闭双环直流调速系统设计说明书--毕业设计.doc

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作者签名： 年 月 日
导师签名： 年 月 日

目 录
摘要 3
前言 4
第1章 绪论 5
1．1 课题的来源、研究背景及意义 5
1.2 相关课题的发展历史 6
1.2.1 DCS的发展历程 6
1.2.2 PLC的诞生和发展 7
1.2.3 PC技术推动了工控机技术的发展 7
1.2.4 现场总线控制系统 8
1.3 国内外的主要研究工作和研究成果 8
1.4 本文主要开展的研究工作 9
第2章 方案设计 10
1.1 直流调速方法 10
1.2 直流调速系统可用的可控直流电源 10
1.3晶闸管整流装置电路接线联结型式的选择 10
1.4 触发电路的选择 11
1.5 调速系统的类型 11
1.5.1 开环调速系统 11
1.5.2 闭环调速系统 12
1.6 方案选择 14
第3章 调速系统性能指标 15
3.1 系统对转速控制的要求 15
3.2 调速性能指标（稳态指标） 16
第4章 转速、电流双闭环调速系统原理 17
4.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 17
4.2 稳态结构框图和静特性 17
4.3 双闭环直流调速系统的数学模型与性能分析 20
4.3.1 晶闸管触发电流和整流装置的数学模型 20
4.3.2电流与电压间、感应电势与电流之间的数学模型 21
4.3.3 测速、电流反馈环节 22
4.3.4 调速系统的动态结构图 22
4.3.5 双闭环调速系统突加给定电压时的起动过程 23
4.3.6 双闭环调速系统的动态性能 25
第5章 主电路计算 25
5.1 变压器参数计算 25
5.2 晶闸管参数计算 27
5.2.1 晶闸管额定电压 27
5.2.2 晶闸管额定电流 27
第6章 双闭环系统调节器的设计 29
6.1 确定系统时间常数 29
6.2 电流调节器的设计 29
6.2.1 电流环的简化 29
6.2.2确定时间常数 30
6.2.3选择电流调节器的结构 30
6.2.4 传递函数参数计算 31
6.2.4 校验近似条件 32
6.2.5 计算调节器电阻和电容 32
6.3 转速环的设计 33
6.3.1 确定时间常数： 33
6.3.2 结构选择 33
6.3.3 传递函数参数计算 34
6.3.4 校验近似条件和性能指标 34
6.3.5计算调节器电阻和电容 35
第7章 调速系统的仿真 36
7.1 仿真模型的建立 36
7.3 转速环的仿真设计 38
致谢 42
参考文献 43

基于V-M的双闭环直流运动控制系统设计及校正

学 生：黄觉鸿
指导教师：曾孟雄
教学单位：机械与材料学院

摘要：本文主要介绍电流、转速双闭环直流调速系统的设计，在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数计算。最后，重点设计直流电动机调速控制器电路，在系统中设置电流调节器和转速调节器，先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。
关键词： 双闭环； 电流调节器；转速调节器；MATLAB/SIMULINK；仿真
Double-loop；the current regulator；the speed regulator；MATLAB/SIMULINK；simulation

What this article elaborates is the design of “the rotational speed, the electric current double closed loop cocurrent velocity modulation system” . In the design, the main circuit control system using three-phase full controlled bridge rectifier circuit as electricity supply[1]. Firstly , determined the design scheme and diagram. Then determined the structure of power circuit and the design of components and the parameter calculation . Finally, focused on the design of DC motor speed controller circuit, The current regulator and speed regulator is set up in the system, at first determined its structure , the design of various components, and the calculation of its parameters. Finally, used MATLAB/SIMULINK to carry on Simulation Analysis of the whole control system.[2]

前言
电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。
20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。
直流电动机因具有良好的起、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应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管—电动机调速系统（简称V-M系统）[3]。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。
尽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V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。
近30年来，电力拖动系统得到了迅猛的发展。但技术革新是永无止尽的，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：
1）采用新型电力电子器件
2）应用现代控制理论
3）采用总线技术
4）内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域
本课题基于W-M的双闭环直流运动控制系统设计及校正所涉及的调速方案本质上是改变电枢电压调速。该调速方法可以实现大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的主要调速方案。但电机的开环运行性能（静差率和调速范围）远远不能满足要求。按反馈控制原理组成转速闭环系统是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形式。可要实现高精度和高动态性能的控制，不仅要控制速度，同时还要控制速度的变化率也就是加速度。由电动机的运动方程可知，加速度与电动机的转矩成正比关系，而转矩又与电动机的电流成正比。因而同时对速度和电流进行控制，成为实现高动态性能电机控制系统所必须完成的工作。因而也就有了转速、电流双闭环的控制结构。[4]

第1章 绪论
1．1 课题的来源、研究背景及意义
许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。
双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。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。
随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统。
1.2 相关课题的发展历史
控制系统其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年代开始，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等。
1.2.1 DCS的发展历程
70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参 数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。
1975年前后，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统 (DCS)。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时，开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。
在以后的近30年间，DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。
1.2.2 PLC的诞生和发展
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。
20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30-40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
1.2.3 PC技术推动了工控机技术的发展
    历史上，VME总线工业控制机一直是许多嵌入式应用的首选机型。1981年，Mostek、Motorola、Philip和Signetics公司发明了VME总线，1996年的新标准VME64(ANSI/VITA1-1994)将总线数据宽度提升到64位，最大数据传输速度为80Mbps。由Force Computers制定的VME64x总线规范将总线速度提高到了320Mbps。VME总线工控机是实时控制平台，大多数运行的是实时操作系统，并由OS制造商提供专用的软件开发工具开发应用程序。VME总线最新产品已经采用了500MHz的Pentium Ⅲ处理器。
    由于用户希望使用与所熟悉的桌面PC机相同的操作系统和开发工具，导致了开放式桌面PC在工业环境中的直接应用。除了VME总线工控机外，产生了一系列基于PC的、与ISA/PCI总线标准兼容的嵌入式工控机，其中比较有代表性的是CompactPCI/PXI总线、AT96总线、STD总线、STD32总线、 PC/104和PC/104-Plus总线嵌入式工业控制机。
1995年6月PCI SIG正式公布了PCI 局部总线规范2.1版，同时PICMG推出了第一个标准PCI/ISA无源背板总线标准。为了将PCI SIG的PCI总线规范用在工业控制计算机系统，1995年11月PCI工业计算机制造者联合会(PICMG)颁布了CompactPCI规范1.0版。由于CPCI总线工控机良好地解决了可靠性和可维护性问题，而且基于Microsoft的软件和开发工具的价位比较低，所以，CPCI工控机得以迅速打入嵌入式产品市场。但相对于PCI/ISA加固型工控机而言，由于总体成本高、技术开发难度大、无源背板定义并不完全统一导致模板配套性差、电磁兼容性设计要求高等因素，CompactPCI工控机在工业过程控制领域并未得到实际应用，反而在电信市场获得广泛应用。
1.2.4 现场总线控制系统
现场总线技术是从80年代后期诞生的网络通信技术，经历十几年左右的发展，国际上出现了几个有代表性的现场总线标准和几个系列产品，较流行的有:
1) Profibus现场总线
    它是作为德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用OSI模型的物理层、数据链路层。
2) 控制局域网(Control Area Network，CAN)控制网络
    最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间数据通信。
    此外还值得一提的是，可寻址远程传感器数据公路(Highway Addressable Remote Transducer，HART)协议，它是由美国Rosemount公司最早推出的一种兼容4~20mA模拟信号和调制数字信号的现场总线协议。在当前的过渡时期具有较强的竞争力，得到了较快的发展。
3) 基金会现场总线(Foundation Fieldbus)
在现场总线标准的研究制订过程中，出现过多种企业集团或组织，通过不断的竞争，到1994年在国际上基本上形成了两大阵营，一个以Fisher-Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议；另一个以Honeywell公司为首，联合欧洲150家公司制订的World FIP协议。这两大集团于1994年合并，成立现场总线基金会(Fieldbus Foundation,FF)，致力于开发国际上统一的现场总线协议。
4) LonWork(Local Operating Network局部操作网)现场总线
    它是由美国Echelon公司于1990年正式推出的。它采用ISO/OSI模型的全部7层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等。
1.3 国内外的主要研究工作和研究成果
近30年来，电力拖动系统得到了迅猛的发展。但技术革新是永无止尽的，为了进一步提高电动机自动控制系统的性能，有关研究工作正围绕以下几个方面展开：
1）采用新型电力电子器件
电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。
传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。
2）应用现代控制理论
在过去，人们感到自动控制理论的研究发展很快，但是在应用方面却不尽人意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象，这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用，使得复杂的运算得以实时完成。第二是在辨识，参数估值以及控制算法鲁棒性方面的理论和方法的成熟，使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。
3）采用总线技术
现代电动机自动控制系统在硬件结构上有朝总线化发展的趋势，总线化使得各种电动机的控制系统有可能采用相同的硬件结构。
4）内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域
当今是网络时代，信息化的电动机自动控制系统正在悄悄出现。这种控制系统采用嵌入式控制器，在嵌入式操作系统的软件平台上工作，控制系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。目前已经有人研制成功了基于开放式自由软件Linux操作系统的数字式伺服系统。
1.4 本文主要开展的研究工作
根据本课题的实际情况，宜从以下几个方面入手分析：
1）直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型；
2）双闭环直流调速的工程设计；
3）应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正；
本设计要求基于V-M的双闭环直流运动控制系统的设计和校正，从要求出发，本文先介绍各种调速方案中选择电流、转速双闭环调速系统的原因，再重点阐述该系统的动态、静态性能和结构特点。运用所给定的参数对系统的各环节进行设计计算并校验，最后通过建立调速系统的模型应用仿真软件进行仿真测试。
第2章 方案设计
1.1 直流调速方法
直流电动机的转速调节方法主要有以下几种：
1） 改变电枢回路电阻调速法
保持直流电动机外加电枢电压与励磁磁通为额定值，改变电枢回路电阻而实现调速，调速过程中，直流电动机的理想空载转速不变，但在相同的转矩下，直流电动机转速降落将随外加电阻的增大而增大，机械特性的斜率就越大。
2） 减弱磁通调速法
保持电枢电压为额定值，电枢回路不加入附加电阻，而减小直流电动机的励磁电流以减弱磁通。弱磁调速只能在额定转速以上的范围内调节转速。
3） 调节电枢电压调速法
保持直流电动机的磁通为额定值，电枢回路不串入外加电阻，仅改变电动机电枢外加电压，实现直流电机的调速。
以上3种调速方法，改变电枢回路电阻调速只能对电动机的转速作有极的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。弱磁调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。调压调速所得到的认为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。所以直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。
根据负载性质来选定。对起动、制动及调速有较高要求的 产机械，宜选用直流他励时电动机；而需要较大起动转矩和恒功率调速的机械(如电车，蓄电池车，牵引机械等)常用直流串励电动机或直流复励电动机。由于该设计对起动、制动及调速精度要求较高，故选用直流他励电动机。[5]
1.2 直流调速系统可用的可控直流电源
1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。这种调速系统叫做发电机-电动机系统，简称G-M系统。
2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。[5]
1.3晶闸管整流装置电路接线联结型式的选择
一般说来，在整流器功率很小时（4kW以下），用单相整流；功率较大时，用三相整流电路，故选用三相整流电路[6]。
在三相整流电路中，三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少、触发器少，对需要220V电压的用电设备直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器[2]。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输也电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变电器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大，往往需要从车间变压器单独敷设零线。而三相桥式整流电路，在输出整流电压相同时，电源相电压可较三相零整流电路小一半，困此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求，变压器二次绕组电流中没有直流分量、利用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可小一些。三相桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，全控桥需要六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用380V电网直接供电，而要用整流变压器。三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合，故在要求较高的场合应选择三项全控桥式整流电路。
由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相降压变压器,将电源电压降低，为避三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用Δ/Y接法。
1.4 触发电路的选择
门极电压又叫触发电压。晶闸管[7]的触发电路种类很多，为使线路简单、工作可靠、装置体积小宜选用KJ004组成的六脉冲集成触发电路。其优点是体积小、功耗低、调试方便、性能稳定；缺点是移相范围小于180°，为保证触发脉冲对称度，要求高流电网波形畸变率小于5%，广泛应用于各种晶闸管装置中。
1.5 调速系统的类型
1.5.1 开环调速系统
该系统中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，都属于开环控制的调速系统。在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出的转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。
已知系统当电流连续时，在额定负载下的转速降落为

开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为

已远远超过了5%的要求，更何况满足调速范围最低转速的情况以及考虑电流断续时的情况。
如果要满足D=10，S=5%的要求，额定负载下的转速降落可以根据公式求得

显然，简单的开环调速系统不能满足生产机械工艺要求，这就应采用负反馈控制，构成闭环调速系统。
从电动机运行特性的立场分析，闭环系统能大大提高稳速性能的原因是系统在负载变化时可通过闭环调节使电枢电压自动跟踪负载变化，补偿电枢电流在回路电阻上的压降损失，从而维持转速基本不变。稳速原理可从图1-1所示的闭环与开环转速特性间的关系得到理解。

图1-1闭环与开环转速特性间的关系

1.5.2 闭环调速系统
1）转速单闭环直流调速：
图1-2带转速负反馈的闭环直流调速系统原理图

如图是带有比例放大器的转速反馈闭环调速系统，是一种基本的反馈控制系统，它具有以下基本特征，也就是反馈控制的基本规律。
（1）只有比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。从静特性中可以看到闭环控制系统的调速性能比开环系统有了很大的提高，而提高的程度与闭环系统的开环放大系数K有关。
（2）闭环系统具有较强的抗干扰能力。对于一切被负反馈环包围的前向通道上的扰动作用，都能被反馈控制系统有效地加以抑制。
（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源和高精度的检测原件。
应用电流截止负反馈，能够解决转速负反馈闭环系统启动和堵转时电流过大的问题，引入了限制电枢电流的环节，关键时候维持电流基本不变。引入PI调节器，在系统静特性指标和稳定性发生矛盾的情况下，能改变系统的结构使它能同时满足稳定性与稳态误差两方面的要求。[5]

2）转速、电流双闭环直流调速系统：

图 1-3 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—转速测量装置
TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器
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，二者之间实行串级联接。
这就是说，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；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
对于转速调节器：
（1）使被调量转速 跟随给定转速变化，保证稳态无静差。
（2）其稳态输出值正比于电动机稳态工作电流值（由负载大小而决定），输出限幅值取决于电动机允许最大电流值（或负载允许最大转矩）。
（3）对负载扰动起抗扰作用。
对于电流调节器：
（1）启动过程保证电动机能获得最大允许的动态电流。
（2）在启动过程，使电流跟随电流给定值而变化。
（3）对交流电网电压的波动有较强的抗扰能力。
（4）有自动过载保护作用，且在过载故障消失后能自动恢复正常工作。
1.6 方案选择
方案一采用直流开环调速系统。由以上的计算得知，不能满足要求。
方案二采用转速单闭环直流调速系统。应用了PI调节器后可实现转速无静差控制，应用了电流截至负反馈环节来限制电流的冲击，避免出现过电流现象。作为转速负反馈控制系统，系统的被调量是转速，所检测的误差是转速，它要消除的也是扰动对转速的影响。所以转速单闭环系统不能控制电流（或转矩）的动态过程。但是在调速系统忠有两类情况对电流的控制提出了要求：一是启、制动的时间控制问题，二是负载扰动的电流控制问题。
方案三采用转速、电流双闭环控制系统，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。
1）速度闭环中，速度反馈回路如开路，转速将升至该系统设计的最高转速，俗称飞车。
2）在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。
3）系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。
为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案三作为设计的最终方案。而由于电机上网容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。

第3章 调速系统性能指标
3.1 系统对转速控制的要求
1）调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；
2）稳速：以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；
3）加、减速：频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。
3.2 调速性能指标（稳态指标）
直流调速系统主要性能指标是衡量调速性能好坏的标准，也是直流调速系统设计和实际运行中考核的主要指标。直流调速系统主要性能指标包括静态性能指标和动态性能指标两部分。
（1）调速范围D。调速范围D是指电动汽车电机在额定负载下，电动机的最高转速与最低转速之比，即：

其中和一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载时的转速。在设计调速系统时，通常视为电动机的额定转速。
  (2)静差率S。静差率S是指电动机在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载时所产生的转速降与理想空载转速之比，常用百分数表示。

显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。[5]
第4章 转速、电流双闭环调速系统原理
4.1 转速、电流双闭环调速系统的组成

图4-1双闭环直流调速系统原理图
如图4-1所示为转速、电流双闭环调速系统的原理框图。
在启、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过渡过程时间。一旦达到给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则其跟随作用使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。转速、电流双闭环调速系统原理图如图所示，其中，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。
在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发装置GT的控制电压Ur,为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示出，两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅(饱和)电压是U*im，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Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值
4.2 稳态结构框图和静特性
如图所示为双闭环调速系统的稳态结构框图，图中带限幅的输出特性表示了PI调节器a为转速反馈系数 ，b 为电流反馈系数。

图 4-2 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

分析静特性的关键是掌握带输出限幅 PI调节器的稳态特征。存在两种状况：
（1） 转速调节器不饱和
在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，他们的输入偏差电压都是零。因此系统具有绝对硬的静特性（无静差），即

得

且

从而得到双闭环调速系统的静特性图中的 —A段。由于转速调节器不饱和，，所以。这表明， —A段静特性从理想空载状态（=0）一直延续到电流最大值，而一般都大于电动机的额定电流。这是系统静特性的正常运行段。
（2） 转速调节器饱和
当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当上升到某一数值时，转速调节器输出达到限幅值，转速环失去调节作用，呈开环状态，转速的变化对系统不再影响。此时只剩下电流环起作用，双闭环调速系统由转速无静差系统变为一个电流无静差的单闭环恒流调节系统。稳态时

因而

是所对应的电枢电流最大值，由设计者根据电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度选定。这时的静特性为图中的A-B段，呈现很陡的下垂特性。
由以上分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流时表现为转速无静差，这时ASR起主要调节作用。当负载电流达到之后，ASR饱和，ACR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、外连个闭环的效果，这样的静特性显然比带电流截至负反馈的单闭环调速系统的静特性要强得多。

图4-3双闭环调速系统的静特性图

根据各调节器的给定值和反馈值可计算出相应的反馈系数：
转速反馈系数

电流反馈系数

4.3 双闭环直流调速系统的数学模型与性能分析
4.3.1 晶闸管触发电流和整流装置[8]的数学模型
晶闸管触发与整流装置的放大系数可以通过两种方法得到。分析放大系数的方法的前提是把整个调速范围工作点都落在晶闸管触发和整流装置的特性的近似线性范围内，并有一定的调节余量。
1)实验法。晶闸管触发和整流装置的输入量是，输出