2.4.3　电流回路设计

位置回路结构框图如图2-30所示，它包括了位置反馈元件、变换元件、位置环调节器、速度回路、执行元件等几个主要环节；速度回路结构框图如图2-31所示，它包括速度传感器、速度采样和滤波回路、电动机、速度调节器、电流回路等环节；电流回路结构框图也体现在图2-31中，它包括电流传感器、电流采样和滤波回路、电流调节器、功率驱动模块、反电势回路、电动机电枢回路等环节。电流回路和速度回路均为位置回路的内回路，且电流回路是速度回路的内回路。

图2-30　位置回路结构框图

图2-31　速度回路结构框图

设置电流回路主要有两个目的：一是限制电动机的启动电流；二是减小电动机电枢回路的时间常数。因此，电流回路能够充分利用电动机的过载能力来提高整个系统的动态响应。对于系统的动态干扰，由于电流变化远比转速变化要快得多，故电流回路的调节能力也远大于速度回路。

电流回路的设计过程与位置伺服系统的设计类似，包括确定固有环节传递函数、期望特性设计、电流调节器选择和参数设计等。电流回路控制对象包括功率驱动模块、电动机电枢回路、电流采样和滤波回路。由2.4.1节可知，功率驱动模块可看成时间常数为tv的一阶惯性环节。电流采样和滤波回路可看成时间常数为tf的一阶惯性环节。电动机电枢回路的传递函数可由式（2-27）得到。因此，电流回路的固有传递函数可写为

式中，Kvolt为PWM电压放大倍数；β为电流反馈系数。

由于电流回路一般以其跟随性能为主，通常将电流回路设计为典型的Ⅰ型系统，在设计电流调节器时可忽略电动机反电动势的影响，因此，电流回路的固有传递函数可简化为

式中，tfv=tf+tv为等效小惯性环节时间常数。

电流调节器Gic(s)可选用PI调节器，传递函数为

式中，Kip、τii分别为电流调节器比例系数、积分时间常数。

为了将电流回路设计为典型的Ⅰ型系统，需利用PI调节器的零点对消固有传递函数中的大时间常数极点，即

由此，电流回路期望开环传递函数可写为

式中，Ki=βKvolt/(Rτii)为电流回路的开环放大倍数。对于电流回路系统，选择Kitfv=0.5时系统具有最佳阻尼比0.707。此时系统超调量为4.3%，且响应速度较快。

利用式（2-46）和式（2-47）即可确定PI调节器的参数，从而完成电流回路的设计。设计完成的电流回路闭环传递函数为