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基于双闭环控制的直流电机调速系统设计

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湖北民族学院毕业论文（设计）基于双闭环控制的直流电机调速系统设计学生姓名：学号： ********* 系别：电气工程系专业：电气工程及其自动化指导教师：评阅教师：论文答辩日期2013-05-25答辩委员会主席摘要伴随科学技术的迅猛发展，电动机有关的控制技术发展也与时俱进，电动机的运用领域在现实生活中的许多领域，也起到了不可或缺的作用。

而其中直流电机更是凭借它快速的反应度、精准的调速性能、极低的功耗和宽阔的调速范围等优点在整个调速控制系统中独占鳌头。

在直流电动机控制调速系统中，开环性能指标差，为此有必要对这些性能进行修正改善，经过大量的研究和实践证明，可采用闭环调速系统。

对于调速性能要求一般的场合，采用单闭环控制系统，而对调速指标高的，则采用多闭环系统[1]。

根据引回的反馈量的性质可大致分为电压反馈，电流反馈，转速反馈等。

在双闭环系统中，习惯采用电流、转速闭环控制。

采用双闭控制调速系统可以做到无差调节，且性能优越，尤其在很多高精尖技术中运用广范，这使得对它的研究具有很高的现实意义。

本文首先论述直流调速系统的现状和背景，讨论研究该系统的重要意义，然后，对双闭环调速系统进行理论分析，最后，在理论研究的基础上，根据要求的数据参数，设计出合理的双闭环直流调速系统。

理论上完成系统设计后，将对所设计的系统进行MATLAB仿真，得出仿真结果，并分析所得结果与理论值的异同，找出系统中不合理的环节和参数，进行校正和必要的处理，并最终得出符合要求的系统模型。

为突出该系统的优、缺点，将会对双闭环直流调速系统与其它调速系统（开环调速系统和单闭环调速系统）进行比较。

关键词: 稳态性能，直流电机，双闭环，静差，MATLABABSTRACTAlong with the rapid development of science and technology, related to motor control technology development is also advancing with The Times, the motor application in many fields in real life, it also plays an indispensable role. And the DC motor is relying on its quick response and accurate performance of speed and low power consumption and wide speed range, etc in the speed regulation control system.In a DC motor speed regulation system, open loop performance is poor, therefore it is necessary to be revised to improve the performance of these, after a lot of research and practice has proved, can adopt the closed loop speed regulation system. For speed control performance requirements in general situation, adopt single closed loop control system, and high speed control indexes, the multi closed loop system. Habit in the double closed loop system, using current and speed closed loop control. Speed control system with double closed control can be done without adjustment, and superior performance, especially in many advanced technology used in broader range, this makes the study of it has high practical significance.First of all, the paper discusses the present situation of DC speed regulating system and background, researching significance of this system, and then, theoretical analysis was carried out on the double closed loop speed regulation system, and finally, on the basis of theoretical research, according to the requirements of the data parameter, design a reasonable double closed-loop DC speed regulating system. After finishing the system design, to system design by MATLAB simulation, the simulation results, and analyzes the similarities and differences between the results with the theoretical value, and find out the unreasonable links and in the system parameters, calibration and the necessary processing, and eventually concluded that conform to the requirements of system model. To highlight the advantages and disadvantages of the system and will with other speed regulation system of double closed loop DC speed control system (open loop speed control system and a single closed-loop speed control system).Keywords: Steady state performance, direct-current motor,Double closed loop, MATLAB目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪言1.1 课题背景及现状 (1)1.2 课题研究意义 (2)1.3 双闭环直流电动机调速概况 (3)1.4 MATLAB简介 (4)1.5 课题设计内容 (4)2 双闭环调速系统的工作原理2.1 直流电动机 (5)2.2 双闭环调速系统的组成 (6)2.3 双闭环调速系统的工作原理 (6)2.4 直流电动机的起动与调速 (7)2.4.1直流电动机的起动 (7)2.4.2直流电动机速度的调节 (8)3 双闭环直流调速系统的性能指标3.1 静态性能指标 (9)3.2 双闭环控制的性能指标 (11)3.3 双闭环调速系统的动态结构 (13)3.3.1可控硅整流装置的数学模型 (13)3.3.2 电动机的传递函数和动态结构 (14)3.3.3 测速发电机和比例放大器的传递函数 (15)3.3.4 电流负反馈环节的模型 (16)3.3.5 双闭环控制系统的动态模型 (17)4 双闭环控制系统的静差分析4.1 典型系统 (18)4.1.1典型Ⅰ型系统 (18)4.1.2典型Ⅱ型系统 (20)4.2 双闭环调速系统的静差分析 (22)5 双闭环调速系统的设计5.1 电流环的设计 (25)5.2 转速环的设计 (27)5.3 对双闭环系统数据的运算 (29)5.3.1 电流调节器参数计算 (30)5.3.2 转速调节器的参数计算 (31)6 双闭环控制系统的仿真及分析6.1 双闭环系统的仿真 (34)6.1.1 电流环的仿真 (34)6.1.2 转速环的仿真 (40)6.2 单、双闭环系统的仿真比较 (45)6.2.1 单闭环系统的仿真 (45)6.2.2 两种调速系统的比较 (46)6.3 双闭环与开环的比较 (47)6.4 小结 (49)总结与展望 (50)致谢 (51)参考文献 (52)1 绪言1.1 课题背景及现状从广泛的角度来看，直流电动机调速系统应该是当代电力拖动以及自动控制系统当中从起步和发展到成熟较早的技术。

电力电子技术发展起步于二十世纪五、六十年代，它的发展得益于现代传感器原理的发展、电气中的传统电子技术、自动控制原理的理论技术、微型电子技术运用和微型机算机在应用领域的投入的飞速发展和可观成果。

因为这些技术的发展和运用造就了直流调速系统沧海桑田的改变。

这直接导致电能变换和控制成为现实，促使现今各种节能的、高效的新型电源和电机调速系统装置的问世[2]，在工业生产、交通运输甚至家庭自动化提供了可靠的、先进的技术，改善了生产效率，提高了人们的生活质量，使得社会生产、生活方式发生了质的变化，伴随着新型高性能电力电子器件的深入研究和全面开发以及先进控制技术的完善，电力电子以及电力拖动控制装置的性能也不断优化和提高，这种变化带来的影响在不断的增加，并且会越来越大[2]。

自从1964年人们提出将PWM技术应用于电机传动当中开始，电机传动的推广发展进入到了新的王朝。

步入近代以来，小体积、耗电少、低成本、高速、高性能、安全稳定的集成化电路随着规模的增大已经市场化了，这就将直流电机的控制放到了一个全新的时期。

微型处理器运用到数字控制中并作用在目前传动系统中用于直流电动机的调速控制中。

一般地，PWM协同桥式驱动电路以实现直流电机调速，十分方便并且简单，更为重要的一点是它的调速区间也很长。

目前，世界上对直流电动机的调速系统方面的研究和发展也随着科技的发展而越来越深入，并取得了可观的成绩。

在国内，从上世纪中后期后开发首种硅晶闸管开始，运用晶闸管的直流电动机的调速系统也获得全速的发展和一至的应用。

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双闭环直流调速系统的设计

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ss K s W i i iACR 1)(ττ+= ss K s W n n nASR 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∏∏==++=n1i irm1j j )1()1()(s T ss 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。

双闭环直流电机调速系统设计

双闭环直流电机调速系统设计

双闭环直流电机调速系统设计嘿，大家好！今天咱们聊聊一个挺酷的话题：双闭环直流电机调速系统。

虽然听起来有点像外星人的科技，但是其实它就是咱们日常生活中的一些电机背后的“聪明脑袋”。

没错，电动工具、电动汽车，甚至是你家那台洗衣机，都可能用到这种技术。

别担心，我会用简单易懂的语言，把这个“高大上”的话题聊得通俗易懂，让你像喝水一样轻松明白。

1. 什么是双闭环系统？首先，咱们得搞清楚什么是双闭环系统。

你可以把它想象成一辆高科技的赛车。

车上有两个智能系统，一个负责控制车速，另一个负责检查车速是不是正好。

第一个环节，叫做“速度闭环”，就像是车里的加速器，它根据你给的油门信号来调整速度。

第二个环节，叫做“电流闭环”，就是车上的仪表盘，它会实时监控实际速度和预定速度的差异，确保车速始终如你所愿。

两个环节相互配合，就像是赛车手的左右手，协作得天衣无缝。

1.1 速度闭环的作用速度闭环系统，简单来说，就是确保电机转得刚刚好。

你可以把它想成是你的车速表，告诉你车速到底快不快。

当你设定了目标速度后，速度闭环就会一直“盯着”电机的实际速度，看是不是达到了你想要的。

要是电机转得快了或者慢了，速度闭环会发出“警报”，让电机调整到正确的速度。

就像你开车的时候，如果超速了，车上的警报器就会提醒你：“嘿，慢点！”1.2 电流闭环的作用而电流闭环呢，就是确保电机在运行时不会超负荷。

你可以把它想象成你的车载电脑，时刻监控电机的“健康状态”。

如果电机的电流过大，就像是车上的发动机超负荷一样，电流闭环会自动调整电流，防止电机“过劳”工作，保障电机的长寿命和稳定性。

这就像车上的“健康检查”，时刻关注电机的“身体状况”，让它保持在最佳状态。

2. 如何设计双闭环系统？说到设计双闭环系统，那可不是简单的“煮熟的鸭子嘴里跑”，而是要细心雕琢的“工艺品”。

设计时，你需要考虑到很多细节，就像调配一杯完美的鸡尾酒一样，必须把每个成分都搭配得恰到好处。

2.1 控制器的选择首先，你得挑选一个靠谱的控制器。

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。

直流电动机双闭环调速系统设计

直流电动机双闭环调速系统设计

1 设计方案论证电流环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

转速环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

2双闭环调速控制系统电路设计及其原理综述随着现代工业的开展，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。

双闭环控制那么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应的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。

其良好的动态性能主要表达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展深入的探讨和研究。

本次课程设计目的就是旨在对双闭环进展最优化的设计。

整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。

共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。

变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。

三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。

为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。

三相桥式全控整流电路的工作原理是当a=0°时的工作情况。