【通俗易懂】"电机掌控之道：深度解析双闭环调速系统的速度与转矩控制原理"

双闭环调速系统的工作原理 

我记录这些力求浅显易懂，不照本宣科。对双闭环调速系统，很多朋友可能在学习这里时搞不懂内外环是怎么个工作的。如图1所示，内环是电流环，外环是速度环。驱动器正常工作时，内环跟随外环，一旦外环即速度环饱和，内环开始主控。

图1 

 那么怎么理解速度环饱和呢？

为了消除速度环与电流环的静差，设计了两个PID调节器，如速度环PID调节器，当用户给定速度，那么速度环运行时与反馈速度进行比较，通过PID调节器输出来加速或者减速从而达到用户的设定值。 假如用户给定了500转，调速器实际反馈速度只有0转，速度环PID调节器开始输出一个增益值，并且此值将不断的累积，使电机不断加速，假定此时PID调节器积分输出达到大值，调速器实际反馈速度只有350转，一直达不到用户给定值，此时就是饱和状态，由于速度环饱和，电流环开始主控调节。 

由于积分的累积，速度一直在没达到500转时，整个调节器处于饱和状态，即速度环输出一直很大，退不下来，那么什么时候退饱和呢，当速度超过500转比如501转时，由于反向的信号让速度环退出饱和状态，此时速度环开始起作用。 或者可以分析电机的启动过程，当电机刚开始启动时，电机由于克服静转矩和启动转矩，此时达不到用户的设定值，速度环的输出饱和，电流环起作用，开始控制电机启动，由于电机加速，电流从启动电流降至正常的工作电流，速度继续上升，速度环开始退饱和，速度调节器开始调节速度。 双闭环调速系统的原理，一句话就是，速度环和电流环两个PID调节电机的速度和电流，当外环(速度环)起作用时，内环(电流环)跟随。当外环饱和时，内环主控。 

这里难理解的是“饱和”两个字。 打个不恰当的比喻，外环是小明，内环是张三，他们两个一起组队跑步比赛，小明负责速度跑至目标，张三负责跟随，补充两个人的体能，结果小明发现不管怎么使劲，发出全身的爆发力，也跑不上目标，这个时候他就达到了饱和状态，张三此时就全盘负责控制体能，不能过度消耗，维持一定的力量。后面小明追上了目标，不需要使上全部的力气了，这个时候他就不是饱和状态了，张三就不用操心那么多了，只是跟随小明继续就行了。

外环负责调速的精度，消除偏差；而内环负责限制电流，当电机过载或者堵转时，起快速的保护作用，一旦故障消失，系统立即恢复正常。 

可以说双闭环调速系统是当今自动控制系统的不可缺少的驱动控制基础，是伺服驱动器也是在双闭环调速系统的基础上再建立一个位置环，理论仍然一脉相承。

速度控制和转矩控制

前面讲了驱动器是一个双闭环调速系统，那么我们就可以利用驱动器来实现速度控制和转矩控制。如果想入门双闭环调速系统控制，佳的是调试欧陆590直流调速器。相信很多搞传动的朋友都对它早有耳闻甚至打了无数交道。调试完590直流调速驱动器，可以熟悉什么是弱磁，什么是速度环，什么是电流环，速度控制怎么做，转矩控制怎么做，在传动控制这块也就得心应手。

下面我们看看它的说明书中的一个框图：

它清楚的简单表明了双闭环调速系统的框图，速度给定与速度反馈的识差，进入速度环调节，速度环输出后换算成电流给定值，与电流反馈值的误差进入电流环调节输出给马达。图中在速度环输出与电流环输入之间有一个切换开关，它表明了当用户如果开关打到上面(默认)，那么它就是速度控制，电流跟随，外环起作用；而如果它打开下面，那么电流环的给定切换到A3模拟量输入，此时它工作在转矩控制模式下，而C8端子就是这个切换开关的信号来源。 通过这种切换，就可以实现了速度控制与转矩控制的切换。实现不同场合的要求。 下面我们再来看看西门子G120变频器CU250控制单元的框图。

看看它是告诉我们如何实现速度控制和转矩控制的：

这个图可能很多朋友陡然一看会有点懵，那么我在图上作些标记，方便大家快速理解：

这个图同样也表明了它是基于双闭环调速系统的控制框架，速度设定值和速度反馈值的误差经速度环调节后输出到电流环，在速度环与电流环之间也有一个和上面590一样的开关，它给用户提供了速度控制和转矩控制的选择，如我所标示，只要我们设置参数P1501为1就可实现转矩控制，为0则速度控制，也可能通过组态将外部输入信号关联这个参数就实现了速度控制和转矩控制的切换。

这两个例子让我们可以理解到，原来学习理解并且能够运用双闭环调速系统知识，对传动控制是有着非常大的帮助。甚至也可以说，如果不懂双闭环调速系统，是无法精通传动控制，无法解决各类传动设备的控制问题的。