直流电机转速电流双闭环调速系统设计 (2).docx

学士学位论文直流电机转速电流双闭环调速系统设计姓 名 胡旭旺 学 号1714216213 院 系 机械与电气工程学院专 业 电气工程及其自动化指导教师 孟德越 年 月 日学位论文原创性声明本人所提交的学位论文 ，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者（签名）： 指导教师确认（签名）：年 月 日 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解沧州师范学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沧州师范学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在_年解密后适用本授权书。论文作者（签名）： 指导教师（签名）：年 月 日 年 月 日摘 要本文是一个关于采用直流电机、晶闸管控制技术的一个转速电流双闭环调速系统的设计。首先需要对直流电机进行建模，对于其工作原理进行分析。其次对晶闸管触发和整流装置进行分析，进行放大系数和传递函数的计算，并且将其进行数学建模。运用转速电流双闭环调速系统的设计方案，对其起动过程、动态性能指标、静态性能指标进行分析。最后，对系统中的电流调节器和速度调节器进行了设计，并在前面数学模型的基础上建立了模型，并采用PI控制方法，计算相关参数。然后通过运用Matlab进行软件仿真，不断修正参数，最终使输出满足相应的设计要求。关键词：直流电动机；晶闸管；双闭环；Matlab仿真ABSTRACTThis paper is about the design of a speed and current double closed-loop speed control system using DC motor and thyristor control technology. Firstly, it is needed to model the DC motor and analyze its working principle. Secondly, the thyristor triggering and rectifying device is analyzed, the amplification factor and transfer function are calculated, and the mathematical model is established. The starting process, dynamic performance index and static performance index are analyzed by using the design scheme of speed and current double closed-loop speed regulation system. Finally, the current regulator and speed regulator in the system are designed, and the model is established based on the previous mathematical model, and the relevant parameters are calculated by PI control method.Then, through the software simulation with Matlab, the parameters are constantly revised, and finally the output meets the corresponding design requirements.Keywords: DC motor; Thyristor; Double closed loop; Matlab simulation目 录第1章 绪论11.1 研究背景及发展现状11.2 研究内容及论文大致结构1第2章 直流电机的数学建模32.1 直流电机基础知识32.1.1 直流电机的工作原理32.1.2 直流电机的基本结构32.1.3 直流电机的分类4第3章 晶闸管主控电路73.1 V-M系统的工作原理73.2 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数8第4章 双闭环调速系统分析114.1 转速的控制要求及稳态调速性能指标114.2 转速电流双闭环设计144.2.1动态数学模型144.2.2起动过程分析14第5章 转速、电流调节器的设计175.1 电流调节器的设计175.2 转速调节器的设计19第6章 系统仿真22参考文献24致 谢25附 录27IV沧州师范学院学士学位论文第1章 绪论1.1 研究背景及发展现状根据电源的类型，电机可分为直流驱动电机和交流驱动电机。与交流电机相比，直流电机调速特性好，调速平稳，大范围平滑调速方便，过载稳定性高，抗冲击负荷能力强，能实现频繁、有限次的无级快速启动和换向，直流电动机平滑调速系统能很好地满足工业生产过程中各种自动化系统的特殊操作和运行需要。目前，直流电机调速系统已广泛应用于我国工业造纸机、火车等对可控电传动技术和性能要求较高的行业，并已成为电机调速系统的主要形式。变压器调速系统是直流调速系统的主要调速技术。电压可控的直流电源为直流电机供电，通过改变直流电枢的电压来控制电机转速，构成了速度开环直流调速系统。直流调速系统具有静态误差小、调速范围宽、稳定性好、动态性能好等优点，在工业生产中占有十分重要的地位。直流调速系统的设计和应用在理论和技术上都比较成熟，因此直流调速系统在生产和使用中也起着重要的作用。目前，电力拖动自动控制系统的大部分领域都采用直流调速系统，而这些领域的调速系统需要高性能的调速系统。开环调速系统可以在一定范围内实现无级调速，但许多需要调速的生产设备往往对静态误差率有要求。为了解决这一问题，需要一种具有反馈控制的闭环速度控制系统。然而，如果对系统的动态性能要求很高，那么单闭环系统就不能满足需要。速度电流双闭环直流调速系统采用PI调节器，实现无静态误差；磁滞校正可以保证稳态精度；虽然它们通过限制和限制它们的速度来实现稳定，但它们的电路相对简单。因此，双闭环直流调速器是一种性能优良、应用广泛的直流调速器。目前采用的高速低功耗双闭环调速系统，能够满足电机的动态性能要求，实现快速启动和制动。因此，本文对直流电机双闭环调速系统进行了研究，以期对直流电机双闭环调速系统有更深入的了解。1.2 研究内容及论文大致结构本文主要目的是对双向单闭环直流电动调速系统的基本设计模型进行了系统研究和数学设计，在深入地研究分析直流电力发动机的基本工作传动原理基础上，对直流电力发动机设计进行了系统数学设计建模，并在设计matlab/simulink中初步提出了双向单闭环直流电动调速系统的设计模型，通过仿真说明了双闭环调速的优越性。论文大致结构第一章：第一部分是对直流调速系统的发展及其现状进行介绍，第二部分介绍的是闭环控制的优点，第三部分通过转速电流双闭环与单闭环调速的比较，确定选取双闭环调速方式。第二章：通过实例分析直流传动电机的基本工作传动原理,了解直流传动电机的基本传动结构,进而针对直流电机的动机结构进行相关数学的构建模第三章：介绍晶闸管整流-直流电机调速系统的工作原理及分析晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数进而构建数学模型第四章：通过分析静态性能指标和动态性能指标，在其基础上研究双闭环如何设计，分析起动过程 第五章：关于转速和电流两个调节器的设计。采用工程方法来设计。根据图表的参考数据和本论文的设计要求，通过等效化简，得初传递函数，构建数学模型。第六章：应用Matlab/SIMULINK仿真软件对上述设计所得到的参数进行仿真，通过其结果来分析并调整工程设计的参数，并且检验静态性能指标和动态性能指标是否符合设计要求。16第2章 直流电机的数学建模2.1 直流电机基础知识2.1.1 直流电机的工作原理直流传动电机就是通过利用磁场和电力耦合的相互作用方式来直接实现直流机械传动功率的电能与直流动机电能之间的相互作用变化进行转换而所形成的旋钮回转型传动机械设备。图2.1是最简单的直流电机模型。在一对固定磁极S和N之间安装一个可绕Z-Z'轴旋转的圆柱形铁芯，其上安装一个矩形线圈abcd。这种旋转部件通常称为电枢。A和B是两个固定碳刷，与换向器滑动接触。直流电源的电流通过电刷和换向器流向电枢线圈图2.1 直流电动机模型2.1.2 直流电机的基本结构直流电机的基本结构图如图2.2所示：图2.2 直流电机的基本结构直流电动机的主要结构部分为定子和转子。定子部件是一种使电动机保持稳定而永远不动的零部件，其主要功能就是使电动机产生一个恒定的空气隙磁通、改变换向、完成直流和交流之间的互换等,而且还能够起到支持和固定的作用。转子部分是能够做旋转运动的部分，转子作为机械运动部件，在电磁感应原理作用下，产生旋转转矩，输出机械能。2.1.3 直流电机的分类直流电动机绕组一般按励磁方式分类，主要是指励磁绕组的一种供电形式。根据供电系统工作方式的不同，直流驱动电动机分为独立励磁和自动驱动两部分，自励直流电动机可分为并联励磁、串联励磁和复合励磁。不同励磁方式的直流电机原理图如图2.3所示（a） 他励直流电动机 （b）并励直流电动机 （c）串励直流电动机（d）复励直流电动机图2.3 不同励磁方式的直流电机示意图2.1 直流电机的数学建模本文所设计的双闭环直流调速系统以他励直流电动机作为研究对象，主要对他励直流电动机进行数学建模的研究。他励直流电机在通电时的等效电路图如图2.4所示：图2.4 他励直流电机等效电路图图中，为电动机的电源电压；R电动机的电枢电阻； L为电枢绕组电感量；E为感应电动势；为电枢电流。根据图2.4得到电动机电枢回路的微分方程为 （2-1）忽略电动机弹性转矩，直流电动机轴上的动力学方程为 （2-2） （2-3） （2-4） （2-5）为感应电动势，为电磁转矩，直流电机结构决定的电动势常数，直流电机结构所决定的转矩常数。为负载转矩，为飞轮惯量，为转矩系数。电动机的电磁时间常数 （2-6）电动机的机电时间常数 （2-7）将式（2-6）、（2-7）代入式（2-1）、（2-2）并考虑式（2-3）（2-4），整理后得 （2-8） （2-9）其中为负载电流，在零初始条件下，对式（2-8）（2-9）进行拉氏变换，得到电压和电流间的传递函数 （2-10）电流和电动势间的传递函数 （2-11）式（2-10）于式（2-11）的动态结构框图分别为图2.5（a）（b），将两图合并，且得出，就能得到额定励磁下的直流电动机的动态结构图，如图2.5（c）所示。图2.5 额定励磁下的直流电动机的动态结构图从图2.5（c）可以看出，直流电机有两个输入，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。可以看出，直流电机的两个输入是控制输入和扰动输入。这样可以直接得到三相直流电机驱动单元的动态系统数学方程模型和传递函数。图2.5 直流电动机的动态结构图的等效变换第3章 晶闸管主控电路3.1 V-M系统的工作原理如今，使用晶闸管直流供电进行整流的微型直流电机发动机电压调速控制系统(以下中文简称v-m调速系统)正在逐渐逐步发展出并成为直流电动调速系统的主要应用类型。其中GT操作是晶闸管的实时可控自动整流器,通过手动调整每个触发控制装置脉冲的每个控制整流电压值，利用Uc自动移动到每个触发装置脉冲的指定相位，从而实时自动改变每个整流脉冲输出的控制电压值和平均值，使用户可以方便地实现整流电机的平滑自动调速。与旋转变流器和离子驱动变流器相比，晶闸管整流器不仅在经济性和可靠性上有了很大的提高，而且在性能上也有了很大的提高，而且从其技术性能上也表明了它具有极大的优势和卓越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数一般在104以上,控制器的功率小，有利于将传统微电子控制技术从这种传统的智能弱电控制领域被充分引入；在弱电控制中发挥作用的迅捷和操作快速性也可以得到很大的程度提高，便于和有效改善弱电系统中的动态控制性质3。如果在图3.1的一个V-M脉动系统中，改变了输出控制脉冲电压Uc，即可通过电流改变脉动触发控制设备中的gt进入输出控制脉冲的脉动频率和脉冲相位，进而更加方便地通过脉动改变了一个可控整流器中的vt进入输出瞬时电压ud的脉动波形，以及vt输出瞬时平均电压大于ud的脉动波形。在我们需要进行设计分析一个v-m整流系统的一个主整流电路时，如果把一个整流负载设备的内部电阻Rrec等放在整流装置外，看作它本身就是其他的整流负载稳压电路中主要负载电阻的组成部分,那么这个需要整流的负载电压便应该可以通过其理想的整流空载电压瞬时值ud0和其平均值Uw来对其进行正确表示。此时,可直接得到瞬时整流电压平衡的基本方程式及其定义的值为图3.1 晶闸管整流器-直流电动机调速系统原理图 （3-1）上式E为电机反电势（V），id为电机电流瞬时值（A），L为主回路总电感（H），R为主回路总电阻（），Rrec整流器内阻（），Ra为电机电枢电阻（），RL为平滑电抗器电阻（）。以整流电压波形的自然换相点到下一个自然换相点为一个周期，在一个周期内积分ud0和id，然后取平均值得到理想空载整流电压Ud0的平均值和电机电流Id的平均值，稳态电流的平均值由负载决定。晶闸管整流器的特点是利用触发脉冲的相位角来控制整流器电压的平均值Ud0。Ud0与触发脉冲相位角的关系随整流电路形式的不同而变化。对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，可表示为： （3-2）为了从自然换相点计算脉冲控制角，Um是整流电压的峰值，m是一个交流周期内的电压纹波数。当电流波形连续时，不同整流电路的平均整流电压如表所示表3.1 不同整流电路各值整流电路单项全波三相半波三相桥式（全波）m234注：U2为变压器二次侧额定相电压有效值平波电抗器在V-M系统中起着非常重要的作用。主要保证直流电机驱动系统在电枢电流连续的条件下工作。如果电枢电流是间歇性的，直流电机的机械特性将变为非线性。在设计平波电抗器时，通常需要考虑在低速轻载条件下电流是否连续。首先根据低速轻载时电枢电流的最小电流，计算出所需的总电感，再减去电枢电感得到平滑电抗器的电感L。对于三相桥式整流电路，总电感为： （3-3）对于三相半波整流电路为 （3-4）对于单项桥式全控整流电路为 （3-5）（）3.2 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数在调速系统的分析与设计中，晶闸管触发装置一般被视为系统中的一个环节。应用闭环线性控制理论建立直流电机调速系统的数学模型时，必须建立晶闸管触发装置的传递函数，即其数学模型。由于实际晶闸管触发装置和整流装置的非线性，如图3.2所示。在一定的工作范围内，可以认为晶闸管触发器和整流器的输入输出特性是线性的。图3.2 晶闸管触发与整流装置输入和输出特性及Ks测定从图3.2取输入和输出特性曲线的线性段，整个晶闸管触发和整流装置就可以利用放大系数来描述其工作特性，如公式（3-6）所示。 （3-6）式（3-6）是晶闸管触发器和整流器在稳态下的数学模型。然而，在动态过程中，晶闸管的磁滞特性主要是由晶闸管触发器和整流器的飞逸时间引起的。也就是说，当晶闸管动作触发脉冲时，晶闸管导通后，当控制电压变化时，晶闸管关断，但晶闸管是半控器件，此时，控制电压对其关断没有影响。直到下一个移位触发脉冲到来，晶闸管整流器的输出整流器电压才会发生变化，从而导致整流器的输出整流器电压滞后于控制电压。由于Uc的变化具有不确定性，我们知道失控时间是随机的，控制电压变化的时间是相关的。通过统计观察，最大失控时间存在于相邻两个换相点之间，与输入交流电源频率和整流装置的电路类型有关。最大失控时间由公式（3-7）确定。 （3-7）式中：f为交流电频率；m为一个周内的整流电压的脉波数。一般情况下，失控时间取最大失控时间的一半，可以认为是常数。其值如表3.2。表3.2 晶闸管整流器的失控时间整流电路类型最大失控时间Tsmax/ms平均失控时间Ts/ms单相半波2010单相桥式105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67用单位阶跃函数1（t）表示滞后，晶闸管触发整流装置的输入输出特性如式（3-8）所示。 （3-8）取式（3-8）两边拉普拉斯变换的位移定理，晶闸管触发器和整流器的传递函数如下： （3-9）为了简化计算，首先对指数函数进行泰勒级数展开，然后考虑到Ts很小，可以忽略平方项和高阶项，将传递函数近似为一阶惯性环节。 （3-10）上式的动态结构框图分别如图3.3中 （a）、（b）所示：图（a） 准确的时滞环节图（b） 近似的一阶惯性环节图3.3 晶闸管触发与整流装置动态结构框图第4章 双闭环调速系统分析4.1 调速要求及稳态调速性能指标根据各种典型生产机械对调速系统的要求，可归纳为静态调速指标和动态调速指标。静态调速指标要求电气传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调速，在不同转速下工作时转速稳定；动态调速指标要求系统启动和制动快速平稳，具有良好的抗干扰能力。抗干扰是指系统在一定速度下稳定运行时，尽可能不受负荷变化和电源电压波动的影响46。1）静态性能指标（1）调速范围当生产机械要求电动机在额定负载下运行时，最大运行速度与最小运行速度之比称为调速范围，用符号D表示，即 （4-1）（2）静差率当电机驱动系统以一定转速运行时，理想空载转速之比从理想空载转速下降到额定负载与理想空载转速，称为静态率s，即 （4-2）用百分数可表示为 （4-3）由此可见，静态率能反映负载变化时驱动系统的调速稳定性。它与机械性能的硬度有关。机械性能越硬，静态误差越小，速度稳定性越高。但静态误差和特征硬度不同。变电压调速系统在不同转速下的机械特性是平行的。对于相同硬度的机械特性，理想空载转速越低，静态误差率越大，转速的相对稳定性越差。可以看出，调速范围与静态误码率之间的关系不是相互独立的，只有当两者同时提出时才有意义。如果调速的额定转速降相同，运行越慢，静态误差率越大。在低速情况下，如果静态误差率能满足设计要求，则静态误差率能满足高速时的要求。因此，在速度控制系统中，静态误差率的基准是在最低速度下所能达到的参数。（3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系在直流电动机的变压调速系统中，一般规定最高转速为电动机的额定转速。如果额定负载下的转速降落，则根据上述分析结果，最低转速下的静态误差率为系统的静态误差率，即最低转速为 于是，最低转速为 而调速范围为 将上面的式代入，得 （4-4）式（4-4）给出了变压调速系统的调速范围、静态误差率和额定转速降之间的关系。对于特定的调速系统，该值是固定的。如果对静态误差率要求更严格，即s值越小，则允许系统的调速宽度D越小。2）动态过程的性能指标（1）系统跟随性指标在参考输入信号R(t)的作用下，下列性能指标可以用来描述系统输出C(t)的变化。当给定的信号表示不同时，输出响应也不同。通常，输出的初始值为零，给定的信号作为阶跃变换过渡过程中的典型跟踪过程。动态响应也称为阶跃响应。一般认为，阶跃响应中输出C(t)与其稳态值之间的偏差越小，达到它的时间就越好。常用的阶跃响应性能指标有上升时间、超调量和调整时间 上升时间在典型的阶跃响应跟随过程中，输出首先从零上升到稳态值的时间称为阶跃响应的上升时间，这表明动态响应的快速性，如图2-4所示。图4.1 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 超调量在典型的阶跃响应跟踪系统中，超调量输出超过稳态值的最大偏差与稳态值的比值用百分比表示 （4-5） 调节时间通过调节时间可以测量系统整个调节过程的速度。原则上应该是从阶跃变化开始到输出完全稳定为止的时间。在线性控制系统中，理论上是真正稳定的，但在实际系统中，由于各种非线性因素的存在，过渡过程会在某一时刻结束。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取（或取）范围为允许误差带，将响应曲线达到且不再超过误差带所需的最短时间定义为调整时间，如图2-4所示。（2）抗扰动能力性能指标当控制系统稳定运行时，将负荷阶跃突变后的动态响应过程视为典型的抗干扰过程，定义了抗干扰能力的动态性能指标，如图2-5所示。常用的抗干扰性能指标是动态着陆时间和恢复时间 动态降落当系统在稳定条件下运行时，由于某一扰动值（如负载扰动）的突然增加而引起的转速下降的最大值称为动态降落，通常用与输出的原始稳态值的比值的百分比来表示（或用某基准值的百分数来表示）。动态着陆后，输出值逐渐恢复并达到一个新的稳态值，即系统在扰动作用下的稳态误差。通常，动态着陆误差大于稳态着陆误差。当额定负载扰动突然作用于调速系统时，转速的动态降落叫做动态降落。恢复时间恢复时间是指从阶跃扰动开始到输出量基本恢复到稳态所需的时间，新的稳态值之差进入某一参考量的(或取)范围所需的时间为恢复时间，其中被称为抗扰度指数中输出量的参考值。在实际系统中，对各种动态指标的要求是不同的，应根据生产机械的具体要求来确定。一般来说，调速系统的动态指标主要是抗干扰。图4.2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标4.2 转速电流双闭环设计双闭环直流调速系统中有两个速度和电流调节器，分别调节速度和电流，并引入速度和电流负反馈。嵌套（或级联）连接用于这两种连接，如图4.3所示。利用转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出对电力电子变换器UPE进行控制。在系统结构上，电流环在内部，称为内环；速度环在外，称为外圈。从而构成了速度电流双闭环直流调速系统。调速系统的ASR和ACR两个调节器一般采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置，不仅可以保证系统的稳态精度，而且可以提高系统的稳定性；作为一个控制器，它可以满足快速响应和静态误差消除的要求。一般的调速系统要求稳定性和精度，PI调节器可以保证系统获得良好的静态和动态性能。图4.3 转速、电流双闭环直流调速系统结构原理图4.2.1动态数学模型 图4.4 双闭环直流调速系统的动态数学模型4.2.2起动过程分析通过闭环控制，期望起动过程中转速和电流波形接近理想转速和电流波形。在实际的闭环控制过程中，调速器在起动过程中一般有饱和和不饱和两种状态，因此直流电机调速系统在起动过程中可分为三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。启动过程波形如图4.5所示。如图4.5所示，直流电机调速系统的整个启动过程分为三个阶段图4.5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形1、电流上升阶段 当突然施加给定电压时，由于直流电机的机械惯性，直流电机的速度为零。在给定电压与速度反馈之间的差值被确定后，速度调节器将立即饱和，输出限幅值。电流调节器通过PI调节器实现电枢电流的无静差跟踪，当电枢电流大于负载电流时，晶闸管装置的控制电压使电机起动。在这一阶段，两个调节器对应的状态是速度调节器饱和，电流调节器一般不饱和，以保证电枢电流的调节。2、恒流升速阶段 当调速器输出限幅时，电流上升到最大值，电磁转矩为最大值。这是恒流升速阶段。直流电动机起动过程的主要阶段是转速线性增加，直至达到给定的转速值。在这个阶段，速度调节器总是饱和的，其输出限幅值，此时意味着速度环相当于开环状态。3、转速调节阶段当电动机的转速等于调节系统的给定转速时，转速调节器的给定速度与反馈电压平衡。由于转度调节器采用PI调节器，由于积分电容的影响，转度调节器的输出仍处于限幅。因此，直流电机在最大电流的作用下仍会加速，因此直流电机的转速必然会出现超调，在转速输出反馈后，与给定电压相比会出现负偏差，使调速装置去饱和，速度调节器的输出从限幅值开始减下来。此时，电枢电流开始减小。因为电枢电流仍然大于负载电流，即电磁转矩仍然大于负载转矩，所以直流电机仍然加速，直到电枢电流等于负载电流。此时，负载转矩和电磁转矩保持相等，此时转速的导数为零，转速达到最大值。达到峰值后，电机在负载转矩的作用下开始减速，直至与负载转矩相等，转速最终稳定。通过以上的分析，直流电动机双闭环控制系统具有如下三个特点： （1）饱和非线性控制：由于调速器经历了饱和状态和非饱和状态，当调速器处于饱和状态时，速度环处于开环状态，使整个闭环控制系统成为一个只有电流调节器的单闭环速度控制系统。当转速调节器处于非饱和状态时，转速可以达到无静态误差的稳态，电流内环是电流跟踪子系统。在不同的工况下，系统表现出不同的结构特点，这是双闭环控制系统饱和非线性控制的主要特点之一。（2）准时间最优控制：在恒流升速阶段，由于调速器饱和，输出最大限幅，保证直流电机以最大加速度运行，速度线性增长，使系统在最短时间内启动更快，达到给定的速度值。在这一阶段，由于时间最短，所以称之为准时间最优控制。（3）转速超调：由于转速调节器达到最大极限，为了实现转速调节器的去饱和，必须发生超调。此时，输入速度调节器的偏差电压小于零。第5章 转速、电流调节器的设计采用工程方法设计了两个调速电流双闭环调速系统的调节器。根据设计多回路控制系统的一般原则，从内环开始，系统逐渐向外扩展。在双闭环系统中，首先要设计电流调节器，然后将整个电流环作为转速调速系统中的一个环节，再进行转速调节器的设计。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图5.1所示。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不影响调节器的输入，需要进行低通滤波。这种滤波器的传递函数可用一阶惯性环节表示，滤波器时间常数Tio可根据需要选择，以滤波器电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波器还延迟反馈信号。为了平衡延迟，在给定的信号通道中加入一个具有相同时间常数的惯性环节，称为给定的滤波环节。其意义在于，给定信号和反馈信号经过相同的延迟，从而可以在时间上进行适当的匹配，这给设计带来了方便712。图5.1 双闭环调速系统动态结构框图5.1 电流调节器的设计参数设定：直流电动机：, ，允许过载倍数；时间常数, ；晶闸管装置放大倍数：;电枢回路总电阻：；电流反馈系数：；转速反馈系数：取。整流装置的滞后时间常数。整流装置参考的是三相桥式全控整流电路其平均失控时间。电流滤波时间常数。取。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的，因此应可用PI型的电流调节器，其传递函数即为： （5-1）检查对电源电压的抗扰性能： （5-2）参考表5.1符合要求计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.03s。电流超调量，参考表5.2应取，因此 （5-3）于是，ACR的比例系数为 （5-4） 电流内环的结构如下：图5.2 电流调节器模型校验近似条件：电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （5-5） 满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件（5-6）满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件（5-7）满足近似条件。电流环开环传递函数为： （5-8）图5.2 校正成典型型系统的电流环5.2 转速调节器的设计确定时间常数电流环等效时间常数。因为已取，则 （5-9）转速滤波时间常数：通过所用测速发电机纹波状态，取。转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 （5-10）选择转速调节器结构采用PI调节器，传递函数为 （5-11）选择转速调节器结构图5.3 转速环动态结构框图按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 （5-12）其中开环增益KN为 （5-13）则 （5-14）计算转速调节器参数根据跟踪和抗干扰性能好的原则，见表5.3、5.4，取h=5，则ASR的超前时间常数为 （5-15）由式 （5-16）可求得转速环开环增益于是，由式 （5-17）可得ASR的比例系数为，转速外环的结构如下：图5.3 转速调节器模型检验近似条件转速环截止频率为 （5-18）电流环传递函数简化条件为 （5-19）满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件为 （5-20）满足近似条件。校核转速超调量当h=5时， 由式 （5-21）可得，满足设计要求。第6章 系统仿真6.1 仿真模型图6.1 直流电机双闭环调速系统指令值选10，简单理解就是反馈系数分子是0.01，所以指令值实际上相当于1000转，最后转速的结果也在1000附近13。(1)模型由三相电源(电网)、同步6脉冲发生器、双闭环控制模块、直流电机、负载转矩、测量模块等构成；(2)直流电机由晶闸管整流桥驱动；固定励磁；(3)转速外环ASR和电流内环ACR均采用PI控制1417图6.2 同步6脉冲发生器内部构造6.2 仿真结果仿真结果与系统实际调试结果有一定差距，两个调节器的参数与理论值也有一定差距。由于仿真实验无法避免设计过程中模型参数的一些测量误差，为了简化计算，在数学建模中忽略了大部分因素。所以在实际生产中,为了得到最合适的结果,需要在理论设计的基础上,通过仿真来不断地对参数进行修改调试,最终确定其最适合的参数,进而才能满足其静态性能指标和动态性能指标1820。总 结直流电机速度电流双闭环调速系统的开发设计主要是了解和掌握直流电机的基本原理、V-M系统的基本工作原理、晶闸管触发整流电路的开发设计过程，通过对双闭环调速系统的原理分析，电流调节器和速度调节器的设计，通过网上检索的方式，查阅了大量有关双闭环调速技术的书籍和资料，对双闭环调速技术进行了评价。该电路的设计不仅得到了更深入的理论研究和帮助，而且进一步掌握了直流发电机转速电流双闭环调速系统的功能和建模。最后，利用MATLAB/Simulink仿真软件对上述方法得到的各种设计参数进行了仿真，得到了仿真结果，并对其效果进行了分析。同时，在导师的指导下，我们对课题进行了分析、整理和研究，首先确立了设计的基本思路，最后在老师的指导和自己的努力下完成了整个设计。在有限的设计条件和我有限的知识下，设计当然还存在一些不足。系统抗干扰能力不理想。电流调节器和速度调节器的PI参数都不完善，需要改进。参考文献1王英哲. 无刷直流电机伺服系统的设计与研究D.青岛大学,2017.2李亭. 直流电机可逆调速系统的仿真研究D.东北石油大学,2017.3刘文宇.基于V-M双闭环直流调速系统设计J.科技广场,2015(03):92-95.4左强,王淼,孟祥俊,李瑞.单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真J.科技风,2019(01):98.5符令蔚,杨天朔,聂靖,干旭浩.带电流负反馈转速闭环直流调速系统设计J.科技风,2019(01):204.6朱贤勇,万晓慧.双闭环直流调速系统优化设计与Matlab验证J.内燃机与配件,2018(20):45-48.7袁丹鹤.双闭环直流调速系统的S