双闭环直流调速系统的设计与仿真

南京工程学院毕业设计说明书

南京工程学院

本科毕业设计（论文）

题目： 双闭环直流调速系统的设计与仿真研究

专 业： 自动化

班 级： 10自动化1 学 号: 20100710132 学生姓名： 吴杰 指导教师： 张贞艳 起讫日期： 2014.2～2014.5

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Graduation Design (Thesis)

Design and Simulation of

Double Loop DC Motor Control System

By Wu Jie

Supervised by

Associate Prof. Zhang zhenyan

Department of Automation Engineering

Nanjing Institute of Technology

May, 2014

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摘 要

为了提高运动控制系统在实际工程中的应用效率，本文介绍了直流调速系统的工程设计方法[1]，利用 MATLAB软件，对直流调速系统进行数学建模和系统仿真的研究。所给出的仿真方法，可以灵活地调节系统的参数，从而获得理想的设计结果，并对设计出的系统进行分析。

建立调节器工程设计方法所遵循的原则是: 1）概念清楚、易懂。 2）计算公式简明、好记。

3）不仅给出参数计算公式，而且指明参数调节方向。 4）能考虑饱和非线性控制的情况，同时给出简单的计算公式。 5）适合于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统[2]。

由于这个课题相对简单，我在里面加入了相关性的内容以丰富本课题的广度和深度。在本设计中，我加入了三种简单的单闭环直流调速系统，并且通过对它们进行仿真分析，比较找出了它们的不足之处，从而更明显地体现了双闭环直流调速系统的优越性。并且通过对两种典型的双闭环直流调速系统进行仿真分析，从而更好地理解和运用双闭环直流调速系统[3]。

关键词：直流电动机；双闭环调速；MATLAB；仿真；直流调速系统；直流脉宽调制；工程设计方法

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ABSTRACT

In order to raise application efficiency of the motion control system in actual project ,this article discussed the engineering design methods of the speed-governing system of DC motor. The mathematical modeling and system simulation of direct current governor system are researched by means of MATLAB platform . The simulation method can adjust the system controller parameters flexibly, so as to achieve the ideal design results, and the design of the system are analyzed.

A controller design method is the principles of: （1）The concept of clear, easy to understand. （2）Simple formula, easy to remember.

（3）Not only gives the parameter calculation formula, and indicates the parameter adjustment direction.

（4）Can consider the saturation nonlinear control, and gives a simple formula. （5）Suitable for all kinds of feedback control systems can be simplified into a typical system.

Because this subject is relatively simple, I joined the correlation content inside to enrich the breadth and depth of the subject. In this design, I added three simple single loop DC speed regulation system, and then analyze them, compared to find their deficiencies, and thus more clearly showed the superiority of double closed loop DC speed regulating system. And through the simulation analysis of two kinds of typical double loop DC speed control system, so as to better understand and use the double loop DC speed control system.

Keywords: DC motor, double closed loop，MATLAB，Simulation，V-M，PWM-M，The engineering design method

II

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目 录

摘要 .................................................... I ABSTRACT ............................................... II 第一章 绪论 ............................................. 1

1.1 课题研究背景 ................................................................................................. 1

1.2 直流调速系统国内外研究现状 ..................................................................... 1 1.3 研究双闭环直流调速系统的意义 ................................................................. 2 1.4 论文的主要研究内容 ..................................................................................... 2

第二章 仿真软件以及相关硬件简介 ......................... 3

2.1 MATLAB/Simulink仿真平台 ........................................................................... 3

2.2 仿真的数值算法 ............................................................................................. 3 2.3 工程设计法 ..................................................................................................... 4 2.4 直流电动机 ..................................................................................................... 4

第三章 简单闭环调速系统的设计与仿真 ...................... 5

3.1 单闭环有静差转速负反馈调速系统的设计与仿真 ..................................... 5

3.2 单闭环无静差转速负反馈调速系统的设计与仿真 ................................... 11 3.3 带电流截止负反馈的转速反馈系统的设计与仿真 ................................... 13 3.4 简单闭环调速系统的优缺点比较 ............................................................... 15

第四章 转速、电流双闭环直流调速系统的设计与仿真 ......... 17

4.1 转速、电流双闭环调速系统的设计与仿真 ............................................... 17

4.2 V-M直流调速系统的设计与仿真 ................................................................ 19 4.3 PWM-M直流调速系统的设计与仿真 ......................................................... 26

第五章 总结与展望 ...................................... 34 致谢 .................................................. 35 参考文献 ............................................... 36

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

在现代化的工业生产过程中，许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能[4]。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转等良好的动态性能，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求。 因此，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统[5]。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。而转速、电流双闭环直流调速系统, 因其具有良好的动静态特性和抗扰性能以及广范围内的平滑调速性能, 特别适合应用到龙门刨床、可逆轧钢机、造纸、印染设备及其他直流调速等领域[6]。

1.2 直流调速系统国内外研究现状

1.2.1.国内现状及发展趋势

从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果[7]。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前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控制的基础[8]。在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。

1.2.2.国外现状及发展趋势

从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置直流调速已经发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、良好的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外受到广泛的应用[9]。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的

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生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统的总的发展趋势也向着控制的数字化、智能化和网络化发展。

1.3 研究双闭环直流调速系统的意义

1.3.1.根据MATLAB/Simulink仿真平台，研究双闭环直流调速系统的性能。双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在拖动领域中发挥着极其重要的作用[10]。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础[11]。

1.3.2.通过比较单闭环有、无静差转速负反馈调速系统和带电流截止负反馈调速系统的仿真结果，从而得到它们各自的不足之处，从而突出双闭环直流调速系统的优越性以及必要性。

1.3.3.通过对双闭环V-M系统和双闭环PWM-M调速系统这两种典型双闭环调速系统的的仿真分析，帮助我们更好的了解和应用双闭环直流调速系统。

1.3.4.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。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

1.4 论文的主要研究内容

1.4.1.简单闭环调速系统系统的设计与仿真，其中包括单闭环有、无静差转速负反馈调速系统以及带电流截止转速负反馈调速系统的设计与仿真。通过比较它们的仿真分析结果，得出它们的不足之处，从而引出双闭环直流调速系统。

1.4.2.双闭环直流调速系统的设计与仿真，其中包括建立双闭环调速系统的方框图以及仿真模型。并且通过仿真分析结果，与简单的闭环调速仿真分析进行比较，从而得出双闭环直流调速优越性。

1.4.3.双闭环V-M系统的设计与仿真，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结果分析等。

1.4.4.闭环PWM-M调速系统设计与仿真，其中包含调节器的选择和参数设计，相关数据计算，动态结构图仿真，虚拟模型图仿真，仿真结构分析等。

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第二章 仿真软件以及相关硬件简介

2.1 MATLAB/Simulink仿真平台

MATLAB是一种科学计算软件，MATLAB是“矩阵实验室”(Matrix Laboratory)的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算机语言。它由于使用方便，输入便捷，运算高效，适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，特别受到用户的欢迎。从而使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。

MATLAB提供的动态系统仿真工具Simulink可以有效地对系统进行建模，而且仿真过程是交互的，可以随意地改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的仿真结果。另外使用MATLAB中的各种分析工具，还能对仿真结果进行分析以及可视化。

Simulink仿真平台具有如下特点：

（1）系统仿真模型（即框图）完成后，设置了仿真参数，即可启动仿真。仿真开始时，软件首先自动进行被仿真电路和系统的初始化过程，将系统的框图转换为仿真的数学方程，建立仿真的数据结构并计算系统在给定激励下的响应。

（2）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎是一致的。

（3）以框图形式仿真控制系统是Simulink的最早功能，后来在Simulink的基础上又开发了数字信号处理、通信系统、电力系统、模糊控制等数十种模型库，但是Simulink的窗口界面是各种模型库共用的平台，在这平台上可以控制系统、电力系统、通信系统等各种系统的仿真[12]。

2.2 仿真的数值算法

仿真的数值算法有很多种，其中包括Ode23，Ode15s，Ode45，Ode113，Ode23s，Ode23t，Ode23tb等，而我在接下来的仿真软件件主要运用到的是Ode45和Ode23tb这两种，下面我将对其进行大致的介绍。

Ode45 (Dormand-Prince)基于显式Rung-Kutla(4,5)和Dormand- Prince组合的算法，它是一种一步解法，即只要知道前一时间点的解y(tn-1)，就可以立即计算当前时间点的方程解y(tn)。对大多数仿真模型来说，首先使用ode45来解算模型是最佳的选择，所以在SIMULINK 的算法选择中将ode45设为默认的算法。

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Ode23tb（stiff/TR-BDF2)采用TR-BDF2算法，即在龙格-库塔法的第一阶段用用梯形法，第二阶段用二阶的backward differentiation formulas算法，在容差比较大时，ode23tb和ode23t都比ode15s好[13]。

2.3 工程设计法

作为工程设计方法，首先要使问题简化，突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步:

第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。 第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

这样做，就把稳、快和抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分为两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳态精度，然后第二步再进一步满足其他动态性能指标。

2.4 直流电动机

在即将进行的仿真设计中，直流电动机是一个不可或缺的部分。众所周知，直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内进行平滑无级调速。并且它在轨钢机、金属切割机床、高层电梯、铁路机车、造纸机、矿井卷场机、挖掘机等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的运用。

在目前知道的范围内，可控直流电源——电动机调速系统，包括直流电动机启动、开环直流调速、单闭环直流调速、双闭环直流调速以及直流脉宽PWM-M等调速系统的仿真[14]。

直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高，维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有较高的过载能力、较大的启动转矩和良好的启动、制动、平滑的调速性能，可以在很宽范围内平滑调速，能在很短的时间里改变转向，所以直流调速系统在现阶段仍然是自动调速系统的主要形式

[15]

。转

速-电流双闭环直流调速系统具有结构简单，工作可靠，且设计较为方便的特点，是应用非常广泛的一种直流调速系统[16]。

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第三章 简单闭环调速系统的设计与仿真

3.1 单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真

单闭环有静差转速负反馈调速系统由给定信号、速度调节器、同步脉冲触发器、三相整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈等环节组成。如图3.1是单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型[17]。其中的Subsystem模块如图3.2所示。

图3.1 单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真模型

图3.2 Subsystem模块

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3.1.1.主电路的建模和参数设置

三相对称电压源建模和参数设置。提取交流电压源模块AC Voltage Source（路径为SimPower Systems/Electrical Source/AC Voltage Source）,再用复制的方法得到三相电源的另外两个电源模块，并把模块标签分别改为“A”、“B”、“C”，从路径SimPower Systems/Elements/Ground取接地元件Ground，按图1主电路图进行连接。

三相对称电压源参数设置。双击三相交流电压源图标，打开电压源参数对话框，A相交流电压源参数设置：峰值电压为220V，初相位为0°，频率为50Hz，其他默认值如图3.3所示。B相和C相交流电压源设置参数方法：参数设置除了相位相差120°外，其他参数与A相相同，注意B相的初始相位为240°，C相的初始相位为120°，由此可以得到三相对称交流电源。

图3.3 AC Voltage Source模块参数设置对话框

晶闸管整流桥的建模和主要参数设置。取晶闸管整流桥Universal Bridge的路径为SimPower Systems/Power Electronics/Universal Bridge，并将模块标签改为“三相整流桥”然后双击模块图标打开整流桥参数设置对话框，参数设置如图3.4，当采用三相整流桥时，桥臂数取3，电力电子元件选择晶闸管，其他参数设置原则：

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如果针对某个具体交流调速系统进行仿真，对话框中应该取该调速系统中晶闸管元件的实际值。如果不是针对某个具体调速系统的仿真，可以取默认值进行仿真，如果仿真结果不理想，就要适当调整各模块参数。

平波电抗器的建模和参数设置。提取电抗器元件RLC Branch，路径为SimPower/Elements/RLC Branch，由于无单个电感元件，通过参数设置改为纯电感元件，其电抗为1e-3，即电抗值为0.001H。参数设置如图3.5。

图3.4 三相整流桥参数设置对话框

直流电动机的建模和参数设置。提取直流电动机模块DC Machine的路径为SimPower Systems/Machines/DC machine，将模块标签改为直流电动机。直流电动机励磁绕组接直流电源DC Voltage Source，双击此图标。打开参数设置框，电压参数设为220V。电枢绕组经平波电抗器同三相整流桥连接。电动机TL端口接负载转矩。用变量Step表示，其提取路径为Simulink/Sources/Step,参数设置如图3.6，可以看出开始负载转矩为50，在2s后负载转矩变为100，负载转矩模块标签改为“TL”。直流电动机输出m口有4个合成信号，用模块Demux（路径为Simulink/Signal

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Routing/Demux）把这4个信号分开。双击此模块，把参数设置为4，表明有4个输出，从上到下依次是电机的角速度，电枢电流、励磁电流和电磁转矩数值。仿真结果可以通过示波器显示，也可以通过OUT端口显示。

图3.5 平波电抗器参数设置对话框

图3.6 负载转矩参数设置

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电动机参数设置：双击电动机图标，打开电动机参数对话框，如图3.7所示，其参数设置原则与晶闸管整流桥相同。

同步脉冲发生器的建模和参数设置。同步6脉冲Synchronized 6-Pluse Generator

提取路径为

SimPower Systems/Extra Library/Control

Blocks/Synchronized 6-Pluse Generator,标签改为“同步6脉冲触发器”其有5个端口，同alpha—deg连接的端口为导通角，同Block连接的端口是触发器开关信号，当开关信号为“0”时，开放触发器;当开关信号为“1”时，封锁触发器，故取模块Constant（提取路径为Simulink/Source/Constant）同Block端口连接，把参数改为“0”，开放触发器，同步6脉冲参数设置如图3.8所示，把同步频率改为50Hz。由于同步6脉冲发生器需要三相线电压，故取电压测量模块Voltage Measurement。

图3.7 直流电动机参数设置对话框

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图3.8 同步6脉冲触发器参数设置

3.1.2.控制电路的建模和参数设置

单闭环有静差转速负反馈调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度反馈等环节组成。根据仿真需要，另加限幅器Saturation、比较环节模块Sum等。

给定信号模块就是Constant模块，参数设置为10，它的物理量是给定电压信号，把此模块标签为“给定电压信号”。

比较环节模块Sum提取路径为Simulink/Math Operations/Sum，将默认参数“++”改为“+-”。

比例调节器模块就是放大模块Gain，把参数设为1，即放大系数为1. 从上面分析可知，同步6脉冲触发装置的输入信号是导通角，整流桥处于整流状态时导通角范围为0°≤a≤90°，由于速度调节器输出信号的数值可能大于90，故需加限幅器Saturation，提取路径为Simulink/Discontinuities/Saturation,其参数设置上下限幅为10和-10。

Constant参数设置为90，Gain参数设置为9。

转速反馈系数模块就是Gain模块，参数设置为0.01，也即表示反馈系数为0.01。 3.1.3.系统仿真参数设置

仿真中选择的算法为ode23tb，Start设为0，Stop设为5s。 3.1.4.仿真结果分析

当建模和参数设定后，即可开始进行仿真。

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仿真图形如图3.9所示。

图3.9单闭环有静差直流调速系统仿真曲线图

从仿真结果可以轻易地看出来，在比例调节器的作用下，电动机转速很快达到稳态值，在2s的时候，转矩由50变为100时，系统快速进行调节，使转速很快上升到另一个稳态值。

3.2 单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真

单闭环无静差转速负反馈调速系统由给定信号、速度调节器、同步脉冲触发器、三相整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈等环节组成。如图3-10是单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真模型。

3.2.1.如图3.10，单闭环无静差调速和单闭环有静差调速建模大部分相同，只是把转速调节器换成了PI调节器。由于PI调节器本身带输出限幅值，故不再需要限幅模块，PI调节器参数设置如图3.11。转速反馈系数为0.01。

3.2.2.系统仿真参数设置

仿真中选择的算法为ode23tb，Start设为0，Stop设为5s。 3.2.3.仿真结果分析 仿真结果如图3.12所示。

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图3.10 单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真模型

图3.11 PI调节器参数设置

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图3.12 单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真曲线

从仿真结果可以看出来，当负载在2s后转矩由50变为100时，转速下降，通过PI调节器的调节作用，使得转矩再次恢复到稳态状态，和单闭环有静差转速负反馈系统的仿真结果比较，我们可以看出，其动态响应比比例调节器的要慢。但是，它实现了转速无静差。

3.3带电流截止负反馈的转速反馈系统设计与仿真

带电流截止负反馈的转速反馈系统如图3.13由给定信号、速度调节器、同步6脉冲触发器、三相整流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈等环节组成。

3.3.1.电流截止环节建模

电压比较模块就是Sum模块，电流比较模块Switch提取路径为Simulink/Signal Routing/Switch，双击这个模块我们可以看到一个参数设置框，如图3.14所示。

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图3.13 带电流截止负反馈的转速负反馈系统的仿真模型

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图3.14电流比较环节参数设置

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3.3.2.系统仿真参数设置

仿真中选择的算法为ode23tb，Start设为0，Stop设为5s。 3.3.3.仿真结果分析 仿真结果如图3.15所示。

图3.15 带电流截止负反馈的转速负反馈系统的仿真曲线

如图3.15所示的单闭环带电流截止负反馈调速系统的电流曲线和转速曲线，可以从图总看出始终小于120A。由于限制了起动电流，同单闭环有静差转速反反馈图3-11相比较我们可以得出，该系统使得电动机经稍微长一点的时间使得转速才达到稳态值。

3.4 简单闭环调速系统的优缺点比较

通过以上三种简单闭环直流调速系统的设计与仿真分析，可以看出来在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在起动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。

通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，

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GD222电动机转动惯量为J=??0.56kg?m2

4g4?9.81额定负载转矩为TLN=9.55C （9.55?0.131?136）?170.14NmeIN? 2）供电电源电压

Udom?Ce?nN?IdmR??0.131?1460?1.5?136?（0.21?1.3?0.3）?560.5V

U2?CenN?IdmaxR?0.132?1460?1.5?136?（0.21?1.3?0.3）??276.59V

2.34cos30?2.34?3/2 (3)系统设计参数

U*10??nm??0.006849V/rpm

nN1460U*10??nm??0.049V/A

?IN1.5?136KS?Udom560.5??56 Uctm10GD2R?22?1.81电动机的转矩时间常数Tm? ??0.6479s22375?9.95?Ce375?9.95?0.131L?（200?2）?10-3电动机的电磁时间常数Tl???0.111s

R?1.81(4)调节器选择，数据计算 1）电流环的设计

电流环的时间常数T?i?TS?Toi?0.00167 ?0.002?0.00367s根据电流超调量的要求，电流环按典型Ⅰ型系统设计，且取二阶最佳参数，电流调节器选用PI调节器，其传递函数为

WACR（s）?Kpi?1?s-1 ?K（i）?i?s?is?i?Ti?0.111s

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?iR?0.111?1.81??9.975

2T?i?KS2?0.00367?0.049?56?0.111?0.011 9.975Kpi??l?Kpi?iKpi?i?9.975?89.86 0.111Kl?11??136.239 2T?i2?0.003672）转速环的设计

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，转速调节器的传递函数为

WASR（s）?Kpn（Kpn1?ns?1）?Kpn?? ?ns?ns T?n?2T?i?Toi?2?0.00367?0.01?0.01734?n?hT?n?5?0.01734?0.0867

（h?1）?CeTm60.0490.131Kpn?????11.64

2h?R?T?n100.0068490.01734?nKpn?0.0867?0.0074 11.64Kpn?n?11.64?134.256

0.0867?n?（2

136?1.810.01734?2?0.812（1.5-0）（）/1460?0.08360.1310.654.2.2.双闭环V-M系统建模仿真 （1）动态结构仿真 1)MATLAB动态结构仿真图

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?CmaxI?RT?n）（??-Z）N?（）/n*CbCeTm

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2)设定模型仿真参数

仿真参数采用ode45，仿真时间10s，可以在0.8s时突加1/2额定负载。 3)启动仿真并且观察结果。

图4.4 MATLAB动态结构仿真图

图4.5 V-M动态结构仿真曲线

（2）虚拟模型仿真

直流双闭环系统虚拟实验或仿真可以根据系统的动态结构图进行，也可以用SimPower Systems的模块来建立，从而建立虚拟实验。虚拟实验和依据系统的动态结构图进行仿真的不同，在于主电路，后者晶闸管和电动机使用传递函数来表示，前者的晶闸管和电动机是使用SimPower Systems的模块，而控制部分相同，但也有

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不少差异之处。

图4.6 V-M直流调速系统的仿真模型

（3）仿真结果分析

1)仿真曲线图，V-M直流调速仿真曲线图如图4.7(a)(b）（c）。

图4.7 （a）转速响应曲线

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图4.7（b）电流响应曲线

图4.7（c)转矩响应曲线

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。与该电动机的开环系统相比较，电动机启动电流大幅度下降，电流环发挥了调节作用使最大电流限制在设定的范围内。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。修改调节器参数，可以观察在不同参数条件下，双闭环系统电流和转速的响应，修改转

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速给定，也可以观察电动机在不同转速下的工作情况。

4.3 PWM-M直流调速系统的设计与仿真

脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并且通过控制脉冲的宽度或周期达到变压[20]的效果。在双闭环直流调速系统中，PWM-M直流调速系统扮演着很重要的角色，属于典型的直流调速系统之一。下面，我将对双闭环PWM-M进行进一步的设计与仿真分析。

4.3.1.双闭环PWM-M调速系统相关数据计算整理 (1)给定条件

已知直流电动机额定参数为：UN=220V，IN=17.5A,nN?1500r/min;4极；Ra=0.21Ω；GD2=0.4Nm2，励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.2A。采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec?0.3Ω。平波电抗器LP=60mH、RP=0.3Ω。以H型主电路、双极性工作方式的PWM-M驱动单元为基础，设计一转速电流双闭环控制的调速系统，设计指标为：开关频率为1000Hz；要求电流超调量σi≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。过载倍率λ=2，取电流反馈滤波时间常数Toi?0.001s，转速反馈滤波时间常熟Ton=0.005s。取转速调节器和电流调节器的饱和值为15V，输出限幅值为8V，额定转速时转速给定=U*un=10V。仿真观察系统转速、电流响应和设定参数变化对系统响应的影响。

(2)静态参数计算

仿真该晶闸管--整流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动、和起动运行后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化。

1)电动机参数计算 励磁电阻为：Rf?Uf220??183.3? If1.2励磁电感在恒定磁场控制时可取0值。 电枢电阻Ra?1.2? 电枢电感可由下式估算 La=19.1?

CUN0.4?220?19.1??0.016H

2pnNIN2?2?1500?17.526

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P为极对数，C为计算系数，对于无补偿电机C=0.1，有补偿电机C=0.4

Ce?KE?UN?INRa220?17.5?1.2??0.1327[V/(r/min)] nN15006060Ce??0.1327?9.55?0.1327?1.267V?S 2π2π电枢绕组和励磁绕组互感Laf?KE1.267??1.06H If1.2GD20.4电动机转动惯量为J=??0.01kg?m2

4g4?9.81额定负载转矩为TLN=9.55C （9.55?0.1327?17.5）?22.177NmeIN?2)供电电源电压

Udom?Ce?nN?IdmR??0.1327?1500?2?17.5?（1.2?0.3?0.3）?265V

US?Udom?265V

L?min?U1265 ?S??0.07534f0Idmin4?1000?0.88（3）系统设计参数

U*10??nm??0.0067V/rpm

nN1500U*8??nm??0.229V/A

?IN2?17.5KS?Udom265??33 Uctm8GD2R?0.4?1.8电动机的转矩时间常数Tm? ??0.0114s22375?9.95?Ce375?9.95?0.1327电动机的电磁时间常数Tl?L?0.06?0.016??0.042s R?1.81?0.001s f0三相晶闸管整流电路平均失控时间为TS?

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（4）调节器选择，数据计算 1)电流环的设计

终上所述，电流调节器参数计算如下：

电流环的时间常数T?i?TS?Toi?0.001?0.001?0.002s

根据电流超调量的要求，电流环按典型Ⅰ型系统设计，且取二阶最佳参数，电流调节器选用PI调节器，其传递函数为

WACR（s）?Kpi?1?s-1 ?K（i）?i?s?is?i?Ti?0.042s Kpi??iR?0.042?1.8??2.5

2T?i?KS2?33?0.229?0.02?0.042?0.0168 2.5?l?Kpi?iKpi?i?2.5?59.52 0.042Kl?11??250 2T?i2?0.0022)转速环的设计

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，转速调节器的传递函数为

WASR（s）?Kpn（Kpn1?ns?1）?Kpn?? ?ns?nsT?n?2T?i?Toi?2?0.002?0.005?0.009

?n?hT?n?5?0.009?0.045

（h?1）?CeTm60.2290.13270.0114Kpn??????1.915

2h?R?T?n100.00671.80.009?nKpn

?0.045?0.0235 1.91528

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Kpn1.915?42.56 0.045?nK??h?1161????1481.48 2222hT?n500.009?CmaxI?RT?n）（??-Z）N?（）/n*CbCeTm?n?（2

17.5?1.80.009?2?0.812（2-0）（）/1500?0.04060.13270.01144.3.2.双闭环PWM-M系统建模仿真 （1）动态结构仿真 1)MATLAB动态结构仿真图

图4.8 MATLAB动态结构仿真图

2)设定模型仿真参数

仿真参数采用ode45，仿真时间10s，电动机空载起动，起动2.5s后突加额定负载。

3)启动仿真并观察结果。

比较动态结构仿真图和虚拟仿真图的仿真曲线，可以看出，由于动态结构仿真图只是由简单的数学模型搭建起来，其中很多数据、模块做了相似处理，使得仿真结果曲线存在一定的不同。

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图4.9 PWM-M动态结构仿真曲线

（2）虚拟模型仿真，如图4.10。

图4.10 PWM-M直流调速系统的仿真模型

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