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双闭环直流调速系统特性与原理
摘要
欧阳光明（2021.03.07）
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。
该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。
该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。
自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。
在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。
传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。
双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。
但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。
在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。
主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。
双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。
但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。
在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
全数字直流调速装置与早先的模拟直流调速装置相比较，全数字直流调速
装置具有不可比拟的优越性，最显著的特点是：
工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、系统还具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，这样就给用户的使用、维护提供了极大的方便。
而且随着技术发展及大批量生产，全数字直流调速装置的价格已经大幅度下降，与模拟直流调速装置相比较已相差无几，所以在短短的几年内全数字直流调速装置几乎取代了模拟直流调速装置。
目前，在直流调速方面IGBT一电动机调速系统已发展得很成熟，但脉冲宽度调制（PWM）直流调速系统与之相比有着许多无可比拟的优点，因而具有相当广阔的发展前景。
第一章：
双闭环直流调速系统特性与原理………………………………1
1.1双闭环直流调速系统的组成与原理…………………………………………1
1.2双闭环直流调速系统的静特析………………………………………………1
1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图…………………………………………3
第二章：
双闭环直流调速系统的数学模型………………………………4
2.1双闭环直流调速系统的数学模型………………………………………………4
2.2调节器的具体设计………………………………………………………………4
2.3速度环的设计……………………………………………………………………6
2.4双闭环直流调速系统仿真………………………………………………………8
第三章：
直流闭环PI调速控制系统的设计与仿真……………………9
3.1认识闭环系统控制系统………………………………………………………9
3.2直流电机闭环PI调速控制系统的建模与仿真……………………………14
3.3带转速、电流负反馈的双闭环直流调速装置调试步骤…………………21
附录………………………………………………………………………………22
参考献……………………………………………………………………………23
第一章：
双闭环直流调速系统特性与原理
1.1双闭环直流调速系统的组成与原理
图1.1.1双闭环直流调速系统的原理图
电动机在启动阶段,电动机的实际转速（电压）低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。
电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。
在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。
对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。
另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。
1.2双闭环直流调速系统的静特性分析
分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：
饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。
当调节器饱和时，输出为恒
1
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的联系，相当于使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。
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。
（1）转速调节器不饱和
这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，
（2-1）
（2-2）
由第一个关系式可得：
（2-3）
从而得到图2.2所示静特性曲线的CA段。
与此同时，由于ASR不饱和，
可知
，这就是说，CA段特性从理想空载状态的
=0一直延续到
。
一般都是大于额定电流Idn的。
这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。
（2）转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。
双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
稳态时：
（2-4）
其中，最大电流
取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。
这样是下垂特性只适合于
的情况，因为如果
则
ASR将退出饱和状态。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm*时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输
2
出Uim*,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。
然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2.2中虚线。
图1.2.1双闭环直流调速系统的静特性
1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图
首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2-6所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。
一般存在两种状况：
饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。
当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压
在稳态时总是为零。
图1.3.1双闭环直流调速系统的稳态结构框图
3
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。
第二章：
双闭环直流调速系统的数学模型
2.1双闭环直流调速系统的数学模型
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。
双闭环直流调速系统的动态结构电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。
绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：
图2.1.1双闭环直流调速系统的动态结构框图
2.2调节器的具体设计
本设计为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：
1）晶闸管装置放大系数Ks=30;
2）电枢回路总电阻R=0.18Ω;
3）时间常数：
电磁时间常数T1=0.012s;
4）机电时间常数Tm=0.12s;
5）调节器输入电阻R0=20Ω;
设计指标：
4
1）静态指标：
无静差；
2）动态指标：
电流超调量
；空载起动到额定转速时的转速超调量
。
计算反馈关键参数：
（3-1）
（3-2）
（1）确定时间常数
整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s。
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）。
按小时间常数近似处理。
（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%，且
可按典型Ⅰ型设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的.
检查对电源电压的抗扰性能:
（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:
（3-3）
ACR的比例系数:
5
（3-4）
（4）校验近似条件
电流环截止频率:
=Ki=135.1S-1
1）晶闸管装置传递函数近似条件：
（3-5）
即
（3-6）
满足近似条件；
2）忽略反电动势对电流环影响的条件：
（3-7）
即
（3-8）
满足近似条件；
3）小时间常数近似处理条件：
，（3-9）
即
=
（3-10）
电流环可以达到的动态指标为：
，也满足设计要求。
2.3速度环的设计
1）确定时间常数
6
（1）电流环等效时间常数
（3-11）
（2）转速滤波时间常数Ton=0.014s
（3）转速环小时间常数近似处理
（3-12）2）选择转速调节器结构
按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。
典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。
3）选择调节器的参数
（3-13）
转速开环增益：
（3-14）
ASR的比例系数：
（3-15）
（4）近似校验
转速截止频率为：
（3-16）
电流环传递函数简化条件：
（3-17）
（5）检验转速超调量
当h=5时，
不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量:
7
，满足设计要求。
2.4双闭环直流调速系统仿真
双闭环直流调速系统的电流环仿真图如图2.5所示：
图2.4.1双闭环调速系统的电流环仿真图
仿真结果如下：
图2.4.2转速电流曲线
图蓝线为电机转速曲线，绿线为电机电流曲线。
加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。
进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。
8
第三章：
直流闭环调速控制系统的设计与仿真
3.1认识闭环系统控制系统
2.1.1、闭环直流调速控制系统介绍。
闭环控制系统是既有参考输入控制输出量的顺向控制作用，又有输出量引回到输入端的反向控制作用，形成一个闭环控制形式。
通常理想起动过程波形如图2-3-1所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。
这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。
现在的问题时，我们希望能实现控制：
·起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；
·稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。
怎么样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使他们只能分别在不同的阶段里起作用呢？
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套（或称串级）连接如图2-3-2所示。
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
9
图3.1.1转速、电流双闭环直流调速系统结构
图中，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去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。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2-3-3所示。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图3.1.2双闭环直流调速系统电路原理图
2.1.2、基于数学模型的闭环直流调速系统仿真
（1）双闭环直流调速控制系统数学模型。
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态皆空图，如图2-3-4所示。
、
图3.1.3双闭环直流调速系统的动态结构图
10
双闭环调速系统的实际动态结构图包括电流滤波、转速滤波和两个给
定信号的滤波环节。
其中
●TOi---电流反馈滤波时间常数
●TOn---转速反馈滤波时间常数
图中ASR和ACR分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
如果采用PI调节器，则有
例：
用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的双闭环直流调速系统如图所示，主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M系统。
已经数据如下：
●电动机：
额定数据为10KW,220V,55A,1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω；
●晶闸管触发整流装置：
三相桥式可控整流电路，电压放大系数Ks=23
●V-M系统电枢回路总电阻：
Rd=1.0Ω;
●测速发电机：
永磁式，额定数据为23.1W,110V,0.21A,1900r/min;
●直流稳压电源：
±15V。
若生产机械要求调速范围D=10,静差率5%，试计算调速系统的稳态参数（暂时不考虑电动机的起动问题）。
解：
?
为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态降速应为
‚系统参数计算
电动机的电动势系数:
转矩常数：
11
电磁时间常数：
机电时间常数：
晶闸管整流装置滞后时间常数：
预置参数包括如下内容。
选取转速输出限幅值：
Um=10V,通过计算得到
晶闸管装置放大系数：
启动电流：
Idm=1.5Ie=1.5×55=82.5A
选取转速调节器输出限幅值：
Um=10V,可以得到
电流反馈系数：
选取电流反馈滤波时间常数：
Td=0.002
选取转速最大给定值：
Unm=10V
可以得到转速反馈系数;
再取转速反馈滤波时间常数：
Ton=0.01s
（2）闭环直流调速系统仿真实现
根据系统的闭环系统动态结构图及其参考数值，在MATLAB的Simulink环境下可以轻松的建立系统的仿真结构如图2-3-5所示，在IdL=0时电动机的转速输出动态曲线，如图3.1.4所示。
12
如图3.1.5闭环系统动态结构图及参数值
IdL=0时电动机的电流、转速输出动态曲线
通过改变给定信号的大小，来实现对电机输出转速的控制与调节的目的。
在仿真系统中的实现过程就是该百年系统给定的阶跃信号的大小。
在上面的仿真系统在2s时刻引入一个干扰幅度为IdL=50快读为1s的干扰信号，实现对电动机的干扰。
可以看出在干扰期间电动机的转速略有波动，干扰消失后电动机的转速迅速回到原状态。
通过改变给定信号的大小，来实现对电机输出转速的控制与调节的目的。
在仿真系统中的是实现过程就是改变系统给定的阶跃信号的大小。
在上面的仿真系统在2s时刻引入一个干扰幅度为IdL=50宽度为1s的干扰信号，实现对电动机的干扰。
可以看出在干扰期间电动机的转速略有波动，干扰消失后电动机的转速迅速回到原状态。
13
图3.1.6干扰状态下电动机的转速输出动态曲线
3.2直流电机双臂换系统的建模与仿真
将各个功能单元依据电气原理图，进行相应的电气连接，最后得到双闭环直流电动机控制系统的方针模型。
如图2-3-5所示。
图3.2.1双闭环直流电动机控制系统的仿真模型
2.2.1仿真建模与模型参数设置
1三相电源的建模和参数设置：
peakamplitude：
220V；frequence：
50Hz；phaseA相0deg、B相-120deg、C相-240deg
14
图3.2.2直流电机建模参数设置
2晶闸管桥的建模和参数设置：
桥臂数3
3平波电抗器的建模和参数设置：
Inducetance5e-3H
4直流电机建模和参数设置（见图2-3-6）
5控制电路建模和参数设置
包括同步脉冲触发器的建模和参数设置、给定与测量
Frequenceofsynchronisationvoltages：
50Hz；给定alta=90，为常量。
在电机的测量端口取w（转速），Ia（电枢电流），If（励磁电流），Te（电磁转矩），用多路复用分离各测取量，在示波器上用不同的坐标显示。
6PI调节器参数设置
电流环PI调节器参数设置见图2-3-7所示
15
图3.2.3电流环PI调节器参数设置
电压环PI调节器参数设置见图2-3-8所示
图3.2.4电压环PI调节器参数设置
2.2.2、其他参数设置：
触发角90deg，参考给定速度Referencespeed：
steptime2s，initialvalue100rad/s，finalvalue200rad/s，阶跃负载steptime：
4s，初始负载给定10n.m，最终给定负载100n.m（经仿真后知：
负载为100n.m偏大）
所有参数设置完毕，startsimulink对直流电动机双闭环调速系统进行仿真，仿真结果见图2-3-9所示
16
图3.2.5仿真结果
17
3.2.5对仿真结果的分析
如图所示，在0-2秒的时间内，分三个阶段；电流上升阶段（0-0.1秒左右），恒流升速阶段（0.1-0.4秒左右），转速调整阶段（0.4-0.7秒左右）。
2秒时给定速度有100变成200rad/s，2-3秒的时间内，电动机转速上升，电枢电流基本不变，当转速达到给定值时，电枢电流有大幅的下降，3-4秒时间内转速基本恒定，电枢电流有一振荡的环节。
第4秒时，负载给定变化，由10N*m变为100N*m.这时由于系统中由有速度与电流调节器（PI调节器）的作用，使得电动机的转速基本没有变化，电枢电流由小幅的振荡上升过程最后达到稳定。
整个环节励磁电流没有变化。
电磁转矩的变化与电枢电流的变化一致，原因是；励磁带电流If与直流电机的励磁瓷厂大小Φ有关，由公式Te=CtΦIa知，Ct、Φ不变，Te与Ia成正比关系。
改变其中某些参数后仿真结果的变化
触发角alfa=30时仿真结果见图3.2.6所示。
18
图3.2.7触发角alfa=30时仿真结果
19
图3.2.8负载在4秒后增大到300n.m的仿真结果
负载在4秒后增大到300n.m时，仿真结果见图所示。
可以看出4秒之后由于负载过大，调速系统不能是速度维持恒定，已经不能满足要求。
这也与电机本身的额定数据有关。
可以看出，电枢电流基本没有小幅振荡，只是在速度给定（第2秒）和恒流升速阶段开始的时候有很大的电流波动，这会对电动机有较大的电流冲击，使电动机容易损坏。
3.2.8仿真结果分析
从两种方法对转速电流双闭环系统进行了建模与仿真，分析系统输出，得到如下结论。
（1）利用转速调节器的饱和特性，使系统保持恒定最大允许电流。
在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。
（2）由于构成了无静差系统，在负载变化和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。
（3）转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化和电网电压波
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动等扰动影响，特别是电网电压扰动点在电流环内。
多数情况可以在电流环内就克服，而不会造成电机转速的波动。
基于数学模型的双闭环系统与基于电气原理图的双闭环系统两种仿真方法得到相近的结果，同时说明仿真结果的正确性。
不同之处
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