基于MATLAB的双闭环直流调速系统的设计与仿真

1、. 摘要直流调速系统的在工业中的应用很广泛，也是交流调速系统的基础。直流调速系统用双闭环结构时控制效果最好，为此本文对双闭环直流调速系统进行了研究，重点对控制部分展开研究。分析调速系统的稳态和动态结构，建立双闭环直流调速系统的数学模型，通过全面分析根据双闭环直流调速系统的控制要求将电流和转速都设计为比例积分调节器，并设计了电流和转速调节器的参数。对经典双闭环系统进行分析的同时，为了能得到合理的设计参数，用MATLAB软件对电流环和转速环的设计举例进行了仿真，通过比较说明了直流调速系统的特性。 关键词：双闭环直流调速系统；比例积分调节器 ；MATLAB .ABSTRACTDC servo sys

2、tem is widely used in the industry，and is the fadation of AC servo System.The DC servo system can be controled well with double-closed system.In this paper double-closed loop DC servo system is studied,the importance of zhe study is the control section.analysis of the static and dynamic of speed con

3、trol system,and establishing a double-closed loop DC system mathematical model. PI controler is designed for both the current and speed regulator，and design current and speed regulator parameters. When analysis of the classical double-loop system，in order to get a reasonable design parameters. MATLA

4、B software has been selected to simulate parameters of the system which has been choosen,with a comparison to show the characteristics ofDC Control system.KEY WORDS：Double-closed loop DC servo system ;PI controller;MATLAB.目 录第一章 绪 论11.1 课题背景、发展及意义11.2 课题的主要任务及内容.11.3论文的内容安排及主要工作1第二章 直流调速系统理论研究和方案确定3

5、2.1 双闭环调速系统的工作原理32.1.1 转速控制的要求和调速指标32.1.2调速系统的动态性能指标42.2 双闭环调速系统的动态分析52.2.1直流电机动态模型52.2.2 调速系统的双闭环调节原理72.3 双闭环调速系统的起动过程分析72.4转速、电流双闭环直流调速系统92.4.1稳态结构图92.4.2双闭环调速系统组成10第三章 双闭环直流调速系统的调节器设计133.1按工程设计方法设计双闭环系统的调节器133.1.1系统设计对象133.1.2系统设计原则133.2转速-电流调节器结构的确定133.3.电流调节器设计143.3.1电流环结构图的简化143.3.2电流调节器结构的选择1

6、53.3.3电流调节器的参数计算163.3.4电流调节器的实现173.3.5设计举例173.4转速调节器设计193.4.1电流环的等效闭环传递函数193.4.2转速调节器结构的选择203.4.3转速调节器参数的计算223.4.4转速调节器的实现223.4.5设计举例23第四章 双闭环直流调速系统仿真254.1电流环系统仿真254.1.1电流环仿真模型254.1.2饱和上限设置254.1.3仿真结果264.1.4仿真结果分析284.2转速环系统仿真284.2.1转速环仿真模型284.2.2设置输入量个数294.2.3仿真结果294.2.4仿真结果分析31第五章 总结33致 谢34参考文献35附

7、录36.第一章 绪 论1.1 国内外现状及发展意义 随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）常用的控制直流电动机有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，常用的控制直流电动机有以下几种：第一，最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机（也称为旋转交流组），配合采用磁放大器、电

8、机扩大机、阐流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧交流器后，利用汞弧交流器代替上述发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧交流器仍存在一些缺点：维修海华丝不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶

9、闸管，与其它交流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列有点，采用晶闸管供电，不仅是直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。晶闸管交流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧交流器（放大倍数1000）高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也出现了高度集成化、小型

10、化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。微机的应用是直流电气传动控制系统趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用微机为控制核心的直流电气传动系统装置，如西门子公司的SIMOREG K6RA24、ABB、公司的PAD/PSD等等。随着现代化不发的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用

11、领域也不段扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材

12、料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD,DSP控制器等手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法得以实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛的应用，。永磁材料技术的突

13、破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有为处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制为智能运动控制系统。所以应用先进的控制算法，开发数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些电动机控制系统的性能的要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的 方向不断前进。数字直流调速装置，从技术上，他能

14、成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PLC等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法，完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的AB

15、B公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的CE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化得应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation，简

16、称PWM）方向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。价格低廉，但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。第二，三十年代末，出现了发电机电动机（也称为旋转交流组），配合采用磁放大器、电机扩大机、阐流管等控制器件，可获得优良的调速性能，如有较宽的调速范围（十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴上的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性，另

17、一方面又可以减少能量的损耗，提高效率。但发电机、电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大，维修困难等。第三，自出现汞弧交流器后，利用汞弧交流器代替上述发电机、电动机系统不能比拟的。但是汞弧交流器仍存在一些缺点：维修海华丝不太方便，特别是水银蒸汽对维护人员会造成一定的危害等。第四，1957年世界上出现了第一只晶闸管，与其它交流元件相比，晶闸管具有许多独特的优越性，因而晶闸管直流调速系统立即显示出强大的生命力由于它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列有点，采用晶闸管供电，不仅是直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术

18、性能上也显示出很大的优越性。晶闸管交流装置的放大倍数在10000以上，比机组（放大倍数10）高1000倍，比汞弧交流器（放大倍数1000）高10倍；在响应快速性上，机组是秒级，而晶闸管变流装置为毫秒级。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也出现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深

19、入发展，直流电动机控制装置也不断向前发展。微机的应用是直流电气传动控制系统趋向于数字化，智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用微机为控制核心的直流电气传动系统装置，如西门子公司的SIMOREG K6RA24、ABB、公司的PAD/PSD等等。随着现代化不发的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不段扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的

20、控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/C

21、PLD,DSP控制器等手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法得以实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛的应用，。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有为处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制为智能运动控制系统。所以应用先进的控制算法，开发数字化智能运动控

22、制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些电动机控制系统的性能的要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的 方向不断前进。数字直流调速装置，从技术上，他能成功地做到从给定信号、调节器参数设定、直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机，同一台控制器甚至可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和PL

23、C等各种器件通讯组成整个工业控制过程系统，而且具有操作简便、抗干扰能力强等特点，尤其是方便灵活的调试方法，完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的CE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化得应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系

24、统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有：综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。随着新型电力半导体器件的发展，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation，简称PWM）方向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也

25、都在开发全数字直流调速装置。1.2 课题的主要任务及内容在工业领域中，实际的传动系统并不如模型那样一成不变，电机本身的参数和拖动负载的参数(如转动惯量)在某些应用场合产生变化，不能使系统在各种情况下都保持设计时的性能指标而直流电机作为伺服系统的执行元件在跟踪性能方面的要求比一般的调速系统高且严格得多，而且需要更强的抗干扰能力；对整个系统的控制精度、响应速度有了更高的要求。因此需要找到一种更优的控制参数来改进直流调速系统的控制效果。关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统,其设计非常复杂。本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析。设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素,按全局

26、最优的观点正确选择合理的阶次4。工程设计方法的基本思路是先选择调节器的结构，以确保系统的稳定性，同时满足所需要的稳态精度；再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。应用到双环调速系统中，先从电流环入手，按上述原则设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个等效环节，再设计转速调节器。为此本论文对双闭环直流调速系统进行MATLAB仿真与研究。本课题的目的是研究直流调速系统特性，分析系统的设计要求，通过分析将两调节器都设计为PI调节器，并对两调节器的设计举例进行了仿真，分析仿真结果，探讨直流调速系统的最优控制参数。 1.3 论文的内容安排及主要工作 直流电动机的调速性能很好，起动转矩

27、较大，特别是调速性能为交流电动机所不及的，因此，在对电动机的条随性能和起动性能要求较高的生产机械上面，大都使用直流电动机进行拖动。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静，动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，在我国许多工业部门，如轧钢，矿山采掘，海洋钻探，金属加工，纺织等场合仍然占有重要地位。而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。第一章：简单介绍了直流电动机的国内外现状和发展意义，以及课题的主要内容和任务。第二章：基于直流调速系统介绍了双

28、闭环调速系统的工作原理，并分析调速系统动、静态。第三章：介绍了系统设计原则，并详细阐述了转速、电流环反馈控制直流调速系统。第四章：通过利用MATLAB中的SUMLINK软件依次按：建模、设置参数确切的得出了转速、电流环的反馈控制直流调速系统的仿真模型并进行了结果分析。第二章 直流调速系统理论研究和方案确定2.1 双闭环调速系统的工作原理图2-5 双闭环调速系统的原理框图图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接.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晶闸

29、管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。双闭环直流调速系统的动态结构图如图2-5所示。其中电力电力变可以看作是一个滞后环节，其传递函数为：。电流和转速反馈系数分别为2.2 双闭环调速系统的动态分析2.2.1直流电机动态模型额定励磁下他励直流电动机的等效电路图如图2-3所示

30、。图2-3直流电动机等效电路图由图2-3可以列出微分方程整理后得： (2-9) (2-10) 式(2-9)(2-10)中：T1=L/R：电枢回路电磁时间常数 GD2电力拖动运动系统部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为Nm2Ce=30/ ：电机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A。Tm= GD2R/375CeCm：电力拖动系统机电时间常数，单位为s。TL：包括电机空载转矩在内的负载转矩Idl=TL/Cm：负载电流将上述(2-9)、(2-10)式在零初始条件下进行拉氏变换，整理后可以得到额定励磁电流下直流电动机的动态结构图，如下图2-4所示。图2-4直流电机动态结构图2.2.2稳态结构图电流转速

31、两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im。决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。系统的静态结构图如图2-7所示。a一转速反馈系数， 一电流反馈系数图2-7双闭环直流调速系统的稳态结构在稳态运行时两个调节器都不饱和。ASR的调节作用使转速跟随转速给定，ACR的调节作用使电流跟随电流给定。只要调节器输入端的反馈信号不等于给定信号，调节器的输出就会发生变化。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出问的

32、联系，相当于使该调节环开环。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况：当转速调节器不饱和： （2-11）可得关系式为： 从而得到图2-8静特性的CA段。由于ASR不饱和，U*iU*im，从上述第二个关系式可知：IdIdm。这就是说，CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。 当速度调节器饱和时：这时，ASR输出达到限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态

33、时，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。 ( 2-12)上式描述的静特性是图2-6中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于nno，则UnU*n，ASR将退出饱和状态。第三章 双闭环直流调速系统的调节器设计3.1按工程设计方法设计双闭环系统的调节器3.1.1系统设计对象双闭环调速系统的实际动态结构图如下图3-1，它与前述的图2-9不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中T0i 电流反馈滤波时间常数T0n 转速反馈滤波时间常数 图3-1双闭环直流调速系统的动态结构图3.1.2系统设计原则系统设计的一般

34、原则：“先内环后外环”，即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，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。3.2转速-电流调节器结构的确定一般说来典型型系统在动态跟随性能上可以做到超调小，但抗忧性能差。 而典型型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。基于此，在转速-电流双闭环调速系统中，电流环一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，即能否抑制超调是设计电流环首先考虑的问题，所以一般电流环多设计为型系统，电流调节器的设计应以此为限定条件，设计为PI调节器。至于转速环，稳态无静差是最根本的要求， 所以转速环通常设计为型系统。在双闭环调速系统

35、中， 整流装置滞后时间常数Ts和电流滤波时间常数Toi一般都比电枢回路电磁时间常数Tl小很多，可将前两者近似为一个惯性环节，取Ti=Ts+Toi。这样，经过小惯性环节的近似处理后，电流环的控制对象是一个双惯性环节，要将其设计成典型型系统，同理，经过小惯性环节的近似处理后，转速环的被控对象形式为W（s）=K/s(Ts+1)如前所述，转速环应设计成型系统，所以转速调节器也就设计成PI型调节器。3.3.电流调节器设计3.3.1电流环结构图的简化在设计电流调节器时反电动势与电流反馈的作用相互交叉，给设计工作带来麻烦。 转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态

36、性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 （3-1）式中ci电流环开环频率特性的截止频率在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如图3-2（a）所示。若把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*(s)/,则电流环等效成单位负反馈系统,如下图3-2（b）所示。而Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为 Ti = Ts + Toi （3-2）简化的近似条件为 （3-3）则最后可将电流环结构图小惯性环节近似处理，如下图3-2（c）所示。图3-

37、2（a）电流环的动态结构图及其化简H / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / mH / m图3-2(b)电流环的动态结构图及其化简（vb）x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1x =1图3-2(c)电流环的动态结构图及其化简x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x = 0.8x =

38、0.8x = 0.8x = 0.83.3.2电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图3-2（c）可以看出，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。图3-2（c）表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 （3-4）式中 Ki-电流调节器的比例系数； ti -电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间

39、常数极点对消，选择 （3-5）则电流环的动态结构图便成为图3-3所示的典型形式，其中 （3-6）校正后电流环动态结构如图3-3所示，图3-3校正后电流环动态结构图校正后电流环开环对数幅频特性如图3-4所示。图3-4 校正后电流环开环对数幅频特性3.3.3电流调节器的参数计算其中式（3-4）给出，电流调节器的参数有：Ki和 ti， 其中ti 已选定，见式（3-5），剩下的只有比例系数 Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量si5%，由附录表3-2，可选x =0.707，KI Ti=0.5，则 （3-7）再利用式（3-4）和式（3-5）得到 （3-8）3.3.4电流调节

40、器的实现模拟式电流调节器电路如图3-5所示。U*i 为电流给定电压；bId 为电流负反馈电压；Ue 电力电子变换器的控制电压。图3-5 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 电流调节器电路参数的计算公式 （3-9） （3-10） （3-11）3.3.5设计举例双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132V.min/r，允许过载倍数=1.5；1)晶闸管装置放大系数Ks=40；2)电枢回路总电阻R=0.5；3)时间常数：电磁时间常数Tl=0.03s；4)机电时间常数Tm=0.18s；5)调节器输入电阻R0=

41、40k；6）电流反馈系数:=0.05V/A 。设计指标：1)静态指标：无静差；2)动态指标：电流超调量。（1）确定时间常数1)整流装置滞后时间常数Ts。按附录中表3-1，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。2)电流滤波时间常数:Toi=0.002s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理。s(Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构根据设计要求：%5% 。可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯

42、性型的，所以把电流调节器设计成PI型的.其传递函数见式（3-3）检查对电源电压的抗扰性能: （3-12）参看附录表3-3的典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系，各项指标都可接受。（3）选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；电流环开环时间增益:要求，参考附录表3-2，应取KI=0.5，有 (3-13)ACR的比例系数:= (3-14)（4）校验近似条件电流环截止频率:ci =KI=135.1s-11）晶闸管装置传递函数近似条件： (3-15)即 (3-16)满足近似条件；2)忽略反电动势对电流环影响的条件： (3-17) 即 (3-18)满足近似条件；3)小时间常数近似处理条件：， (3-

43、19) 即 (3-20) 电流环可以达到的动态指标为：（参考附录表3-2），也满足设计要求。3.4转速调节器设计3.4.1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图3-3可知 (3-21)若上式忽略高次项，上式可降阶近似为 (3-22) 近似条件 (3-23) 式中wcn 转速环开环频率特性的截止频率。 将转速环接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 (3-24)这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 3.4.2转速调节器结构的选择

44、转速环的动态结构用电流环的等效环节代替图3-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图3-6所示。图3-6 转速环的动态结构图及其简化和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n（s）/，再把时间常数为1/KI 和Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 (3-25) 转速环可简化为如图3-7所示。图3-7转速环等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（见图 3-7），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函

45、数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 (3-26)式中 Kn 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。 调速系统的开环传递函数这样，调速系统的开环传递函数为 (3-27)令转速环开环增益为 (3-28)则 (3-29)做以上校正后的典型 II 型系统结构如图3-8所示图3-8校正后成为典型 II 型系统3.4.3转速调节器参数的计算转速调节器的参数包括Kn 和 tn。按照典型型系统的参数关系。 (3-30) (3-31) (3-32)参数选择 至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择h=5（见附录表3-4）。3.4.4转速调节器的实现模拟式转速调节器电路如图3-9所示U*n 转速给定电压； n 转速负反馈电压；U*i 电流调节器的给定电压。图3-9含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器图中 (3-33) (3-34) (3-35)3.4.5设计举例双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥