案例5.3-转速、电流双闭环直流调速系统

《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。

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）。

《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。

电流转速双闭环的逻辑无环流直流调速系统设计1.系统概述直流调速系统是将电动机的转速通过控制电流的大小来实现调节的装置。

一般来说，调速系统分为单闭环和双闭环两种。

单闭环系统通过对电机转速进行反馈控制来调节输出转速，而双闭环系统不仅对转速进行反馈控制，还对电流进行反馈控制，以提高系统的稳定性和动态性能。

2.系统结构电流转速双闭环的逻辑无环流直流调速系统由电源、整流器、逆变器、电机、电流反馈环、转速反馈环和控制器等组成。

其中，电源提供稳定的直流电源，整流器将交流电转化为直流电，逆变器将直流电转化为交流电以供电机使用，电流反馈环用于测量电机的输出电流，转速反馈环用于测量电机的输出转速，控制器则根据电流和转速信号进行控制。

3.控制策略3.1电流控制电流控制采用PID控制器进行控制，控制器根据电流反馈信号和设定电流信号误差进行控制计算，并将控制信号发送给逆变器。

通过控制器的反馈调节，可以使电流信号快速达到预定值，并保持在设定范围内，实现对电机输出电流的控制。

3.2转速控制转速控制采用PID控制器进行控制，控制器根据转速反馈信号和设定转速信号误差进行控制计算，并将控制信号发送给电流控制器。

通过控制器的反馈调节，可以使转速信号快速达到预定值，并保持在设定范围内，实现对电机输出转速的控制。

4.性能优化为了提高系统的稳定性和动态性能，可以采取以下措施进行性能优化。

4.1损耗最小化在逆变器的设计中，应采用高效的功率开关器件，同时优化控制策略，减小逆变过程中的功率损耗，提高系统的效率。

4.2控制参数的调整根据实际情况，通过实验和仿真分析，合理调整控制器的参数，以提高系统的控制精度和响应速度。

4.3抗干扰能力的提高引入滤波器和去耦电路，减小电源和负载带来的干扰，提高系统的抗干扰能力。

5.结论电流转速双闭环的逻辑无环流直流调速系统设计是一种高级别的直流调速系统，通过同时对电流和转速进行反馈控制，可以实现对电机输出电流和转速的精确控制。

转速、电流双闭环直流调速系统毕业设计设计总说明在工业生产中,需要高性能速度控制的电力拖动场合, 直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统发挥着极为重要的作用。

转速、电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型调速系统。

70年代以来, 在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。

双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。

它通过转速和电流两个调节器分别引入转速负反馈和电流负反馈，并构成双闭环系统。

从而有效的改善电机性能，使电机特性曲线变硬，以满足复杂环境下对电机性能的要求。

本设计主要采用三相全控桥式整流电路对直流电机供电，并通过工程设计法对转速调节器和电流调节器相关参数进行计算以达到对转速电流双闭环支流调速系统的整体实现。

关键词:直流调速,双闭环,三相全控桥,工程设计法Rotational speed, electric current double closed loop cocurrent velocity modulation system designDesign DescriptionIn the industrial production, needs the high performance speed control the electric drive situation, the direct-current velocity modulation system, specially the double closed loop cocurrent velocity modulation system is displaying the great importance the function. The rotational speed, the electric current double closed loop velocity modulation system was in the 1960s in one kind of new velocity modulation system which overseas appeared. Since the 70s, in domains and so on our country's metallurgy, machinery, manufacture as well as printing industry has obtained day by day the widespread application. The double closed loop velocity modulation system is comes by the single closed loop automatic velocity modulation system development. It introduces the rotational speed negative feedback and the electric current negative feedback separately through the rotational speed and the electric current two regulators, and constructs the doubling closed-loop system. Thus the effective improvement electrical machinery performance, causes the electrical machinery characteristic curve to stiffen, satisfies under the complex environment to the electrical machinery performance request.This design mainly uses three-phase all controls the bridge-type leveling circuit to the direct current machine power supply, and carries on the computation through the engineering design law to the RPM control and the current regulator related parameter to achieve to the rotational speed electric current double closed loop branch velocity modulation system's whole realizes.Key word: Direct-current velocity modulation; Double closed loop; Three-phase all controls the bridge; Engineering design law;目录1.绪论 (1)1.1直流调速系统发展 (1)1.2直流双闭环系统介绍 (1)1.3三相全控整流电路 (3)1.4双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 (5)1.4.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (5)1.4.2启动过程分析 (6)1.4.3动态抗扰性能分析 (8)2.V-M调速系统主电路设计 (9)2.1V-M调速系统概述 (9)2.2晶闸管整流电路方案 (9)2.3主电路主要器件参数选择 (9)2.3.1可控整流变压器选择及计算 (9)2.3.2晶闸管选择 (10)2.4主电路保护措施 (12)2.4.1过电流保护 (12)2.4.2过电压保护 (13)3系统参数测定 (15)3.1主电路总电阻值得测定 (15)3.2电枢回路电感L的测定 (19)3.3直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定 (21)3.4主电路电磁时间常数Td的测定 (22)3.5电动机电势常数Ce 和转矩常数CM的测定 (22)3.6系统机电时间常数TM的测定 (22)4.工程设计法设计双闭环系统的调节器 (23)4.1电流调节器设计 (23)4.1.1电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用 (23)4.1.2电流调节器结构的选择 (23)4.1.3电流调节器的电路实现 (24)4.1.4电流调节器参数计算 (24)4.2转速调节器的设计 (26)4.2.1转速调节器在双闭环直流调速系统中的作用 (26)4.2.2转速调节器结构选择 (26)4.2.3转速调节器电路实现 (27)4.2.4转速调节器参数计算 (27)5系统调试 (29)5.1系统调试原则 (29)5.2各控制单元调试 (30)5.2.1移相控制电压Uct调节范围的确定 (30)5.2.2调节器的调零 (30)5.2.3调节器正、负限幅值的调整 (30)5.2.4电流反馈系数的整定 (30)5.2.5转速反馈系数的整定 (30)5.3系统调试 (31)5.3.1系统开环外特性测定 (31)5.3.2系统静特性测试 (31)6结果分析 (34)小结 (34)参考文献 (35)1.绪论1.1直流调速系统发展转速、电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型调速系统。

第六组课程设计任务书1.设计题目转速、电流双闭环直流调速系统的设计2.设计任务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， 基本数据为：直流电动机：，，，，Ω====48.3min /14201.6220a N N N R r n A I V U 电枢电路总电阻Ω=4R ， 电枢电路总电感=L 168mH ， 电流允许过载倍数λ=1.5，折算到电动机轴的飞轮惯量Nm GD 88.12=。

晶闸管整流装置放大倍数，40s =K ，滞后时间常数s 0033.0s =T 电流反馈系数β=1.09A V / (N I V 5.1/10≈) 转速反馈系数α=0.007)/10(min/N n V r V ≈ 滤波时间常数取s 02.0s 002.0on oi ==T T ，V U U U cm im nm10**===；调节器输入电阻Ω=k R 400 3.设计要求(1)稳态指标:无静差(2)动态指标:电流超调量%5i ≤σ；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

目录第六组课程设计任务书 (1)目录.................................................................................. 错误！未定义书签。

第一章双闭环直流调速系统的工作原理.. (3)1.1 双闭环直流调速系统的介绍 (3)1.2 双闭环直流调速系统的组成 (4)1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 (6)1.4 双闭环直流调速系统的数学模型 (8)1.4.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型 (8)1.4.2 启动过程分析 (8)第二章调节器的工程设计 (12)2.1 调节器的设计原则 (12)2.2 Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较 (13)2.3 电流调节器的设计 (13)2.3.1 结构框图的化简和结构的选择 (14)2.3.2 电流环的设计 (15)2.4 转速调节器的设计 (18)2.4.1 结构框图的化简和结构的选择 (18)2.4.2 转速环的设计 (20)第三章Simulink仿真 (23)3.1 电流环的仿真设计 (23)3.2 转速环的仿真设计 (23)3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计 (24)总结 (27)参考文献 (28)第一章 双闭环直流调速系统的工作原理1.1 双闭环直流调速系统的介绍目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。