摘 要
在工业生产中，调速是非常重要的。目前常用的调速方式有：直流电动机调速、交直交调速、串级调速等。由于异步电动机具有较强的转矩脉动，因而采用交直交调速方式难以达到较好的调速效果，因此采用串级控制方式来改善异步电动机的性能。其中采用串级控制方式能够进一步提高调速效果。而在串级控制中，速度反馈和转速检测环节是最关键的两个环节，其作用是为了保证转速的稳定性和速度的连续性，因此在控制系统中要采用双闭环控制方式。本文采用双闭环控制系统，即电流、速度双闭环控制，给出了双闭环控制系统的结构图和系统框图。通过仿真结果表明该控制系统具有响应迅速、无超调和稳定性好等特点，从而得到了预期效果。
关键词：调速；串级；双闭环
1 绪论
1.1 研究目的
在工业生产中，为了满足生产工艺的要求，许多机械都需要改变加工速度，例如金属切削机床，由于工件的材质、加工尺寸、精度要求不同，加工速度也不同。另外，轧机由于轧制品种不同，材料厚度不同，需要采用不同的速度。
生产机械的调速方法可以用机械方法来实现，但机械设备的变速机构比较复杂，现代电力拖动大多采用电调速。电调速是指通过调节电机的转速，人为地改变某一负载。
直流电动机起动制动性能好，适用于大范围调速，广泛应用于需要高性能的可控电力拖动领域。近年来交流调速系统发展迅速，但直流拖动系统无论是理论还是实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的观点来看，它是交流拖动控制系统的基础，因此必须对直流调速系统有较好的掌握。
1.2 研究的意义
目前，转速、电流双闭环调速系统是性能优良、应用广泛的直流调速系统。单闭环直流调速系统采用转速负反馈 PI调节器，可实现转速无静差，同时又能保证系统的稳定性。但是，当系统动态性能要求较高时，单闭环系统将很难满足要求。因此，需要引入转速、电流双闭环控制的直流调速系统。首先介绍了转速、电流双闭环调速系统的组成，并对其静、动特性进行了详细的阐述。
在实际应用中，电动机作为电能转化为机械能的主要设备，首先要实现机电能转换效率；其次应能够根据生产设备工艺要求对电机转速进行控制和调整。电机调速性能的好坏直接影响着产品质量，提高劳动生产率，节约电能。因此，调速技术成为研究热点之一。
2 串级调速双闭环直流调速系统介绍
2.1 串级调速闭环调速系统的组成
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。
上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而得出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压Un*相比较后，得到转速偏差电压∆Un，经过放大器A，产生控制电压Uc输入到电力电子变换器UPE中，用来控制电动机转速n。图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，它的输入端接三相交流电源，输出为可控的直流电压Ud。
2.2 转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成
采用PI调节器组成速度调节器ASR的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，他已基本满足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电动机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程的波形如图1.2a）所示。为了提高生产率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间。我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，使启动时的电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转矩可直线迅速上升，到达稳态转速后，迫使电流迅速下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图1.2b）。其中b）比a）中调节时间要小，为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，采用转速、电流双闭环调速系统能够达到上述要求。
为了实现转速和电流的调节作用，在系统中设置了两个调节器，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。两者之间实行串级连接,转速和电流双闭环调速系统如图1.3所示。从图中可看出，本系统具有两个反馈回路，称为双闭环。其中一个只由电流调节器ACR及电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。从结构上分析知道，转速环包围电流环，故又称电流环为内环，称转速换为外环。在电路中ASR和ACR实行串级连接，即由ASR控制ACR，而ACR又控制触发电路，图中ASR和ACR均采用比例积分（PI）调节器，其输入和输出均采用限幅电路。
5 结论
通过以上研究可知，转速和电流双闭环调速系统具有良好的调速性能和较硬的静特性，基本无硬差；动态响应快，启动时间短，抗干扰性强；可单独设计两个调节器，方便调整。因此，它广泛应用于自动调速系统。
本文主要研究转速和电流的双闭环直流调速系统的设计方法，使我对双闭环调速系统的组成、数学模型、静态特性和动态性能有了全面的了解，掌握了调节器的工程设计方法，使我有了清晰的设计思路。在了解了工程设计方法之后，结合教材中所学的内容，可以选择设计方案。在简化了转速环、电流环后，根据设计要求的静态特性和动态性能，确定了系统类型和选用的调节器类型。
通过学习电力拖动自动控制系统，使我认识到单闭环系统在应用中存在的一些缺陷和不足。通过此次设计，使本人能够运用理论知识独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，并进一步了解比例积分调节器的功能。这次毕业设计让我受益匪浅，这对我以后的生活将大有裨益。
参考文献 略
