直流电机双闭环PID调速系统仿真

目录

直流电机双闭环PID调速系统仿真 (1)

1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及工作原理 (2)

2 双闭环调速系统的动态数学模型 (2)

3 调节器的设计 (4)

3.1 电流调节器的设计 (4)

3.2 转速调节器的设计 (6)

4 搭建模型 (8)

5 参数计算 (10)

5.1 参数的直接计算 (10)

5仿真具体参数 (13)

6 仿真结果 (13)

7 结束语 (14)

8 参考文献 (16)

直流电机双闭环PID调速系统仿真

摘要

在工程的应用中，直流电动机的占有很大的比例，同时对于直流系统的调速要求日益增长。在直流调速系统中比较成熟并且比较广泛的是双闭环调速系统，本文对于直流双闭环的PID调速系统作简要的设计，同时利用Matlab/Simulink 仿真软件进行仿真处理。

关键词: 直流双闭环 PID调速

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。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，可实现频率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。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。

开环直流调速由于自身的缺点几乎不能满足生产过程的要求，在应用广泛地双闭环直流调速系统中，PID控制已经得到了比较成熟的应用。

Matlab是目前国际上流行的一种仿真工具，它具有强大的矩阵分析运算和编程功能，建模仿真可视化功能Simulink是Matlab五大公用功能之一，他是实现动态系统仿真建模的一个集成环境，具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装等特点，可以大大提高系统仿真的效率和可靠性。Simulink提供了丰富的模型库供系统仿真使用，它的仿真工具箱可用来解决某些特定类型的问题，也包括含有专门用于电力电子与电气传动学科仿真研究的电气系统模型库。此外，用户可根据自己的需要开发并封装模型以扩充现有的模型库。新模型可以由现有的模型组合得到，也可以通过系统提供的s_function函数，利用Matlab

语言、C语言、C++语言、Fortran语言编程实现。

1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及工作原理

转速电流双闭环控制的直流调速系统是最经典的调速系统，其原理如图1所示。双闭环控制直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由2个独立的调节器控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能过随转速的偏差调节电动机电枢额电流。当转速地狱给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速是，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和输出达到限幅时，电流环即以最大电流限制实现电动机的加速，使电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。

图1转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

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 Un*-转速给定电压

Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压

2 双闭环调速系统的动态数学模型

激射电机补偿良好，忽略电枢反应、涡流效应和磁滞的营销，并设励磁电流恒定，得到直流电机数学模型和运动方程分别为：

E dt

di L R U t i d d ++= t

n L e d d GD T T 3752=- 式中：d U 为电枢电压；L ，d i ，R 分别为电枢回路电感、电流和总电阻；E 微机电机的反电动势，且有n C E e =；e T ，L T 分别为电机的电磁转矩和负载转矩，且有d m e i C T =；2GD 微机电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量。

整理得到电流与电压以及电动势与电流之间的传递函数分别为：

1

/1)()()(+=-s T R s E s U s I L d d s

T R s I s I s E m dt d =-)()()( 式中：R L T /1=为电枢回路的电磁时间常数

（s ）；m L dL C T I /=为负载电流（A ）；m T 为电流拖动系统的机电时间常数（s ）。考虑e C E n /=，可得直流电动机的动态结构，如图2所示。

图2 双闭环直流调速系统的动态结构图

3 调节器的设计

3.1 电流调节器的设计

图2中画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。一般情况下，系统的电磁时间常数l T 远小于机电时间常数m T ，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即0≈∆E 。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂时不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂时把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图3所示。可以证明，护士反电动势对电流环作用的近似条件是

l

m ci T T 1=ω 式中：ci ω为电流环开环频率特性的截止频率。

图3 忽略反电动势的动态响应

如果把给定滤波和反馈滤波2个环节都等效地移到环内，同时把给定信号给成β/)(*s U i 电流环便等效成单位负反馈系统，如图4所示，从这里可以看出2个滤波时间常数取值相同的方便之处。