摘要此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。

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。

关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，Simulink目录1设计意义 (3)2主电路设计 (4)2.1设计任务 (4)2.2电路设计及分析 (4)2.2.1电流调节器 (5)2.2.2转速调节器 (6)2.3电路设计及分析 (7)2.4电流调节器设计 (7)2.4.1电流环简化 (8)2.4.2电流调节器设计 (8)2.4.3电流调节器参数计算 (9)2.4.4电流调节器的实现 (10)2.5转速调节器设计 (11)2.5.1电流环等效传递函数 (11)2.5.2转速调节器结构选择 (12)2.5.3转速调节器参数计算 (13)2.5.4转速调节器的实现 (14)3系统参数计算和电气图 (15)3.1电流调节器参数计算 (15)3.2转速调节器参数计算 (15)3.3电气原理图 (16)4系统仿真 (18)5小结体会 (20)参考文献 (21)1设计意义双闭环（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。

2主电路设计2.1电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。

转速、电流双闭环直流调速系统如图1-1所示。

图1-1 转速、电流双闭环调速系统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，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1-2所示。

图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，UPE是电力电子变换器。

图中标出了两个调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压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。

图中还标出了两个调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Uim∗决定了电流给定电压的最大值，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最大输出电压Udm。

图1-2 双闭环直流调速系统原理框图2.4电流调节器的设计2.4.1电流环的简化在图1-2虚线框内的电流环中，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。

实际中，对电流环来说，反电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE 错误！未找到引用源。

0.其中忽略反电动势对电流环的近似条件是错误！未找到引用源。

lm T T 13ci ≥ω （1—3） 式中 ωci ——电流环开环频率特性的截止频率。

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为β)(*s U i 错误！未找到引用源。

，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1—3b 所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。

最后，由于S T 和oi T 一般都比错误！未找到引用源。

l T 小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为错误！未找到引用源。

oi s T T T +=i Σ （1—4） 则电流环结构框图最终简化成图1—3c 所示。

简化的近似条件为错误！未找到引用源。

ois T T 131ci ω （1—5）(a)(b)(c)图1—3电流环的动态结构框图及其简化(a)忽略反电动势的动态影响 (b)等效成单位负反馈(c)小惯性环节近似处理2.4.2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1—3c 可以看出，采用Ｉ型系统就够了。

再从动态要求上看，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，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。

为此，电流环应跟随性能为主，即应选用典型Ｉ型系统。

图1—3c 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ss K s W i ACR i i )1()(ττ+= （1—6） 式中 i K ——电流调节器的比例系数；i τ——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，选择错误！未找到引用源。

l T =i τ （1—7） 则电流环的动态结构框图便成为图1—4所示的典型形式，其中错误！未找到引用源。

βτs i K R K K I i = （1—8）图1—4 校正成典型Ｉ型系统的电流环动态结构框图上述结果是在一系列假定条件下得到的，现将用过的假定条件归纳如下，以便具体设计时校验。

（1） 电力电子变换器纯滞后的近似处理 sT 31ci ≤ω （1—9） （2） 忽略反电动势变化对电流环的动态影响lm T T 13ci ≥ω （1—10） （3） 电流环小惯性群的近似处理T ois ci T 131≤ω （1—11）错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

2.4.3电流调节器的参数计算由式1—5可以看出，电流调节器的参数是错误！未找到引用源。

和错误！未找到引用源。

，其中i τ已选定，见式1—6，待定的只有错误！未找到引用源。

，可根据所需要的动态性能指标选取。

根据电流超调量，由表1—1，可选ξ和i ΣT K I 错误！未找到引用源。

的值。

一般错误！未找到引用源。

%5i ≤σ，取ξ=0.707，错误！未找到引用源。

5.0i =ΣT K I ，则i ci 21ΣωT K I == （1—12） 参考关系KT0.25 0.39 0.5 0.69 1.0 阻尼比ξ1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量δ0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升时间错误！未找到引用源。

r t∞ 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间错误！未找到引用源。

p t ∞ 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相角稳定裕度γ︒3.67 ︒9.69 ︒2.95 ︒8.15 截止频率c ω 0.243/T 0.367/T 0.455/T0.596/T 0.786/T 表1—1 典型Ｉ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系错误！未找到引用源。

再利用式1—7和式1—6得到错误！未找到引用源。

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==i l s i s l i T T K R T K R T K ΣΣββ22 （1—13）如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式1—11和式1—12当然应作相应的改变。

此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。

2.4.4电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如图1—5所示。

图中错误！未找到引用源。

为电流给定电压。

错误！未找到引用源。

d I β-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压c U 错误！未找到引用源。

图1—5 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出错误！未找到引用源。

oi i R R K = （1—14）错误！未找到引用源。

i i C R =i τ（1—15）错误！未找到引用源。

oi o oi C R T 41= （1—16）2.5转速调节器的设计2.5.1电流环等效传递函数由校正后的电流结构框图可知错误！未找到引用源。

1s 11)()()(2i *cli ++==II i d K s K T s U s I s W Σβ （1—17）忽略高次项，错误！未找到引用源。

可降阶近似为错误！未找到引用源。

1s 11)(cli +≈IK s W （1—18）近似条件为错误！未找到引用源。

icn 31ΣωT K I ≤ （1—19） 式中 错误！未找到引用源。

——转速环开环频率特性的截止频率。

接入转速环内，电力换等效环节的输入量为)(*s U i 错误！未找到引用源。

，因此电流环在转速环中应等效为错误！未找到引用源。

1s 11)()(U (s)cli *i d +≈=I K s W s I ββ （1—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错误！未找到引用源。

的一阶惯性环节。

2.5.2转速调节器的结构选择把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1—6a 所示。

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α)(*n s U 错误！未找到引用源。

，再把时间常数为错误！未找到引用源。

和错误！未找到引用源。

的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为错误！未找到引用源。

的惯性环节，其中错误！未找到引用源。

on n 1T K T I+=Σ （1—21） 则转速环结构框图可简化成图1—6b由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。