直流电气传动它采用直流为动力传动。虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜等，但是由于直流电动机具有良好的起动、制动性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平滑调速。
从直流电动机的工作原理入手，建立双闭环直流调速系统的数学模型，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。
关键词：双臂环；直流调速系统；SimuLink 仿真
第1章 设计目的及意义 . ............................................ 3
第2章 工作原理 . .................................................. 4
2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理 . ............................... 4
2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析 . ............................... 4
2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 . ............................... 6
2.4 双闭环直流调速系统的数学模型 . ................................. 6
2.5 调节器的具体设计 . ............................................. 7
2.6 速度环的设计 . ................................................. 9
2.7 双闭环直流调速系统仿真 . ...................................... 10
第3章 方案设计与论证 . ........................................... 12
第4章 系统硬件与设计 . ........................................... 13
4.1 主电路 . ...................................................... 13
4.2 控制电路 . .................................................... 13
4.3 反馈和保护电路 . .............................................. 14
第5章 心得体会 . .................................................. 16
参考文献 . .......................................................... 17
第1章 设计目的及意义
本设计从直流电动机的工作原理入手，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，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。
转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，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。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；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；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，等等。
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。
第2章 工作原理
2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理
图2.1 双闭环直流调速系统的原理图
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移相信号, 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(堵转电流) 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 双闭环直流调速系统的静特性分析
分析静特性的关键是掌握PI 调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：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ΔU 在稳态时总为零。
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， U n =U n =α⨯n =α⨯n 0 （2-1）
U i =U i =β⨯I d （2-2）
由第一个关系式可得： ***n =U
n =n 0 （2-3）
*从而得到图2.2所示静特性曲线的CA 段。与此同时，由于ASR 不饱和，U i
平的特性。
（2）转速调节器饱和
这时，ASR 输出达到限幅值U im *，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态
*时： U i m I d ==I d m β （2-4）
其中，最大电流I dm 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，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n n 0, 则U n >U n ,ASR 将退出饱和状态。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I dm *时表现为转速无静差, 这时, 转速负反馈起主要的调节作用, 但负载电流达到I dm 时, 对应于转速调节器的饱和输出U im *, 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，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2.2中虚线。 *
图2.2 双闭环直流调速系统的静特性
2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图
首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2-6所示，分析双闭环调速系统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，输出为恒指，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压 U 在稳态时总是为零。
图2.3 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。
2.4 双闭环直流调速系统的数学模型
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构电流调节器的传递函数。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 显露出来。
绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：
图2.4双闭环直流调速系统的动态结构框图
2.5 调节器的具体设计
本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流
电路基本数据如下：
1) 晶闸管装置放大系数Ks=30;
2) 电枢回路总电阻R=0.18Ω;
3) 时间常数：电磁时间常数T1=0.012s;
4) 机电时间常数Tm=0.12s;
5) 调节器输入电阻R0=20Ω;
设计指标：
1) 静态指标：无静差；
2) 动态指标：电流超调量σ%≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量σ%≤15%。
计算反馈关键参数：
α=U *im 15==0. 015V (n n 1000) (3-1)
*U im 12β===0. 026V A λI n 1. 5⨯305 (3-2)
（1）确定时间常数
整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s。电流滤波时间常数: Toi=0.002 s （三
相桥式电路每个波头是时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。按小时间常数近似处理。T ∑i =T s +T o i =0. 0042(Ts和Toi
一般都比Tl 小得多, 可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)
（2）选择电流调节器结构
根据设计要求：σi %≤5%，且
T l 0. 012==2. 86
可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的, 所以把电流调节器设计成PI 型的.
检查对电源电压的抗扰性能:
T l 0. 012s ==3. 24
（3）选择电流调节器的参数
ACR 超前时间常数τi =T i =0. 012s ；电流环开环时间增益:
K i =0. 50. 5==135. 1s -1
T i 0. 0037s ∑ (3-3)
ACR 的比例系数:
K i =K i τi R 135. 1⨯0. 012⨯0. 18==0. 37βK s 30⨯0. 026 (3-4)
（4）校验近似条件
电流环截止频率:ωci =Ki=135.1S-1
1）晶闸管装置传递函数近似条件： ωc i
即 11==196. 1>135. 13T 3⨯0. 0017s s (3-6) 1 (3-5) 3T s
满足近似条件；
2) 忽略反电动势对电流环影响的条件：
ωci ≥即 1, T m T l (3-7)
31=3⨯T m T l 0. 12⨯0. 0012=79. 06s -1〈ωci (3-8)
满足近似条件；
3) 小时间常数近似处理条件：
ωci ≤
即 113T s T oi ， (3-9)
11
3T s T oi 11=161. 69s -1>ωci =30. 0017⨯0. 0025 (3-10)
电流环可以达到的动态指标为：σ%=4. 3%
2.6 速度环的设计
1）确定时间常数
（1）电流环等效时间常数
1=2T ∑i =2⨯0. 0037=0. 0074s (3-11) K 1
（2）转速滤波时间常数Ton=0.014s
T n =2T i +T on =0. 0074+0. 014=0. 0214s ∑(3)转速环小时间常数近似处理∑
(3-12) 2）选择转速调节器结构
按跟随和抗扰性能都能较好的原则, 在负载扰动点后已经有了一个积分环节, 为了实现转速无静差, 还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节, 因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI 调节器。典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。
3）选择调节器的参数
τn =hT ∑n =5⨯0. 0214=0. 107s (3-13)
转速开环增益：
K N =h +15+1==262. 03s -2
22222h T n 2⨯5⨯0. 0214∑ (3-14)
ASR 的比例系数：
K n =(h +1)βC e T m
2h αRT ∑n =6⨯0. 026⨯0. 2⨯0. 12=6. 482⨯5⨯0. 015⨯0. 18⨯0. 0214 (3-15)
（4）近似校验
转速截止频率为：
ωcn =K N
ω1=K N τn =262. 03⨯0. 107s -1=28. 03s -1 (3-16) 11==54. 05s -1>ωcn 5T i 5⨯0. 0037电流环传递函数简化条件：∑
(3-17)
（5）检验转速超调量
当h=5时，σn =37. 6%, 不能满足要求. 按ASR 退饱和的情况计算超调量: ∆C max I R 305⨯0. 18%=81. 2%,∆n n =d ==274. 5C b C e 0. 2，满足设计要求。
2.7 双闭环直流调速系统仿真
双闭环直流调速系统的电流环仿真图如图2.5所示：
图2.5 双闭环调速系统的电流环仿真图
仿真结果如下：
图2.6 转速电流曲线
图蓝线为电机转速曲线，绿线为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。
第3章 方案设计与论证
主电路模块原理框图
图3.1双闭环直流调速系统电路图
主电路模块的主要功能是通过PWM 变换器得到可调的直流电压，为直流电动机供电；检测模块包括转速、电流和温度的检测，转速和电流检测为系统提供转速和电流负反馈的信号；温度检测的目的是为了保护PWM 变换器和电机；键盘、显示与报警模块（由单片机控制）负责转速的给定和实时显示，以及故障的声光报警；通信模块负责DSP 与PC 之间的数据通信，实现系统的计算机监控；DSP 系统是整个系统的核心，它负责整个系统的管理和控制。
第4章 系统硬件与设计
4.1 主电路
电动机的电源控制电路采用桥式整流电路对三相电源进行整流，整流后通过IGBT 对电机的电压进行控制，利用电流互感器对主电路电流进行电流反馈和过电流保护。为了使电路中的电流变得更加平缓，故在主电路当中加入了平波电抗器，变流器在最小输出电流I dmin 时仍能维持电流连续时电抗器电感量L 按下式计算。在三相整流桥当中K 取1.12，则L=200mH。电机的主电路如图4.1所示
图4.1 主电路电路图
4.2 控制电路
图4.2转速调节器PI 环节电路
按所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如下：
0. 03==0. 75μF （4.2） R i 40⨯1000⨯1084T C o i =0i =0. 2μF （4.3） R 0按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为σi%=4.5%
要求。
4.3 反馈和保护电路
电流反馈与过流保护电路的主要功能是检测主电源输出的电流超过某一设定值时发出过流信号切断控制屁输出主电源。
电流反馈与过流保护电路的设计思想是利用电流互感器从电机主电路中获取主电路中电流的参数并反馈到电流调节电路当中，使电路拥有电流反馈和过流保护的作用。电流反馈与过流保护电路如图所示
图4.4 电流反馈与过流保护电路
RP7的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从If 端输出到电流调节器，反馈系数从RP7中进行调节。而过流动作电流的大小设定由RP8的滑动触头位置决定。该电路当中设有过流复位电流，当系统过流后能手动进行复位或让系统通过一段时间后自动复位，当系统过流后能启动报警装置，进行报警系统调试。
对双闭环可逆PWM 直流调速系统进行实验验证。从键盘给系统输入给定的转速值, 通过系统调节和控制, 对电机实际转速进行测量, 将实际测得的转速显示在LED 显示器上。稳态时, 比较给定值和实测值, 结果如表5-1所示。
表5-1 实验结果表
利用MATLAB 软件得仿真结果如图5.1所示
图5.1 双闭环可逆直流脉宽调速系统仿真结果
第5章 心得体会
通过这次课程设计，我对课本上的知识有了一个更加深入的了解，通过实践加深了我对理论知识的了解，也让我更加懂得知识的掌握才是最重要的，也更加明白合作的重要性。
当我看到课程设计题目时，就开始先分好了课程设计的步骤和细节。首先对课程设计作了初步的探讨，制订了一个简略的方案，接下来去图书馆查阅书籍和网上搜集资料，然后经整理分析并结合所学知识，最后制订了一个具体的方案。在设计过程中，积极与同学提供自己的观点，相互促进相互帮助。
在此次课程设计中，我收获了喜悦也遭受过挫折。当我和同学经过合作最终一一解决了遇到的所有问题，我感到无比的高兴，信心倍增。但当我与同学暂时没有想到解决方法时，我们也经历了情绪低落的时候。不过我们没有气馁，而是齐心协力最终顺利完成了此次课程设计。
在此，我要感谢所有给过我指导的老师和帮助过我的同学，没有你们的帮助我们无法顺利完成任务，谢谢。
参考文献
[1] 阮毅，陈维钧. 运动控制系统. 清华大学出版社，2002
[2] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统（第2版）. 机械工业出版，1991
[3] 陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社，1997
[4] 胡崇岳. 现代交流调速技术. 机械工业出版社，2001
[5] 李友善. 自动控制原理，北京：国防工业出版社，1981.
[6] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB 仿真. 北京：中国电力出版社，2004.
[7] 陈国呈编著. PWM变频调速及软件开关电力交换技术. 北京：机械工业出版社，2001.
[8] 陈伯时. 双闭环调速系统的工业设计（讲座）. 冶金自动化.1983
（1）.
[9] 赖寿宏. 微型计算机控制技术，北京：机械工业出版社，1999.