武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
图3-4 双闭环调速系统动态结构图
其中?、?分别为转速反馈系数和电流反馈系数，根据已知条件代入以下公式：
电流反馈系数：
??UimIdm*?Uim*?Inom?102?3.7?1.35V/A
转速反馈系数：
??Uimnnom*?10200?0.05V?min/r
3．1.3双闭环调速系统启动过程分析
图3-5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
电机的启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种状态，整个动态过程就分成电流上升、恒流升速和转速调节（图3-5中的I、II、III）三个阶段。
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第Ⅰ阶段：0～t1是电流上升阶段。突加给定电压Un?后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Ud0、Id都上升，当Id?IdL后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压?Un?Un*?Un数
*?值较大并使其输出达到饱和值Uim，强迫电流Id迅速上升。当Id?Idm时，Ui?Uim，
电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般不饱和，以保证电流环的调节作用。
第Ⅱ阶段：t1~t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给
*定Uim作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定（电流可能超调，也可能
不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又Ud0?RdId?Ce?n，n↑→Ud0↑→Uct↑，这样才能保持Id?const。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压?Ui?Ui*?Ui必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流Ud0m也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。
第Ⅲ阶段：t2以后是转速调节阶段。此时n?n*，Un?Un*，?Un?0，但由
*于积分作用，Ui*?Uim，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。
当n?n*时，?Un?0，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压Ui*迅速下降，Id也迅速下降。但由于Id?IdL，在一段时间内，转速仍继续增加。当Id?IdL时，Te?TL，dn/dt?0，n达到最大值。此后，电动机在负载的阻力
下减速，与此相应，电流Id也出现一段小与IdL的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量Ui*。
综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点： ⑴饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。
⑵准时间最优控制。Ⅱ阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环
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系统中普遍地得到应用。
⑶转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，ASR的输入偏差电压?Un为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调。
3.2电流调节器设计及参数计算
电流环的动态结构中反电动势与电流反馈的作用相交叉。这给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，因此，转速变化往往比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的变化过程中，可以认为电动势基本不变，即?E?0。这样，在按动态性能设计电流环时，暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，暂且把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图。同时，由于Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节。简化后的电流环的动态结构图如3-6所示。
Ui*(s)???ACR?Ks/R(Tls?1)(T?i?1)Id(s)
图3-6 简化后电流环动态结构图
图3-7为含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI调节器，图中Ui*为电流给定电压，??Id为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压Uc。
图3-7 含给定滤波及反馈滤波的模拟式PI调节器
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电流调节器参数计算： ⑴确定时间常数：
1）PWM变换器滞后时间常数Ts。PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期T。
一般选取：
Ts?1f?0.001s
其中，f为开关器件IGBT的频率。
2）电流滤波时间常数Toi。这里取Toi?1ms?0.001s。 3）电流环小时间常数之和T?i。按小时间常数近似处理，取
T?i?Toi?Ts?0.001?0.001?0.002s。
⑵选择电流调节器结构：
根据设计要求?i?5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：
WACR(s)?Ki(?is?1)?is(3-3)
检查电源电压的抗扰性能：
TlT?i?0.0150.002?7.5
参看典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。 ⑶计算电流调节器参数：
电流调节器超前时间常数：?i?Tl?0.015s。电流环开环增益：要求?i?5%时，按“西门子最佳整定原则”，取KIT?i?0.5，因此
KI?0.50.002?250s?1
于是ACR的比例系数为
Ki?KI?iRKs??250?0.015?34.8?1.35?1.736
⑷校验近似条件：
电流环截止频率：wci?KI?250s?1
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1）校验晶闸管整流装置传递函数的条件
13Ts?13?0.0017?196.1s?1?wci
满足近似条件。
2） 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件。
31TmTl?10.2?0.015?54.7s?1??ci
满足近似条件。
3）校验电流环小时间常数近似处理条件。
131TsToi?1310.001?0.001?333.3s?1??ci
满足近似条件。 ⑸ 计算调节器电阻和电容。
电流调节器原理图如图3-7，按所用运算放大器取R0?20k?，各个电阻和电容值的计算如下：
Ri?KiR0?1.736?20?34.72k?，取40k?；
Ci??iRi?0.01540?103?0.37?F，取0.4?F；
Coi?4ToiR0?4?0.00120?103?0.2?F，取0.2?F。
3.3转速调节器设计及参数计算
和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效移到环内前向通道上，并将两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T?n的惯性环节，为了满足设计要求转速无差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此开环传递函数应共有两个积分环节，应该设计成典型Ⅱ型系统。不考虑负载扰动时，校正简化后的调速系统动态结构图如图3-8所示。
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