直流电机双闭环调速系统仿真研究

双闭环直流调速系统设计及仿真

一 转速、电流双闭环控制系统

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流

电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达

到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入

稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图1所示。

0nnt图1 转速调节系统理想起动过程

为实现在约束条件快速起动，关键是要有一 个使电流保持在最大

值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的

负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到

了两个控制阶段。起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒

定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速

保持恒定，应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反

馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系

统。如图2所示。图2 双闭环直流调速控制系统原理图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以

得到双闭环系统的动态结构图。如图3所示。

图3 双闭环直流调速系统动态结构图

在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波

和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤

波，其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流

分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入

一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由

测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤

波，其时间常数用表示[2]。二 双闭环控制系统起动过程分析

前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于

理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先

探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，

转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR

经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶

计算机仿真

双闭环直流调速控制系统仿真

学 院：电气工程学院

专 业 班 级：自动化0702

学 生 姓 名：

2010.12

目录

（一）直流调速控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．３

（二）双闭环直流调速系统工程设计举例 ．．．．．．．．．．．．．．．．４

（三）双闭环直流调速控制系统仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．７

（四）仿真结果分析………………………………………………11（一）直流调速控制系统

1、闭环直流调速控制系统介绍

2、电流、转速双闭环直流调速控制系统

ASRACRMLTG*iUnU*nUctUiUn3 ~4

（二）双闭环直流调速系统工程设计举例

已知直流调速系统I，实际生产工艺要求如下：

系统无静差；

电流超调量为

在额定负载下，启动至额定转速的超调量

1. 系统参数计算

固有参数

电势常数

转矩常数：

电磁时间常数： ASRACR)(*sUinU)(*sUnctUiU11sTfn1sTfn11sTfi1sTkSs1/1sTRl_sTRmeC11sTfi)(SIdLE电流环_%5i%5nnom

)/(185.0100005.07002201mimrVnRIUCnomanomnomemAkgCCeM.18.003.1185.003.1sRLTddd025.008.01023机电时间常数间常数：

晶闸管整流装置滞后时间常数：

预置参数

选取转速输出限幅值：，

可以计算得到晶闸管装置放大系数：

启动电流：

选取转速调节器输出限幅值：

电流反馈系数：

选取电流反馈滤波时间常数：

选取转速最大给定值：

得到转速反馈系数：

取转速反馈滤波时间常数：

河南工业大学

控制系统仿真

姓 名： 邹华

班 级： 自动化1502

学 号： 201523020221

成 绩：

2017年6月 20 日

设计题目

基于Matlab的直流电动机双闭环调速系统研究

设计内容和要求

分析直流电机的数学模型，利用Matlab中的Simulink对直流电机进行建模，并在此基础上进行双闭环调速系统仿真。

报告

主要

章节 第一章 概述与引言

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。本设计分析直流电机了的数学模型，利用Matlab中的Simulink对直流电机进行建模，并在此基础上进行双闭环调速系统仿真。

第二章 各部分设计方案及工作原理

一、直流电机双闭环调速系统的工作原理

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流, 其中,转速调节器是转速跟随给定电压变化, 采用PI调节器可实现无静差调速,可以抗负载变化的干扰;电流调节器跟随给定电压,对电网电压波动起抗干扰作用,加快动态过程。调速系统关键是转速和电流调节器的设计。二者之间实行串联连接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看, 电流调节环在里面,

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

直流电机双闭环调速系统是一种常见的控制系统，常用于工业生产中对电机速度的精确控制。本文将基于MATLAB软件进行直流电机双闭环调速系统的设计与仿真，包括系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等方面。文章将以1200字以上的篇幅进行详细阐述。

一、系统设计

直流电机双闭环调速系统由速度环和电流环构成。速度环控制系统的输入为速度设定值和电机实际速度，输出为电机期望电压；电流环控制系统的输入为速度环输出的电压和电机实际电流，输出为电机实际电压。通过控制电机的期望电压和实际电压，达到对电机速度的调控。

二、参数设置

在进行系统仿真之前，需要确定系统中各个参数的值。包括电机的额定转矩、额定电压、电感、电阻等参数，以及控制环节的比例增益、积分增益、微分增益等参数。这些参数的选择会影响系统的稳定性和动态性能，需要根据实际情况进行调整。

三、控制策略选择

常见的控制策略包括PID控制、PI控制、PD控制等。在直流电机双闭环调速系统中，可以选择PID控制策略。PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节组成，可以提高系统的稳定性和响应速度。

四、系统仿真

在MATLAB中进行直流电机双闭环调速系统的仿真，可以使用Simulink模块进行搭建。根据系统设计和参数设置，搭建速度环和电流环的控制器，连接电机实际速度和电机实际电流的反馈信号，输入速度设定值和电机期望电流，输出电机期望电压。通过仿真可以得到系统的动态响应曲线，评估系统的性能。

五、性能分析

在仿真结果中，可以分析系统的静态误差、超调量、调整时间等指标，评估系统的控制性能。通过参数调整和控制策略更改等方式，可以优化系统的控制性能，使系统达到更好的调速效果。

总结：

本文基于MATLAB软件对直流电机双闭环调速系统进行了设计与仿真。通过系统设计、参数设置、控制策略选择、系统仿真以及性能分析等步骤，可以得到直流电机双闭环调速系统的动态响应曲线，并通过参数调整和控制策略更改等方式，优化系统的控制性能。通过本文的内容，读者可以了解到直流电机双闭环调速系统的设计与仿真方法，并可以应用到实际工程中。