直流电动机控制的毕业设计.doc

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1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘要由于直流电动机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因而在工业场合应用广泛。而随着对电机控制技术要求的不断提高，普通单片机越来越不能满足控制要求，DSP技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持。本文对基于DSP的直流电动机的速度控制系统进行了研究，采用将PI控制算法应用于DSP中的控制方案。文中首先综述了目前国内外直流电动机控制的发展概况及趋势，简要介绍了直流电动机的控制策略，以及DSP芯片的选型。本文采用TI公司的TMS320F2812作为控制器，电机的控制系统由检测装置、主控制器、功率驱动器IPM、光电旋转编码器组成。其中D

2、SP负责对电机的电流和转速反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的运动,功率驱动电路采用三菱公司PM50B5LA060智能功率模块，该模块采用第5代IGBT工艺把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内置有过电压、过电流、过热等故障检测电路,转速和电流调节器采用PI调节算法，在此基础上确定了控制参数的整定方法和电流环、转速环应校正成哪一典型系统。整个硬件系统结构紧凑，工作可靠。本文最后介绍了控制系统的软件设计，要使电机精确地实现预定的运动，控制软件是关键。软件设计了主程序模块，初始化子程序模块以及中断服务子程序模块。其中主程序主要是调用初始化子程序对系统进行初始化，并启动系统中使用的定时器

3、，然后进入循环体，等待系统中断。中断服务程序模块包括A/D采样模块、捕获中断模块、转速电流调节模块、控制算法模块以及故障保护中断模块。关键词：直流电动机 双闭环调速系统 DSP IPM ABSTRACTDC motor has extensive applications in industrial environments due to its excellent performances, while the growing needs for motor control performance. Ordinary MCU doesnt meet the request more and

4、more, because the development of DSP technology provides strong assistance to the implement of advanced control theory and complex control algorithm. This paper discusses the control the speed control system for DC motor and suggested a control scheme that the controller algorithm applies PI to DSP.

5、In the paper, the development of DC motor control in our country and abroad is summarized first and the control methods of DC motor as well as the selections of the DSP types in brief. The solution of digital control system of DC Motor using TIs TMS320F2812 is presented in this paper. Usually, a con

6、trol system consists of displacement measure device, control device, insulation circuit and drive model. DSP is to deal with the displacement signal from the motor and the output of control voltage. Power drive circuit using TI company PM50B5LA060 intelligent power module, this module use the fifth

7、generation IGBT technology power switching device and drive circuit integrated together, but also with over voltage, over electric current, overheating fault detection circuit, etc. The speed and the current regulator use PI algorithm ,in this foundation the controlled variable installation method i

8、s determined and the control parameters determined the setting method and current loop ,rotational speed ring should be to which a typical system calibration. The whole systems hardware has a very compact structure and can operate with high reliability.Finally this paper introduces the control syste

9、m of software design, as a very important role for the accurate motion of DC motor. The system software involves main program module, initialization subprogram module, interrupt service routine module. Interruption module includes A/D sampling module, capture interrupt module, rotational speed to ad

10、just current module, control algorithm modules and failure protection interrupt module. Key words: DC motor double-loop controller DSP IPM 目 录1 绪论11.1 直流电动机调速系统的发展现状与发展趋势11.1.1 直流电动机调速系统的发展现状11.1.2 直流电动机调速系统的发展趋势11.2 直流电动机的调速方法21.3课题研究意义及本文的主要研究内容31.3.1 选题意义31.3.2 本文的主要内容42 DSP控制的数字化直流调速系统原理52.1 直流调

11、速系统PWM控制方式的原理52.2 转速、电流双闭环直流调速系统原理72.3.1 转速、电流双闭环调速系统组成72.3.2 稳态结构图和静特性82.3.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算92.4 双闭环调速系统的动态分析102.4.1 直流电机动态模型102.4.2双闭环直流调速系统的动态结构图112.4.3 转速和电流两个调节器的作用122.5双闭环系统的调节器的设计122.5.1电流调节器的设计132.5.2转速调节器的设计152.6本章小结193 调速系统硬件实现设计203.1 系统组成203.2 主电路213.2.1 主电路电路原理213.2.2主电路参数的计算与器件的选择213.3

12、 IPM_PM50B5LA060模块的介绍223.3.1 IPM模块的选择及其特性223.3.2 IPM_PM50B5LA060的内部结构233.3.3 IPM的外围驱动电路设计233.4 控制电路253.4.1 DSP_TMS320F2812的电路设计253.4.2 速度检测单元的设计303.4.3 电流检测单元的设计323.4.4直流电压检测模块323.4.5 故障保护设计333.5 本章小结334 系统软件设计344.1 主程序结构344.2初始化子程序结构354.3中断服务子程序框图364.3.1定时器中断服务子程序框图364.3.2 故障保护中断服务子程序框图384.3.3 数字PI

13、调节器的设计394.4 本章小结405 总结与展望415.1全文总结415.2工作展望41参考文献42致谢43431 绪论 1.1 直流电动机调速系统的发展现状与发展趋势1.1.1 直流电动机调速系统的发展现状在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电气传动装置。电气传动系统是指以电动机的转矩和转速为控制对象，按照生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统。随着对生产工艺、产品质量要求的不断提高以及产品产量的增长，越来越多的生产机械实现了调速的自动化。电气传动系统可分为直流调速和交流调速。直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治

14、地位。它具有良好的线性调速特性，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启制动和正反转，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性，能满足生产自动化系统中各种不同的特殊运行要求，尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，其至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域有着广泛的应用，是当前调速系统的主要形式。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Wi

15、dth Modulation，简称PWM)控制方式成为绝对主流。而且，计算机技术、电力电子技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。同时，随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法，有不少研究者已经在用DSP作为控制器进行了研究。电机控制是DSP应用的主要领域，随着社会的发展以及对电机控制要求的提高，DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。1.1.2 直流电动机调速系统的发展趋势电动机的数字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、自动控制技术，特别是微控制器技术，现代控制技术是以微控制器为核心的技术，由此构成的控制系统成为当今

16、工业控制的主流系统。这种系统已取代常规的模拟检测、调节、显示、记录等仪器设备和很大部分的人工操作，可以使受控对象的动态过程按规定的方式运行，以完成各种控制、操作管理等任务。进入90年代以来，计算机技术的飞速发展，推动着数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近20年内发生了很大的变化。电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器、FPGACPLD、通用计算机、DSP控制器等现代手段构

17、成的数字控制系统得到了迅速发展。应用先进控制算法，开发全数字化的智能控制运动控制系统将成为新一代控制系统设计的方向。电动机的数字控制系统的发展趋势可以表现在以下几个方面：(1)性能上高速、高精、高效化。速度、精度和效率是工业制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的数字伺服系统，同时采取了改善电机动态、静态特性等有效措施，电机的高速高精高效化已大大提高。(2)控制实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展

18、到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。(3)系统集成化、模块化、网络化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度；硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化；电机联网可进行远程控制和无人化操作；利用计算机组成总线式、模块化、开放式、嵌入式结构。1.2 直流电动机的调速方法直流电机调速方法有三种：(1)调节电枢电压。改变电枢电压来改变转速，属恒转矩调速方法，动态响

19、应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统。本文用DSP作为主控芯片，其具有执行速度快，浮点运算能力强，能够完成较复杂的控制算法的特点。在系统硬件方面，DSP芯片内集成了A/D转换、事件管理器、串口通讯等功能器件使得系统硬件电路设计相对简单，系统可靠性大大提高，系统运行的监控性能也得到了改善，在硬件机制上可以较好地满足任意电动机控制系统的要求。 (2)改变电机主磁通。只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小。(3)改变电枢电路电阻。在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。改变电枢电路电阻的方法的缺点

20、很多，目前很少采用；弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用。因此，自动调速系统以调压调速为主，这也是本论文的设计系统所采用的方法。改变电枢电压主要有二种方式：V-M系统、PWM(脉宽调制变换器)(1)采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统。通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角，进而改变整流电压U的大小，达到调节直流电动机的转速的目的。(2)PWM(脉宽调制)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件的通断实现控制的，通过调节通断时间比例，将固定的直流电源电压变成平均值可调的直流电压。1.3课题研究意义及本文的主要研究内容1.3.1 选题意义以往的直流调速系统控制器采用分立元件，

21、其故障率高，稳定性差，技术落后，很难满足生产的需要。如今，随着计算机技术及通信技术的发展，数字化直流调速系统成为主流。尤其是DSP控制器，它把一个16位定点DSP核和用于控制的外设，大容量的片上存储器集成在单一芯片上，为电动机控制系统注入了新活力。DSP控制器的内部DSP核具有用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好地满足任意电动机控制系统的要求。此外，该类芯片采用CM0S工艺制造，功耗极低；使用片上具有的通信接口，如串行外设接口、CAN接口等，可以方便地实现该系统与其它系统之间的信息交互。基于DSP控制器构成的电动机控制系统具有传统单片机控制系统和专用芯片电动机控制系统的优势，即专用

22、的电动机控制机制、用户可编程、控制能力强、功能强大；同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储器集成在芯片内，可节省印制电路板面积，减少系统中元件的个数，提高CPU的处理能力和系统的可靠性等。另外随着电子制造技术的不断提高，DSP控制器芯片的成本不断下降，到目前为止，单片24xx系列DSP控制器的价格与普通单片机的价格已不相上下,这些都使得DSP控制系统的成本得到了降低。而且，现阶段我国还没有自主的全数字控制的直流调速装置商用，而国外先进的控制器价格又昂贵，因此研究及更好的使用国外先进的控制器，对直流电动机的控制技术和控制方法进行研究，具有重要的实际意义和重大的经济价值。1.3.2 本文的主要内

23、容本课题主要完成以下六方面工作：（1）系统硬件结构整体设计方案：此处采用“电容滤波的三相不可控整流主回路+转速、电流双闭环调速模块+PWM调压模块+IPM功率驱动模块+DSP数字控制”系统。因为DSP具有强大的高速运算能力，其片内集成了丰富的外围部件和I/O资源，所以可以简化控制电路的硬件设计，可以实现各种高速算法和控制策略。整个系统包含三部分，即控制部分、采样部分、驱动部分。（2）DSP控制电路的设计：基于TMS320F2812数字信号处理器（DSP），设计了系统的控制电路和检测电路，并通过软件实现系统的控制。（3）PWM控制方式的设计：本论文采用DSP的PWM触发模块实现对PWM调压调速的

24、触发，并运用IPM（Intelligent Power Module）,即智能功率模块实现DSP与PWM连接的集成，以此来实现数字控制。（4）转速、电流双闭环调速原理分析：分析了双闭环调速系统的组成和动态结构及转速、电流调节器的设计和参数的计算。 （5）调速算法：为了获得良好的静动态特性，转速和电流两个调节器都采用PI调速算法。本文根据PI算法对两个调节器的的传递函数进行了计算。（6）系统软件的设计：根据硬件设计所要实现的功能进行了系统软件的整体设计，依据软件的整体功能设计了各个功能模块的流程图。2 DSP控制的数字化直流调速系统原理2.1 直流调速系统PWM控制方式的原理直流调速系统采用PW

25、M控制方式，下面简要介绍一下其基本原理：直流斩波电路采用的脉宽调制（Pulse Width Modulation PWM）控制技术，实际上就把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。直流斩波电路用PWM斩波器实现，PWM斩波器的工作原理电路及其输出波形如图2-1所示，以下简述一下PWM斩波器的工作原理。（a）电路图 (b)波形图图2-1直流斩波电路假设V1先导通Ton秒，然后又关断T-Ton秒，如此反复进行，可得到图2-1（b）的波形图。则电机电枢端的平均电压Ud为 (2-1)定义为占空比。设定输入电压Ud不变，则通过改变的大小来改变Ud的大小，从而达到调压的目的。根

26、据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：（1）T不变，变Ton脉冲宽度调制（PWM）；（2）Ton不变，变T脉冲频率调制（PFM）；（3）Ton和T都可调，改变占空比混合型。这就是PWM技术的基本控制原理。利用PWM控制技术，可以很好的对直流电机进行直流电压的输出控制。直流PWM系统有可逆和不可逆之分，不可逆是指电动机只能单方向旋转（功率转换器只提供正直流电压）；可逆是指电动机既能反转又能正转，广泛应用于火炮瞄准射击，雷达天线的搜索跟踪和精密机床的进刀和退刀等。可逆直流PWM有三种工作模式：双极模式、单机模式、受限单机模式。双极模式有T型和H型结构。T型双极模式PWM控制的

27、特点：结构简单，仅用两只开关器件，双电源供电，器件受压高，电流始终连续，减小了静摩擦，增大了空载损耗，适用于低压小功率。H型双极模式PWM变换器的特点：开关器件数目多，单电源供电，器件受压低，电流始终连续，减小了静摩擦，增大了空载损耗，电枢两端电压悬浮，不便引出反馈，适用于高压小功率。但是，由于H型桥式可逆PWM变换器是最常用的控制方式，且鉴于设计的需要和使用的方便，本文采用PWM可逆H型双极模式对直流电动机进行调速控制。H型桥式可逆PWM变换器，如图2-2（a）所示，其4个驱动电压波形如图2-2（b）所示。它们之间的关系是：Ub1=Ub4=-Ub2=-Ub3。在一个开关周期内，当t0，Ton

28、）时，Ub1与Ub4为正，VT1与VT4导通，则此时输出电压Uab=US；当tTon，T）时，Ub2与Ub3为正，VT1与VT4截止，由于VD2与VD3的续流作用，VT2与VT3不能马上导通，此时输出电压Uab=-US。因而，在一个周期内，Uab具有正负两种输出电压极性，故称之为双极性输出。由此可以得出桥式可逆PWM变换器的输出平均电压为： (2-2)其中占空比=Ton/T ,若令=2-1，则通过改变的大小就可以改变的输出极性，从而实现电机的正反转。在调速的时候，占空比可以通过改变正负脉冲的脉宽来进行调节，其调节范围为0，1。当1/2时，为正，则Ud为正，此时电动机正转；当1/2时，为负，则U

29、d为负，此时电动机反转；当=1/2 时，此时输出电压为0，电机停转。由此可知，只要控制Ub1、Ub2、Ub3、Ub4的脉冲宽度，就可控制电机的转向和速度，且在电机停转时仍有微震电流，这将有利于正反转静摩擦死区的消除。（a） （b）图2-2 H型可逆PWM变换器双极式控制的桥式可逆PWM变换器优点是：(1)可使电机在四象限运行；(2)电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；(3)低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；(4)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。 2.2 转速、电流双闭环直流调速系统原理在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速

30、启制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速启动，必须使直流电动机在启动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流。当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。2.3.1 转速、电流双闭环调速系统组成双闭环直流调速系统组成结构图如图2-3

31、所示，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；转速环在外面，称作外环，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。ASR转速调速器，ACR电流调节器，FBS光电编码器 ,TA电流互感器， UPE电力电子变换器图2-3 转速、电流双闭环直流调速系统组成结构图双闭环直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由2个独立的调节器控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机的电枢电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机的电枢电流

32、增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和，输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制Idm实现电动机的加速，使电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动；在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。2.3.2 稳态结构图和静特性为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，同时，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

33、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。系统的静态结构图如图2-4所示。图2-4双闭环直流调速系统的稳态结构图在稳态运行时，两个调节器都不饱和。ASR的PI调节作用使转速跟随转速给定，ACR的PI调节作用使电流跟随电流给定。只要调节器输入端的反馈信号不等于给定信号，调节器的输出就会发生变化。当调节器饱和时，输出达到限幅值，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。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。实际

34、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：当转速调节器不饱和： 可得关系式为: (2-3) 从而得到图2-5静特性的CA段。由于ASR不饱和，Ui*Uim*,从上述第二个关系式可知：IdIdm。这就是说，CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id= Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。当转调节器饱和时：这时，ASR输出达到限幅值Uim*，转速外环呈开环状态，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电流单闭环调节系统。稳态时： (2-4)上式中，最大电流I

35、dm是由设计者选定的，取决于电机的允许过载能力和拖动系统的允许最大加速度。上式描述的静特性是图2-5中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于nn0，则UnUn*，ASR将退出饱和状态。图2-5 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim*，这时，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。然而在实际系统中，由于运算放大器的开环放大系数并非无穷大，特别是为了避免零点漂移而采

36、用准PI调节器时，静特性的两段都略有很小的静差，如图2-5中虚线所示。2.3.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图2-4可以看出，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： （2-5） （2-6） （2-7）上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时决定于n和，或者说，同时取决于和。这些关系反应了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入量为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需

37、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： （2-8）电流反馈系数： （2-9）两个给定电压的最大值和由设计者选定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。2.4 双闭环调速系统的动态分析2.4.1 直流电机动态模型额定励磁下他励直流电动机的等效电路图见图2-6。图2-6 直流电动机等效电路图由图2-6可以列出微分方程整理后得： (2-10) (2-11)式(2-10)(2-11)中：电枢回路电

38、磁时间常数； 电力拖动运动系统部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为；电机额定励磁下的转矩电流比，单位为Nm/A； 电力拖动系统机电时间常数，单位为s；包括电机空载转矩在内的负载转矩；负载电流。将上述(2-10)、(2-11)式在零初始条件下进行拉氏变换，整理后可以得到额定励磁电流下直流电动机的动态结构图，见图2-7。图2-7 直流电机动态结构图2.4.2双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-8所示。其中电力电子变换器可以看作是一个滞后环节，其传递函数为Ks/(Tss+1)，电流和转速反馈系数分别为，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露

39、出来。图2-8 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： （2-12） （2-13）PI调节器的输出由两个分量组成，一是比例分量KPUIN,它使输出立即响应输入UIN的变化。二是积分分量：，它能随时间对输入信号不断的积累(这里KP、1分别为PI调节器的比例放大器倍数与积分时间常数)。当突加信号UIN时，相当于放大倍数为KP的比例调节器。当UIN不为零时，积分作用将不断地继续下去，输出积累上升，直到限幅最大值；一旦UIN=0，输出保持在此时的数值上。稳态时PI调节器的放大倍数是它本身的开环放大倍数，极大的

40、开环放大倍数使系统基本无静差。PI调节器在动态时比例分量能迅速反应输入量的变化，对系统立即起调节作用；在静态时积分分量的记忆作用使系统实现无静差，得到较高的调速精度。2.4.3 转速和电流两个调节器的作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可分别归纳如下。1、转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗干扰作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2、电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟

41、随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗干扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用，一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.5双闭环系统的调节器的设计双闭环调速系统的实际结构框图如图2-9所示，它与图2-8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。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节的传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波

42、时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延迟，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便，下面在结构框图简化时再详细分析。图2-9 双闭环调速系统实际结构框图2.5.1电流调节器的设计1、电流环结构框图的化简设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用，如图2-9点画线框内的电流环，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。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速环输出量对

43、电流环的影响。实际系统中的电磁时间常数Tl一般远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似的认为E不变，即E=0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图2-10（a）所示。忽略反电动势对电流环作用的近似条件是： （2-14）式中 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，如图2-

44、10（b）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Ts和Toi一般比Tl小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取其时间常数为： （2-15）则电流环结构框图最终简化成图2-10（c）。简化的近似条件为： （2-16）（a）忽略反电动势的动态影像（b）等效成单位负反馈系统（c）小惯性环节近似处理图2-10 电流环的动态结构框图及其化简2、电流调节器结构的选择首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统，电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典I系统。可

45、电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，为了提高其抗扰性能，又希望把电流环校正成典II系统。一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比TL/TI 10时，典I系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。因此，一般多按典I系统来设计电流环。图2-10（c）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，其传递函数为： (2-17) 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=, 则电流环的动态结构框图可以化简为图2-12所示的典型形式，其中 (2-18)图2-11 校正成典型I型系统的电流环3、电流调节器的参数计算由式（2-17）可以看出，电流调节器的参数是和，其中已选定，即，待定的只有比例系数，可根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量，可取阻尼比=0707，则 (2-19) (2-20)2.5.2转速调节器的设计