双闭环直流调速系统设计
一、 系统组成与数学建模
1）系统组成
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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。
TA Ui U*nL + 内环 ACR Uc V + - Un ASR U*i - Id + + UPE Ud - M n TG TM - 外环 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 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。
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 P I 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，并考虑到运算放大器的倒相作用。
Ui + TA Ri Ci ACR - + + Uc LM GT V RP1 - U*n R0 Rn Cn ASR - + + U*i R0 LM R0 L Id Ud + R0 Un UPE M M n + - RP2 T TG- 双闭环直流调速系统电路原理图 2）数学建模
双闭环直流调速系统的动态结构图
图中WASR(s)和WACR(s)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
WACR(s)?Ki?is?1 ?isWASR(s)?Kn
?ns?1 ?ns二、 设计方法
采用工程设计法 1、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。 2、工程设计方法的基本思路:
（1）选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。 （2）设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 一般来说，许多控制系统的开环传递函数都可表示为
R(s)
W(s)mC(s)
K?(?js?1)W(s)?sr?(Ts?1)ii?1j?1n
上式中，分母中的 sr 项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根据 r=0，1，2，……等不同数值，分别称作0型、I型、Ⅱ型、……系统。
自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。 因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。
三、 电流环设计
反电动势与电流反馈的作用相互交叉，给设计工作带来麻烦。
转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，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，?E?0。
忽略反电动势对电流环作用的近似条件是
?ci?31 (3-45) TmTl式中ωci——电流环开环频率特性的截止频率。
图3-19 电流环的动态结构图及其化简
(a)忽略反电动势的动态影响
把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成 ，则电流环便等效成单位负反馈系统。
图3-19 电流环的动态结构图及其化简
(b）等效成单位负反馈系统
Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以近似为一个惯性环节，其时间常数为 T∑i = Ts + Toi 简化的近似条件为
?ci?11 (3-47)
3TsToi
图3-19 电流环的动态结构图及其化简
(c）小惯性环节近似处理
典型系统的选择：采用 I 型系统
电流调节器选择：PI型的电流调节器， WACR(s)? Ki — 电流调节器的比例系数；
?i — 电流调节器的超前时间常数。 电流环开环传递函数
Ki(?is?1) （3-48）
?isWopi(s)?Ki(?is?1)?Ks/R （3-49）
?is(Tls?1)(T?is?1)因为 Tl>>TΣi，选择τi= Tl ，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，
Wopi(s)?Ki?Ks/RKI? （3-50）
?is(T?is?1)s(T?is?1)希望电流超调量?i ≤ 5%，选 ? =0.707， KI T?i =0.5，则
KI??ci?1 (3-51) 2T?iKi?TlRTR?(l) (3-52)
2Ks?T?i2Ks?T?i
图3-20 校正成典型I型系统的电流环 (a)动态结构图 (b）开环对数幅频特性
模拟式电流调节器电路
Ki?Ri (3-53) R0?i?RiCi (3-54) Toi?U*i —电流给定电压； –?Id —电流负反馈电压；
Uc —电力电子变换器的控制电压。
1R0Coi (3-55) 4
双闭环直流调速系统的设计
