电流与转速双闭环直流调速系统的设计
一、调速系统总体设计
双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。
两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。
由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
图1-1 双闭环调速系统框图
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。这样构成的双闭环直流调速系统。
二、电流、转速调节器的设计
转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图2-1所示：
图2-1 双闭环直流调速系统动态结构图
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。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波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等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。
系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
2.1电流调节器的设计
1.电流环结构框图的化简
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，即E≈0。这时，电流环如图2-2所示。
图2-2电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响）
忽略反电动势对电流环作用的近似条件是
式中ωc-------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，同时把给定信号改成U*i(s) / ，则电流环便等效成单位负反馈系统。
图2-3电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统）
最后，由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为
T∑i = Ts + Toi
查表1得，三相桥式电路的平均失控时间为，电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即。（0.002s）
电流环小时间常数之和（0.0037s）
简化的近似条件为
电流环结构图最终简化成图2-4。
图2-4电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理）
2电流调节器结构的选择
根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：
式中 Ki — 电流调节器的比例系数；
i — 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τi=Tl
则电流环的动态结构图便成为图2-5所示的典型形式，其中
a) b)
图2-5 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
电枢回路电磁时间常数 Tl=0.015s。（0.02541s）
检查对电源电压的抗扰性能：，（37！6.867）参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表2，可知各项指标都是可以接受的。
3.电流调节器的参数计算
（0.006666）
（0.444）
电流调节器超前时间常数：。
电流环开环增益：要求时，按表3应取ξ=0.707，，
因此 （135.1）
ACR的比例系数为（0.189999）
4.检验近似条件
电流环截至频率：
机电时间常数
晶闸管整流装置传递函数的近似条件
****
满足近似条件。
忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
****
满足近似条件。
电流环小时间常数近似处理条件
****
满足近似条件。
5.计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图2-6所示：
其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。
图2-6 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
由图2-6，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为
，取
，取
，取
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为（见表3），满足设计要求。
2.2转速调节器的设计
1.电流环的等效闭环传递函数
电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-5a可知
忽略高次项，上式可降阶近似为
近似条件可由式求出
式中 cn ----- 转速环开环频率特性的截止频率。
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为
2.转速调节器结构的选择
电流环的等效闭环传递函数为
用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-7所示。
图2-7转速换的动态结构框图及其化简（用等效环节代替电流环）
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 U*n(s)/，再把时间常数为1/KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节。
其中电流环等效时间常数，（0.0074s）
则转速环节小时间常数 （0.0074+0.01=0.0174S）
则转速环结构框图可简化为图2-8
图2-8转速换的动态结构框图及其化简
（等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理）
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为
式中 Kn ---- 转速调节器的比例系数；
n ---- 转速调节器的超前时间常数。
这样，调速系统的开环传递函数为
令转速环开环增益为
则
不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-9
图2-9转速换的动态结构框图及其化简
（校正后成为典型Ⅱ型系统）
3.计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为
（5*0.0174=0.087s）
转速开环增益（396.4）
ASR的比例系数为（11.7）
4.检验近似条件
转速环截止频率
1）电流环传递函数简化条件为
满足简化条件。
2）转速环小时间常数近似处理条件为
满足简化条件。
5.计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-10所示：
图2-10 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器的给定电压。
取，则
，取
，取
，取
6.校核转速超调量
查表4 当时，，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
7.按ASR退饱和重新计算超调量
过载倍数λ=2（1.5），理想空载转速时，z=0
查表4得，h=5时，△Cmax/Cb=81.2%，则
2*0.812*1.5*（15*1/0.0633/1500）*0.0174/0.5569=0.012能满足设计要求。
8.计算过渡过程时间ts
由转速调节器退饱和时转速超调量的计算可知
0.
0.3393s
过渡过程时间ts应比t2略大，因此ts会略大约0.1s。由于实际系统设计时，一般都会留有一定的安全裕量，所以ts略大约0.1s也能满足设计要求。
三、总结
通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对
课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。
附录
表1各种整流电路的失控时间（f=50Hz）
表2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
已选定的参数关系KT=0.5
表3 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系
表4 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
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