电流转速双闭环直流调速系统matlab仿真实验

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仿真设计报告

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完成日期年月日

转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计

一、系统设计目的

直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电

气传动中获得了广泛应用。根据直流电动机的工作原理建立了双闭环直流调速系统的数

学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。按照自动控制原理，对双闭环

调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的

仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了一套

实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环

调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB

软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用

SIMULINK进行动态数字仿真，同时查看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。

二、系统理论分析

2.1双闭环直流调速系统工作原理

电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端偏差信号，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。电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在转速上升到给定

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，速度调节器输入端偏差信号将随

时通过速度调节器、电流调节器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，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，还能对因电网波

动引起的电枢电流的变化进行快速调节，可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，从而使速度稳定于某一转速,

2.2双闭环直流调速系统组成

为实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转

速和电流。两者实行嵌套连接，如图1所示。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。从闭环结构上看，电流环在里

面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成转速、电流双闭环调速系统。

图1转速、电流双闭环直流调速系统

其中：ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电

子变换器□-转速给定电压Un-转速反馈电压□-电流给定电压口-电流反馈电压

2.3双闭环直流调速系统分析

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流

电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后,

电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。这种理想的起动

过程如图2所示。

图2理想启动过程

3.确定将电流环设计成何种典型系统

根据设计要求口，而且口，因此，电流环可按典型I型系统设计。

4.电流调节器的结构选择

电流调节器选用PI型，其传递函数为：口

5.选择电流调节器参数

ACR超前时间常数：口；

电流环开环增益：因为要求口，故应取口，因此

K,=—=0,5=135.L?-1

1q0.0037

于是，ACR的比例系数为口。

6.计算电流调节器的电路参数

电流调节器原理如图5所示，按所用运算放大器，取口，各电阻和电容值计算如

下:

□,取口;

口,取口；

口,取口。

3.2转速环的设计

1.转速环的简化:

图6简化后的转速环

2.确定时间常数：

（1）电流环等效时间常数为2%=0.0074s；

（2）转速滤波时间常数口。根据所用测速发电机纹波情况，取口；

（3）转速环小时间常数口。按小时间常数近似处理，取口。

3.转速环设计系统：

由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按

典型n型系统设计转速环。

4.转速调节器的结构选择

转速调节器选用PI型，其传递函数为：口。

5.选择转速调节器参数

按跟随和抗干扰性能都较好的原则取h=5,则ASR超前时间常数：口；

转速开环增益：口；于是ASR的比例系数为：口。

6.计算转速调节器的电路参数

转速调节器原理图如图7所示，按所用运算放大器，取口，各

电阻和电容值计算如下：

□,取口；

口，取口；

□,取匚I。

图7转速调节器原理图

四、系统仿真运行

4.1双闭环直流调速系统定・仿真模型

4.2双闭环直流调速系统定・仿真结果

4.2.1转速环空载高速启动

4.2.2转速环满载高速启动

4.2.3转速环的抗扰

五、分析：可以使电流快速达到，并保持略低于的值，实现快速启动，最终达到恒

速。且具有抗扰作用，使转速维持在给定值。空载能比满载更快速启动。

六、仿真设计总结

木文通过建立直流电机转速、电流双闭环调速系统数学模型设计，根据具体指标参数，应用丁

程方法设计了电流调节器和转速调节器，设计中选择合适的调节器类型，给出了系统动态结构图并

进行了仿真和性能分析。利用MATLAB及其中的仿真工具Simulink,对所设计的电流环和转速环的

阶跃信号进行了仿真计算，很容易绘制出各单位扰动曲线，并计算出阶跃扰动响应性能指标，从阶

跃扰动响应曲线及其指标得出：对扰动信号，该系统具有很强的抗扰性能。

由仿真计算结果表明，利