直流电机双闭环调速系统仿真

y To Workspace
t
图7
直流电动机双闭环调速系统的方框图
SIMULINK 方框图仿真结果为
step response From （1 ） 3 500 3 000 2 500
den5 = [0。018 1]; num6 = [20]; den6 = [1 0]; num7 = [0。04]; den7 = [0。005 1]; num8 = [0。00684]; den8 = [0。005 1]; [num10,d， n10] = series(num3,d， n3,n， m4,d， n4); [num11,d， n11] = series(num10,d， n10,n， m5,d， n5); n12] = feedback(num11,d， n11,n， m7,d， n7); [num12,d， n13] = series(num1,d， n1,n， m2,d， n2); [num13,d， [num14,d， n14] = series(num13,d， n13,n， m12,d， n12); [num15,d， n15] = series(num14,d， n14,n， m6,d， n6); [num16,d， n16] = feedback(num15,d， n15,n， m8,d， n8); [num17,d， n17] = series(num0,d， n0,n， m16,d， n16); step(num17,d， n17);title('step response') （2 ） 程序运行结果如下。
Ui Un* Ue ASR Un Ji* + ACR Uth AT TC 一 n TA Ia
Ud
（1 ）电流环结构的简化 。 由于电流的响应过程比转速响 应过程快得多，因此假定在电流调节过程中，转速来不及变 所以反电势的反馈支路相 化， 从而不考虑反电动势 E 的影响， 当于断开， 再把反馈环节等效地移到环内。 因为 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 小得多， 可作小惯性环节处理， 故取 TΣi =Ts +Toi。 其中简化条件应满足扰动作用下的闭环传 递函数[2]：
《装备制造技术》 2010 年第 8 期
直流电机双闭环调速系统仿真
刘德志
(东营职业学院， 山东 东营 257091)
摘 要： 对直流电机的双闭环调速系统仿真证明， 双闭环系统能加快直流电机启动过程， 提高响应速度， 在其基础上采用晶闸管逆变 电路， 具有快速制动、 快速反馈的功能。 关键词： 双闭环调速系统； 直流电机； 仿真 中图分类号： TM33； TP391.9 文献标识码： A 文章编号： 1672- 545X （2010 ） 08- 0027- 03
step response From （1 ） 160 140 120
Amplitude
To： Y （1 ）
2 000 1 500 1 000 500 0 0 0.5 图8 1 1.5 2 Time （sec ） 2.5 3 3.5
SIMULINK 方框图仿真结果
3.2 MATLAB 语言编程仿真 直流电动机双闭环调速系统的闭环传递函数为 H （S ）= 0.0165*S +2.2811*S +86.184*S +228 3 3 2 0.0006*S +0.0313*S +0.5895*S +1.5595
1
直流电机双闭环调速系统的结构
2
2.1
建立模型
电流环设计 电流环设计主要为电流调节器的选择及参数计算。
直流电机的双闭环调速系统的结构如图 1 所示，电流调 节和速度调节之间实行串联联接，及以速度调节器 ASR 的输 出， 作为电流调节器 ACR 的输入， 再用电流调节器 ACR 的输 出， 作为晶闸管触发器 AT 的控制电压， 从而调节晶闸管变流 器的整流电压 Ud， 这样， 两种调节作用就能互相配合， 相辅相 成。为了获得良好的静态、 动态性能， 两个调节器一般都采用 PI 调节器。
图1
转速 / 电流双闭环系统框图
图 1 中转速调节器 ASR 和电流调节器 ACR 的型式和参 数将在设计过程中决定。 转速电流双闭环调速系统属于多环系统， 电流环是内环， 转 首先设计电流调节器， 把电流 速环是外环。设计先从内环入手， 环等效为转速环中的一个环节， 再设计转速调节器。设计方法是 根据对闭环工作的要求， 选择典型系统的类型， 然后按最佳参数 为闭环系统设计合适的调节器， 最后求出调节器参数。
Ce Un* 1 T0 S+. Un
a T0n S+⊥
图3
I（ ） d s
电流环的动态结构简化图
（2 ）电流调节器的选择。对于经常起制动的生产机械， 希 望电流环跟随性能好， 起超调量越小越好 。在这种情况下， 应 该选择典型 I 型系统设计电流环 。 如果生产机械工作环境的 电网电压波动较大，希望电流环有较强的抗电网电压扰动能 力。 从这个观点出发， 电流环应该采用典型 II 型系统设计电流
2 2
M
2*h *T *K2*S* （T*S+1 ） △C （S ）= h+1 2 N （S ） 2*h 3 3 2*h 2 2 T *S + *T *S +h* T * S+1 h+1 h+1 电流环结构图最终简化为如下框图： Ui*/ β +
ACR
β * Ks / R （T1 *S+1 ） （TΣi *S+1 ）
图 2 转速电流双闭环调速系统的动态结构
收稿日期： 2010- 05- 18 作者简介： 刘德志 （1971— ） ， 男， 山东东营人， 讲师， 硕士， 主要从事化工仪表自动化方面的实验教学。
27
Equipment Manufactring Technology No.8 ，2010 WACR （S ） =Ki * τi *S+1 τi *S （2 ）转速环的简化即调节器的选择。 转速闭环部分的简化图如图 5， 其中 TΣn = 2*TΣi + Ton
图 6
转速环的动态结构简化图
图 6 为不考虑负载 IL 的扰动情况下的简化。因为调速系 统首先需要有较好的抗扰动性能，所以采用抗扰能力强的典 型 II 型系统设计转速调节器。要把转速环校正为典型 II 型系 统， A， R 应该采用 PI 型[4]， 其传递函数为 WASR （S ） =Kn * τn *S+1 τn *S
· Un （S ）
1
为了消去控制对象的大惯性时间常数的极点，选择 τ i = Tl,则电流环的动态结构图简化为 Ui*/ β + KI S* （TΣi *S+1 ）
ASR
-
I（ ） d s
S（T?m S+⊥ ）
a R /（β CcTm ）
n （S ）
图 5 转速环的动态结构简化图 图4 校正成典型 I 型系统的电流环
调速系统的开环传递函数为 Wn （S ）= Kn *a*R* （τn *S+1 ） τn * β * C e * Tm * S * （TΣn *S+1 ） KN * （τn *S+1 ） S * （TΣn *S+1 ） Kn *a*R τn * β * C e * Tm
2 2
（3 ）转速调节器参数的选择。转速调节器的参数是 Kn 和 τn， 按照典型 II 型系统参数选择方法可得 τn = h * TΣn KN =（h + 1 ） / ( 2 * h2 * T2Σn) 转速调节器的比例系数为 ） * β* Ce * Tm Kn =（h + 1 2 * h * а * R * TΣn
Ui* ASR
Ud0
1 Toi S+⊥
E
Ks Ts S+⊥ β T-S+1 1/R TS+⊥
Id IL
ACR Ui
R CeTmS
n
环。 另外， 电流环中两个时间常数之比， 也可决定选择方案。 在 这里选用典型 I 型系统进行电流环的设计。 图 3 表明电流调节 ACR 的调节对象是双惯性环节， 为了 把电流环校正成典型 I 型系统， ACR 函数必须是 PI 调节器形 式。其传递函数为
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3 仿真及其结果分析
3.1 SIMULINK 方框图仿真 对直流电动机双闭环调速系统的参数选择，根据电动机 性能指标进行，根据上面所建立的模型用 SIMULINK 方框图 ） 仿真及其仿真结果 （图 8 ） 如下： （图 7
由于图 4 的输入信号为 Ui*/ β，在这里考虑设计成 KI * TΣ i =0.5， 则电流环等效闭环传递函数为 Id （S ） Ui / β
· Un
其中， KI = Ki *Ks β τi *R