课 程 设 计
设计题目：
转速、电流双闭环直流调速系统控制器设计
“电力拖动控制系统（一）”大作业
题目：
电机参数：他励直流电动机，额定功率为 185W，额定电压为 220V，额定转速
1600rpm，额定电 枢电流达到 1.1A。转动惯量
2
mkg006.0 J
。电枢电感 La=326mH。
电枢电阻 23
a
R 。过载倍数 1.1
。 电力变换装置：晶闸管三相全控桥式整流电路，
110
s
K 。 主电路等效电阻 3941223
reca
RRRR
L
。 给定电源电压最
大值：学号尾号为奇数的同学选 10V，学号尾号为偶数的同学选 5V； 调节器输出限幅电
压：学号尾号为 0-4 的同学选 10V，学号尾号为 5-9 的同学选 5V。 滤波时间常数：电流
环滤波为一阶 RC 滤波环节，滤波时间常数： s001.0
oi
T 。转速环滤波为一 阶 RC 滤波
环节，滤波时间常数为： s0038.0
on
T 。
技术指标要求（仿真要体现验证结果）：100rpm~1500rpm 调节无静差，起动至额定
转速过程中， 电流超调小于 10%，空载起动转速超调小于 10%。
本次仿真调节器输出限幅电压为 5V, 给定电源电压最大值为 5V。
分析报告：
一．静动态设计过程
Ⅰ设计电流环
（1）确定时间常数
①晶闸管整流电路滞后时间常数 Ts=0.00167s
②电流滤波事件常数 Toi=0.001s
③电磁时间常数 Tl=
L
R
=0.00836S
④Ce=
N
a
n
RIU NN
=0.12
⑤机电时间常数 Tm=
eCm
375
4gJR
C
=0.178s
电流环小时间常数之和 iT ，按小时间常数求和近似处理，取 i= s+ oi
T T =0.00267
s
（2）选择电流调节器结构
根据设计要求 5%i
，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型的，因此可用 PI 型电流调节器。
（3）计算调节器超前时间常数 li T
=0.00836s，电流环开环增益，要求 i
<10%，取
iTKI =0.5，因此 I
K
=187.3
s
-1
电流反馈系数
N
10
8.264 /
1.1
V
V A
I
转速反馈系数 min/r0.00625
n
10
N
V
V
于是 ACR 的比例系数 Ki=
s
iR
K
KI
=0.067
（4）校验近似条件
电流环截至频率 IK
ci
=187.3
s
-1
①校验晶闸管整流传递函数的近似条件：
s
3
1
T
=200
s
-1
> ci
满足近似条件。
②校验忽略饭电动势变化对电流环动态影响的条件：3 77.77
T
1
lm
T
s
-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 258.2
1
3
1
ois
TT
s
-1
> ci
满足近似条件。
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标 i
<10%，满足设计要求。
Ⅱ.再设计转速环
（1）确定时间常数
①按照 典 型 Ⅰ 型系统 设计 电流 环时 ， 已 取 iTKI =0.5， 因 此 电流 环的 等 效 时间常数
2 iT =2×0.00267=0.00534s
②转速滤波时间常数 Ton=0.0038s
③转速环小时间常数 nT ：按小时间常数近似处理，取 onin 2T TT =0.00914s
（2）选择转速调节器结构
按照设计要求，选用 PI 调节器。
（3）计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性都好的原则，取 h=5，则 ASR 的超调时间常数为 nn h
T
=0.0457s，转速
环开环增益
n
2
2
h
2
1h
T
NK =1436.44
s
-2
于是 ASR 的比例系数
e m
n
h 1
n 47.54
2h
C T
K
RT
（ ）
（4）校验近似条件
转速环典型Ⅱ型系统环节截止频率为
s
1-
65.65n
1
cn
N
N
K
K
①电流环传递函数简化条件
i3
1
T
KI
=264.86
s
-1
> cn
满足近似条件。
②转速环小时间常数近似处理条件 74
3
1
on
T
KI
s
-1
> cn
满足近似条件。
（5）校验转速超调量
m
nN
b
max
n
n
n
-2
*
T
T
Z
C
C
））（（
=2.04%<10%
二. 仿真模型
三．仿真结果的理论分析
（1）电流环电流仿真结果
电流环电流仿真结果电流 Id 首先从零增长到 Idm，然后在一段时间内维持其值近似等于 Idm
不变，之后又下降并经过调解后达到稳定值 Idl。
（2）转速仿真结果
由转速环转速波形图分析得：转速波形先是缓慢上升，然后以恒加速上升，产生超调后，回
到给定值。
理论分析：从电流与转速变化过程所反映的特点可以把启动过程分为电流上升、恒速上升、
转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况。
四．设计结论
根据仿真结果，设计合理正确，符合预期
五．对工程设计法应用于直流调速系统设计的评价
建立工程设计方法所遵循的原则是：
（1）概念清楚、易懂；
（2）计算公式简明、好记；
（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；
（4）考虑饱和非线性控制的情况，经过分段线性化处理，给出简单的计算公式；
（5）适合于各可以简化成典型系统的闭环控制系统
为了使问题简化，突出主要矛盾，可把调节器的设计分为两步：
第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。
