直流电机调速毕业设计20110611修改版

大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）直流调速系统设计与仿真实现学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 李兆敏 学 号： 指 导 教 师： 陈晓云 评 阅 教 师： 赵秀春 完 成 日 期： 2011年6月3日 大连民族学院直流调速系统设计与仿真实现摘 要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反转的电力拖动领域中得到了广泛的应用。本文针对直流电动机的特点，根据自动控制原理，采用闭环控制方式，本文实现了双闭环直流调速系统的设计，仿真结果可以准确直观的观察转速。电流双闭环调速系统的启动过程，可方便地设计各种不同的调节器参数，取得了较好的效果。双闭环直流调速系统有较好的性能，因而得到广泛的应用。选定电动机后，通过改变双闭环直流调速系统内环电流调节器和外环转速调节器的参数来提高整个系统的性能建立数学模型，采用PI控制算法，对电流调节器和转速调节器进行设计，对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用MatlabSimulink方法对实际系统进行仿真，通过反复的计算相关参数，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响。基本得到了理想的波形，并在加干扰的情况下，系统表现出很好的抗干扰的性能。给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。关键词：双闭环；调速系统；仿真；直流电机- I -直流调速系统设计与仿真实现AbstractDC motor has a good starting, braking performance, appropriate for smooth speed control in a wide range, in many need to speed and fast reversing of the electric drive field has been widely appliedAccording to the theory of automatic control, the double closed loop DC speed regulation system is signed by using double closed loop control method to control the speed of direct-current motor effectively. In this paper,the design of the double closed loop DC motor system is presented,and the emulational results can be accurately visual observation speedthe current double closed loop speed regulation system of the start-up process for the design of various regulator, and good results have been achieved. DC converter double closed-loop control system used widely has good performance . When the motor are selected, then, the system performance can be improved by changing the parameters of the inner ring current regulator and outer ring speed regulator of the double-loop DC converter system. PI control algorithms are adopted to design the current regulator and speed regulator. The paper presents the derivation of engineering design methods in the speed regulation system of speed and current double closed loop in details. Then，a demo is designed and simulated by Matlab/Simulink to study the influence resulted from the details of the derivation，parameters calculated by repeated, which has been ignored in the speedregulation system.Basicly gets the ideal waveform , and plus interference, system shows very good anti-disturbance performance .The reason of difference between the engineering design and the real conditions is given to help working out the optimal design in practiceKey Words：Double Closed Loop；Speed Adjustment System；Simulation；DC Motor- III -目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题的来源及介绍11.2 研究目标、内容、方法22 直流电动机的工作原理与结构32.1 直流电机工作原理32.2 直流电机的结构43 双闭环直流控制系统的原理63.1 单闭环调速系统存在的问题63.2 PI控制规律63.3 双闭环调速系统的介绍73.3.1 双闭环系统的工作原理73.3.2 电动机起动过程分析83.3.3 双闭环直流调速系统的动态数学模型93.4 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的设计103.4.1 电流调节器的设计113.4.2 转速调节器的设计154 转速电流反馈控制的直流调速系统仿真194.1 仿真模型的建立194.2 仿真模型的运行22结 论26参 考 文 献27致 谢28直流调速系统设计与仿真实现1 绪论1.1 课题的来源及介绍现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源。这是因为电能在生产、传输、分配、转换、控制和管理等方面都非常方便。电能的生产和使用中，电机起着重要的作用。从能量转换角度看，电机中有发电机和电动机之分。电能利用中，绝大多数负载都要求将电能转换为机械能加以使用，即有电动机来拖动各种用途的生产机械。电动机拖动生产机械运转完成既定的工艺要求，称为电力拖动。电力拖动有如下优点：电动机效率高，运行经济；电动机具有各种良好的特性，且种类和规格繁多，能很好地满足不同生产机械的需要；电力拖动易于操作和控制，可以实现自动控制和远距离控制，还能更好的满足控制精度的要求。20世纪是电机发展史上的一个新时期。这个时期的特点：工业的高速发展不断对电机提出各种新的、更高的要求，而自动化方面的特殊需要则使控制电机和新型、特种电机的发展更为迅速。在这个时期内，由于对电机内部的电磁过程、发热过程及其它物理过程开展了越来越深入的研究，加之材料和冷却技术的不断改进，交、直流电机的单机容量、功率密度和材料利用率都有显著提高，性能也有显著改进，并趋于完善。进入20世纪60年代以后，电力电子技术和计算机技术的应用使电机的发展经历了并继续经历着一场持久的革命性的变化。大功率可控硅开关元件的问世后，出现了便于控制、体积小、噪音小，并且完全可以取代直流发电机的大容量直流电源，使直流电动机的良好调速性能得以更充分发挥1。对电机的近代发展来说，与电力电子技术应用同样重要的是计算机的广泛应用。计算机使电机的运行控制变得更为简便，也更为可靠，并使电机能以在线监测方式实现故障诊断和运行维护的智能化，而现代高品质电力传动赖以产生和发展的基础也正是计算机监控技术和电力电子技术的有机结合。新型、特种电机仍将是与新原理、新结构、新材料、新工艺、新方法联系最密切、发展最活跃、也最富想象力的学科分支，并将进一步深入渗透到人类生产和生活的所有领域之中。随着人类生活品质的不断提升，绿色电机的概念已经提出并被人们所接受。虽然这个概念目前还是抽象的，但从环保角度看，低振动、低噪声、无电磁干扰、有再生利用能力以及高效率、高可靠性是一些最起码的要求，这对电机的设计制造和运行控制，尤其是原理、结构、材料、工艺等，无疑是一种新的挑战。总之，融合科技进步的最新成就，不断追求新的突破，这是电机并且也是所有科学技术发展的永恒主题。它激励着我们努力学习，勇于探索，有所发明，有所发现，有所创造，有所前进2。1.2 研究目标、内容、方法 （1）透彻理解系统功能及技术要求，进行方案选择。 （2）系统建模，给出文字说明。 （3）根据系统模型进行仿真分析。 （4）撰写设计说明书。 某晶闸管供电的直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132Vmin/r；允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：，；电流反馈系数：=0.05V/A（10V/）；转速反馈系数：=0.007Vmin/r（10V/）。 设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量,要求转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量。本设计针对直流调速系统进行设计，建立仿真模型，运用MATLAB仿真工具箱SIMULINK进行仿真，得出仿真结果。设计包括方案设计、参数计算、数学模型的建立、仿真设计等过程。从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率3。2 直流电动机的工作原理与结构2.1 直流电机工作原理如图 2.1 所示，在空间有一对固定的永久磁铁，在N 极和S 极之间有一个可以转动的线圈，线圈的首尾分别连接在两个相互绝缘的半圆形铜质换向片上，它固定在转轴上可以随轴转动，并且轴也是绝缘的，为了减小两极之间的磁阻，线圈安放在圆柱形铁芯上，线圈、铁芯和换相片构成一个整体并随轴转动，通称为转子。为了把线圈与外电路接通，换向片上放置了一对在空间静止不动的电刷A 和B，由于电刷和磁极在空间静止不动，构成了电机的固定部分，通称为定子。定子与转子之间有空隙，称为空气隙。 图2.1 直流电机原理图用直流电源向线圈供电，电流方向如图2.1 所示，电刷A 接正极，电刷B 接负极，由电磁力定律，在导体与磁力线相互垂直的情况下，电磁力的方向可用左手定则判断4。在图2.1 所示瞬间，电磁力的方向如图所示，在两个磁力的作用下，转子逆时针方向转动，转子转动时，线圈边的位置将互换。要使线圈连续转动，就必须确保N 极下的导体的电流方向总是流入的，S 极下的导体的电流的方向总是流出的，转子所产生的电磁转矩才有可能是单方向的。由于换向器与电刷的相互配合作用，能使线圈不论转到何处，正电刷A 始终与运动在N 极下的线圈边接触，负电刷B 始终与运动在S 极下的线圈边接触。当导体 ab 转到N 极下时，导体cd 在S 极下，电流由电源正极出发，经过电刷A，流过线圈abcd，经过换相片和负电刷B 流出。ab 导体中的电流方向是ab，cd 导体中的电流方向为cd。N极下导体的电力方向是流入的，S 极下的导体电流方向是流出的。经过180 度后，电流经过正电刷A流入，负电刷B 流出，此时cd 导体中的电流方向为dc，确保N 极下导体的电流方向是流入的，ab导体中的电流方向是ba，确保了S 极下的导体总是流出的。因此转子所受的电磁力矩的单方向性，电机沿着逆时针方向连续转动。在图2.1 中，去掉直流电源，线圈通过外力拖动旋转，由于线圈切割磁力线，根据法拉第电磁感应定律，线圈边中将产生感应电势，由于线圈中的两个边分别位于N 极和S 极下，整个线圈的电势是两个线圈边电势之和，即为一个线圈边电势的两倍，当线圈逆时针转动180 度时，每个线圈边感应电势方向发生改变，即线圈上的电势是交变的，由于换向器的作用，电刷A 始终与运动在N 极下的线圈边接触，所以电刷A 总是正极，电刷始终与运动在S 极下的线圈边接触，所以电刷B 总是负极，故在A、B 之间所得到的是直流电势4。在上述过程中，电刷和换向器起到了将内部绕组的交流转化为外部直流的作用。由此可以得到如下的结论： a、直流电机内部的电枢绕组内部的感应电势和电流为交流，而电刷外部的电压和电流为直流。 b、对直流电动机而言，电刷和换向器的相互配合实现了电刷外部的直流到电枢内部的交流的转化过程，即逆变过程。对直流发电机而言，电刷和换向器实现的相互配合实现了内部交流到电刷外部的直流转换过程5。2.2 直流电机的结构 直流电机的结构多种多样。图2.2所示是一台两极直流电机从面对轴端看的剖面图，它是由定子部分和转子部分构成的，定子和转子靠两个端盖连接。（1）定子部分定子部分主要包括有机座、主磁极、换向极和电刷装置等。一般直流电机都用整体机座。所谓的整体机座，就是一个机座同时起两方面的作用：一方面起导磁的作用；一方面起机械支撑的作用。由于机座要起导磁的作用，所以它是主磁路的一部分，叫定子磁轭，一般多用导磁效果好的铸钢材料制成。主磁极的作用在电枢表面外的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密。换向极的外面套有换向极绕组。由于换向极绕组里流的是电枢电流，所以起导线截面积较大，匝数较少。电刷装置可以把电机转动部分的电流引出到静止的电路，或者反过来把静止的电路里的电流引入到旋转的电路里。电刷装置与换向器配合才能使电流电机获得直流电机的效果6。 图2.2 直流电机的结构（2）转子部分直流电机转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承等。电枢铁心是直流电机主磁路的一部分。当电枢旋转时，铁芯中磁通方向发生变化，会在铁心中引起涡流与磁滞损耗。电枢线圈嵌入电枢铁心的槽中，每个元件的两个出线端都与换向器的换向片相连，连接时都有一定的规律，构成电枢绕组7。3 双闭环直流控制系统的原理如果从运动控制的角度来讨论直流电动机控制系统的结构，直流电动机单闭环速度控制系统是不够完美的。要实现高精度和高动态性能的控制，不仅控制速度，同时还有控制速度的变化率也就是加速度。由直流电动机的运动方程可知，加速度与电机的转矩成正比，而转矩又与电动机的电流成正比。因而需要同时对电动机的速度和电流进行控制。为了实现高动态性能的直流电动机速度控制系统，必须研究转速、电流双闭环的直流电动机速度控制系统。3.1 单闭环调速系统存在的问题通过对单闭环调速系统的分析可知，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。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载、动态速降小等等，单闭环系统就很难满足需要。这主要是因为单闭环系统的起动过程不能完全满足按照需求来控制动态过程的电流或转矩。对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产效率的重要因素。为此，在电动机最大电流（转矩）受限制的情况下，希望利用电动机的过载能力，最好是在瞬态过程中始终保持电流（转矩）为最大值，是电力拖动系统尽可能以最大的加速度起动，达到稳定转速后，又让电流立即将下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行程8。3.2 PI控制规律对于一个稳定的系统，稳态误差是衡量系统稳态响应的时域指标，他根据系统对信号的控制误差来表征系统控制的准确度和抑制干扰的能力。稳定控制系统的时间响应包括暂态分量和稳态分量，系统的动态特性则是以零初始条件下，系统对单位阶跃响应的暂态特性衡量的。积分调节器的的优点是实现了稳态无静差，但它的暂态特性却又不如比例控制。同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出只能逐渐地变化。调速系统一般应具有快与准的性能，即系统既是静态无差又具有快速响应的性能。实现的方法是把比例和积分两种控制结合起来，组成比例积分调节器，PI调节器的表达式： （3.1）为了使PI调节器的表达式更具有通用性，用表示PI调节器的输出，用表示PI调节器富饶输入。其传递函数为 （3.2）式中-PI调节器的比例放大系数，-PI调节器的积分时间常数。令，则传递函数也可以写成： （3.3）是微分项中的超前时间常数。比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点又克服了各自的缺点，比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差9。3.3 双闭环调速系统的介绍3.3.1 双闭环系统的工作原理转速、电流反馈控制直流调速系统原理图如图3.1所示。 图3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变10。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行11。3.3.2 电动机起动过程分析首先设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，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。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图3.2所示。 图3.2 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第I阶段（）是电流上升阶段：在t=0时，系统突加阶跃给定信号，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，很快上升，在上升到之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。当后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到，。第II阶段（）是恒流升速阶段：ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值，基本上保持电流不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是略低于。 第III阶段（以后）：n上升到了给定值n*，。因为，电动机仍处于加速过程，使n超过了 ，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了，ASR退出饱和状态，和很快下降。转速仍在上升，直到时，转速才到达峰值。在时间内，转速由加速变为减速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。在第阶段中， ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统12。双闭环调速系统的转速和电流调节器有如下作用：转速调节器的作用：使转速n跟随给定电压U变化,稳态无静差。 对负载变化起抗扰作用。 其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用：电动机启动时，保证获得最大电流，启动时间短，使系统具 有较好的动态特性。 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U变化。 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到安 全保护作用。故障消失后，系统能够自动恢复正常。 对电网电压波动起快速抑制作用13。3.3.3 双闭环直流调速系统的动态数学模型转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型如图3.3所示。用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。 图3.3 双闭环直流调速系统的动态结构图 图3.3中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有: (3.4) (3.5)在静态，速度环将为系统提供准确的速度控制。当速度调节器和电流调节器均不饱和时，稳态时两个调节器的输入误差信号均为零，即实际速度和设定速度相等，实际电流和设定电流相等，从而实现静态无静差。在动态过程尤其是大信号变化时，速度调节器将会出现饱和，一旦速度调节器出现饱和系统只有电流调节器起作用，从而实现电流的有效调节，保证系统的快速响应。所以，采用速度电流双闭环控制，在动态过程中电流环起调节作用，因此通过适当选择电流调节器的时间常数，使得系统的电流环具有快速响应能力。面数字仿真技术可以从不同角度修改设计参数，能够较准确地把握系统的动态过程14。3.4 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的设计用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。步骤是：先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，最后按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。双闭环调速系统的实现的实际动态结构图如图3.4所示，它与之前的图不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。设置滤波环节的必要性是由于反馈信号检测中常含有谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的影响，需要低通滤波，这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定。然而，在抑制扰动量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称为给定滤波环节。其意义是，让给定的信号和反馈信号经过相同的延滞，使二者在时间上得到相当的配合，从而带来设计上的方便。 电流反馈滤波时间常数 转速反馈滤波时间常数图3.4 双闭环调速系统的动态结构图3.4.1 电流调节器的设计 图3.4所示点画线框内是电流环的动态结构图，其中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉。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远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化的慢得多。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。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势的动态影响。忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 (3.6)式中-电流环开环频率特性的截止频率。 如果把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定的信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。如图3.5所示。在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性。再从动态要求看，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I型系统。 图3.5 电流环的动态结构图 如图3.5所示，电流环的控制对象是两个时间常数大小相差较大的双惯性型的控制对象，如果采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 (3.7)式中-电流调节器的比例系数； -电流调节器的超前时间常数。电流开环传递函数为 (3.8)因为，所以选择，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数极点，以便校正成典型I型系统。 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3.6所示。图中为给定电压，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。 图3.6 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器根据运算放大器的电路原理，可以容易的导出 (3.9) (3.10) (3.11)从而计算调节器的具体电路参数。电流调节器具体参数计算：（1）确定时间常数整流装置滞后时间常数。按表3.1，三相桥式电路的平均失控时间。 表3.1 晶闸管整流器的失控时间（）整流电路形式最大失控时间时间平均失控时间单相半波2010单相桥式（全波）105三相半波6.673.33三相桥式3.331.67 电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本的滤平波头，应有，因此取。 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。 （2）选择电流调节器结构 根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为。检查对电源电压的抗扰性能：，参看表3.2的典型I型系统动态抗扰性能。表3.2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间r6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度73.669.965.559.251.8截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T（3）计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：。 电流环开环增益：要求时，按表3.2，应取，因此 (3.12)于是，ACR的比例系数去为 (3.13) （4）检验近似条件 电流环截止频率： 1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件 (3.14) 2）校验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 (3.15) 3）校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件(3.16) （5）计算电流调节器电阻和电容电流调节器原理图如图3.6所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取 (3.17) 取 (3.18) 取 (3.19)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 (3.20)3.4.2 转速调节器的设计用电流环的等效环节代替图3.4中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构如图3.7所示。 图3.7 转速环的动态结构图和电流环中的一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成，再把时间常数为和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 (3.21)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，应该包含在转速调节器ASR中，由于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型系统，这样的系统同时也能满足动态抗干扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 (3.22)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 (3.23)令转速环开环增益为 (3.24)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3.8所示。图中为转速给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出电流调节器的给定电压。 图3.8 含给定滤波与反馈负反馈的PI型转速调节器与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻、电容值的关系为 (3.25) (3.26) (3.27)转速调节器具体参数计算： （1）确定时间常数 电流环等效时间常数。已知，则 (3.28) 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 (3.29) （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，则ASR的超前时间常数为 (3.30)可求得转速环开环增益 (3.31)于是，可以求得ASR的比例系数为 (3.32)（4）检验近似条件 转速环截止频率为 (3.33)电流环传递函数简化条件为 满足简化条件 (3.34)转速环小时间常数近似处理条件 满足简化条件 (3.35) （5）计算转速调节器电阻和电容 转速调节器原理图如图3.8所示，取，则 取 (3.36) 取 (3.37) 取 (3.38)4 转速电流反馈控制的直流调速系统仿真4.1 仿真模型的建立进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标或直接键入SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口，如图4.1所示。 图4.1 SIMULINK模块浏览器窗口 (1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择FileNewModel菜单项实现。 (2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。在拖入模型编辑窗口的为：Source组中的Step模块；Math Operations组中的Sum模块和Gain模块；Continuous组中的Transfer Fcn模块和Integrator模块；Sinks组中的Scope模块拖入模型编辑窗口15。如图4.2所示。 图4.2 模型编辑窗口修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。双击Sum模块，打开如图4.3所示的对话框，在List of Signs栏目描述加法器三路输入的符号，|表示该路没有信号，用|+-取代原来的符号。得到减法器。 图4.3 加法器模块对话框双击Transfer Fcn模块，将打开如图4.4的对话框。例如，0.002s+1是用向量0.002 1来表示的。只需在其分子Numerator和分母Denominator栏目填写系统的分子多项式和分母多项式系数16。 图4.4 传递函数模块对话框 阶跃输入模块对话框如图4.5所示。 图4.5 阶跃输入模块对话框双击Gain模块打开如图4.6所示对话框，在Gain栏目中填写所需要放大的系数。 图4.6 Gain模块对话框双击Integrator模块打开如图4.7所示对话框，选择Limit output框，在Upper saturation limit和Lower saturation limit栏目中填写积分饱和值。 图4.7 Integrator模块对话框（3）模块连接 以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端处，则在两模块间产生“”线。 单击某模块，选取FormatRotate Block菜单项可使模块旋转90；选取FormatFlip Block菜单项可使模块翻转。把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。4.2 仿真模型的运行(1)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮或选择SimulationStart菜单项，则可启动仿真过程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果。(2)仿真参数的设置：为了清晰地观测仿真结果，需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的默认值逐一改动。改动的方法有多种，其中一种方法是选中SIMULINK模型窗口的SimulationConfiguration Parameters菜单项，打开仿真控制参数对话框，对仿真控制参数进行设置17。电流环、转速环的仿真模型如图4.8所示。 图4.8 电流环、转速换的仿真模型为了在示波器模块中反映出转速电流的关系，仿真模型中从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope 。图4.9是聚合模块的对话框，可以在Number of inputs 栏目中设置输入量的个数。Step1模块是用来输入负载电流的。 图4.9 聚合模块的对话框ASR调节器传递函数为 双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，得到起动时的电流和转速响应曲线，如图4.10和图4.11所示，最终稳定运行于给定转速。图4.12所示为转速环的抗扰波形图。 图4.10 电流环的仿真结果从仿真输出波形来看，当突加给定电压后，动态过程经历了电流上升阶段、调节阶段、恒流阶段。基本达到设计要求。 图4.11 转速环的仿真结果启动过程的第1阶段是上升阶段。突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流上升也很快，接近其峰值。第2阶段，ASR饱和，转速环相当于开环系统，电流基本保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第3阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为0，但由于积分的作用，其输出还是很大，所以出现超调。通过计算验证达到设计要求。图4.12 转速环的抗扰波形图利用转速环仿真模型对转速环抗干扰过程进行仿真，转速在外加干扰时也产生变化，因为转速是由电枢电压控制的，在电压达到新的稳定状态下，转速在瞬间恢复到相对稳定的状态，得到转速环的抗扰波形图。可见其具有良好的抗干扰能力，体现了电流调节器、转速调节器采用PI控制算法进行设计能够有效控制转速，达到预期的目的。结 论 利用双闭环直流调速系统调节器的工程设计方法确定两个调节器的参数，再结合双闭环调速系统的基本工作原理确定两个调节器的限幅值，调用MATLABSIMULINK中的基本模块，按工程实际改变相应模块的参数，设定合适的仿真算法、仿真时间、步长、相对误差等很容易建立起双闭环直流调速系统的仿真模型。当然仿真实验和工程实际之间存在一定的差距，主要是在工程设计方法中进行了相应的简化处理，忽略了一些非线性因素。但是，当在进行简化处理时只要满足一定的条件，输出结果可以满足要求，而且，可以缩短开发时间，提高效率。同时，在实验条件不足的情况下，可以节约成本，进行系统的优化。（1） 由于考虑到电气、机械以及参数设定等诸多方面的因素，因此，理论分析的深度不够。（2） 在实际工作中未能进行深一步的研究。直流调速系统从开环发展到闭环，从有静差发展到无静差，其中的关键是由于运算放大器等电子模拟电路所组成的调节器起的作用。它把转速给定量和反馈量进行比较后对误差进行控制。这类转速的给定和反馈都是用模拟的形式给出的，称为模拟的直流