直流电机的转速电流双闭环控制

直流电机的转速电流双闭环控制

摘 要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。两个PI调节器都采用集成运放实现。其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。 关键词：电流环；转速环；PI调节器

The Rotate Speed and Current Double Closed Loop

Feedback Control for DC Motor

Abstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC motor.The major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating stably.yields making the DC motor started rapidly with the largest load current.It is the same to starting rapidly with the largest accerelation.Simultaneous,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the task.The priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop.

Key word: current feedback loop; rotate speed feedback loop;PI regulator

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目 录

摘 要???????????????????????????????1 1 引言???????????????????????????????3 2电机的供电电源??????????????????????????5 2.1三相桥式整流电源????????????????????????5 3转速、电流双闭环系统的静态结构??????????????????9 3.1转速、电流双闭环直流调速系统的构成???????????????9 3.1.1 双闭环系统的结构框图?????????????????????9 3.1.2 稳态结构框图和静态特性????????????????????10 4双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析???????????12 4.1 双闭环直流调速系统的数学模型?????????????????12 4.1.1 直流电机的动态数学模型???????????????????? 12 4.1.2 双闭环直流调速系统的完整的动态结构框图???????????? 14 4.2 动态性能的时域分析??????????????????????14 4.2.1 起动过程分析????????????????????????15 4.2.2动态抗扰性能分析???????????????????????16 4.3 调节器的工程设计方法?????????????????????16 4.3.1工程设计方法的基本思路???????????????????? 17 4.3.2 典型系统???????????????????????????17 4.4控制系统的动态性能指标?????????????????????20 4.4.1 跟随性能指标?????????????????????????20 4.4.2 抗扰性能指标?????????????????????????21 4.4.3典型Ⅰ型系统性能指标和参数的关系???????????????22 4.4.4典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系???????????????27 5.按工程设计方法设计双闭环系统的调节器??????????????32 5.1 电流调节器的设计???????????????????????33 5.1.1电流环结构图的化简?????????????????????? 33 5.1.2电流调节器结构的选择?????????????????????34 5.1.4电流调节器的实现???????????????????????36

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5.2 转速调节器的设计???????????????????????36 5.2.1 电流环的等效闭环传递函数??????????????????36 5.2.2转速调节器结构的选择?????????????????????37 5.2.3转速调节器的参数计算?????????????????????39 5.2.4 转速调节器的实现???????????????????????36 6系统仿真????????????????????????????38 6.1 系统动态结构的MATLAB仿真??????????????????38 6.2 系统的整体结构的仿真?????????????????????40 7总结??????????????????????????????44 参考文献?????????????????????????????44

1 引言

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直流电机由于其调速的控制方法简易而获得了广泛的应用，其控制规律容易理解，并且便于通过线性控制系统的分析方法去解决工程设计的实际问题。电力电子技术的发展为直流电机提供了多种多样的供电电源，进而也使其控制精度进一步得到了提高，而且也促进了交流调速技术的发展，而交流调速的现代控制的基本规律和直流电机又有相同之处，因而研究直流电机将为交流电机的控制提供一定的基础。

直流电机的转速电流双闭环控制则是为了同时满足动态和静态两种需求而设计的，是应用最广的直流调速技术。该调速技术的实际应用很多，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，这样的工程机械的要求是尽量缩短起动、制动过程的时间来提高生产效率。而转速、电流双闭环控制直流调速系统性能能满足以上两项要求，直流电机的电流控制环能保证嗲及在最大允许电流的条件下快速起动，也即是充分利用直流电机的过载能力，此时电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，是转矩马上与负载转矩平衡，从而转入稳态运行。 直流电机的转速控制环则能保证电机在给定控制电压控制下以某一恒定转速稳定运行，并且在突加负载时转速降落的值很小，在采用PI控制时理论上市没有转速降落的，也即实现了恒速稳定的运行，转速外环的控制精度取决于运算放大器的性能和测速发电机的线性化精度，如果测速环精度受到干扰，由于反馈控制规律只能消除前向通道上的各种干扰，而无法消除反馈支路上的干扰。因此测速的精度对于转速外环的控制精度非常的重要。

本设计采用模拟电路实现两个调节器的功能，当然也可以采用数字控制系统，并且数字控制系统的控制精度要比模拟控制系统的控制精度要高。但是模拟控制系统的结构简单，而且便于理解其控制规律，转速调节器和电流调节器都采用模拟电路里面的有运放组成比例积分控制电路组成，这样的控制器原理都是很容易理解的，而且也便于工程调试和使用。本设计分一下几个部分，首先概要介绍晶闸管组成的三相桥式整流电源及其控制电路，第二部分介绍转速和电流组成的系统的静态特性，第三部分介绍整个系统的动态性能，包括一些基础的典型ⅠⅡ型系统和典型Ⅱ型系统。第三部分则是根据典型系统的要求来设计的各个环节的工程参数。

直流调速系统的广泛应用使得对其控制理论的研究已经非常成熟，出现了各

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