双闭环控制的直流调速系统的仿真设计

摘要：本文详细讨论了直流电机调速系统的工程设计方法。基于直流电机基本方程，建立了直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型，给出了系统动态结构图并进行了仿真研究，仿真结果验证了控制方案的合理性。

关键词：转速环；电流环；PI控制器；SIMULINK仿真

0 前言

直流调速是现代电力电子拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。七十年代以来，国内外在电气传动领域里，大量地采用“晶闸管整流电动机调速”技术。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但是晶闸管整流调速系统在工业生产中的应用量还是占有相当大的比重。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。在当今社会，仿真技术已经成为分析、研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具，为了简便工程设计和解决设计中可能出现的问题，利用Matlab中SIMULINK实用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今天急需探讨的课题。

1双环控制的直流调速系统的设计

1.1 转速、电流双闭环调速系统的原理

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,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,叫做内环,转速调节环在外边,叫做外环,这样就形了转速、电流双闭环调速系统。调速系统原理见图1 所示。

图1 　转速、电流双闭坏调速系统原理图

在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构,可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图2 所示。

图2 中, WASR(S) 和WACR(S) 分别表示转速和电流调节器的传递函数。

图2 　双闭环调整系统动态结构图

1.2 转速、电流双闭环调速系统组成及要求

本文研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图2 所示，系统参数如下：电动机：；；；4极； ，G=22.5；励磁电压；励磁电流。采用三相桥式整流电路，整流器内阻。平波电抗器。

设计指标为电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量，允许过载倍数；取电流反馈滤波时间常数：，转速电流反馈滤波时间常数：；取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V；输出限幅值为10V，额定转速时转速给定。

1.3电流调节器设计

电流反馈系数为： 

电动机转矩时间常数为： 

电动机电磁时间常数为： 

三相晶闸管整流电流平均失控时间为: =0.0017s

电流环的小时间常数为： 

根据电流超调量的要求，电流环按典型Ⅰ型设计，电流调节器选用PI调节器，其传递函数为： 

其中： = =0.076s

1.4 转速调节器设计

转速反馈系数为： /=0.00667 /

为加快转速的调节速度，转速环按典型Ⅱ型系统设计，并选中频段宽度h=5，转速调节器传递函数为

其中

2用SIMULINK建双闭环直流电动机调速系统模型

1 构建仿真模型

根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，提取各元件的仿真模块，连接模块得到按传递函数仿真的双闭环控制直流调速系统仿真模型。并按工程设计方法和选择转速电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器。模型见附页。

2 设定模型仿真参数

        仿真算法采用ode15，仿真时间1.5s。

3 仿真及结果

仿真模型图如下页：

其中考虑到饱和和输出限幅的PI调节器模型。模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。当该调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退保和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。

图3 带饱和和输出限幅的PI调节器模型

  图4 仿真模型图

从仿真结果可以看到，电动机的启动经历了电流上升，恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。电动机的启动电流相比开环系统大幅下降，电流环发挥了调节作用使最大电流在设定的范围内。如图5所示：

图5 不加负载的仿真结果图

在0.8s时突加1/2额定负载后，电动机电流上升，转速下降，经过0.2s左右时间的调节，转速恢复到给定值。如图6所示：

图6在0.8s加1/2负载的仿真结果图

3结束语

从对双闭环调速系统的仿真结果来看，用SIMULINK对控制系统进行动态仿真来辅助控制系统设计是可行的。利用matlab仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。