基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

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,

I 摘 要

直流电机双闭环调速系统是一个复杂的自动控制系统，是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本文从直流电机的基本特性进行双闭环直流电机设计，最后用实际系统进行工程设计，并采用MATLAB/SIMULINK进行仿真。

对于直流电机双闭环调速系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。本文对直流电机双闭环调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参数计算和近似校验，根据给出和计算出的相应参数，建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使直流电机双闭环调速系统趋于完善、合理。仿真结果证明了该方法的可行性和合理性。

关键词：直流调速，双闭环系统，电流调节器，转速调节器，计算机仿真

II Abstract

The double closed loop direct current velocity modulation system is a complex

automatic control system, is in the present direct current velocity modulation system

mainstream equipment, has the velocity modulation scope width, the stability is good,

the steady fast precision higher merit, in the theory and the practice aspect all is the

quite mature system, in drives in the domain to play the extremely vital role.

《机电控制系统分析与设计》

课程大作业一

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

学院：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

班级：0808108

学号：1080810812

姓名：林珍坤

一、 设计参数

转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H桥PWM方式驱动。

电机参数：

额定功率 200W；

额定电压 48V；

额定电流 4A；

额定转速 500r/min；

电枢回路总电阻 R=8Ω；

允许电流过载倍数 λ=2；

电势系数Ce=0.04V·min/r；

电磁时间常数TL=0.008s；

机电时间常数 Tm=0.5；

电流反馈滤波时间常数Toi=0.2ms；

转速反馈滤波时间常数Ton=1ms

要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压U*nm=U*im=10V；

两调节器的输出限幅电压为10V；

PWM功率变换器的的开关频率f=10kHz；

放大倍数K=4.8；

动态参数设计指标：

稳态无静差；

电流超调量i5%；

空载启动到额定转速时的转速超调量25%；

过渡过程时间ts=0.5s。

二、 设计计算

1. 稳态参数计算

根据两调节器都选用PI调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为12V

电流反馈系数；AVAVIUim/25.14210nom*

转速反馈系数：rVrVnUnmmin/02.0min/50010max*

2. 电流环设计

（1）确定时间常数

电流滤波时间常数Toi=0.2ms，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则

sTTToisi0003.00002.00001.0 （2）选择电流调节器结构

电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为

ssKsWiiiACR1)(

（3）选择调节器参数

超前时间常数：i=TL=0.008s

cheng

cheng 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计(matlab simulink 仿真)

前言

许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。