專業： 應用電子技術
班級： 應用電子1班
學號： 32
姓名： 吳嘉鑫
設計題目：雙閉環直流調速系統
2023年11月
摘要本文主要針對《交直流傳動控制系統》這門課程中關於雙閉環直流調速系統的特點，結構和動態過程的分析，對該系統進一步了解與學習。在電氣時代的今天，電動機在工農業生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。
研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節約能源等都具有重要意義。電機調速問題一直是自動化領域比較重要的問題之一。不同領域對於電機的調速效能有著不同的要求，因此，不同的調速方法有著不同的應用場合。
電力拖動自動控制系統是把電能轉換成機械能的裝置，它被廣泛地應用於一般生產機械需要動力的場合，也被廣泛應用於精密機械等需要高效能電氣傳動的裝置中，用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉矩等。
關鍵字：直流調速電機雙閉環
1 緒論
直流調速系統，特別是雙閉環直流調速系統是工業生產過程中應用最廣的電氣傳動裝置之一。在工業生產中,需要高效能速度控制的電力拖動場合,直流調速系統,特別是雙閉環直流調速系統發揮著極為重要的作用。廣泛地應用於軋鋼機、冶金、印刷、金屬切削工具機等許多領域的自動控制系統中。
它通常採用三相全控橋式整流電路對電動機進行供電，從而控制電動機的轉速，傳統的控制系統採用模擬元件，如電晶體、各種線性運算電路等，在一定程度上滿足了生產要求。
直流電動機和交流電動機相比，其製造工藝複雜，生產成本高．維修困難，需備有直流電源才能使用。但因直流電動機具有寬廣的調速範圍，平滑的調速特性，較高的過載能力和較大的起動、制動轉矩，因此被廣泛地應用於調速效能要求較高的場合。在工業生產中，需要高效能速度控制的電力拖動場合，直流調速系統發揮著極為重要的作用，高精度金屬切削工具機，大型起重裝置、軋鋼機、礦井捲揚、城市電車等領域都廣泛採用直流電動機拖動。
特別是閘流體一直流電動機拖動系統，、具有自動化程度高、控制效能好、起動轉矩大，易於實現無級調速等優點而被廣泛應用。雙閉環調速系統是由單閉環自動調速系統發展而來的。它通過轉速和電流兩個調節器分別引入轉速負反饋和電流負反饋，並構成雙閉環系統。
從而有效的改善電機效能。該系統主要由給定環節、asr、acr、觸發器和整流裝置環節、速度檢測環節以及電流檢測環節組成。為了使轉速負反饋和電流負反饋分別起作用，系統設定了電流調節器acr和轉速調節器asr。
電流調節器acr和電流檢測反饋迴路構成了電流環；轉速調節器asr和轉速檢測反饋迴路構成轉速環，稱為雙閉環調速系統。
2 雙閉環直流調速系統
一，雙閉環直流調速系統的組成結構與原理
雙閉環調速系統是建立在單閉環自動調速系統上的，實際的調速系統除要求對轉速進行調整外, 很多生產機械還提出了加快啟動和制動過程的要求,這就需要乙個電流截止負反饋系統。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統中設定兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行巢狀連線。即把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制閘流體整流器的觸發裝置。
從閉環結構上看，電流環在裡面稱內環；轉速環在外面稱外環。這就構成了轉速、電流雙閉環調速系統。
圖1 調速、電流雙閉環直流調速系統
為了獲得良好的靜、動態效能，轉速和電流兩個調節器一般都採用pi調節器，這樣構成的雙閉環直流調速系統的電路原理圖如圖2所示。圖中標出了兩個調節器輸入輸出電壓的實際極性，它們電力電子變換器的控制電壓uc為正壓的情況標出的，並考慮到運算放大器的倒相作用。
圖2 雙閉環直流調速系統電路原理
二，採用轉速電流雙閉環的理由
在要求較高的調速系統中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動；二是能夠快速克服負載、電網等干擾。通過分析發現，如果要求快速起動，必須使直流電動機在起動過程中輸出最大的恆定允許電磁轉矩，即最大的恆定允許電樞電流，當電樞電流保持最大允許值時，電動機以恆加速度公升速至給定轉速，然後電樞電流立即降至負載電流值。
如果要求快速克服電網的干擾，必須對電樞電流進行調節。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環調速系統。而且轉速、電流雙閉環直流調速系統在突加給定下的跟隨效能、動態限流效能和抗擾動效能等，都比單閉環調速系統好。
三，雙閉環調速系統的動態數學模型
在工程實踐中,雖然交流電動機結構簡單、**便宜、製造方便、維護容易。但由於直流電動機雙閉環調速系統在理論和實踐上都比較成熟,具有極好的執行和控制效能,在工業生產中仍占有相當的比例,其雙閉環調速系統結構如圖3所示。由於在起動過程中轉速調節器asr經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態過程就分成圖中標明的i、ii、ⅲ三個階段。
圖3 雙閉環直流調速系統的動態結構框圖
3 課程設計任務與要求
一，課程設計指標
某閘流體供電的雙閉環直流調速系統，整流裝置採用三相橋式電路基本資料如下：
1，直流電動機：220v，136a，1460r/min, ,允許過載倍數
2，閘流體裝置放大係數ks=40;
3，電樞迴路總電阻r=0.5ω;
4，時間常數：電磁時間常數tl=0.03s; 機電時間常數tm=0.18s;
5，電流反饋係數
6，調節器輸入電阻r0=20ω;
7，轉速反饋係數
二，課程設計基本要求
1，根據題目的技術要求，分析並確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成。
2，動態設計計算：根據技術要求，對系統進行動態校正，確定asr調節器與acr調節器的結構型式及進行引數計算，使調速系統工作穩定，並滿足動態效能指標的要求。
3，繪製v-m雙閉環直流不可逆調速系統的電氣原理總圖（要求計算機繪圖）。
4，要求電流超調量，轉速無靜差，空載起動到額定轉速時的轉速超調量。試按工程設計方法設計轉速調節器，並校驗轉速超調量的要求能否得到滿足。
5，整理設計資料資料，撰寫設計計算說明書。
4 控制系統設計
一，系統的設計
按照「先內環後外環」 的設計原則，從內環開始，逐步向外擴充套件。在這裡，首先設計電流調節器，然後把整個電流環看作是轉速調節系統中的乙個環節，再設計轉速調節器。
（1）電流調節器的設計
確定時間常數：
①整流裝置滯後時間常數；ts=0.0017s。
②電流濾波時間常數: toi=0.002 s（三相橋式電路每個波頭是時間是3.
3ms，為了基本濾平波頭，應有toi=3.33ms，因此取toi=2ms=0.002s）。
③按小時間常數近似處理。(ts和toi一般都比tl小得多,可以當作小慣性群近似地看作是乙個慣性環節)
選擇電流調節器結構：
根據設計要求： %5%，可按典型ⅰ型設計電流調節器。電流環控制物件是雙慣性型的,所以把電流調節器設計成pi型的.
檢查對電源電壓的抗擾效能:
計算電流調節器的引數：
acr超前時間常數；
電流環開環時間增益:要求時，應取，因此
所以，acr的比例係數:
校驗近似條件：
電流環截止頻率:
①閘流體裝置傳遞函式近似條件：
即 滿足近似條件；
② 忽略反電動勢對電流環影響的條件：
即 滿足近似條件；
③ 小時間常數近似處理條件：
即 滿足近似條件；
按所用運算放大器取=40，各電阻和電容值為
取40取
取含濾波環節的pi型電流調節器
按上述引數，電流環可以達到的動態指標為：，也滿足設計要求。
電流調節器的實現：
含給定濾波和反饋濾波的模擬式pi型電流調節器原理圖如圖4所示：
圖4 模擬式pi型電流調節器原理圖
（2）轉速環的設計
確定時間常數：
①電流環等效時間常數
②轉速濾波時間常數ton=0.01s
③轉速環小時間常數近似處理
選擇轉速調節器結構：
按跟隨和抗擾效能都能較好的原則,在負載擾動點後已經有了乙個積分環節,為了實現轉速無靜差,還必須在擾動作用點以前設定乙個積分環節,因此需要ⅱ 由設計要求，轉速調節器必須含有積分環節，故按典型ⅱ型系統—選用設計pi 調節器。
選擇調節器的引數：
轉速開環增益：
kasr的比例係數：
近似校驗
轉速截止頻率為：
①電流環傳遞函式簡化條件為
滿足簡化條件
②轉速環小時間常數近似處理條件為
滿足近似條件
計算調節器電阻和電容，根據圖所示，取，則：取取取
雙閉環直流設計方案
目錄摘要 3 第一章轉速電流雙閉環直流調速系統的組成及原理 4 1.1轉速電流雙閉環直流調速系統的組成及其靜特性 4 1.2轉速電流雙閉環直流調速系統的組成 4 第二章系統的組成以及電路圖 5 2.1 系統的組成 5 第三章主電路的設計 5 3.1 主電路的組成 5 3.2主電路元器件的選型及引數計...
轉速單閉環直流調速系統設計
題目 單閉環不可逆直流調速系統設計 單閉環不可逆直流調速系統最終能較好地執行，從零開始加給定電壓，速度從零開始上公升，系統能夠正常地啟動，使速度公升至給定的速度值。如果從零開始公升速啟動的過程 現了過流報警現象，而此時的轉速並不高，負荷也不是很大的時候，我認為這時雖然各個單元都已經除錯好，但並不等於...
V M雙閉環不可逆直流調速系統設計 個人製作
電力拖動綜合課程設計 專業班級學號姓名設計題目 v m雙閉環不可逆直流調速系統 2011年1月 目錄摘要 ii 第一章緒論 1 第二章課程設計任務與要求 2 2.1 課程設計簡介 2 2.2 課程設計基本要求 2 第三章控制系統設計 3 3.1 轉速 電流雙閉環直流調速系統的組成 3 3.2 雙閉環...