电流转速双闭环直流电机控制系统

沈 阳 大 学
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]
2.2.2.4 核对转速超调量 当 h=5 时，有表 2 得 n 3 7 .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。
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
ci I
可得 ω = K = 1 3 5 .1 ，满足设计要求。 ①晶闸管整流装置传递函数近似条件
1 1 = 1 9 6 .1 s -1 ci 满足近似条件。 3 T s 3 0 .0 0 1 7s
②忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件。
3 1 1 =3 1 8 0 .8s -1 > ω ci ，满足近似条件。 T s T ci 0 .0 0 1 7s 0 .0 0 2s
NO.3
本部分将按工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两 个调节器。按照设计多环控制系统的先内环后外环的一般原则，从内 环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应先设计电流调节器，然 后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，然后再设计转速 环。 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图 2 所示。
① 电流环传递函数简化条件为
1 KⅠ 1 1 3 5 .1 -1 = s = 6 3 .7s -1 cn ，满足近似条件。 3 T i 3 0 .0 0 3 7
② 转速环小时间常数近似处理条件为
1 KⅠ 1 1 3 5 .1 -1 = s = 3 8 .7 s -1 cn ，满足近似条件。 3 T o n 3 0 .0 1
i
1 KI
：
0 .0 0 3 7 s= 0 .0 0 7 4 s
i
= 0 .5 ，则
1 2T KI
i= 2
②转速滤波时间常数 T o n ： 按小时间常数近似处理，取 T on = 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 = h T n = 5 0 .0 1 7 4s= 0 .0 8 7 s 可得转速环开环增益 K N = 于是 ASR 的比例系数为
n s+ 1 )
K n (τ n s+ 1 ) 1 1 .7 (0 .0 8 7s+ 1) τns 0 .0 8 7 s

3 9 6 .4s 2 (0 .0 8 7 s 1) s 2 (0 .0 1 7 4 s 1)
同电流环的截止频率可求得转速环的截止频率为
ω cn = KN ω1 = K N τ n = 3 9 6 .4 0 .0 0 8 7s -1 = 3 4 .5 s -1 满足设计要求。
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 T o i 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
T s 0 .0 0 1 7 s
②电流滤波时间常数 T o i ：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 T o i 3.3 3 m s 。因此 T oi 0.02s ③电流环小时间常数之和 T i= T s + T oi = 0.0037s ： 按小时间常数近似 处理，取 T i= T s + T oi = 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
课程设计说明书 引言
NO.1
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜在大范围内平滑调速， 在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 近年来，高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代 直流调速系统。然而，直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成 熟。 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调 速系统、位置随动系统（伺服系统） 、张力控制系统，多点击同步控 制系统等多种类型，而且个系统都是通过控制转速来实现的。[1] 为了达到一定的控制性能，如较高的稳态精度、较快的系统响应、较 小的超调量等性能，可以通过加入电流反馈、转速反馈来实现。 本文对双闭环直流调速系统进行调节器结构选择，参数计算和近 似校验，并进行系统仿真来验证系统的稳定性。
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。
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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 * 和来自 n 测速发电机(TG)的转速反馈信号 U n 的差值 U n 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 U i 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 * 和电流反 i 馈信号 U i 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。
NO.5
16.30% 2.4T 3.2T 51.8 0.786/T
于是 ACR 的比例系数为 K i =
K I τ i R 1 3 5 .1 0 .0 3 0 .5 1 .0 1 3 K sβ 4 0 0 .0 5
设计的 ACR 的传递函数为 W A C R (S )= 2.1.2.3 校验近似条件 电流环开环传递函数 W o p i (S )=
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NO.4
加入滤波环节， 滤波时间常数用 T o n 表示。 其它和电流环节的道理相同。
2.1 电流调节器的设计
2.1.1 电流调节器结构的选择硬件 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的特性，采用Ⅰ 型系统就可以了。从动态要求上看，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，应选用典型Ⅰ型系统。[1] 2.1.2 电流调节器参数计算 2.1.2.1 确定时间常数 ①整流装置滞后时间常数：三相桥式整流电路的平均失控时间为
τ i = T l= 0.03s
由要求 i 5 % ，查表 1 知，应取 K T
i
i
= 0 .5 ，因此
K i=
0 .5 0 .5 1 3 5 .1s 1 T i 0 .0 0 3 7s
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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ω c 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
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h+1 2h
2 2 T n
1 + T o n = 0 .0 0 7 4 + 0 .0 1 = 0 .0 1 7 4 s KⅠ
=
6 2 5 0 .0 1 7 4