[4]张东力．直流拖动控制系统．机械工业出版杜，1999．

[5]于桂珍．调节器的工程设计方法．长春光学精密机械学院学报，2000．6．

[6]潘继蜜．双闭环调速系统及程序编制．四川轻化工学院学报，2001．6．

Speed Regulation System of Double Closed Loop of DC Motor

Tang Zeng

(Intelligence & Robotics Institute, Hangzhou Dianzi University,Hangzhou Zhejiang ,

310018, China)

Abstract：The paper presents the derivation of engineering design methods in the speed regulation system of speed and current double closed loop in details．Then，a demo is designed and simulated by Matlab／Simulink to study the influence resulted from the details of the derivation，which has been ignored in the speed’regulation system．The reason of difference between the engineering design and the real conditions is given to help working out the optimal design in practice．

Keywords：DC motor; Speed regulation system; Simulation; Matlab

双闭环调速系统课程设计

目录页第一章绪论 (2) 1-1课题背景，实验目的与实验设备 (2) 1-2国内外研究情况 (3) 第二章双闭环调速系统设计理论 (3) 2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3) 2-2系统的静，动态性能指标 (4) 2-3非典型系统的典型化 (6) 2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7) 第三章模型参数测定和模型建立 (9) 3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9) 3-2模型测定实验的计算分析 (11) 3-3系统模型仿真和误差分析 (18) 第四章工程设计方法设计和整定转速，电流反馈调速系统 (22) 4-1 设计整定的思路 (22) 4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正，简化 (23) 4-3转速调节器的整定和转速环的校正，简化 (25) 4-4系统的实际运行整定 (27) 4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨…………………………………… 33 第五章设计分析和心得总结 (34)

5-1实验中出现的问题 (34) 5-2实验心得体会 (35) 第六章实验原始数据 (38) 6-1建模测定数据 (38) 6-2 系统调试实验数据 (39) 第一章绪论 1-1课题背景，实验目的与实验设备转速，电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统，它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的，用传递函数建立动态数学模型，并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律，用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。转速，电流反馈控制的调速系统是一种串级系统，所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别，但又有不同于一般串级系统的。本次实验的主要目的是针对一套调速系统（包括电源，电机，励磁回路等）建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数，投入运行。实验正值暑期实践及国际交流周，我们将用两周的时间来完成参数测定实验，系统建模，调节器整定和系统投入运行。本次实验的实验设备包括：

双闭环直流调速系统设计及仿真

双闭环直流调速系统设计及仿真一转速、电流双闭环控制系统一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图1所示。 n n t 图1 转速调节系统理想起动过程为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。如图2所示。图2 双闭环直流调速控制系统原理图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。如图3所示。

图3 双闭环直流调速系统动态结构图在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用表示[2]。二双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。第Ⅰ阶段：0～t1是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、、都上升，当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流迅速上升。当时，，电流调节器ACR的作用使不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，

双闭环直流调速系统

1引言在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：例如，金属切削机床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速．在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和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，单闭环系统就难以满足需要。所以需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重研究其控制规律﹑性能特点和设计方法。首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成，接着说明该系统的静特性和动态特性，最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。

2双闭环直流调速系统介绍 2.1闭环调速系统的组成根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。图2.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而得出与被调量转速成正比的负反馈电压n U ，与给定电压* n U 相比较后，得到转速偏差电压n U ，经过放大器A ，产生控制电压c U 输入到电力电子变换器UPE 中，用来控制电动机转速n 。图中，UPE 是由电力电子器件组成的变换器，它的输入端接三相交流电源，输出为可控的直流电压d U 。 2.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成]2[ 采用PI 调节器组成速度调节器ASR 的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，他已基本满足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流I 值以后，

双闭环控制系统设计

双闭环控制系统设计课程设计报告电力拖动自动控制系统课程设计题目：双闭环控制系统设计学生姓名：董长青专业：电气自动化技术专业班级： Z070303 学号： Z07030330 指导教师：姬宣德日期：2010年03月10日随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。相对于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的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的这一缺陷。双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是旨在对双闭环进行最优化的设计。 Summary With the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic

process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design. 一．课程设计设计说明书4 1.1系统性能指标 1.2整流电路4 1.3触发电路的选择和同步5 1.4双闭环控制电路的工作原理6 二. 设计计算书7 2.1整流装置的计算7 2.1.1变压器副方电压7 2.1.2变压器和晶闸管的容量8 2.1.3平波电抗器的电感量8 2.1.4晶闸管保护电路9 2.2 控制电路的计算10

双闭环直流调速系统设计说明

第一章设计概述一、课程设计的性质和任务：本课程是电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程，培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练，为毕业设计和实际工程设计奠定基础。转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是一种典型的自动控制系统。这种调速系统只有两个调节器，即速度调节器（ASR）和电流调节器(ACR)，两个调节器作串级连接，其中速度调节器的输出信号作为电流调节器的输入信号，从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。这种转速、电流双闭环调速系统，在突加转速给定信号的过程中表现为一个恒电流加速系统，而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统，因此各项性能指标较系统开环时提高许多。本此课程设计的目的就是同学们在调试、设计一个典型的调速系统后，能够掌握自控系统调试、设计的方法，步骤及其调试原则，加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。自控系统调试所遵循的原则：先部分，后系统：即首先对系统的各个单元进行调试，然后再对整个系统进行调试。先开环，后闭环：即首先进行开环调试，然后再对系统闭环进行调试。先环，后外环：即首先对环进行调试（如在本此调试中就应先对电流环进行调试）,然后再对外环进行调试（如本此调试中的速度环调试）。本次系统调试是在DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行。整个调试完成后要求系统达到以下指标：

二、DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置简介 1 装置特点 (1)设计装置采用挂件结构，可根据不同设计容进行自由组合。 (2)装置连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电回路，造成设备损坏。 (3)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，分别设有电压型和电流型漏电保护装置，保护操作者的安全。 (4)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。图2-1 DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置 2 装置技术参数 (1)输入：电压三相四线制，380V±10%，50Hz。 (2)工作环境：环境温度围为－5～40℃，相对湿度 < 75%，海拔高度 < 1000m。 (3)装置容量：＜1.5kVA (4)电机输出功率：＜200W 3 DJK01电源控制屏

直流电机双闭环调速系统设计要点

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，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。 20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个

双闭环直流调速系统精修订版

双闭环直流调速系统精修订版 IBMT standardization office【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-

直流双闭环调速系统设计 1设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =，04.0=a R ，电枢电路总电阻R=0.1Ω,电枢电路总电感mH L 0.3=,电流允许过载倍数 5.1=λ，折算到电动机轴的飞轮惯量224.11094Nm GD =。晶闸管整流装置放大倍数75=s K ，滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数?? ? ??≈=N I V A V 5.11201.0β 电压反馈系数?? ? ??=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi == V U U U cm im nm 12===* *；调节器输入电阻Ω=K R O 40。设计要求：

稳态指标：无静差动态指标：电流超调量005≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量0010≤n σ。目录 1设计任务与分析 ............................................................ 2调速系统总体设计 .......................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计 ............................................... 3.1晶闸管-电动机主电路的设计 ............................................... 3.1.1主电路设计 ............................................................ 3.1.2主电路参数计算 ........................................................ 3.2转速、电流调节器的设计 .................................................. 3.2.1电流调节器 ............................................................ 3.2.1.1电流调节器设计 ...................................................... 3.2.1.2电流调节器参数选择 ..................................................

双闭环直流调速系统的设计及其仿真

双闭环直流调速系统的设计及其仿真班级：自动化学号：姓名：

目录 1 前言?????????????????????????3 1.1 课题研究的意义??????????????????????3 1.2 课题研究的背景??????????????????????3 2 总体设计方案?????????????????????? 3 2.1 MATLAB 仿真软件介绍???????????????????3 2.2 设计目标????????????????????????? 4 2.3 系统理论设计?????????????????????? 5 2.4 仿真实验????????????????????????9 2.5 仿真结果???????????????????????10 3 结论???????????????????????12 4 参考文献???????????????????????13 1 前言 1.1 课题研究的意义现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力

电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。直调调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义[1]。 1.2 课题研究的背景电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器, 电力电机技术的迅猛发展

直流双闭环调速系统

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

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 s s K s W i i i ACR 1 )(ττ+= s s K s W n n n ASR 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 ∏∏==++= n 1 i i r m 1j j ) 1() 1()(s T s s 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。自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I 型和II 型系统。三、电流环设计反电动势与电流反馈的作用相互交叉，给设计工作带来麻烦。转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，0≈?E 。忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 l m ci T T 1 3 ≥ω (3-45) 式中ωci ——电流环开环频率特性的截止频率。图3-19 电流环的动态结构图及其化简 (a)忽略反电动势的动态影响把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。 ) (s W R (s ) C (s )

双闭环直流调速系统设计

运动控制系统仿真课程设计班级：xxxxx 姓名：xxx 学号：xxxxx

双闭环直流调速系统的设计 1系统方案选择与总体结构设计调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。本系统采用直流双闭环调速系统，使系统达到稳态无静差，调速范围0-1500r/min,电流过载倍数为1.5倍，速度控制精度为0.1%（额定转速时）。 2系统控制对象的确定本次设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定参数电动机供电方案选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。通过调节触发装置GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。与V—M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：一、主电路线路简单，需要的功率器件少；二、开端频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小：三、低速性能好，稳速精度该，调速范围宽，可达1：10000左右；四、若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；

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 ＝，额定电流I e =，磁极对数P=1，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，K s =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝，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 =Ω,主电路总电阻R ＝Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数C e = Vmin ／r ，K s =22，电磁时间常数T L =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝，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=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Ton=Toi=，过载倍数λ＝，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=,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=27，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Toi=，Ton=，过载倍数λ＝，电流给定最大值 8V U im =* ，速度给定最大值 10V U n =* ，β＝A ，α＝ 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

双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

目录 1、引言 (2) 二、初始条件： (2) 三、设计要求： (2) 四、设计基本思路 (3) 五、系统原理框图 (3) 六、双闭环调速系统的动态结构图 (3) 七、参数计算 (4) 1. 有关参数的计算 (4) 2. 电流环的设计 (5) 3. 转速环的设计 (6) 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (8) 1.系统主电路图 (8) 2.触发电路 (9) 3.控制电路 (13) 4. 转速调节器ASR设计 (13) 5. 电流调节器ACR设计 (14) 6. 限幅电路的设计 (14) 八、系统仿真 (15) 1. 使用普通限幅器进行仿真 (15) 2. 积分输出加限幅环节仿真 (16) 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (17) 九、总结 (20)

一、设计目的 1.联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题的能力。 4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌握工程设计的方法。 5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。二、初始条件： 1．技术数据（1）直流电机铭牌参数：P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N=1500r/min，电枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5；（2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。（3）系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4）电磁时间常数：T1=0.012s （5）机电时间常数：Tm =0.1s （6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7）额定转速时的给定电压：Unm =10V （8）调节器饱和输出电压：10V 2．技术指标（1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作错误！未指定书签。；（2）系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）；（3）动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s；（4）调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求：（1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图；（2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。（3）动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR 调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求；（4）绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控

双闭环直流调速系统

第一章调速系统的方案选择直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的的应用。近年来，虽然高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。直流电动机的稳态转速可以表示为（1-1）式中：n ——转速（r/min ）； U ——电枢电压（V ）； I ——电枢电流（A ）； R ——电枢回路总电阻（Ω）； ——励磁磁通（Wb ）； ——由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，有三种调速电动机的方法： 1. 调节电枢供电电压U ； 2. 减弱励磁磁通； 3. 改变电枢回路电阻R 。对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，采用变压调速来控制直流电动机。 1.1 直流电动机的选择直流电动机的额定参数为：额定功率KW P N 67=，额定电压V U N 230=，额定电流A I N 291=，额定转速min 1450r n N =，电动机的过载系数2=λ，电枢电阻Ω=2.0a R 1.2 电动机供电方案的选择电动机采用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小，带负载容量较大，其原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路的特点：一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，晶闸管分为共阴极和共阳极。

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。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。 TG n ASR ACR U *n + - U n U i U * i + - U c TA V M + - U d I d UPE L - M T + 图3-2 ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG — 测速发电机内环外环

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 s s K s W i i i ACR 1 )(ττ+= s s K s W n n n ASR 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电路原理图 + + - + - M TG + - + - RP 2 n U *n R 0 R 0 U c U i TA L I d R i C i U d + + - R 0 R 0 R n C n ASR ACR LM GT V RP 1 U n U *i LM M T U PE 双闭环直流调速系统的动态结构图

双闭环直流调速系统85591

1.1 直流电动机的选择直流电动机的额定参数为：额定功率KW P N 67=，额定电压V U N 230=，额定电流A I N 291=，额定转速min 1450r n N =，电动机的过载系数2=λ，电枢电阻Ω=2.0a R 1.2 电动机供电方案的选择电动机采用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小，带负载容量较大，其原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路的特点：一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，晶闸管分为共阴极和共阳极。 1) 有两个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管，且不能为同一相的晶闸管。 2) 对触发脉冲的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差。 3) 整流输出电压一周期脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。

晶闸管双闭环直流调速系统设计.(优选.)

电力拖动自动控制系统课程设计报告班级：自动1102 姓名：张晨学号：111401217 指导老师：谢勇扬州大学信息工程学院自动化专业部 2014年12月29日至2015年1月4日

目录一课程设计目的和意义（）二技术指标和设计要求（）2.1. 技术数据 2.2. 设计要求三系统方案选择（）四电路的设计（） 4.1. 主电路设计（） 4.2. 触发电路设计（）4.3. 调节器参数设计（）4.4. 保护电路设计（）五系统电路图及电路工作原理（）六系统仿真模型（）6.1.双闭环直流调速系统仿真电路图（）6.2. 断开速度环后系统的仿真波形（）七心得体会（）八参考书目（）

一课程设计目的和意义 1. 熟悉自动控制系统设计的一般原则、设计内容以及设计程序的要求，掌握工程设计的方法。 2. 掌握自动控制系统的计算机仿真技术 3．学会收集、分析、运用自动控制系统设计的有关资料和数据 4．通过对系统的设计、仿真调试, 培养独立工作能力、分析问题解决问题的能力。 5. 培养编制技术总结报告的能力。二技术指标和设计要求 2.1. 技术数据直流电动机额定参数为：Unom=220V, Inom=100A, Nnom=1470r/min,Ra=0.26Ω，GD2=16N.m2, λ=1.5，励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。给定电压最大值为10V。晶闸管整流装置：Ks=30。系统主电路0.6 R =Ω。 ∑ 2.2. 技术要求 1．该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作 2．系统静特性良好，无静差（静差率s≤0.03） 3．动态性能指标：空载起动到额定转速时转速超调量δn＜10%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10% 4．系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 5．调速系统中设置有过电压、过电流等保护