电流转速双闭环直流电机控制系统

设计的 ASR 的传递函数为 WASR(S)= 2.2.2.3 校验近似条件 转速环的开环传递函数为
Kn(τns+1) 11.7(0.087s+1) τns 0.087s
N(τns+1) 396.4s 2 (0.087s 1) Wopn(s)= K 2 2
s (T ns+1)
s (0.0174s 1)
3.1 电流环的 MATLAB 仿真
①先打开 Simulink Library Browser 窗口，新建 Simulink 仿真编辑 窗口。 启动 Simulink Library Browser 有三种方法，第一种，点击 按钮；
第二种，在 MATLAB 命令窗口中输入“ Simulink ” ；第三种，点击 MATLAB 主窗口左下方的 START→Simulink→ Library Browser 图标 ②从模块库中拖出相应模块。具体方法：找到相应的模块后用鼠 标左键将该图标拖到 Simulink 仿真编辑窗口中。 ③模块摆放好后，连线，并进行参数设置。各参数如图 3 所示， 其中 PI 控制器代表 ACR，其参数分别为 P：1.013，I：33.77。 设置方法：双击该图标，修改相关参数后点击 OK 即可。 ④保存后运行，观察仿真结果。
1 ： KI
1 2T i=2 0.0037s=0.0074s KI
②转速滤波时间常数 Ton ： 按小时间常数近似处理，取 Ton=0.01s ③转速环小时间常数 T n ： T n = 2.2.2.2 转速调节器的参数计算 按跟随和抗干扰性能都较好的原则，取 h=5，则 ASR 的超前时间 常数为 τ n =hT n=5 0.0174s=0.087s 可得转速环开环增益 K N = 于是 ASR 的比例系数为
1 1 =196.1s-1 ci 满足近似条件。 3Ts 3 0.0017s
②忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件。
3
1 1 =3 180.8s-1 >ωci ，满足近似条件。 TsTci 0.0017s 0.002s
③电流环小时间常数近似处理条件
3
1 1 =3 180.8s-1 >ωci ，满足近似条件。 TsTci 0.0017s 0.002s
同电流环的截止频率可求得转速环的截止频率为
ωcn =
KN =K N τ n =396.4 0.0087s-1 =34.5s-1 满足设计要求。 ω1
① 电流环传递函数简化条件为
1 KⅠ = 1 135.1 s-1 =63.7s-1 ，满足近似条件。 cn 3 Ti 3 0.0037
② 转速环小时间常数近似处理条件为
1 KⅠ = 1 135.1s-1 =38.7s-1 ，满足近似条件。 cn 3 Ton 3 0.01
2.2.2.4 核对转速超调量 当 h=5 时，有表 2 得 n 37.6% ，不能满足设计要求。实际上， 由于表 2 是按线性计算的，而突加阶跃给定时 ASR 饱和，不符合现行 系统的前提。
Ki(τis+1) 1.013(0.03s+1) τis 0.03s
KI 135.1 s(TΣis+1) s(0.0037s+1)
由校正时是以-20dB/dec 通过 ω 轴的，惯性环节还没有起作用，此 时, 20log
KI 20log 135.1 0 s s
可得 ωci=KI=135.1 ，满足设计要求。 ①晶闸管整流装置传递函数近似条件
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1 +T =0.0074+0.01=0.0174s KⅠ on
h+1 6 = s-2 =396.4s-2 2 2 2 2 2h T n 2 5 0.0174
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Kn =
NO.7
h+1 βCeTm =
2hαRTån
6 0.05 0.132 0.18 =11.7 2 5 0.007 0.5 0.0174
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2.2 转速调节器的设计
2.2.1 转速调节器结构的选择
NO.6
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。现在扰动作用点后面已经有一 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，系统就满足动态抗扰性能的要求。其阶跃响 应超调量应该较大，但是在实际系统中转速调节器的饱和非线性性质 会使超调量大大降低。 2.2.2 转速调节器参数计算 2.2.2.1 确定时间常数 ①电流环等效时间常数 已取 KiT i=0.5 ，则
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课程设计说明书 3 实验验证（MATLAB 建模与仿真）
在进行仿真时，可以按一下步骤进行 MATLAB 仿真。
NO.8
①先打开 Simulink Library Browser 窗口，新建 Simulink 仿真编辑 窗口。 ②从模块库中拖出相应模块。 ③连线并进行参数设置。 ④保存后运行，观察仿真结果。[2]
Ts 0.0017s
②电流滤波时间常数 Toi ：三相桥式电路每个波头时间为 3.3ms， 为了基本滤平泊头，一般选用 1~ 2 Toi 3.33ms 。因此 Toi 0.02s ③电流环小时间常数之和 T i=Ts+Toi=0.0037s ： 按小时间常数近似 处理，取 T i=Ts+Toi=0.0037s 2.1.2.2 电流调节器的参数计算 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点相消，选择
表 2 典型型系统节约输入跟随性能指标 h σ tr/T ts/T k 3 52.6% 2.4 12.15 3 4 43.6% 2.65 11.65 2 5 37.7% 2.85 9.55 3 6 33.2% 3.0 10.45 1 7 29.8% 3.1 11.30 1 8 27.2% 3.2 12.25 1 9 25.0% 3.3 13.25 1 10 23.3% 3.35 14.20 1
τi=Tl=0.03s
由要求 i 5% ，查表 1 知，应取 KiT i=0.5 ，因此
Ki=
0.5 0.5 135.1s1 T i 0.0037s
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表 1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系 KT 阻尼比ζ 超调量σ 上升时间 tr 峰值时间 tp 相角稳定裕度γ 截止频率ωc 0.25 1 0% ∞ ∞ 76.3 0.234/T 0.39 0.8 1.50% 6.6T 8.3T 69.9 0.367/T 0.5 0.707 4.30% 4.7T 6.2T 65.5 0.455/T 0.69 0.6 9.50% 3.3T 4.7T 59.2 0.596/T 1 0.5
NO.5
16.30% 2.4T 3.2T 51.8 0.786/T
于是 ACR 的比例系数为 Ki=
KIτiR 135.1 0.03 0.5 1.013 Ksβ 40 0.05
设计的 ACR 的传递函数为 WACR(S)= 2.1.2.3 校验近似条件 电流环开环传递函数 Wopi(S)=
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课程设计说明书 1 电流、转速双闭环直流电机控制系统的基本构成
NO.2
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两 个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串联连接。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晶 闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面叫做内 环；转速调节环在外边叫做外环。这样就形成了转速和电流双闭环调 速系统。转速环中有一个转速调节器 (ASR)，转速给定信号 U* n 和来自 测速发电机(TG)的转速反馈信号 U n 的差值 Un 输入到 ASR， ASR 的输 出信号作为电流环的给定信号 U* 和电流反馈信号 Ui 一起来控制整流 i， 装置的输出， 进而控制电动机的转速。 电流内环是由电流调节器(ACR)， 电力电子变换器(UPE)和电枢回路组成。ACR 的给定信号 U* i 和电流反 馈信号 Ui 作差，其差值送入 ACR。ACR 的输出来控制 UPE 的触发， 进而通过控制电枢电压来控制电机转度的目的。
图 2 双闭环调速系统的动态结构图
图中包含电流滤波、转速滤波和两个给定信号的低通滤波环节。 由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不是它影响到调节器的输 入，我们加入低通滤波环节。这样的滤波环节其传递函数可以用一节 惯性环节来表示。滤波时间常数 Toi 按需求设定。在抑制交流分量的同 时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟的作用， 我们在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定 滤波环节。其作用在于让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二 者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。 由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因而也需要
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转速环的 MATLAB 仿真框图
NO.10
图 5 转速环的 MATLAB 仿真框图
转速环的 MATLAB 仿真结果
图 6 转速环的 MATLAB 仿真结果
3.3 仿真结果与分析
由仿真结果图 4，可以发现：电流环有一定的超调，但是系统响应 较快，调节时间较短，稳定性较好。由于知识的限制，对 MATLAB 的 功能还不是十分的熟悉，不能够给出相关的具体参数。 由仿真结果图 6，可以发现：转速环的超调量较大，系统是趋于稳 定的，但是系统的波动较大调节时间较长。原因可能有，实际系统是
图 1 转速、电流双闭环直流调速系统结构
图中， 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 U* n —转速给定电压 U n —转 速反馈电压 U* i —电流给定电压 Ui —电流反馈电压。