双闭环直流调速系
统设计
电气与控制工程
已知参数：
某转速电流双闭环直流调速系统的已知参数为：
（1）电动机参数：kW P nom 3=，V U nom 220=,A I nom 5.17=,min /1500r n nom =，
Ω=2.1a R ，22.4.0m kg GD =；
（2）功率放大器：放大倍数25=s K ，Ω=3.0rec R ，s T s 001.0=； （3）其它参数：电枢回路总电感mH L 60=,最大允许电流nom 12I I db =，ASR
和ACR 的输出限幅值均为V 5±,最大转速给定电压V U nom 5±=*,电流反馈滤波时
间常数为S T oi 001.0=，转速反馈滤波时间常数为s T on 005.0=。
设计指标：
电流超调量%5≤i δ,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量
%10≤n δ,过度过程时间s t s 5.0≤。
一、电流调节器设计
（一）参数计算
（1）确定时间常数 s T s 001.0=
电流滤波时间常数 s 001
.0=oi T 电流环小时间常数之和 s 002
.0oi s i =+=∑T T T 电磁时间常数 s 04.03
.02.106
.0l =+==
R L T （2）选择电流调节器结构
根据设计要求%5≤i δ，并保证稳态电流无差，按典型I 型系统设计，采用PI 型电流调节器。其传递函数形式如：S
S K W S ACR i i i )()
1(ττ+=
（3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：s 04.0l i ==T τ
电流环开环增益：要求%5≤i δ，按表3-1，应取5.0i =∑T K I ，因此
1-i I s 250s 002
.05
.05.0===
∑T K 电流反馈系数为
v 14.05
.1725dL *=?==I U β
于是，ACR 的比例系数为
43.314
.0252
.104.0250i a i =???==
βτS I K R K K ∴ 电流调节器传递函数为 S
S S S K W S ACR 02.0102.043.3)1(i i i )(）
（+=+=ττ
（4）校验近似条件
电流环截止频率：1-ci s 250==I K ω
1）校验晶闸管整流装置换地函数的近似条件
ci S T ω>≈?=1-1-s 3.333s 001
.031
31 满足近似条件
2）校验电流环小时间常数近似处理条件
ci T T ω>≈??=1-1-oi s s 3.333s 001.0001.01
31131
满足近似条件
（5）计算调节器电阻和电容
根据运算放大器的电路原理，选K ΩR 400=，各电阻和电容值计算如下
k Ωk ΩR K R 2.1374043.30i i =?==
F R C μτ110
4004
.03
i
i
i =?=
=
F T C μ4.0104004
.04R 43
0oi oi =??==
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为
%5%3.4i <=σ
满足设计要求
含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器（二）仿真模型
（三）仿真结果
二、转速调节器设计
（一）参数计算 （1）确定时间常数
s 004.0s 002.0221
i =?==∑T K I
转速滤波时间常数s 005.0on =T
转速环小时间常数s 009.0005.0004.01
on n =+=+=
∑T K T I
（2）选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为
S
S K W S ASR n n n )(1ττ）（+=
（3）计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h =，则ASR 的超前时间常数为
s 045.0s 009.05h n n =?==∑T τ
转速环开环增益为
2
-2-222n
2
s 1481s 009.0526h 21h ≈??=+=
∑T K N ∴ASR 的比例系数为
7.2009.0252013
.014.06h 21h 22n
2
m e n ≈????=+=∑T T C K β）（ 其中，r V U /min 003.01500
5
n 0*
n ?===α
r V R I U C /min 133.01500
2
.15.17-220n d e ?≈?=-=
013.0e
303755
.14375m 2m e =???==C C R GD T C π
222m 4m kg 4.0?=?=N GD
∴转速调节器传递函数为 S
S S S K W S ASR 045.0)1045.0(7.21n n n )(+=
+=ττ）（ （4）检验近似条件
转速环截止频率为 1-n cn s 65.66045.01481=?==τωN K 1）电流环传递函数简化条件
cn I T K ω>≈=∑9.117002
.0250
3131i 满足近似条件
2）转速环小时间常数近似处理条件
cn I T K ω>≈=5.74005.0250
3131on 满足近似条件 3）计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器
取K ΩR 400=，则
K ΩK ΩR K R 108407.20n n =?== 取K Ω100
F R C μτ
45.010
100045
.03
n
n n
=?=
=
取F μ5.0 F R T C μ510
40005
.04430on on =??==
取F μ5
（二）仿真模型
（三）仿真结果
三、系统硬件设计（一）原理图
（二）整流电路
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电。本设计采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图所示，阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。这种整流电路的输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形完全相同，故该电路为6脉动整流电路。
（三）PWM变换器
脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。直流电动机PWM控制系统分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电动机只能单向旋转；可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。对于可逆系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。本设计采用双极性驱动可逆PWM变换器。
如图是H型双极性可逆PWM变换器原理图。它包含有4个IGBT 管和4个续流二极管。4个IGBT管分成两组，VT1，VT4为一组；VT2，VT3为另一组。同一组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。
（四）泵升限制电路
当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆 PWM 变换器回送给直流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图所示。当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。在本设计中泵升电路电解电容选取C=2200μF；电压U=450V；VT选取IRGPC50U 型号的IGBT管；电阻选取R=20Ω。
（五）按键电路
独立式按键电路如图所示，这种独立式按键电路所需器件比较少、软件编程结构比较简单，在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入保证了冷按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。通过软件编程实现如下功能：当按下1键时，电动机启动；当按下2键时，电动机正转；当按下3键时，电动机反转；当按下4键时，电动机停止；当按下5键时，电动机加速；当按下6键时，电动机减速。
四、直流调速原理
双闭环直流调速系统稳态结构
）
双闭环直流调速系统的动态结构
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成。两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压*
U决定了电流给定的最大
m
U限制了电力电子变换器的最大输出电压值，电流调节器ACR的输出限幅电压
cm
U。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有dm
反向的输入信号使调节器退保和。
为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态。
由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
通过调节触发装置GT的控制电压
U来移动脉冲的相位，即可改变平均整流
c
电压
U，从而实现平滑调速。
d
四、系统软件设计Array
（一）主程序
（二）子程序的初始化设计
初始化子程序框图
（三）中断服务子程序设计
中断服务子程序包括故障检测、PWM生成、状态检测和数字PI调节等，这些都是实时性比较强的功能。当相应的中断源提出申请，CPU就可以实时响应。
转速调节中断服务子程序框图如图4-3所示。在转速调节中断服务子程序中，首先应保护现场，然后再由输入量计算实际的转速，完成转速PI调节，最后进行转速检测环节，为下面的调节提前做好准备。为了使被中断的上级程序正确稳定地恢复运行，在中断返回前应该先恢复现场。
转速调节中断服务子程序框图
电流调节中断服务子程序框图如图所示，主要完成的任务有：电流PI调节、PWM 信号生成、启动A/D转换、恢复现场等