双闭环直流调速系统的设计与Matlab仿真毕业论文.doc

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1、摘要 本文介绍了基于工程设计方法对直流调速系统的设计，对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。说明了双闭环直流调速系统的原理和转速、电流两个调节器的性能，详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink进行直流电动机双闭环调速系统的数学建模和系统仿真，分析转速和电流的波形，并进行调试，使系统趋于完善，合理。关键词：转速环 电流环 调节器 SimulinkAbstract This article describes the design of the DC drive system based on the method of engineering desi

2、gn, and the most commonly used speed and current dual-loop speed control system design methods are also derived in detail. In this article, the double-loop DC Speed Control System and the speed of the current performance of the two regulators are illustrated, and a detailed analysis of the system wh

3、ich starts the design process and parameters is also made. In this process, using Simulink of DC Motor Speed Governing System Modeling and Simulation, I make a analysis of speed and current waveforms, and debugging to improve the system tends and make it more reasonable.Key words: loop of revolution

4、 rate loop of current regulator Simulink目 录第一章 前言11.1 直流拖动控制系统1第二章 直流调速系统的闭环控制32.1 直流调速系统用的可控直流电源32.1.1 静止式可控整流器32.1.2 晶闸管-电动机系统的机械特性42.1.3 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数52.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析72.2.1 转速控制的要求和调速指标72.2.2 限流保护电流截止负反馈92.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析102.3.1 反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型112.3.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件13第三章 转

5、速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法153.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性153.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成163.1.2 稳态结构图和静特性173.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算193.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析203.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型203.3 调节器的工程设计方法203.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器213.4.1 电流调节器的设计223.4.2 转速调节器的设计243.4.3 转速环与电流环的关系27第四章 Matlab仿真及结果分析294.1 工程设计举例294.1.1 电流环的设

6、计294.1.2 转速环的设计314.2 在Simulink环境下的仿真及分析324.2.1 电流、转速双环324.2.2 起动过程分析344.2.3 电流环364.2.4 转速环384.2.5 开环调速系统及其存在的问题404.2.6 反馈闭环控制的优越性404.2.7 比例调节424.2.8 比例积分控制规律434.3 仿真结果分析总结44参考文献46致 谢47第一章 前言 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。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它可以在保证系统稳定

7、的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。 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。 本设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭

8、环调速系统的设计，要求绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理进行分析，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。1.1 直流拖动控制系统 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，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。直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为式中 转速（r/min）； 电枢电压（）； 电枢电流（）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（）； 由电机结构决定的电动势常数。在上式中，是常

9、数，电流是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法:1）调节电枢供电电压。2）减弱励磁磁通。3）改变电枢回路电阻。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。第二章 直流调速系统的闭环控制2.1 直流调速系统用的可控直流电源 改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种： 1）旋转变流机组。用交

10、流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 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。本设计选用第二种静止可控整流器。2.1.1 静止式可控整流器 图2-1所示是晶闸管-电动机调速系统（简称-系统，又称静止的Ward-Leonard系统）原理图。图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。图2-1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（-系统）-系统的问题

11、：1）由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。2）晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。3）由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。2.1.2 晶闸管-电动机系统的机械特性当电流连续时，-系统的机械特性方程式为 （2-1）式中， 电机在额定磁通下的电动势系数，n = Id R / CenaIdILOa图2-2电流连续时V-M系统的机械特性，改变控制角，得一族平行直线，图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（2-1）已经不适用了。只要电流连续，晶闸管

12、可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。 图2-2 电流连续时-系统的机械特性当电流断续时，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的-系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示 （2-2) （2-3)式中， 阻抗角，； 电流脉波的导通角。 当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到 = 2/3为止，因为角再大时，电流便连续了。对应于= 2/3 的曲线是电流断续区与连续区的分界线。图2-3 完整的-系统机械特性图2-3绘出了完整的-系统机械特性，其中包含了整流状态 （）和逆变状态（），电流连续区和电流断续区。当电

13、流连续时，特性比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。2.1.3 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。图2-4 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即曲线，图2-4是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。这时，晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是 （

14、2-4）如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO图2-5 晶闸管触发与整流装置的失控时间 在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。图2-5晶闸管触发与整流装置的失控时间，失控时间是随机的，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定： （2-5）式中， 交流电源频率； 一周内整流电压的脉波数。表2-1 各种整流电路的失控时间（f =50Hz）整流电路形式最大失控时间（ms）平均失控时间（ms）单相半

15、波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.67在一般情况下，可取其统计平均值 ，并认为是常数。或者按最严重的情况考虑，取。用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为 (2-6)按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为 (2-7)将该指数函数按台劳级数展开，则式（2-8）变成 (2-8)考虑到Ts很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。 (2-9)其动态结构图如图2-6图2-6 晶闸管触发与整流装置动态结构图(a) 准确的 （b） 近似的2.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析2.2.1 转速控制的要求和调速指标

16、对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（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；3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。 为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。1. 调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即 (2-10) 其中,和一般都指电机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的

17、机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。 2.静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落,与理想空载转速之比，称作静差率s，即 (2-11)或用百分数表示 (2-12)0TeNTen0an0bab nNa nNb nOO图2-7 不同转速下的静差率静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。3.调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围和静差率这两项指标并不是彼

18、此孤立的，必须同时提才有意义，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。静差率应该是最低速时的静差率，即 (2-13)最低转速为 (2-14)而调速范围为 (2-15)将上面的式代入，得 (2-16)调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系，一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。2.2.2 限流保护电流截止负反馈1.问题的提出 直流电动机起动时，会产生很大的冲击电流，堵转时，电流将远远超过允许值。解决办法：引入电流截止负反馈。UdIdVDUcom-+MRs-+Ui接放大器接放大器UiRsVSTUbrMIdUd-+2.电流截止负反馈环节b

19、) 利用稳压管产生比较电压A）利用独立直流电源作比较电压图2-8电流截止负反馈环节 如图2-8所示，为临界的截止电流，当电流大于时，将电流负反馈信号加到放大器的输入端，当电流小于时，将电流反馈切断。3. 带电流截止负反馈闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 0UiId Rs - Ucom图2-9 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图 系统稳态结构图2-9，当时，电流负反馈被截止，静特性只有转速负反馈调速系统的静特性，即 （2-17）后，引入了电流负反馈，静特性变成 （2-18）D对应式（2-17）和式（2-18）静特性示于图2-10，电流负反馈被截止的CA段，它就是闭环调速系统本身的静特性

20、，显然是比较硬的。电流负反馈起作用后，相当于图中的AB段。AB段特性和CA段相比有两个特点：图2-10 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性1） 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。2） 比较电压与给定电压的作用一致，好象把理想空载转速提高到D点 。这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性，令n=0，得 （2-19）一般，因此 （2-20）应小于电机允许的最大电流，一般为（1.52）。从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取(1.11.2)。2.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析 引入了转速负反

21、馈，且放大系数足够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态校正措施，才能保证系统的正常工作，此外，还须满足系统的各项动态指标的要求。2.3.1 反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型建立系统动态数学模型的基本步骤如下：1） 根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；2）求出各环节的传递函数；3） 组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。图2-11 他励直流电动机等效电路构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是 （2-21）他励直流电动机在额定励磁下的等效电

22、路绘于图2-11，动态电压方程为 （2-22）忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 （2-23）额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 （2-24）和 （2-25）整理后得 （2-26） （2-27）式中 负载电流，。在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 （2-28）电流与电动势间的传递函数 （2-29）c）直流电动机的动态结构图 图2-12 额定励磁下直流电动机的动态结构图 a) 电压电流间结构框图 b) 电流电动势间结构框图 a) b)=0 直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如

23、果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图2-13a。如果是理想空载，则= 0，结构图即简化成下图2-13b。 图2-13 直流电动机的动态结构图的变换和简化 直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即 比例放大器 （2-30）测速反馈环节 （2-31）闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-14所示。带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作是一个三阶线性系统。图2-14 反馈控制闭环调速系统的动态结构图反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 （2-32）式中。设=0，从给

24、定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 （2-33） 2.3.2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为 （2-34）一般表达式为 系统稳定的充分必要条件是各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有 或 整理后得 （2-35）临界放大系数，时，系统将不稳定。第三章 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法 3.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 第2章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环

25、系统就难以满足需要。1.主要原因：是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。 b) a)图3-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b) 理想的快速起动过程2.性能比较: 1) 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图3-1a所示，起动电流达到最大值后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 2) 理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形

26、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。3. 解决思路： 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。4. 希望结果： 1）起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈； 2）稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。3.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成1. 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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌

27、套（或称串级）联接如下图3-2所示。图3-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构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 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。2. 系统电路结构为了获得良好的静、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示于下图。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

28、，并考虑到运算放大器的倒相作用。图3-3 双闭环直流调速系统电路原理图 图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。 1) 转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值； 2) 电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。3.1.2 稳态结构图和静特性 1. 系统稳态结构图图3-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图2.限幅作用存在两种状况： 1) 饱和输出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。 2) 不饱和输出未达到限幅值当调

29、节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。3. 系统静特性 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。双闭环直流调速系统的静特性如图3-5所示。1）转速调节器不饱和图3-5 双闭环直流调速系统的静特性 式中b 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得 （3-1）从而得到上图静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知:。这就是说，CA段静特性从理想空载状态的 =0一直延续到 = ，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。2）转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值，转速

30、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 （3-2）式中，最大电流是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（3-2）所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于，则，ASR将退出饱和状态。 4. 两个调节器的作用 1） 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。 2）当负载电流达到后，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

31、的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示。 3.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 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 （3-3） （3-4） （3-5）上述关系表明，在稳态工作点上，1）转速n是由给定电压决定的；2）ASR的输出量是由负载电流决定的；3）控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和 。 这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量

32、，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 （3-6）电流反馈系数 （3-7）两个给定电压的最大值和由设计者选定，设计原则如下： 1）受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制； 2）为ASR的输出限幅值。3.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析3.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型1. 系统动态结构图3-6 双闭环

33、直流调速系统的动态结构图 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结构图，如下图3-6所示。图中和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 3.3 调节器的工程设计方法 1.必要性： 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。 2.可能性： 大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系

34、统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。 3.设计方法的原则： 1）概念清楚、易懂； 2）计算公式简明、好记； 3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式； 5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 4 工程设计方法的基本思路： 作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步： 第一步，选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。第二步，设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。3.4 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 1

35、. 系统设计对象双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图3-7，它与前述的图3-6不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中 电流反馈滤波时间常数 转速反馈滤波时间常数 图3-7 双闭环调速系统的动态结构图 2. 系统设计原则 系统设计的一般原则：“先内环后外环” 从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，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。3.4.1 电流调节器的设计 设计分为以下几个步骤： 1.电流环结构图的简化； 2.电流调节器结构的选择； 3.电流调节器的参数计算； 4.电流调节器的实现。1. 电流环结构图的简

36、化 1）忽略反电动势的动态影响图3-8 电流环的动态结构图及其化简 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动态影响，即0。这时，电流环如图3-8所示。 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统（图3-9a）。a） 最后，由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为简化的近似条件为 （3-8）电流环结构图最终简化成图3-17bb）图3-9 等效成单位负反馈系统2. 电流调节器结构的选择 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图3-9b可以看出，采用I型系统就够了。 从动态

37、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，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。 图3-9b表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 （3-9）式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择= （3-10）则电流环的动态结构图便成为图3-17a所示的典型形式，其中 （3-11）3. 电流调节器的参数计算a）动态结构图 式（3-9）给出，电流调节器的参数有：

38、和， 其中已选定，见式（3-10），剩下的只有比例系数， 可根据所需要的动态性能指标选取。b）开环对数幅频特性在一般情况下，希望电流超调量5%，选=0.707，=0.5，则图3-18 校正成典型I型系统的电流环 （3-12）再利用式（3-23）和式（3-24)得到 （3-13）4. 电流调节器的实现电流调节器电路参数的计算公式 （3-14） （3-15） （3-16）模拟式电流调节器电路图中 为电流给定电压； 为电流负反馈电压；图3-11 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 电力电子变换器的控制电压3.4.2 转速调节器的设计设计分为以下几个步骤： 1.电流环的等效闭环传递函数； 2.转速

39、调节器结构的选择； 3.转速调节器参数的选择； 4.转速调节器的实现1. 电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图3-9a可知 （3-17）忽略高次项，上式可降阶近似为 （3-18）近似条件可由式求出 （3-19）式中 转速环开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为(s)，因此电流环在转速环中应等效为 （3-20）这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。2. 转速调节器结构的选择图3-12 转速环的动态结构图及其简化 用电流环的等效环节代替图3-12中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图3-13所示。图3-13 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成/，再把时间常数为1/和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （3-21） 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中（见图3-14），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应