转速、电流反馈控制地直流调速系统设计

转速电流双闭环控制直流调速系统的课程设计流程介绍如下：
1.确定系统参数和控制策略：根据具体需求和电机特性，确定系
统参数和控制策略，如电机额定电压、额定电流、最大转速、控制器采样周期、PID控制器参数等。

2.搭建硬件平台：根据系统参数和控制策略，搭建硬件平台。

硬
件平台包括电机、电源、传感器、控制器等。

3.编写程序：根据系统参数和控制策略，编写程序。

程序主要分
为两部分，一部分是转速闭环控制程序，另一部分是电流闭环控制程序。

程序需要实时读取电机转速和电流传感器的反馈信号，并根据PID控制器的输出值调节电机电压和电流。

4.调试和测试：在搭建好硬件平台和编写好程序后，进行调试和
测试。

测试可以分为两个部分，一部分是转速闭环控制测试，另一部分是电流闭环控制测试。

测试的主要目的是验证程序的正确性和系统的控制性能。

5.总结和分析：在测试完成后，对测试结果进行总结和分析。

分
析结果可以用于进一步改进控制策略和优化系统性能。

总之，转速电流双闭环控制直流调速系统的课程设计需要深入了解电机控制原理和PID控制器的设计方法，需要具备一定的电路设计和编程能力。

实验二 转速、电流双闭环直流调速系统一、实验目的1．了解转速、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。

实验图2-1 转速、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，改变转速给定电压*n U 可方便地调节电动机的转速。

速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作用；ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。

当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出*im U ，使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动，直到电动机转速达到给定转速(即*n n U U )并出现超调，使ASR 退出饱和，最后稳定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。

三、实验设备及仪器1.主控制屏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起始移相控制角，检查和调整ASR 、ACR ，整定其输出正负限幅值。

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.研究电流环和转速环的动态特性，将系统调整到可能的最佳状态，画出)(t f I d =和)(t f n =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）。

转速、电流反馈控制的直流调速系统设计一、系统基本参数转速、电流反馈控制直流调速系统采用晶闸管三相桥式整流装置供电，其基本参数如下：直流电动机额定转速n N = 1200 r/min，额定电压U N = 220V，额定电流I N = 180A，电动势系数C e = 0.196V·min/r，电流允许过载倍数λ=1.25；电动机电枢电阻R a = 0.2Ω，回路总电感L = 20 mH；晶闸管整流装置放大倍数K s = 36；电枢回路总电阻R = 0.6 Ω；机电时间常数T m = 0.22 s；额定转速时的给定电压U n* = 10V；转速调节器和电流调节器的输出限幅值为10V。

二、系统设计要求和内容1、要求转速、电流反馈控制直流调速系统稳态无静差，电流环的超调量σ≤5%，i系统从空载起动到额定转速时的转速超调量σ≤10%；n2、设计出转速、电流反馈控制直流调速系统的结构原理图，并分析转速、电流反馈控制直流调速系统的工作原理；3、采用工程设计方法分别设计双闭环直流调速系统中转速环和电流环调节器的结构，并利用相关方法和原理，结合给定的系统参数计算出各参数值，然后进行调节器中相关电阻、电容等元器件选型；4、要求利用Protel 99等软件分别画出基于运算放大器、电阻和电容等元器件实现的转速、电流调节器的模拟电路原理图；5、双闭环直流调速系统的结构和参数设计完后，在MATLAB 的Simulink 中建立相应的模型进行仿真实验，记录相应的仿真曲线和实验数据，并分析相关的实验数据，给出相应的结论，验证设计的系统是否满足要求；6、撰写一份设计报告，要求结构合理、格式规范、内容详实、条理清晰、论证充分，具体格式可参考仲恺农业工程学院毕业设计论文要求；7、严禁抄袭，若发现课程设计或者设计报告中存在抄袭，则一律按不及格处理；8、调节器的工程设计方法请参考《运动控制系统》教材《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》P79中3.3.3节内容进行相关的设计。

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 。

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,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下：1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=r,允许过载倍数λ=2）晶闸管装置放大系数：K s=303）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）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果;系统要求：1）稳态指标：无静差2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10%3. 设计要求根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如下：1）设计电流调节器的结构和参数,将电流环校正成典型I型系统；2）在简化电流环的条件下,设计速度调节器的结构和参数,将速度环校正成典型II型系统；3）进行Simulink仿真,验证设计的有效性;4.设计内容1 设计思路：带转速负反馈的单闭环系统,由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压,以补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;当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时,它依靠被调量的偏差进行控制的,因此是有静差率的调速系统,而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速,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,可以用附带电流截止负反馈作限流保护,但这并不能控制电流的动态波形;按反馈的控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变,采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程;另外,在单闭环调速系统中,用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响,难于进行调节器的参数调速;例如,在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中,同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节,调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质;按照电机理想运行特性,应该在启动过程中只有电流负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速反馈,双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时,转速负反馈起主要作用,当电流达到最大值时,电流负反馈起主要作用,得到电流的自动保护;2双闭环调速系统的组成：a.系统电路原理图图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图;图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器,二者串级连接,即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置;电流环在内,称之为内环；转速环在外,称之为外环;两个调节器输出都带有限幅,ASR的输出限幅什U im决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值U im,对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U cm 限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角α;图2－1 双闭环调速系统电路原理图b.系统动态结构图图2-2为双闭环调速系统的动态结构框图,由于电流检测信号中常含有交流分量,须加低通滤波,其滤波时间常数T oi按需要选定;滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量,但同时也给反馈信号带来了延滞;为了平衡这一延滞作用,在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节;其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞,使二者在时间上得到恰当的配合,从而带来设计上的方便;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,滤波时间常数用T on表示;根据和电流环一样的道理,在转速给定通道中也配上时间常数为T on的给定滤波环节;T oi—电流反馈滤波时间常数T on—转速反馈滤波时间常数图2－2双闭环调速系统的动态结构图3）按工程设计方法设计双闭环系统的ACR：设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始,一环一环地逐步向外扩展;在这里是：先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转速调节器;a.确定时间常数整流滤波时间常数T s,三相桥式电路的平均失控时间T s=；电流滤波时间常数T oi,三相桥式电路每个波头的时间是,为了基本虑平波头,应有1～2Toi=,因此取Toi=2ms=；电流环小时间常数T∑i,按小时间常数近似处理,取T∑i=T s+T oi=;b.选择电流调节器结构由设计要求：σi%≤5%,并保证系统稳态电流无误差,因此可按典型I型系统设计,电流调节器选用PI 型,其传递函数为: W ACR s =isis Ki ττ1+ c.校验近似条件电流环截止频率11.135-==s KI ci ω； 晶闸管装置传递函数近似条件为：13ci sw T ≤=,满足近似条件； 忽略反电动势对电流环影响的条件为：ci w ≥满足近似条件； 小时间常数近似条件处理条件为：ci w ≤=, 满足近似条件;d.计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3－1所示,按所用运算放大器取R 0=40kΩ,各电阻和电容值计算如下：,取30k; ,取;-图3－1含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：σi %=%<5%,满足设计4按工程设计方法设计双闭环系统的ASR ：a.确定时间常数电流环等效时间常数为20.0074i T s ∑=；转速滤波时间常数Ton ,根据所用测速发电机波纹情况,取Ton=； 转速环小时间常数n T ∑ 按小时间常数近似处理,取n T ∑=20.0174i T Ton s ∑+=;b ．选择转速调节器结构由于设计要求无静差,转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求,应按典型Ⅱ型系统设计速度环,故ASR 选用PI 调节器,其传递函数为：1()n ASR nn s W s K sττ+= c.计算速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则,取h=5,则ASR 的超前时间常数为：50.01740.087n n hT s τ∑==⨯=,转速环开环增益： 2224.39621-∑=+=s T h h K nN 于是,ASR 的比例系数: =d.校验近似条件由转速截止频率：15.341-===s n KN KNcn τωω; 电流环传递函数简化条件： ,满足简化条件; 转速环小时间常数近似条件为： ,满足近似条件;e.计算调节器电阻和电容转速调节原理图如图3－2所示,取040R k =Ω,则,取550k; ,取;图3－2含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器-按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：当h=5时,查表得%,虽然不满足设计要求,而实际上,突加阶跃给定时,ASR 饱和,应按退饱和的情况重新计算超调量,实际%,满足设计要求;5内、外开环对数幅频特性的比较图4－1把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上,其中各转折频率和截止频率依次为：13.2700037.011-==∑s i T ,151.570174.011-==∑s n T , 151.34-=s cn ω,15.11087.011-=s n τ; 以上频率一个比一个小,从计算过程可以看出,这是必然的规律;因此,这样设计的双闭环系统,外环一定比内环慢;一般来说,1150~100-=s ci ω,150~20-=s cn ω;从外环的响应速度受到限制,这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点;然而,这样一来,每个环本身都是稳定的,对系统的组成和调试工作非常有利;总之,多环系统的设计思想是：以稳为主,稳中求快;L/dBO1/-s ωiT ∑1ciωnT ∑1cn ωnτ1InI-电流内环 n-转速外环图4－1又闭环系统内环和外环的开环对数幅频特性－20－40－20－406 晶闸管的电压、电流定额计算a.晶闸管额定电压U N晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um ,考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素,还要放宽2～3倍的安全系数,即按下式选取U N ＝2～3Um ,式中系数2～3的取值应视运行条件,元件质量和对可靠性的要求程度而定;b.晶闸管额定电流I N为使晶闸管元件不因过热而损坏,需要按电流的有效值来计算其电流额定值;即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值;可按下式计算：I N =~2K fb I MAX ;式中计算系数K fb =Kf/由整流电路型式而定,Kf 为波形系数,Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数;当α=0时,三相全控桥电路K fb =,故计算的晶闸管额定电流为I N =~2K fb I MAX =~2 ××220×=～,取200A;7平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感,因而计算直流回路附加电抗器的电感量时,要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中,扣除上述两种电感量;a.电枢电感量L M 按下式计算)(2103mH I Pn U K L NN N D M ⨯=P —电动机磁极对数,K D —计算系数,对一般无补偿电机：K D =8~12; b.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感L B 按下式计算)(100%2mH I U U K L dK BB •= U 2—变压器次级相电压有效值,I d —晶闸管装置直流侧的额定负载电流,K B —与整流主电路形式有关的系数;c.变流器在最小输出电流I dmin 时仍能维持电流连续时电抗器电感量L 按下式计算min2d I U K L •=, K 是与整流主电路形式有关的系数,三相全控桥K 取则L ＝mH.6）进行Simulink 仿真,验证设计的有效性a. 电流闭环的仿真如下图：为了研究系统的参数对动态性能的影响,分别取K I T ∑i =、、、,此时K I 的值也会随之变化,运行仿真,即可得不同K I 值的阶跃响应曲线：图6-1 KT=的阶跃响应曲线图6-2KT=的阶跃响应曲线图6-3 KT=的阶跃响应曲线图6-4 KT=的阶跃响应曲线由曲线可以看出如果要求动态响应快,可取KT=；如果要求系统超调小,则应把KT 的值取小些,可取KT<;无特殊要求,取折中值KT=,,称为最佳二阶系统;图6-1~图6-4反映了PI 调节器的参数对系统品质的影响趋势,在工程设计中,可以根据工艺的要求,直接修改PI 调节器的参数,找到一个在超调量和动态响应快慢上都较满意的电流环调节器;b. 转速环的仿真设计在增加转速环调节后,转速环开环传递函数如下： )1()1()(n 2n N n ++=∑s T s s K s W τ 校正后的调速系统动态结构框图如下所示：其中me n n N T C R K K βτα=;在matlab中搭建好系统的模型,如下图：转速环的仿真设计为满足系统在不同需求下的跟随性与抗扰行能要求,取h的之分别为：3、5、7、9. 用matlab仿真结果如下：图7-1h=3时的阶跃响应曲线图7-2h=5时的阶跃响应曲线图7-3h=7时的阶跃响应曲线图7-4h=9时的阶跃响应曲线由图可以看出：h值越小,动态降落也越小,恢复时间、调节时间也短,抗扰性能也越好,但是,从h<5以后,由于震荡剧烈h越小,恢复时间反而延长,综合起来看,h=5是最佳选择,也即最佳三阶系统;对电流环与转速环都是根据实际需要调节参数的,对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现：Ⅰ型系统可以在跟随性上做到超调小,但抗扰性能差；而Ⅱ型系统超调却相对较大,抗扰性能较好;5.设计心得a.通过该次设计,更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统的结构组成以及它的工作原理,加深了对开环、闭环有静差、无静差调速的理解---闭环结构保证系统的稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系统有较低的稳态误差;b.由此也初步掌握双闭环调节器的整个设计过程,其基本思想是先内环再外环;在结构框图的处理过程中有多处近似处理,简化了传递函数,从而使问题得到简化,因此称为被称为“工程设计方法”,这意味着在实际的应用中,在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果的方法是很有价值的;从开环到闭环、从闭环无静差到有静差、从单环到双环着一些列的变化显示人们人知的渐进性;仿真是自己临时捡起matlab课本重新回顾才完成的,仿真的直观的证明了最佳二阶、三阶系统的参数,并再一次体现了matlab在控制中的重要作用,的确是一个很强大的仿真工具;整个仿真过程也加深了自己对电力拖动控制相关知识理解程度,相当于也许经过证明的才是最可靠的;d.由于水平有限,设计中肯定有许多错误和不足的地方,敬请老师指正;6．参考文献【1】陈伯时,电力拖动自动控制系统;机械工业出版社;【2】李荣生,电气传动控制设计指导;;。

直流电机调速控制系统设计1.引言直流电机调速控制系统是一种广泛应用于工业生产与生活中的电气控制系统。

通过对直流电机进行调速控制，可以实现对机械设备的精确控制，提高生产效率和能源利用率。

本文将介绍直流电机调速控制系统的设计原理、控制策略以及相关技术。

2.设计原理直流电机调速控制系统的基本原理是通过调整电压或电流来改变电机的转速。

在直流电机中，电压和电流与转速之间存在一定的关系。

通过改变电压或电流的大小，可以实现对电机转速的调节。

为了实现精确的调速控制，通常采用反馈控制的方式，通过测量电机转速，并与设定值进行比较，控制输出电压或电流，以达到期望的转速。

3.控制策略开环控制是指在没有反馈的情况下，直接控制输出电压或电流的大小，来实现对电机转速的调节。

开环控制的优点是简单、成本低，但缺点是无法考虑到外界的扰动和电机的非线性特性，使得控制精度较低。

闭环控制是指在有反馈的情况下，测量电机转速，并与设定值进行比较，控制输出电压或电流。

闭环控制的优点是能够考虑到外界的扰动和电机的非线性特性，提高控制精度。

常用的闭环控制策略有PID控制、模糊控制和神经网络控制等。

其中，PID控制是最为常用的一种控制策略，具有调节速度快、控制精度高的优点。

4.相关技术在直流电机调速控制系统的设计中，还需要用到一些相关的技术，如编码器、传感器和驱动器等。

编码器是一种测量旋转角度和速度的装置，可以用来测量电机的转速。

根据编码器的测量结果，可以对电机进行控制。

传感器可以用来检测电机的电流、电压和转速等参数，以获得电机的实时状态。

通过对这些参数的测量和分析，可以实现对电机转速的控制。

驱动器是将控制信号转换为电机运行的电路，可以根据输入的电压或电流信号控制电机的运行状态。

5.总结直流电机调速控制系统是一种重要的电气控制系统，可以实现对机械设备的精确控制。

在设计过程中，需要合理选择控制策略和相关技术，以实现期望的控制效果。

通过不断的研究和实践，可以进一步提高直流电机调速控制系统的性能和稳定性，满足不同领域的需求。

转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真基本数据如下：1.直流电动机：V U N 220=、A I N 136=、min/1460r n N =)min /(132.01-∙=r V C e ，允许过载倍数λ=1.5；2.晶闸管装置放大系数：40=s K ；电枢回路总电阻：R=0.5Ω；4.时间常数：s T l 03.0=，s T m 18.0=；电流反馈系数A V I U Nim /05.05.1*==β；转速反馈系数：)min /(007.01460101*-⋅===r V n U N nm α无静差，电流超调量%5≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%10≤n σ。

一、电流环仿真图1电流环仿真模型图2仿真结果图3无超调图4较大超调二、双闭环仿真仿真结果显示在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，因为电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，为一个线性渐增的扰动量，系统做不到无静差。

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，构成转速、电流双闭环调速系统。

图5双闭环调速系统仿真模型图6转速环空载高速起动图7转速环满载高速起动图8转速环抗扰波形三、分析总结双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程的波形。

按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。

从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。

带PI调节器的双闭环调速系统还有转速必超调的特点。

在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流；ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。

与带电流截止负反馈的直流调速系统相比，双闭环控制直流调速系统充分利用电机允许的过载能力，在转速上升阶段始终保持电机允许电流的最大值，使电机转速以最大加速度上升；在到达稳定转速后，电流又能在短时间内降下来，使转矩与负载相平衡从而稳态运行，有良好的起动性能。