直流电动机双闭环调速系统的仿真模拟

殷亚菲 陈龙 陈宇博 杨博达

河南理工大学 平煤工程技术学院 河南 平顶山 467000

摘要：本文介绍了利用MATLAB软件中的Simulink组件对直流电动机双闭环调速系统进行仿真模拟，获得了直流电动机双闭环调速系统的相关曲线。可知，在该调速系统中运用双闭环调速系统能够显著改善系统的静态与动态性能，以及应用MATLAB软件对系统进行仿真具有便捷、高效等优点。

关键词：MATLAB；直流电动机；双闭环调速系统；仿真

引言

目前大多数以直流电动机作为动力源的生产设备都对直流电动机的转速和快速启动能力有较高的要求，如工业机器人等设备，为了提高效率和质量，还要求其系统本身具有自我调节的能力，以实现其系统的自动化功能，这就对调速系统有了较高的要求。本文通过一个基于MATLAB的系统实例做一些分析，其对相似的设计具有一定的参考意义。

1.直流电动机双闭环调速控制系统

1.1转速、电流双闭环调速系统的构成^[1]

双闭环调速系统的控制电路包括：给定环节、转速调节器ASR、电流调节器ACR、限幅装置、电流反馈环节、转速反馈环节等。

1.2直流电动机双闭环调速系统的动态特性^[2]

建立双闭环调速控制系统的动态结构图，应用软件MATLAB提供的Simulink组件动态仿真工具，如图1所示。

在下图控制系统中，PI调节器控制电流和转速；将晶闸管整流环节及电动机环节分别近似成一阶惯性环节和二阶传递函数模型。

图1动态结构图

2.直流电动机双闭环调速系统的仿真实例

2.1直流电动机双闭环调速系统的设计^[3]

首先设计系统内部电流环，确定电流调节器的组成电路与电路元件。将电流环作为一个惯性环节；同理，根据已知模型的参数要求采用同样的方法设计出转速调节环节。

系统参数设置如下：

电势常数：

转矩常数：

电磁时间常数：

机电时间常数：

晶闸管整流装置滞后时间常数：

选取转速调节器的输出限幅值为

通过计算可以得出：

晶闸管装置放大系数：

启动电流：

选取电流调节器的输出限幅值为 可以得到：

电流反馈系数：

选取电流反馈滤波时间常数：

选取转速最大给定值：

可以得到转速反馈系数：

选取转速反馈滤波时间常数：

反馈调节系统的设计：

电流调节器的数学模型为： 。

根据典型Ⅰ型系统设计可以得到以下结果：

按典型Ⅱ型系统设计，取h=5。

转速调节器的数学模型为： 。

根据典型Ⅱ型系统设计可以得到如下结果：

对该系统的双闭环直流调速控制系统的模型进行仿真模拟^[4]，相对误差Relative tolerance设置为1e-3，初始触发脉冲的Final value值设置为15，电流调节器和转速调节器的输入均加入[19 -19]的非线性限幅模块。

2.2建立基于电气原理图的双闭环直流调速系统仿真模型^[5][6]

在本实验中电动机外加励磁电压为240V。晶闸管整流器装置的Snubber resistance RS (Ohms)参数设置为1e5，Ron(Ohms)参数设置为0.015，Measurements型别设置为Device voltage；电枢回路总电阻Ra=0.05Ω，平波电抗器参数选择为0.001H，已知两个调节器参数分别为Ki=2.29，Ti=0.0037s，Kn=154.13，Tn=0.0174s。

仿真型别选择为ode15s；相对误差Relative tolerance设置为1e-3。建立基于电气原理图的双闭环调速系统仿真模型图，如图2所示。

图4 基于电气原理图的双闭环调速系统仿真模型图

图2双闭环调速系统仿真模型图

2.3系统的动态响应性能^[7]

采用Simulink组件对整个系统进行仿真，点击开始仿真按钮，则可以得到相应的响应曲线。

2.4修改PI控制器参数^[8]

将电流调节器和转速调节器中PI控制器的比例积分参数分别设置为Ki=5和Kn=180，得到相应曲线；对比后可以得出：系统总体上依然处于稳定状态，调整时间相较于原本的系统有所减少，改善了平稳性和快速性，同时改善了系统的稳态性能和动态性能。

2.5系统抗负载扰动的能力^[9]

在实际系统的工作当中，系统所带的负载在工作的过程中会发生变化。在仿真模型中用一个阶跃环节来表示负载的扰动，初始值为1，终止值设为20；由仿真结果可知，当负载的大小发生变化时，整个系统仍能在自身的调节下很快恢复到稳定状态。

3.实验结果分析

1.由于转速调节器的饱和特性可以使系统在启动时保持最大恒定允许电流，在尽可能短的时间内建立启动转速，从而实现快速调节转速的特性。

2.转速、电流双闭环系统可以很好的解决负载变化和外界扰动的影响。

3.MATLAB软件中的Simulink环境可以非常快捷的构造控制系统并可以直观的得到其仿真结果；也为实际电动机调速系统的设计和调试提供了有利的工具。

参考文献：

[1]韩璐. 直流电动机双闭环调速系统及其SIMULINK的仿真. 船海工程. 2003年第2期.

[2]张波，邓泽名. 直流调速系统SIMULINK仿真. 电子测试. 2008年6月第6期.

[3]潘艳艳，曹华，陶彩霞. 直流电动机双闭环调速系统的动态模型仿真. 2009年8月第8期.

[4]孙静，许军，马涛. 直流电动机双闭环调速系统的建模与仿真. 西安科技大学电气与控制学院.

[
5]林立,蒋寿生. 双闭环调速工程设计仿真建模及应用研究[J]仿真技术.2007年第5期.

[6]殷云华，郑宾，郑浩鑫. 一种基于MATLAB的无刷直流电机控制系统建模仿真方法. 系统仿真学报. 2008年1月.

[7]李琳. 基于MATLAB的直流电动机双闭环调速系统的仿真研究. 《自动化技术与应用》. 2007年第26卷第11期.

[8]曹少勇，程小华. 一种无刷直流电动机双闭环调速系统仿真研究. 《物理仿真》. 2007年第2期.

[9]张传伟，郭卫. 直流电机双闭环调速系统仿真研究. 《机床与液压》. 2005年第2期.