基于MATLAB的直流电动机双闭环调速系统的仿真研究

工业控制与应用
Industry Control and Applications L 2 = v − 2 A 1 π vi * + i 2 Aω ω
《 自 动 化 技 术 与 应 用 》２ ０ ０ ７ 年 第 ２ ６ 卷 第 １ １ 期
， 其中 v i 是对应于系统给
定电梯运行距离时能达到的最高速度 ； T C 是相应曲线的运行总时 间。 上式是关于 v i 的一元二次方程， 其各项系数都已知， 而且必 定存在唯一解， 故可以由求根公式得到 vi 值：
（ａ） Ｋｉ＝５、 Ｋｎ＝３ （ｂ） Ｋｉ＝１０、 Ｋｎ＝１５ 图３ 双闭环调速系统控制效果
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． （ ａ） 负 载 在ｔ ＝ ６ｓ时 刻 加 至１５ Ｎ ｍ （ｂ） 负载在ｔ ＝ ６ ｓ时 刻 加 至５０ Ｎ ． ｍ 图５ 负载变化时调速结果 （下转第 ２１ 页）
外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转 速的影响。 双闭环调速系统原理框图如图１所示［４］。
２ 直流电动机双闭环调速系统数学模 型［１］［２］
双闭环调速系统，主电路是由交流电源、同步脉冲触发器、 晶闸管整流桥、 平波电抗器、 直流电动机等部分组成。 控制电路 包括：给定环节、速度调节器 ＡＳＲ、电流调节 ＡＣＲ、限幅器、偏 置电路、反相器、电流反馈环节、速度反馈环节等。 由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在
［３］［４］Байду номын сангаас
保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。 第三阶段，当转速达到 给定值后，转速调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零， 但是由于积分的作用，其输出还很大，所以出现超调。 转速超调之 后，ＡＳＲ输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节 阶段，使速度保持恒定，实际仿真结果非常接近理论分析的波形。 。 首先建立双闭环调速系
作者简介： 高国贤（１ ９ ７ ０ － ） ，男，讲师，本科，主要研究方 向： 机电一体化技术。
３．４ 系统的频域分析［５］
频域分析法是工程上广泛采用的系统分析与综合方法，系统 的频率特性可用图形表示，有奈奎斯特 （Ｎｙｑｕｉｓｔ） 曲线和对数频
３、 图６的时域、 频域响应曲线可以判定系统是稳定的，用不同的 方法对同一个系统进行分析其结论是一致的。
G G
i
图１ 双闭环调速系统原理框图 在给出的控制系统中，电流和速度调节器均由 ＰＩ 控制器实 现。电流调节器用来调节电枢电流，
(s ) =
K K
i
其数学模型为
i
n
分别为 F
(s ) =
n
Tis + 1 s Tns + 1 s
τ
i
；速度调节器用来调节转速， 其数学模型为 。 电流反馈环节和速度变换环节的数学模型 ，
４ 结束语
基于 ＭＡＴＬＡＢ 软件的系统仿真与传统的设计分析方法相比 参数调整简单方便，而且其友好的图形用户界面，便于根据仿真结 果观察系统特性，可广泛应用于教学及工程设计中。
σ % 减小，调整时间 t S 缩短，平稳性和快速性得到明显改善。 可
见，调节器参数的变化直接影响着系统的性能，通过仿真的方式可 以有效地进行控制器设计，为设计具有较佳性能的系统提供方便。
图４ 负载变化的双环直流电动机控制仿真框图 图２ 双闭环调速系统的仿真模型
３．３ 系统抗负载扰动的能力
在实际工作中，系统中的负载有可能发生变化，那么系统的抗负 载扰动能力可以通过仿真做以研究。 用一个阶跃环节来表示负载扰 动，得出如图４所示的仿真框图。 设负载扰动的阶跃时刻为６ｓ，初值为 １Ｎ・ｍ，终止值分别为 １５ Ｎ・ｍ 和 ５０ Ｎ・ｍ，即表示负载在 ｔ ＝ ６ｓ 时 刻由１加至１５或５０，这样可以分别得出如图５ （ａ） 、 （ｂ） 所示的仿真 结果。 可见，在给定的ＰＩ控制器的控制下，即使负载有较大的变化，仍 能很快回复到额定转速，系统抗负载扰动的效果是很理想的。
从仿真结果可以看出，启动过程的第一阶段是电流上升阶段， 突加给定电压，ＡＳＲ的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很 快上升，接近其最大值。 第二阶段，ＡＳＲ饱和，转速环相当于开环状 态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上
３ 仿真实例
使用 ＭＡＴＬＡＢ 进行仿真和系统控制时， 可以应用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 提供的动态仿真工具Ｓｉｍｕｌｉｎｋ组件
３．１ 系统的动态响应
从Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块库窗口创建系统模型如图２所示，选信号源 模块组中的阶跃信号模块为输入信号，以输出模块组中的示波器 作为显示器来观察系统阶跃响应。 在模型窗口设置传递函数模块 的参数和特性，采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对整个系统进行仿真，则得到电动 机的转速和电流的阶跃响应曲线，如图 ３（ａ）所示。
参考文献：
［１］ 李惠升． 电梯控制技术［ Ｍ ］ ． 机械工业出版社． ２ ０ ０ ３ ． ７ ［ ２ ］ 叶安丽． Ｖ Ｖ Ｖ Ｆ 电梯及其速度控制［ Ｊ ］ ． 北京建筑工程学院 学报，１９９７，１３（２）：９０－９５ ［３］ 彭克荣．电梯技术的现状及发展趋势［Ｊ］．建筑机械化，１９９６ （５） ［ ４ ］ 白建社．电梯系统控制器设计及 Ｓ 曲线优化研究（Ｄ） ２０００．３ ［ ５ ］ 赵静，葛斌． 电梯运行速度曲线的算法与仿真［ Ｊ ］ ． 大连大 学学报，１９９７．（１２） ［ ６ ］ Ｙ Ａ ＮＧ ＨＵＡＹＯＮＧ， ＹＡＮＧ ＪＩＡＮ， ＸＵ ＢＩＮＧ． Ｃｏｍｐｕｔａ－ ｔｉｏｎａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＶＶＶＦ Ｈｙｄｒａ Ｅｌｅｖａｔｏｒ［Ｊ］， Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｒａｃｔｉｃｅ， １２（２２０４）：５６３－５６８
电气传动
Electrical Drives
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基于 MATLAB 的直流电动机双闭环调速 系统的仿真研究
李 琳
（武夷学院 福建 武夷山 ３５４３００）
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，获得了反映系统性能的曲线，并 对仿真结果进行了比较分析。结果表明， 应用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ 进行系统仿真具有方便、高效及可靠性高等优点。 关键词：ＭＡＴＬＡＢ； 直流电动机； 双闭环调速系统； 仿真 中图分类号：ＴＰ２７６ 文献标识码： Ｂ 文章编号：１００３ － ７２４１（２００７）１１－００７３－０３
统的仿真模型，晶闸管整流电路可以由ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ模块集 中的电力电子模块库ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ中的Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ来实现；直 流电动机可以采用ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ中的电机模块，这些模块封 装了电机的电气与机械方程，在模块给定了参数后就可以直接模 拟实际电机的工作状态；测速发电机、 励磁系统和电动机均可由 电气系统模块集中的 ＤＣ Ｍａｃｈｉｎｅ 模块实现。 设某电动机铭牌参数为： 额定电压 Ｕ Ｎ ＝ ２ ２ ０ Ｖ ， 额定电流 ＩＮ ＝１３６Ａ，额定转速为 ｎＮ ＝１５００ｒｐｍ，Ｋ ｅ ＝０．２２８Ｖ／ｒｐｍ，λ ＝１．５，晶 闸管装置的放大倍数为Ｋｓ＝６２．５，电枢回路总电阻Ｒａ＝０．８６３Ω，电 流反馈系数β ＝０．０２８Ｖ／Ａ，转速反馈系数α ＝０．００４１Ｖ／ｒｐｍ，反馈 环节时间常数τ ｉ ＝ τ ｎ ＝０．００５ｓ，已知两个调节器参数分别为 Ｋｉ＝１．１５，Ｔｉ＝０．０２８ｓ，Ｋｎ＝２０．１２，Ｔｎ＝０．０９２ｓ。文章从以下几个方面 对双闭环调速系统进行仿真分析：
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电气传动
Electrical Drives
别提供了晶闸管模块、 触发模块、 及电机模块库，可以通过这些 现成的模块库搭建出精确的仿真模型，进而对双闭环调速系统进 行精确的仿真分析。
图４ 正弦电梯速度曲线仿真框图 ＳＤＣＳ 速度控制是利用速度曲线的时间—距离关系， 由剩余 距离值经迭代运算反求出对应于距离的时间值， 再由时间—速度 的关系计算出速度值来达到实时速度控制的目的。本文利用 ＢＰ３０２的虚拟井道技术模拟电梯的实际运行。 系统仿真框图如图 ４ 所示。图中绝对剩余距离速度控制模块即 ＳＤＣＳ 模块。它是电 梯正弦速度曲线生成的关键模块。 图中主控制器即ＢＰ３０２电梯控 制系统， 在仿真中主要利用其软件井道技术获得电梯模拟运行和 通过其获得轿厢的绝对位置。 经过实验测得在干扰较少的环境下 电梯的速度运行曲线图如图 ５， 其结果是今人满意的。 （上接第 ７４ 页）
vi = ( Aπ − 2) + ( A π − 2 ) 2 + 4 LA ω 2
５ 实验仿真［５］
实验设备包括 ： 电梯微控制器ｂｐ３０２ ； 科比变频器Ｆ４ ； 绝对值编码 器 ＡＷＧ－０５ 与增量编码器各一个；电动机；ＳＤＣＳ 速度控制模块等设备。
图５ 正弦电梯速度曲线仿真
６ 结束语
本文着重介绍了正弦电梯速度曲线的设计方法，并用电梯轿厢 的绝对位置计算出剩余距离的方法对电梯运行速度曲线进行仿真。 经过实测仿真， 表明了此种方法能大幅度提高电梯的运行效率和舒 适性。 考虑到电梯市场的飞速发展， 其应用前景是十分可观的。
１ 引言
有些调速系统，如龙门刨床、 轧钢机等经常处于正反转状态， 为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程的时间。 速度和电流双闭环直流调速系统 （简称双闭环调速系统） 是由电 流和转速两个调节器进行综合调节的，可获得良好的静、 动态性 能。 由于这样的系统其转速和电流响应曲线很难精确绘制，不便 于对系统特性的分析和理解。 本文通过一个直流电动机双闭环调 速系统实例，就如何利用 ＭＡＴＬＡＢ 软件的仿真功能对系统进行分 析做一些探讨，对系统的设计和改进具有一定的参考意义。