转速电流双闭环直流调速系统仿真设计

摘要：本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统以及对MATLAB软件的使用。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用PI调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个PI调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者实行嵌套连接，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电力电子变换器UPE，形成转速电流双闭环直流调速系统。在Simulink中建立仿真模型，设置各个模块的参数，仿真算法和仿真时间，运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析，说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。

关键词：双闭环直流调速系统，MATLAB/SIMULINK仿真，ASR，ACR。

课程概述：直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，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。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在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，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截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，靠强烈的负反馈作用电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡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。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。其次并基于双闭环的电气原理图的SIMULINK的仿真，分析了直流调速系统的动态抗干扰性能。采用工程设计方法对双闭环系统进行合理的设计，并选择了转速调节器，电流调节器以及对它进行参数的计算，分析，得出了系统的的稳态以及动态结构图，并由此建立起了基于跟随性和抗干扰性的SIMULINK的仿真模型。最后分析了仿真波形，并进行了合理的调试，规划结构，反复试凑以解决系统的稳、准、快和抗干扰等各方面的矛盾，达到建立更简便实用的工程设计方法的可能！

一．转速电流双闭环直流调速系统仿真的原理

1.1系统的组成

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。

为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

                      图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统

1.2 系统的原理图

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1-2所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器出入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压了电力电子变换器的最大输出电压。

图1-2  双闭环直流调速系统电路原理图

第二章 转速、电流双闭环直流调速器的设计

2.1 电流调节器的设计

2.1.1 电流环结构框图的化简

   在图2-1点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互相交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数TL远小于机电时间常数Tm，因此，转速的裱花往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-1所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是

式中  -----电流环开环频率特性的截止频率。             图2-1  忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图

   如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-2所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。

 图2-2 等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图

最后，由于TS和TOI一般都比TL小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为

则电流环结构框图最终简化成图2-3。简化的近似条件为

图 2-3  小惯性环节近似处理时电流的动态结构框图

2.1.2 电流调节器结构的选择

    从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-3可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。

图2-3表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成

式中   —— 电流调节器的比例系数；

        —— 电流调节器的超前时间常数。

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择

则电流环的动态结构框图便成为图2-4所示的典型形式，其中

图2-4 校正成典型型系统的电流环动态结构框图

2.1.3 电流调节器的参数计算

1.确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间。

2）电流滤波时间常数。取。

3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。

4）电磁时间常数、机电时间常数

电动势系数。；； 

2.选择电流调节器结构

根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可采用PI 型电流调节器。传递函数为：WACR(s)=

检查对电源电压的抗扰性能：， 

3.计算电流调节器参数

电流反馈系数：

电流调节器超前时间常数：。

电流环开环增益：要求时，按表2-2，应取，因此

4.校验近似条件

电流环截止频率：

（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件。

（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足近似条件。

（3）电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件。

5.计算调节电阻和调节电容

由图2-5，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为

          ，   取58 

        取 0.65

        取 0.1

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。

2.1.4 电流调节器的实现

含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如图2-5所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压UC。

根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出

图 2-5 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器

2.2 转速调节器的设计

    2.2.1 电流环的等效闭环传递函数

电流环经等效后可视作转速换中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数。由图2-4可知

忽略高次项，可降阶近似为

近似条件为

式中 ——转速环开环频率特性的截止频率。

接入转速换内，电流环等效环节的输入量应为 (s)，因此电流环在转速环中应等效为

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。

2.2.2 转速调节器结构的选择

 用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-6所示。

图2-6 用等效环节代替电流环后转速环的动态结构框图

把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/ ，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中

则转速环结构框图可化简成图2-7

图2-7 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后转速换的动态结构框图

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（见图 2-7），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

式中  ——转速调节器的比例系数；

      —— 转速调节器的超前时间常数。

这样，调速系统的开环传递函数为

令转速环开环增益为

则

 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-8所示。

图2-8 校正后成为典型系统时转速环的动态结构框图

2.2.3 转速调节器的参数计算

1.确定时间常数

1）电流环等效时间常数1/KI ：已取，则

 2）转速滤波时间常数: 根据所用测速发电机纹波情况， 取

     3）转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取

     2.选择转速调节器结构

     按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为

3. 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=3，则ASR的超前时间常数为

转速环开环增益

ASR的比例系数为

4.检验近似条件

转速环截止频率为

1）电流环传递函数简化条件

满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为

满足近似条件。

    5. 计算调节器电阻和电容

根据图2-9，取，则

       取424

    取0.11

          取 1。

2.2.4 转速调节器的实现

含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图2-9所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。

转速调节器参数与电阻、电容值的关系为

图2-9 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

第三章 系统仿真

本设计运用Matlab的Simulink来对系统进行模拟仿真。根据图3-1以及上面计算出的系统参数，可以建立直流双闭环调速系统的动态仿真模型，如图3-2所示。

图3-1直流双闭环调速系统的实际动态结构框图

仿真原理图

图3-2直流双闭环调速系统的仿真原理图

仿真结果

根据以上所示添加元器件，然后合理地设置参数，并进行仿真，其波形如下：

a）电枢两端的电压：

b）转速相应：

c）电流相应：

3.1仿真分析

从转速和电流波形可以看到，在起动阶段电动机以恒流起动，在0.4s时起动过程结束，电枢电流下降到零，转速上升到最高且最高大于1450r/min，尽管转速已经超调，电路给定变“-”，但是本系数为不可逆调速系统晶闸管整流装置不能产生反向电流，这是电枢电流为零，电动机的电磁转矩也为零，没有反向制动转矩。

又因为是在理想空载起动状态，所以电动机保持在最高转速状态。0.5s后加上负载，电动机转速下降，ASR开始退饱和，电流环发挥调节作用，使电动机稳定在给定转速上。

这结果与按双闭环调速系统动态结构图分析的结构有质的不同，不同在于，在动态结构图中由于晶闸管整流器的传递函数是线性的，输出电压可以变成负，电动机电流出现负值，因此从调节过程来看按动态结构图的仿真速度较快。

以上的这些是电动机在空载时的情况，如果是电动机带负载起动，那么这两者是基本相同。

总的来说，波形还算理想，比较接近与实际的情况。

4.1总结

通过这次的专业课程设计，尤其是对    MATLAB的完全不理解到后来的基本能运用其来进行一些简单电路的仿真，确实感觉到了它的强大的作用，对电路仿真这一块是一个不错的选择。强大的功能，丰富的元器件是进行电路仿真不可缺少的工具，我想在以后的仿真中，它一定会帮助我们更多，这次仿真深受其好处。

本来还以为这次专业课程设计还很简单，可是刚一上手，却发现并不是那么简单，尤其是MATLAB中的函数、变量以及许多的模块，太多了，加上又对英语不是很熟悉，给我在找元器件的时候带来了不少麻烦。不过，虽然付出了不少汗水和努力，以及在老式合同学的帮助下，让我对这款软件有了进一步的熟悉和了解，我想以后一定还会用到它的。

参考文献

[1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. 

     [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000.

     [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006.

     [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006.