按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统

按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统摘要：本文详细阐述了按工程设计方法设计转速、电流双闭环直流调速系统的过程。首先介绍了双闭环直流调速系统的基本组成和工作原理，然后分别对转速环和电流环进行了工程设计，包括调节器结构的选择、参数的计算等，最后通过仿真验证了系统设计的有效性，为实际的直流调速系统设计提供了重要的参考依据。一、引言直流调速系统在工业生产中有着广泛的应用，转速、电流双闭环直流调速系统能够有效地提高调速性能，满足生产过程对速度控制的要求。工程设计方法是一种实用且有效的设计手段，能够快速、准确地设计出满足性能指标的控制系统。二、双闭环直流调速系统的基本组成和工作原理（一）基本组成双闭环直流调速系统由转速环和电流环组成。转速环以转速调节器ASR为核心，电流环以电流调节器ACR为核心，还包括测速发电机TG、电流互感器TA、晶闸管触发装置GT、晶闸管整流器UR以及直流电动机M等。（二）工作原理1.电流环：电流环是调速系统的内环，其作用是对电枢电流进行快速调节。当有负载扰动时，能迅速响应，使电枢电流保持稳定。电流调节器根据给定电流信号与实际电流反馈信号的偏差进行调节，输出控制信号给晶闸管触发装置，改变晶闸管的触发角，从而调节电枢电压，稳定电枢电流。2.转速环：转速环是调速系统的外环，其作用是对电动机转速进行调节。转速调节器根据给定转速信号与实际转速反馈信号的偏差进行调节，其输出作为电流环的给定信号，通过电流环的调节来实现转速的稳定控制。三、转速环的工程设计（一）转速环调节器结构的选择转速环是典型的转速电流双闭环调速系统中的外环，通常选用PI调节器。PI调节器既能保证系统有足够的稳态精度，又能提供一定的阻尼比，改善系统的动态性能。（二）转速环小时间常数的近似处理1.电磁时间常数：电动机电枢回路电感L和电阻R构成电磁时间常数$T_l=\frac{L}{R}$，由于一般直流电动机电枢电感较小，电磁时间常数相对较小，可近似忽略。2.机电时间常数：电动机的飞轮惯量$GD^2$和转速$n$以及转矩$T$的关系为$T=\frac{GD^2}{375}\frac{dn}{dt}$，机电时间常数$T_m=\frac{GD^2}{375C_eC_T}$，其中$C_e$、$C_T$分别为电动势系数和转矩系数。在工程设计中，可根据具体情况对机电时间常数进行适当简化处理。（三）转速环截止频率的计算根据调速系统的性能指标要求，如调速范围、静差率等，确定转速环的截止频率$\omega_{cn}$。一般可通过经验公式或根据系统的动态响应要求进行估算。（四）转速环PI调节器参数的计算1.比例系数：$K_{p1}=\frac{\omega_{cn}}{2\zeta_1}$，其中$\zeta_1$为转速环的阻尼比，通常取$\zeta_1=0.707$。2.积分时间常数：$T_{i1}=\frac{1}{\omega_{cn}}$。四、电流环的工程设计（一）电流环调节器结构的选择电流环是转速、电流双闭环调速系统的内环，通常选用PI调节器。PI调节器可以消除稳态误差，提高系统的抗干扰能力。（二）电流环小时间常数的近似处理1.晶闸管触发与整流装置的滞后时间常数：$T_s$，根据晶闸管整流装置的类型和参数确定，一般较小。2.电流滤波时间常数：$T_0$，由电流互感器TA和滤波电路的参数决定。（三）电流环截止频率的计算同样根据系统性能指标要求确定电流环的截止频率$\omega_{ci}$，通常$\omega_{ci}=(35)\omega_{cn}$。（四）电流环PI调节器参数的计算1.比例系数：$K_{p2}=\frac{\omega_{ci}}{2\zeta_2}$，其中$\zeta_2$为电流环的阻尼比，一般取$\zeta_2=0.707$。2.积分时间常数：$T_{i2}=\frac{1}{\omega_{ci}}$。（五）电流环传递函数的推导经过上述参数计算，可推导出电流环的传递函数，进一步分析电流环的动态性能，如超调量、调节时间等。五、系统仿真验证（一）仿真模型的建立利用Matlab/Simulink软件建立转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型。模型中包括转速调节器、电流调节器、晶闸管触发与整流装置、直流电动机等模块，按照前面设计的参数进行设置。（二）仿真结果分析1.转速响应：给系统施加给定转速信号，观察转速的响应曲线，分析系统的调速范围、稳态精度和动态响应特性，如上升时间、超调量、调节时间等。2.电流响应：观察电枢电流在给定转速变化或负载扰动时的响应情况，验证电流环对电枢电流的快速调节能力。通过仿真结果可以验证按工程设计方法设计的转速、电流双闭环直流调速系统能够满足预期的性能指标要求。六、结论本文按工程设计方法完成了转速、电流双闭环直流调速系统的设计。通过对转速环和电流环的工程设计，合理选择