转速电流双闭环直流调速系统设计

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。

0nnt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

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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控制器设计

一、设计目的

1、应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

2、应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

2 3、在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。

二、系统设计参数

直流电动机控制系统设计参数：（ 直流电动机(3) ）

输出功率为:5.5Kw

电枢额定电压220V

电枢额定电流 30A

额定励磁电流1A

额定励磁电压110V

功率因数0.85

电枢电阻0.2欧姆

电枢回路电感100mH

电机机电时间常数1S

电枢允许过载系数=1.5

额定转速 970rpm

直流电动机控制系统设计参数

环境条件：

电网额定电压:380/220V;

电网电压波动:10%;

环境温度:-40~+40摄氏度;

环境湿度:10~90%.

控制系统性能指标：

电流超调量小于等于5%;

空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;

调速范围D＝20;

静差率小于等于0.03.

1、设计内容和数据资料

某直流电动机拖动的机械装置系统。

主电动机技术数据为：

VUN220,AIN30，min970rnN，电枢回路总电阻2.0R，机电时间常数

3 sTm1，电动势转速比rVCemin221.0•，Ks=40，msTl5.0，Ts=0.0017ms，电流反馈系数AV85.0，转速反馈系数rVmin5.1•，试对该系统进行初步设计。

1 实验二 转速、电流双闭环直流调速系统

一．实验系统原理图：

~AGRgLRm220V负载回路励磁回路直流电机主回路220触发脉冲单元测速计FBSASRDZS*nUnUUcugACRFBC电流反馈单元 转速反馈单元*iUiU速度PI调节器电流PI调节器零速封锁器M

二．实验内容及步骤：

1． 脉冲触发单元零位整定：（同实验一）。

2． 电流环调试：

1） 电流调节器ACR的限幅整定：（不加强电）

guACRcuPI

调电流调节器ACR的RP1，使触发角30~15

2）电流反馈系数β整定及反馈极性判定：

开环，gcuu 不加励磁，Rm最大，负载开路。合上强电后，增加gu，使1.1IdA，调整FBC的RP1，使电流反馈*5iimUUV。此时，UiId。判定0Ui。

3）电流闭环运行（接入Rm）：

guACRcuPIiu 2 不加励磁，合上强电。增大gu，使1.0IdA，调Rm，Id应不变。

3． 转速环调试：

1） 转速调节器ASR的输出限幅整定：（不加强电）

guASR*iuPI-

ASR接成PI调节器，不通强电。正给定ug+接ASR的输入端, 用万用表测量ASR的输出：调ASR的电位器RP2（对应负输出），使*5iuV。

2） 转速反馈系数α整定及极性判定：

ug+ -> uc ，开环运行，加强电，加励磁，Rm最大。调正给定ug，开环运行至min/1500rn。调转速反馈单元FBS中的电位器RP,使转速反馈电压5nuV(用万用表测量)。由于ASR、ACR是反相器，故双闭环时转速反馈电压端极性应取负。

4. 系统双闭环调试：

按原理图双闭环接线，检查无误后，合强电，测机械静特性。（方法步骤同实验一）。

n 1400

Id 0.4 0.6 0.8 1.0

5. 突加给定，观察转速和电流的波形：

在4.基础上，空载1400/minnr，将给定打至零，再突加给定，用慢扫描示波器观察转速和电流的波形。

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。