第⼀章绪论
1.1 直流调速概念
直流调速[1]是指⼈为地或⾃动地改变直流电动机的转速，以满⾜⼯作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加⼯电压等⽅法来改变电动机的机械特性，从⽽改变电动机机械特性和⼯作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发⽣变化。
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，实现了直流传动的⽆接点控制。其特点是利⽤了直流电动机的转速与输⼊电压有着简单的⽐例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从⽽⽅便地实现调速。但这种调速⽅法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，⾄今已不再使⽤。1957年晶闸管问世后，采⽤晶闸管相控装置的可
变直流电源⼀直在直流传动中占主导地位。由于电⼒电⼦技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、可靠性和经济性不断提⾼，在20世纪相当长的⼀段时间内成为调速传动的主流。今天正在逐步推⼴应⽤的微机控制的全数字直流调速系统具有⾼精度、宽范围的调速控制，代表着直流电⽓传动的发展⽅向。直流传动之所以经历多年发展仍在⼯业⽣产中得到⼴泛应⽤，关键在于它能以简单的⼿段达到较⾼的性能指标。例如⾼精度稳速系统的稳速精度达数⼗万分之⼀，宽调速系统的调速⽐达1：10000以上，快速响应系统的响应时间已缩短到⼏毫秒以下。
在实际应⽤中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，⼀是要具有较⾼的机电能量转换效率；⼆是应能根据⽣产机械的⼯艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提⾼产品质量、提⾼劳动⽣产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术⼀直是研究的热点。
长期以来，直流电动机由于调速性能优越⽽掩盖了结构复杂等缺点⼴泛的应⽤于⼯程过程中。直流电动机在额定转速以下运⾏时，保持励磁电流恒定，可⽤改变电枢电压的⽅法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运⾏时，保持电枢电压恒定，可⽤改变励磁的⽅法实现恒功率调速。直流电动机具有良好的运⾏和控制特性，长期以来，直流调速系统⼀直占据垄断地位，其中，双闭环直流调速系统是⽬前直流调速系统中的主流设备，它具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度⾼等优点，在理论和实践⽅⾯都是⽐较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作⽤。
⾃19世纪80年代起⾄19世纪末以前，⼯业上传动所⽤的电动机⼀直以直流电动机为唯⼀⽅式。到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单，坚固耐⽤的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。然⽽，随着⽣产的不断发展，调速对变速传动装置是⼀项基本的要求，
现代应⽤的许多变速传动系统，在满⾜⼀定的调速范围和连续（⽆级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。虽然直流电动机可以满⾜这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、成本、制造和运⾏维护⽅⾯都不及交流电动机，所以长期以来⼈们⼀直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。从60年代起，国外对交流电动机调速已开始重视。随着电⼒电⼦学与电⼦技术的发展，特别是电⼒半导体器件的发展，使得采⽤半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，⼤规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应⽤，为交流电⼒拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统：如串级调速系统，变频调速系统，⽆换向器电动机调速系统以及⽮量控制调速系统等的飞速发展。⽬前交流电⼒拖动系统已具备了较宽的调速范围，较⾼的稳速精度，较快的动态响应，较⾼的⼯作效率以及可以四象限运⾏和制动，其静特性已可以与直流电动机拖动系统相媲美。国际上许多国家交流电⼒拖动系统已进⼊⼯业实⽤化阶段，⼤有取代直流电⼒拖动系统的势头。
但就⽬前⽽⾔，直流调速系统仍然是⾃动调速系统的主要形式，在许多⼯业部门，如轧钢、矿⼭采掘
、纺织、造纸等需要⾼性能调速的场合得到⼴泛的应⽤。直流电动机可逆调速系统数字化已经⾛向实⽤化，其主要特点是：(1) 常规的晶闸管直流调速系统中⼤量硬件可⽤软件代替，从⽽简化系统结构，减少了电⼦元件虚焊、接触不良和漂移等引起的⼀些故障，⽽且维修⽅便；(2) 动态参数调整⽅便；(3) 系统可以⽅便的设计监控、故障⾃诊断、故障⾃动复原程序，以提⾼系统的可靠性；(4) 可采⽤数字滤波来提⾼系统的抗⼲扰性能；(5) 可采⽤数字反馈来提⾼系统的精度；(6) 容易与上⼀级计算机交换信息；(7) 具有信息存储、数据通信的功能；(8) 成本较低。⽽且，直流调速系统在理论和实践上都⽐较成熟，从控制技术的⾓度来看，⼜是交流调速系统的基础，因此，应⾸先着重研究直流调速系统，这样才可以在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进⾏研究和探索[1]。
1.3 研究双闭环直流调速系统的⽬的和意义
转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应⽤最⼴的直流调速系统, 采⽤转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计⽅法是各种交、直流电⼒拖动⾃动控制系统的重要基础。⾸先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建⽴该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个⽅⾯分析其性能和转速与电流两个调节器的作⽤；第三，研究⼀般调节器的⼯程设计⽅法，和经典控制
理论的动态校正⽅法相⽐，得出该设计⽅法的优点，即计算简便、应⽤⽅便、容易掌握；第四，应⽤⼯程设计⽅法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。
通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不⾜之处的完善，可提⾼该系统的性能，使其能够适⽤于各种⼯作场合，提⾼其使⽤效率。并以此为基础，再对交流调速系统进⾏研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应⽤于国民经济各个⽣产领域。
1.4 本⽂的研究内容
本⽂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，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然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，利⽤Simulink对系统进⾏了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。
本⽂的主要⼯作：
门栓
1.掌握电机传动的⼯作原理及应⽤；
2.设计调速系统；
主要内容包括：触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计。
3.建⽴数学模型，计算其参数；
4.进⾏数字仿真，验证其设计；
5.完成相关实验。
⼀、设计题⽬：
双闭环V-M 调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计
⼆、已知条件及控制对象的基本参数：
（1）已知电动机参数为：nom p =3kW ，nom U =220V ，nom I =17.5A ，nom n =1500r/min ，电
枢绕组电阻a R =1.25Ω，2GD =3.532
N m 。采⽤三相全控桥式电路，整流装置内阻rec R =1.3Ω。平波电抗器电阻L R =0.3Ω。整流回路总电感L=200mH 。
（2）这⾥暂不考虑稳定性问题，设ASR 和ACR 均采⽤PI 调节器，ASR 限幅输出im U *=
－8V ，ACR 限幅输出ctm U =8V ，最⼤给定nm U *=10V ，调速范围D=20，静差率s=10%，堵转电
流 dbl I =2.1nom I ，临界截⽌电流 dcr I =2nom I 。
（3）设计指标：电流超调量δi %≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量δn ≤10%，
空载起动到额定转速的过渡过程时间 t s ≤0.5。
增高减肥鞋三、设计要求
（1）分别⽤⼯程设计⽅法和西门⼦调节器最佳整定法进⾏设计，决定ASR 和ACR 结构并选
择参数。
（2）对上述两种设计⽅法进⾏分析⽐较。
（3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图
四、设计⽅法及步骤：
Ⅰ⽤⼯程设计⽅法设计
（1）系统设计的⼀般原则：
按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这⾥，⾸先设计
QDFILM
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。
双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-22所⽰，它包括了电流滤波，转速滤波和
两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输⼊，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可⽤⼀阶惯性环节来表⽰，其滤波时间常数Toi 按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然⽽，在⼀直交流分量的同时，滤波环
节也延迟了反馈信号的作⽤，为了平衡这个延迟作⽤，在给定信号通道上加⼊⼀个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延时，是⼆者在时间上得到恰当的配合，从⽽带来设计上的⽅便。
由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数⽤
Ton 表⽰。再根据和电流环⼀样的道理，在转速给定通道上也加⼊时间常数为Ton 的给定滤波环节。
（2）电流环设计
电流环动态结构图及简化
在图2-22点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作⽤相互交叉，这将给设计⼯
作带来⿇烦。实际上，反电动势与转速成反⽐，它代表转速对电流环的影响。在⼀般情况下，系统的电磁时间常数Tl 远⼩于⼏机电时间常数Tm，因此，转速的变化往往⽐电流的变化慢
星空轮的多，对电流环来说，反电动势是⼀个变化⽐较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即dE=0.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
影响，也就是说，可以暂且把电动势的作⽤去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-23
所⽰。可证明，忽略反电动势对电流环作⽤的近似条件是：式中wci---电流环开环频率特
性的截⽌频率。
如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*(s)/β,
则电流环就等效成电流负反馈系统，从这⾥可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的⽅便之处了。
最后由于Ts 和Toi ⼀般都⽐Tl ⼩的多，可应当作⼩惯性⽽近似的看作⼀个惯性环节，
其时间常数为：
T T T
oi s i +=∑进⽽葛根素片
1）确定时间常数
根据已知数据得
T m =2375e m GD R C C =23.53 2.853750.13230
πs = 0.162s 3
200100.072.85
l L T s s R -?=== 三相桥式晶闸管整流电路的平均时间0.0017s T s =，取电流反馈滤波时间常数
0.002oi T s =，可得电流环的⼩时间常数为
i T ∑=s T +oi T = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s
2）选择电流调节器结构
虽然 l i T T ∑=0.070.0037
= 18.9 > 10 ，但从动态要求上看，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，对电流超调量有较严
格要求，⽽抗扰指标却没有具体要求，所以对电⽹电压的波动的及时抗扰作⽤只是次要因素。
为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型I 型系统设计。电流调节器选⽤PI
调节器，其传递函数为：
1()i ACR i
i s W S K s
ττ+= 3）选择电流调节器参数
积分时间常数 i τ=l T = 0.07 s 为满⾜δi %≤5%要求，取电流环开环增益I K 为
I K =
12i T ∑=1(20.0037)
1s - = 135.14 1s - 电流调节器⽐例系数i K 为
i K = i I s
R K K τβ=135.140.07 2.85 3.270.21837.84??=? 取调节器的输⼊电阻o R =20k Ω，则电流调节器的各参数为
工艺品加工设备
i R =i K o R =3.27?20k Ω=60.54 k Ω，取62 k Ω
i C =i i
R τ =6
30.07106210??F µ=1.13F µ，取1F µ
oi C =4oi o
T R =5
340.002102010F µ=0.4F µ，取0.47F µ
根据上述参数可以达到的动态指标为
δ
i %=4.3%≤5% 故能满⾜设计要求。
4）校验近似条件
电流环截⾄频率ci ω= I K =135.141s -，晶闸管装置传递函数近似条件为 ci ω13s
T ≤
, 现 13s T 130.0017
=?1s -=196.11s ->ci ω故该近似条件满⾜。
忽略反电动势影响的近似条件为 ci
ω≥，现
=1s -=28.21s -
故该近似条件满⾜。
⼩时间常数近似处理条件为 ci
ω≤，现
1s -=180.81s ->ci ω故该近似条件满⾜。
（3）转速环设计
电流环经过简化后可视作为转速环中的⼀个环节，为此，需要求出它的闭环传递函数Wcli （s ），忽略⾼次项，可由近似条件T
K w i I cn ∑≤
31，降阶近似为 ()1
11+≈K W I cli s 接⼊转速环内，电流环在转速环内应等效为：1
11
+s K
I β
这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效为只有较
⼩时间常数1/I K 的⼀个惯性环节，这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电
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