转换开关选“1”档 DSM00 U 0 1 2 3 V W 转换开关 L01 DD02 Un Un 转速 变换 编 码 器 接 口 XST1 a b c o 漏电开关 DD05 DG01 XST2 XST DT04 同 步 信 号 Uk1 +βmin -βmin 偏置 K11 VT11 U1 VT14 A14 DM01 RP1 S1 RP2 S2 Un1 Un2 J1 * * SM Un Un Ui1 Ui2 * Rn Cn DA01 Ui * 锯 齿 波 触 发 器 K13 VT13 V1 VT16 A16 K15 VT15 XS1 XS1 W1 VT12 A12 给定S1开关拨向下方给负 恒功率 恒转矩 + 函数型 模式选择 Un - DD07 负 载 控 制 器 Nm W 负载指示 Uout 制 动 器 接 口 RC开关拨向上方做无静差 RC开关拨向下方做有静差 Ui1+ DC AC Ui1 Ui1- DD06 DD11 DD14 M U1 U2 U1 U2 + + DD10 开关 拨向 U2， 调节 显示 110V 负载给定 模式选择 “恒转矩” 电流 检测 变换 A1 A2 注：各个控制电路以及检测电路的地用细实验导线连起来，但是不能接到主电路的地上 附图 1 带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

转换开关选“1”档 DSM00 U 0 1 2 3 V W 转换开关 L01 DD02 Un Un 转速 变换 编 码 器 接 口 XST1 a b c o 漏电开关 DD05 Ui1 Ctrl1 * XST2 DA03 Ri Ci 错 位 XST DT04 同 步 信 号 Uk1 +βmin -βmin 偏置 K11 VT11 U1 VT14 A14 DM01 SM Un Un Ui1 Ui2 * Rn Cn DA01 Ui * Ui2 Ctrl2 Ui 推β * Uct 锯 齿 波 触 发 器 K13 VT13 V1 VT16 A16 K15 VT15 XS1 XS1 W1 VT12 A12 DG01 RP1 S1 RP2 S2 Un1 Un2 J1 * * 恒功率 恒转矩 + 函数型 模式选择 - DD07 DC AC Ui1+ Ui1 Ui1- S1拨向 上，给 定为正 Un 负 载 控 制 器 Nm W 负载指示 Uout 制 动 器 接 口 DD06 DD11 DD14 M U1 U2 U1 U2 + + DD10 开关 拨向 U2， 调节 显示 110V 电流 检测 变换 A1 A2 负载给定 注：各个控制电路以及检测电路的地用细实验导线连起来，但是不能接到主电路的地上 附图 2 转速、电流双闭环直流调速系统

转换开关选“2”档 DSM00 U 01 2 3 V W 转换开关 L01 U V W DC0 DM02 DC+ DD02 Un Un 转速 变换 编 码 器 接 口 负载 选择 恒转 矩模 式 恒功率 恒转矩 + 函数型 模式选择 Un - DD07 负 载 控 制 器 Nm W 负载指示 Uout 制 动 器 接 口 Uin 漏电开关 DC- DT05 U V W FR DC+ 负载给定 正负给定控制电机正反转 DG01 给定不可直 XS1 A B C RP2 - Uin DC06 Uout 频率显示 RP1 S1 RP2 S2 Un1 Un2 J1 * * 接正反切换 -V Ukv SPWM 控 制 器 XS3 DC- RP1 Ukf J1 J2 DC05 转向 控制 器 FR DC 1 AC Ui1+ Ui1 Ui1- DD06 电流 检测 变换 A1 A1 X1 B1 Y1 C1 Z1 DD15 M 3~ A2 注：各个控制电路挂箱以及监测电路的地用细实验导线连起来，但不能与主电路地相连。

附图 3 恒压频比控制下异步电动机机械特性的研究

转换开关选“3”档 Un KM 直接投入 B DSM00 U 0 1 A1 B1 Y1 C1 Z1 DM03 DD16 A1 B1 C1 2 3 漏电开关 L01 V W X1 来自 DD03 间接投入 Rps ON OFF 转换开关 M 3~ DD02 Un Un XST DT04 同 步 信 号 Uk1 +βmin -βmin 偏置 A2 B2 C2 A2 B2 C2 逆 变 变 压 器 转速 变换 编 码 器 接 口 XST1 a b c o DD05 XST2 锯 齿 波 触 发 器 A VT24 VT21 U2 K DM01 XS1 VT26 V2 VT23 DG01 VT22 XS2 W2 VT25 负载选择恒转矩模式 恒功率 恒转矩 + 函数型 模式选择 Un - RP1 S1 RP2 S2 Un1 Un2 MR1 MR2 MR3 * DD07 负 载 控 制 器 Nm W 负载指示 Uout 制 动 器 接 口 * DM03 KS2 DC+ DD11 DC AC Ui1+ Ui1 Ui1- J1 S1拨向上，给定为正 KS1 RS1 RS2 RS3 DC- 负载给定 功 率 电 阻 DD06 电流 检测 变换 A1 A2 注：各个控制电路挂箱以及监测电路的地用细实验导线连起来，但不能与主电路地相连。

附图 4 绕线转子异步电动机串级调速系统

V-M 转速电流双闭环直流调速系统的设计 摘 要 本次设计利用晶闸管等器件设计了一个 V-M 转速、 电流双闭环直流调速系统。

通过分 析直流双闭环调速系统的组成， 设计出系统的电路原理图。

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，终消除转速偏 差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。

采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统 的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调 节系统的一个环节，再来设计转速调节器。

遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调 节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。

之后，再对系统的 起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。

关键词： 关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器 1

V-M 转速电流双闭环直流调速系统的设计 1 系统的体设计方案 1.1 双闭环直流调速系统的概述 双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛、经济、实用的电力拖动系统。

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 器的单闭环调速系统可以在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，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在过 临界电流值以后，靠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。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如 1-1（a）所示。

当 电流从大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 （b）理想的快速起动过程 图 1-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形 在实际工作中,我们希望在电机大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允 许过载能力，好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许大值，使电力拖动系统 尽可能用大的加速度起动，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。

这样的理想起动过程波形如图 1-1（b）所示，这时，启动电 流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能 得到的快的起动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下快启动， 关键是要获得一段使电流保持为大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量 2

V-M 转速电流双闭环直流调速系统的设计 的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

问题 是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输 入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我 们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用 在不同的阶段。

1.2 电机的技术参数 直流电动机(ZD2-152-1B)的技术参数: 额定容量： PN = 400 KW 额定电压： U N = 440V 额定电流： I N = 975 A 额定转速： n N = 500 n min 额定效率： η N = 0.93 励磁电压： U f = 110V 励磁电流： I f = 40.7 A 电枢绕组电阻： RS = 0.0117Ω 换向绕组电阻： RH = 0.0025Ω 过载倍速： λ = 1.92 磁极对数： p = 3 转动惯量： GD 2 = 275kg ⋅ m 2 测速发电机（ICF-22E）的技术参数： 额定容量： PN = 300W 额定电压： U N = 115V 额定电流： I N = 0.76 A 额定转速： n N = 750 n min 系统参数： 电枢电阻： RΣ = 0.076Ω 系统转动惯量： GD 2 = 24696kg ⋅ m 2 3

V-M 转速电流双闭环直流调速系统的设计 1.3 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 1.3.1 双闭环直流调速系统的组成 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。

二者之间实行串级联接，如图 1-2 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。

图 1-2 转速、电流双闭环直流调速系统 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 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 1-3 所示。

图 1-3 双闭环直流调速系统电路原理图 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。

图中还表示了两个调 4

V-M 转速电流双闭环直流调速系统的设计 节器的输出都是带限幅作用的， 转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定电压的 大值， 电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制了电力电子变换器的大输出电压 Udm。

1.3.2 稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图 1-4 所示。

它 可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示 PI 调节器就可以了。

分析静特性的关键是掌握这样的 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，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间的联系，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 ∆ U 在稳态时为零。

图 1-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 α ——转速反馈系数 β ——电流反馈系数 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和不饱和两种情况。

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 ∗ U n = U n = αn = αn 0 U i∗ = U i = β I d 由个关系式可得 n= ∗ Un α = n0 ∗ 从而得到图 1-5 所示静特性的 CA 段。

与此同时，由于 ASR 不饱和，U i∗ < U im ，从上述第二 个关系式可知 I d < I dm 。

这就是说，CA 段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 I dN 的。

这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。

5

V-M 转速电流双闭环直流调速系统的设计 2. 转速调节器饱和 ∗ 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。

稳态时 Id = * U im β = I dm 其中，大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的 大加速度。

其所描述的静特性对应于图 1-5 中的 AB 段，它是一条垂直的特性。

这样的 * 下垂特性只适合于 n < n0 ，则 U n > U n ，ASR 将退出饱和状态。

图 1-5 双闭环直流调速系统的静特性 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 馈起主要调节作用。

当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，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。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统的静特 性好。

1.3.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 由图 1-4 可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变 量之间有下列关系 ∗ U n = U n = αn = αn 0 U i∗ = U i = β I d = β I dL Uc = * U d 0 C e n + I d R C eU n α + I dL R = = Ks Ks Ks * 上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压 U n 决定的；ASR 的输出量 U i* 是 由负载电流 I dL 决定的；而控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于 6

直流调速系统的设计 摘 要：本设计从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统 的数学模型，而且详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

利用 MATLAB 对 系统进行了各种参数给定下的仿真，之后按照自动控制原理，对双闭环调速系统 的设计参数进行分析和计算，通过仿真获得了参数整定的依据。

速度和电流双闭环直流调速系统具有良好的性能，广泛使用的直流马达， 转速，电流双闭环直流调速系统的静态和动态的速度商品的特定质量调节特性。

速度和电流双闭环直流调速系统的控制律， 性能特点以及交流和直流电源驱动的 自动化控制系统的设计方法品种的重要基础。

首先，应该有速度和电流双闭环直 流调速系统的基本组成部分及其静态特性;然后，在动态模型的系统从一开始免 疫的基础上，建立和它的性能和速度的两个方面与目前的两个监管机构的作用， 三是工程设计方法的基本调节，古典控制理论，动态校正方法，推导出了设计方 法，即计算简单的优点，方便，易于掌握;第四，应用工程解决方案，以两环速 度控制两个监管系统的设计，等等。

关键词：直流调速 动态模型 MATLAB Abstract: This design from the working principle of DC motor with established the mathematical model of the double closed loop DC speed control system, and the system principle and the static and dynamic performance in detail. Using MATLAB to simulate system under various parameters of a given. After according to automatic control theory, the design parameters of double closed loop speed regulation system were analysis and calculation, is obtained through the simulation of the parameter tuning of the basis. Speed and current double closed loop DC speed control system has good performance and is the most widely used of the DC motor, speed, current double closed loop DC speed control system of static and dynamic speed commodity specific quality regulation characteristics. The control law for the speed and current double closed loop DC speed control system, performance and characteristic of AC and DC power driven automation control system design method of varieties. First of all, it should be a basic part of the speed and current double closed loop DC speed control

system and the static characteristic of; then, in the dynamic model of the system from the start immune d, establishment and its performance and speed of the two aspects and the two And the role of the regulators, and the third is the engineering design method of the basic regulation, the classical control theory, dynamic correction method, deduces the design method, that is, to calculate the advantages of simple, convenient, easy to master; the fourth, application engineering solutions, to two loop speed control of two regulatory system design, and so on. Keywords: DC speed regulation dynamic model MATLAB 1 前言 直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能， 在工业生产中应用较早并沿 用至今。

早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁 场回路电阻实现有级调速。

1930 年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供 电给直流电动机（由交流电动机 M 和直流发电机 G 构成，简称 G—M 系统）， 以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，大规模集成电路和计算机控制技 术，随着电力电子和电子技术，实现了直流传动的无接点控制。

由直流电动机的 速度和输入电压的使用特点已通过调整直流电流或汞弧整流器触发阶段获得可 变直流电压供电的直流电动机， 所以容易实现速度之间的激励原理简单的比例关 系。

然而，这种方式后来州长可控整流直流电源速度控制系统所取代，已不 再使用。

可控硅 1957 年后， 直流驱动系统的快速性， 可靠性和经济性不断提高， 在 20 世纪，作为一个主流高速传输很长一段时间。

是逐步推广计算机控制 的全数字直流调速精度高， 速度控制控制系统的使用范围广泛，代表了直流电气 传动的发展方向。

之所以多年后的直流驱动器， 工业生产的发展仍然被广泛使用， 关键是一个简单的手段来实现高性能。

例如，该系统稳定的速度高为每万件稳 速精度，宽转速 1:1 万或更多的速比控制系统数万，快速响应系统响应时间缩短 到几毫秒或更少。

2 直流调速系统 直流调速系统是人为或自动改变直流电动机达到所需的机械的工作速度。

从 机械性能角度来看， 那个或通过改变外加电压电机的参数等方法来改变电动机的

机械性能， 从而改变的力学性能和电机的工作特性是力学性能的交集电机的速度 变化的稳定运行。

2.1 直流调速系统的调速原理 一个速度的任何设备控制的需要， 对生产过程的控制性能有一定要求。

例如， 精密机床的加工精度要求几十微米到数微米;重型机床进给机构要求的速度， 高和低差近 300 倍宽的范围；初轧机轧辊的几千千瓦的电动机容量不有 1 的 时间来完成从现在的进程，扭转。

第二；高速纸机造纸速度 1000m/min，需要 稳定的速度误差小于 0.01％。

作为一个设计系统的基础上，所有这些要求，可 以转化为运动控制系统的静态和动态指标。

直流电动机具有良好的效果，制动性能，适当的速度平稳广泛，电力拖动自 动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同 步控制系统等多种类型，是一个电气传动自动化与控制系统更普遍的应用。

这是 在理论上，实践，比较成熟，但也从闭环控制的角度是，它也是外汇管理制度的 基础。

从生产机械要求控制的物理量来看，由可控硅所以直流电机（VM）中的直 流调速控制系统组成，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系 统是基本的电力拖动控制系统。

直流电动机的转速和其它参量的关系和用式 （3–1）表示： n 式中 U IR Ke （3–1） n—电动机转速； U—电枢供电电压； R—电枢回路电阻； I—电枢电流； Ke—由电机机构决定的电势系数。

在上式中，Ke 是常数，电流 I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可 以有三种方法： （1）减弱励磁磁通  ； （2）改变电枢回路电阻 R； （3）调节电枢供电电压 U。

在为所需的顺利无级调速控制系统，例如一定范围内，以规范的方式，好 的电枢电压。

抵制变革的速度只能达到调整， 过了小范围的弱磁励磁磁通减少，

即使它可以平稳速度控制， 但往往只是与监管方案的速度范围小， 在基本速度 （额 定转速），升速度。

因此，直流电机调速自动控制趋于改变主电压。

2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 2.2.1 双闭环调速的工作过程和原理 速度调节器的输出作为电流参考电压到电流调节器， 然后才等于大电流上 升时间对于一个不断给定的电机电流大速度值的大启动。

两者之间实行嵌套 连接，电机大电流（堵转电流）可以通过设置调整的变化幅度的输出速度的限 制。

在电机转速达到给定的速度，速度控制器的输入错误信号减少到接近零，速 度调节器和电流调节器饱和退出， 闭环发挥调节。

电流调节器来修复触发相电压， 整流输出直流电压和电机速度校正偏差补偿相应的修改时间。

另一个很小的常 数， 而且还因为功率电机电枢电流调节电流调节器的快速变化波动的时候，一直 没有时间在改变电机转速， 从而使电流恢复到原来的价值，所以我们的速度更良 好稳定的速度运行。

2.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用， 在此则以给定值的电流调节器 输出信号的转变，在直流电压和电流的快速增加，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。

如图 2.1 所示。

把 转速调节器的输出当作电流调节器的输入，速度由负载引起的波动，速度控制器 的输入信号将产生错误随时由速度调节器， 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。

一、双闭环直流调速系统的组成

图 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统 其中：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， U n —转速给定电压，Un—转速反馈电压， U i —电流给定电压， Ui —电流反馈电压。

二、双闭环直流调速系统的静特性分析 静态特性分析，关键是掌握稳定状态 PI 调节器的特点，所以一般有两个条 件：饱和 -限制输出幅度，不饱和-输出幅度不符合限制。

当调整饱和度，输出 是恒定值，输入变化没有影响输出，除非有一个反向输入信号，在退出饱和度调 节，换句话说，监管机构暂时切断饱和输入和输出连接调整环相当于开环。

当不 饱和稳压器，PI 的失调电压Δ U 输入的作用是在稳定状态下的零。

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。

图 2.2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 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，

 Un  Un   n   n0 （3–5） （3–6） Ui  Ui   I d 由个关系式可得： n U n   n0 （3–7） 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，  Ui  Uim 可知 I d  I dm ，这就是说，CA 段特性从理想空载状态的 Id=0 一直延续 到 Id  I dm 。

而 I dm ，一般都是大于额定电流 I dm 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 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。

双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。

稳态 时：  U im Id   I dm  （3–8） 其中，大电流 I dm 取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的大加 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 n  n0 的情况，因为如果 n  n0 ,则 U n  U n ，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 I dm 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 I dm 时，对应于转速调节器的饱 和输出 U im ，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 2.3 中虚线。