双闭环直流调速系统的研究

摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。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，借助单片机89S51芯片建立了控制设计系统,设计了一套实验用双闭环可逆直流脉宽调速系统，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。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。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用Simulink进行动态数字仿真，同时查看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。关键词：脉宽调制；直流调速；PI调节；Matlab仿真AbstractDCspeedcontrolsystemwithawidespeedrange,highaccuracy,gooddynamicperformanceandeaseofcontrol,etc.,sogetusedwidelyinelectricdrive.FromthestartofDCmotorworks,themathematicalmodelofdouble-loopDCspeedcontrolsystem,andadetailedanalysisoftheprincipleandthestaticanddynamicpropertiesofthesystem.Thenfollowtheprincipleofautomaticcontrol,withtheestablishmentofacontrolmicrocontroller89S51chipdesignsystem,asetofexperimentsdesignedwithreversibledouble-loopDCPWMspeedcontrolsystem,andadetailedanalysisoftheprinciplesofthesystemanditsstaticanddynamicperformanceofthesystemandtheuseofSimulinktosetvariousparametersofthesimulation.Designparametersfordouble-loopspeedcontrolsystemanalysisandcalculation,thesystemusingSimulinktosetvariousparametersofthesimulation,thesimulationobtainedparametertuningbasis.Onthebasisoftheoreticalanalysisandsimulationstudies,wedesignanexperimentalrealizationwithdouble-loopDCspeedcontrolsystem,detailingthesystemmaincircuit,thefeedbackcircuit,triggercircuitandcontrolcircuit.Theperformanceindicatorsystemwasexperimentallytested,indicatingthatthedesignofthedual-loopspeedcontrolsystemisstableandreliable,andhasgoodstaticanddynamicperformance,meetthedesignrequirements.ControlusingMATLABsoftwaretoolboxfordouble-loopDCmotorspeedcontrolsystemiscomputer-aideddesign,anduseSIMULINKdynamicdigitalsimulation,whileviewingthesimulationwaveforms,speedcontrolsysteminordertoverifythefeasibilityofthedesign.Keywords:pulsewidthmodulation；DC；PIregulation；Matlabsimulation目录1.绪论.11.1课题研究背景和意义.11.2课题国内外研究现状.11.3本课题研究的方法.32.系统理论分析研究.42.1系统设计.42.1.1PWM概述.42.1.2脉宽调制变换器.52.1.3桥式可逆PWM变换器.62.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成.72.2.1双闭环调速的工作过程和原理.82.2.2双闭环直流调速系统的静特性.92.3转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型.112.3.1双闭环直流调速系统的数学模型的建立.112.3.2起动过程分析.112.3.3动态抗干扰性分析.142.4电流环的设计.142.5转速环的设计.152.6采样周期选择选择.173.系统硬件电路设计.183.1主电路设计.183.2控制电路设计.193.3驱动电路设计.193.4系统反馈检测电路设计.203.4.1电流反馈检测电路.203.4.2速度检测反馈电路.213.4.3系统限幅电路设计.223.5光电隔离电路设计.224.软件设计.234.1流程图设计.235.双闭环直流调速系统仿真.255.1Matlab简介.255.2双闭环调速系统的仿真.26结论.28参考文献.29附件.30附录I系统硬件电路原理图.30翻译部分.31英文原文.31中文译文.35致谢.381.绪论1.1课题研究背景和意义在当今科学技术飞速发展的情境下，工业生产中的电动机是设备动力的主要驱动设备，然而电动机的转速的要求也是越来越高，所以电动机转速的调节成为一个研究的主流课题。当前，在直流电动机的调速方面已经有了很大的成果，在直流电动机的拖动系统中已开始了利用晶闸管的装置向电动机供电实现动力设备的拖动系统。然而又伴随着电子技术的高度发展，使得直流电机调速的方式逐步的实现从模拟化向数字化的转变，特别是单片机、DSP等微处理器技术的应用，使直流电机调速技术又迈了一个新台阶，智能化、稳定性和可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速的基本原理相对于交流电机调速来讲要简单很多，通常是通过改变电机的电压来改变电机的转速。调节电机的电压有很多方法，PWM脉宽调制是一种最常见的方法，通过调节电机的输入占空比从而达到控制电机的输入平均电压，进而控制电机的转速。脉宽调制（PWM）控制电机转速的基本原理在上世纪的八十年代的时候就已经被提出了，但是由于当时电力电子器件的发展水平还是很有限的，阻碍了脉宽调制（PWM）控制被很好地利用于电机调速系统。直到进入本世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，脉宽调制（PWM）控制技术才真正地被用到电机调速系统中。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，脉宽调速系统的控制技术更是如虎添翼获得了空前的快速发展，到目前为止，已经出现了很多种PWM控制技术。转速和电流的双闭环直流调速系统是性能很好，是目前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。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。1.2课题国内外研究现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场的控器件IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。早期直流传动的控制器由模拟器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。20世纪70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用,如AT89C51等。在单片机控制系统中,单片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输入/输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。微机出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展,微机的性能越来越高,价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，同时使得电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好,但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题。直流电机脉宽调速控制是电气传动发展的主要方法之一。20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。1.3本课题研究的方法本文研究的课题首先从直流电动机的工作原理入手，理解双闭环直流调速系统的工作原理并建立数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。构建直流电机脉宽调速系统的硬件系统设计，主要包括89S51单片机控制电路、速度检测电路、电流检测电路，双闭环PI调节控制器的设计。然后根据硬件设计的内容设计出软件流程图并给出控制系统的软件源程序，最后对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，学习了解Matlab软件，并借助Matlab中的Simulink功能模块对直流电动机双闭环控制系统进行建模仿真研究。2.系统理论分析研究2.1系统设计直流电动机调速的方法常见的方法有三种。它们分别是：改变电枢回路电阻R，改变电动机主磁通，调节电枢供电电压U。第一种方法：在电动机电枢回路外串电阻R进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。第二种方法：改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速也称弱磁调速，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。If变化时间遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。第三种方法：改变电枢电压U主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。比较以上三种方法，改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。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。因此，改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，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。故本次设计采用第三种方法。2.1.1PWM概述自从全控型整流电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。PWM系统在很多方面有较大的优越性，主要表现在以下方面:（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右；（3）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；（4）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。综述以上所述的优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM调速系统的应用日益广泛。2.1.2脉宽调制变换器在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触电控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调制变换器。直流斩波器-电动机系统的原理如下图2.1所示。MUsLVDVT图2.1直流斩波器-电动机原理图其中VT用开关符号表示任何一种电力电子器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形U=f（t），如下图2.2所示，电源电压Us在ton时间内被接上，又在T-ton内被斩断，所以称为“斩波”，这样就可以得到电机的平均电压公式为：（3-1）ondsst=UUT式中T为功率开关器件的开关周期，ton为开通时间，为占空比。UsTUdtonUt图2.2直流斩波器-电动机波形图脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。2.1.3桥式可逆PWM变换器可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式也被称为H型电路，如下图2.3所示。图2.3桥式可逆PWM变换器双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图2.4所示。图2.4双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形图它们之间的关系是：。在一个开关周期内，当时，1423-ggUU0tonTabU转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。=2图3.4所示的波形是电动机正转时的情况。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：（3-2）(1)ononondssstTttUU若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时,的可调范围为01，相应的，21。当时,为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；()1212当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽0相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低。2.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短短启动、制动过程的时间，达到理想的过渡过程，完成时间最优控制。即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。对于恒磁通的他励直流电动机而言，转矩控制就成为了电流控制。转速负反馈控制系统，系统的被调节量时转速，所检测的误差是转速，它要消除的也是扰动对转速的影响，不能控制电流（或转矩）的动态。而电流截止负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速反馈作为外环的双闭环调速系统。转速、电流双闭环直流调速系统框图如图2.5所示。MTGASRCUPEnIicd*制图2.5转速、电流双闭环直流调速系统框图图中ASR为转速调节器、ACR为电流调节器、TG为测速发电机、TA为电流互感器、UPE为电力电子变换器、为转速给定电压、为转速反馈电压、为电流给定电压、*nUnU*iU为电流反馈电压。iU2.2.1双闭环调速的工作过程和原理双闭环调速系统的工作过程和原理如下阐述。电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出信号。直流电压迅速上升，电流也随即增大，直到等于最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数，还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节，可以在电动机转速还未来得及发生改变时，迅速使电流恢复到原来值，从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。2.2.2双闭环直流调速系统的静特性分析双闭环直流调速系统的静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。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的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。双闭环直流调速系统的稳态结构框图如下图2.6所示。图2.6双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，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。（1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，（3-3）*0nUn（3-4）iidI由第一个关系式可得：（3-5）*0nU从而得到图3.7所示的静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，可知，这就是说，CA段特性从理想空载状态的一直延续。*iimUdmI0dI而，一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的dIdnI特性。（2）转速调节器饱和这时，ASR输出达到最大的幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再imU产生影响。双闭环系统变成了一个电流成了无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：（3-6）*iddII其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，dmI由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的情0n况，因为如果,则,ASR将退出饱和状态。0n*nU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dmI起主要的调节作用，但负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时电dIimU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。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2.7中虚线。图2.7双闭环直流调速系统的静特性（3）各变量的稳态工作点和稳态参数计算由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：（3-7）*iiddlUI（3-8）0endldedcsssCUIRnIRKK上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定，ASR的输出量是*nU*iU由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于dlIcUdI和。PI调节器输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，*nUl输出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。反馈系数主要包括转速反馈系数和电流反馈系数，分别见公式（3-9）和（3-10）。（3-9）*maxnU（3-10）*idI两个给定电压的最大值、由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和稳压*nmi电源的限制。2.3转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的原则是先内环后外环。先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似；然后根据电流环控制要求确定把电流环校正为哪类典型系统；按照控制对象确定电流调节器的类型及参数；再根据电流调节器的参数计算电流调节器的电路参数；当用微机实现数字控制时，按照此参数设计数字调节器。电流环设计完后，把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环也就是外环的一个组成部分，再用同样的方法设计转速环。2.3.1双闭环直流调速系统的数学模型的建立双闭环调速系统的动态结构框图见下图2.8所示，图中虚线所框的是电流环部分，它的反馈信号是电流检测信号，由于电流检测信号中常含有交流分量和检测干扰信号，为了不使它影响到系统的性能，必须加低通滤波环节，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T按需要选定。但滤波器也会给反馈信号带来延迟，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个相同的惯性环节，称作给定滤波环节。因此，需要在电流环的给定与反馈通道上加时间常数为的滤波环节，同样在转速oiT环的给定与反馈通道上加时间常数为的滤波环节。onASRACR()nUs()Ns1oT1oiTs1sKT/1cRs/1eSCTe1onTs-oi()dLIE(s)-+电流环调速环图2.8双闭环调速系统的动态结构框图2.3.2起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速调节器输出电压、gnUgiU电流调节器输出电压、可控整流器输出电压、电动机电枢电流和转速n的动态KUdI响应波形过程如图2.9所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的、三个阶段。图2.9双闭环直流调速系统起动过程的电压、电流、转速波形第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压时，由于电动机的机电惯性较大，电gnU动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压，这时，很大，使ASR0fngfnU的输出突增为，ACR的输出为，可控整流器的输出为，使电枢电流迅速增加。gioUko0dI当增加到（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达LI到限幅值，从而使电枢电流达到所对应的最大值（在这过程中、的下降是gimmIkUd由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即gimfimUI式中，为电流反馈系数。速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，mI这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流保持恒定值，即系统的加mI速度为恒值，所以转速n按线性规律上升，由nCRIUead知，也线性增加，dntdU这就要求也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整kU流环节也不应该饱和。第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压与转速负反馈电压相平衡，输入偏差等于零。但gnUfnn其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在以最大电流下加速，使gimmI转速超调。超调后，、，使ASR退出饱和，其输出电压（也就是ACR的给0f定电压）才从限幅值降下来，与也随之降了下来，但是，由于仍大于负载电giUkd流LI，在开始一段时间内转速仍继续上升。到时，电动机才开始在负载的阻力下LI减速，知道稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使尽快地跟随ASR输出的变化。IgiU稳态时，转速等于给定值，电枢电流等于负载电流，ASR和ACR的输入偏差nILI电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为:LfigiACR的输出电压为:sLgekKRInCU由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。（2）转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。2.3.3动态抗干扰性分析一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。1抗负载扰动由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。2抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。在图3.8所示的双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会小得多。2.4电流环的设计本设计采用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器。原则是先内环后外环。即先进行电流环的设计，再进行转速环的设计。已知系统中直流电动机的主要数据如下：额定功率：=1.5kW；额定电压：=156V；ePeU额定电流：=11.5A；额定转速：=1000r/min；In电枢回路总电阻=2.4；电磁时间常数：=0.004s；R1T机电时间常数：=0.07s；电动势系数：=0.144V/(rmin)；mTC将电流环按I型系统校正，电流调节器应为PI调节器，电流调节器的传递函数为：)1(isiTkL电流环简化动态结构图如下图所示：giu1fiTSiucu1()ifiKTSSKT1LRTSgiui(1)iKIST电流环简化动态结构图参数选择：按典型I型系统的校正要求，应选择：0.004sLTi0.00075sfisi取阻尼比=0.707；电流环的开环截止频率，因为电流环的开环增益，即iTW21ci67ciIWKciikRs所以电流调节器的比例系数为：3.16.2407kisciT2.5转速环的设计当速度环截止频率时，电流环的等效传递函数近似为：cWiT21isuagi1)(将转速环校正成典型II型系统，转速调节器也是PI调节器，设其传递函数为：)(nsTKS则速度环结构图如下图所示：gnu1()nKTSgiu12iTSdlin1fnTS()nRTtgnu2(1)nKNSTn速度环的简化动态结构图参数选择：电流环等效惯性时间常数为0.0015s；iT2速度反馈回路的滞后时间为0.001s；fn速度环的小时间常数为0.0025s；fni按跟随性能和抗扰性能要求，取中频宽；5h则积分时间常数为0.0125s；nnT速度开环增益770；nNh21k速度调节器的比例系数8.6RTlkmeNn2.6采样周期选择选择由采样周期的经验公式来选择电流环、速度环的采样周期。其中，为采cSW10sW样角频率，为系统开环频率特性的截止频率。cW系统电流环的开环截止频率，选取电流环的采样频率为，得电流67ci670si环采样周期s；速度环的开环截止频率,选取速094.21siIT124ncnTW度环采样周期s.26.snNW以上对各个控制闭环的采样周期的选择，只是确定了他们能保证一定控制性能指标的大致范围。在微型计算机对信息和数据进行处理的能力允许范围内，进一步提高各控制闭环的采样频率，这对系统性能指标的提高是有利的。在这里我们初选：ms,.50ITms.1NT3.控制算式和运算流程图电流环数字控制算式求取如下：将(1)式，写成微分方程的形式：)(1)(tt0deTtkuiIic）（按选定的采样周期,将上述方程离散成差分方程式：)1()()()(kuekkciic式中，iiT1I将各参数带入上式得（2）)1()(3.1)(46.)(kuekuciic上式即可供编程的电流控制器算式，它是全量输出，输出对应着线性关系，PWM控制信号的占空比。需要特别指出的是，控制输出的初始值设定不能设定为0，而)(c)0(cu应该设定为1000，因为前面曾经指出，电流调节器的控制输出为1000时对应PWM控制信号的占空比为0.5，输出平均电压为0，所以在初始状态为1000，即=1000.)(kuc)(c同理，可推导出速度控制器算式为)1()()()