转速-电流双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB-Simulink)

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双闭环直流调速系统设计及仿真

一转速、电流双闭环控制系统

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图1所示。

图1 转速调节系统理想起动过程

为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到了两个控制阶段。起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系统。如图2所示。

图2 双闭环直流调速控制系统原理图

参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双闭环系统的动态结构图。如图3所示。

图3 双闭环直流调速系统动态结构图

在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤波，其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用表示[2]。

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真资料

MATLAB课程设计

基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统

的设计与仿真

班级：自动化12-2

姓名：

学号：

一、目录

-----------------------------------------------------------1

二、前言

-----------------------------------------------------------2

三、设计目的及要求

--------------------------------------------3

四、设计题目及参数

--------------------------------------------3

五、设计内容过程

-----------------------------------------------3

1.计算电流和转速反馈系数

-----------------------------------------3

2.电流环的动态校正过程

--------------------------------------------3

3.转速环的动态校正过程

--------------------------------------------9

4.建立转速电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真模型，

对上述分析设计结果进行仿真-------------------------------------14

六、设计总结

---------------------------------------------------18七、参考文献

电流转速双闭环系统的课程设计

一、目录

摘要 (2)

一、概述 (2)

二、设计任务与要求 (3)

2.1 设计任务 (3)

2.2 设计要求 (4)

三、理论设计 (4)

3.1 方案论证 (4)

3.2 系统设计 (4)

3.2.1 电流调节器设计 (4)

3.2.2 速度调节器设计 (8)

四、系统建模及仿真实验 (13)

4.1 MATLAB 仿真软件介绍 (13)

4.2 仿真建模 (13)

4.3 仿真波形分析 (16)

五、总结与体会 (18)

参考文献 (19)

摘要

从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。双闭环直流调速系统是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电的流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流变化率内环的三环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制作的一些情况。

转速电流双闭环直流调速系统课程设计

课程设计任务书

令狐采学

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：

直流电动机：UN=220V，IN=205A，=575r/min,Ra=0.1，电枢电路总电阻R=0.2，电枢电路总电感L=7.59mH，电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数

电流反馈系数(

转速反馈系数()

滤波时间常数取，。

；调节器输入电阻R0=40。

设计要求：

稳态指标：无静差；

动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。

课程设计任务书1

第一章直流双闭环调速系统原理3

1.1系统的组成3

1.2 系统的原理图4

第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计6

2.1 电流调节器的设计6

2.2 转速调节器的设计13

第三章系统仿真21

心得体会25

参考文献26

第一章直流双闭环调速系统原理

1.1系统的组成

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。

为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电

流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

双闭环直流调速系统

一、课程设计大纲

课程设计是本课程教学中极为重要的实践性教学环节，它不仅起着提高本课程教学质量、水平和检验学生对课程内容掌握程度的作用，还将起到从理论过渡到实践的桥梁作用。通过课程设计，学生将进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课程的知识。

二、课程设计任务书

该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。

动态性能指标：转速超调量n8，电流超调量i5，动态速降n810，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s。

说明机械负载对调速系统的基本要求（调速、稳速、加减速控制）。

推导该系统的机械特性方程并进行静特性分析（画出稳态结构框图）。

利用开环频率特性进行校正（在对数坐标纸上画图），使系统满足性能指标要求。

课程设计内容仿真：利用MATLAB进行系统校正仿真，编写仿真

程序，在课程设计说明书中附仿真曲线图。

三、摘要

本文介绍了双闭环直流调速系统的设计与分析。该系统通过引入转速负反馈和电流负反馈，分别调节转速和电流，以满足对系统动态性能的较高要求。在起动过程中，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值。稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。双闭环直流调速系统具有无静差、良好的稳态精度和快速性，被广泛应用于对动态性能要求较高的领域。本文还通过Matlab对系统进行了数学建模和仿真，以分析其特性。

四、系统技术数据及要求

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

运动控制系统课程设计

题目:转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

1. 设计题目

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

2. 设计任务

已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下：

1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=r,允许过载倍数λ=

2）晶闸管装置放大系数：K s=30

3）电枢回路总电阻：R=Ω

4）时间常数：T l=,T m=,转速滤波环节时间常数T on取

5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V

试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果;

系统要求：

1）稳态指标：无静差

2）动态指标：电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量σn ≤10%

3. 设计要求

根据电力拖动自动控制理论,按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如下：

1）设计电流调节器的结构和参数,将电流环校正成典型I型系统；

2）在简化电流环的条件下,设计速度调节器的结构和参数,将速度环校正成典型II型系统；

3）进行Simulink仿真,验证设计的有效性;

4.设计内容

1 设计思路：

带转速负反馈的单闭环系统,由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压,以补偿电枢回路电阻压降的变化,所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降;

当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时,它依靠被调量的偏差进行控制的,因此是有静差率的调速系统,而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速,实现无静差调速;

基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真1

基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真

宋友志

摘要：本文介绍了基于工程设计方法对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制

系统的工作原理，详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink 进行直流电动

机双闭环调速系统的数学建模和系统仿真。最后显示控制系统模型以及仿真结果并加以

分析。

关键词：转速环；电流环；调节器；Simulink

Designation and Simulation of Double Loop DC Motor Control System

Based on Matlab

Abstract:This paper introduces a design method of DC system based on engineering, according to its working principle,analyzing the dynamic process and the parameters designation detailedly,modeling and simulating were carried out to the dual closed-

loop control system of the direct current motor by using Simulink.In the end,

analyzing the simulation results.

Key words:loop of revolution rate;loop of current;regulator;Simulink

直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计

一、设计目标与技术参数

直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下：

额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min；

电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s；

电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01 V*min/r；

允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A；

电流超调量：σ

i ≤5%；转速超调量：σ

≤10%；

运算放大器：R

=4KΩ；

晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。

PWM变换器的放大系数：K S=20。

二、设计基本原理

（一）调速系统的总体设计

在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。如图2-1所示。

图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形

用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速

转速电流双闭环直流调速系统仿真 (个人整理)

转速电流双闭环直流调速系统仿真

摘要MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用MATLAB 仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。本文就简单的转速电流双闭环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。

详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中转速电流双闭环直流调速系统实验的仿真方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验．然后讨论了MATLAB在转速电流双闭环直流调速系统教学中的应用。首先在分析转速电流双闭环直流调速系统的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于电气原理图仿真, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对转速电流双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使转速电流双闭环直流调速系统趋于合理与完善。

关键词：转速电流双闭环直流调速系统仿真; 限幅；调节器； MATLAB仿真

1课题背景

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，可实现频繁的无

转速电流双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB Simulink)

电力拖动自动控制系统课程设计

电气工程及其自动化专业

任务书

1.设计题目

转速、电流双闭环直流调速系统的设计

2.设计任务

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，

基本数据为：

直流电动机：U n=440V，I n=365A，n N=950r/min，R a=0.04,

电枢电路总电阻R=0.0825,

电枢电路总电感L=3.0mH,

电流允许过载倍数=1.5，

折算到电动机飞轮惯量GD2=20Nm2。

晶闸管整流装置放大倍数K s=40，滞后时间常数T s=0.0017s

电流反馈系数=0.274V/A (10V/1.5IN)

转速反馈系数=0.0158V min/r (10V/nN)

滤波时间常数取T oi=0.002s，T on=0.01s

===15V；调节器输入电阻R a=40k

3.设计要求

(1)稳态指标:无静差

(2)动态指标:电流超调量5%；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。

任务书............................................................................................................................... I 目录................................................................................................................................. II 前言. (1)

双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

双闭环直流电动机调速系统设计及M A T L A B仿真(共21页)

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1、引言..................................................错误!未定义书签。

二、初始条件：...........................................错误!未定义书签。

三、设计要求：...........................................错误!未定义书签。

四、设计基本思路.........................................错误!未定义书签。

五、系统原理框图.........................................错误!未定义书签。

六、双闭环调速系统的动态结构图...........................错误!未定义书签。

七、参数计算.............................................错误!未定义书签。

1. 有关参数的计算 ...................................错误!未定义书签。

2. 电流环的设计 .....................................错误!未定义书签。

3. 转速环的设计 .....................................错误!未定义书签。

七、双闭环直流不可逆调速系统线路图.......................错误!未定义书签。

电力拖动自动控制系统课程设计(25页)

■ 设计要求：系统中各个参数计算过程双闭环调速系统的仿真模型 ASR、ACR的仿真模型转速、电流波形图转速超调量的验证
■ 设计说明书内容 1 目录
2 正文（可分几章来写） 3 总结 4 参考文献
转速反馈控制直流调速系统的仿真
■ MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真是十分简单和直观的，
■ 单击某模块，选取Format→Rotate Block菜单项可使模块旋转90°；选取Format→Flip Block菜单项可使模块翻转。
■ 把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。
仿真模型的运行
，
■ 电枢回路总电阻
，电枢回路电磁时间常
数
，电力拖动系统机电时间常
数
，
■ 转速反馈系数
，
■ 对应额定转速时的给定电压
。
图1 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图
仿真模型的建立
■ 进入MATLAB，单击 MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK 图标，
■ 或直接键入 SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口。
图2 模型编辑窗口
■ (3)修改模块参数：
双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，
通过修改对话框内容来设定模块的参数。

基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

1. 题目

设计一个转速-电流双闭环直流调速系统，采用双极式H 桥PWM 方式驱动，已知电机的参数：

额定功率200W ；额定电压48V ；额定电流4A ；额定转速500r/min ；电枢回路总电阻R=8Ω；允许电流过载倍数λ=2；反电动势系数e C =0.04Vmin/s ；

电气时间常数T l =0.0087s （注：老师给定值为T l =0.008s ）; 机电时间常数T m =0.49s （注：老师给定值为T m =0.5s ）; 电流反馈滤波时间常数oi T =0.2ms ；转速反馈滤波时间常数on T =1ms ；

要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压*im U =*

nm U =10v ，两调节器的

输出限幅电压为10V ；

PWM 功率变换器的开关频率f=10kHz ，放大倍数K s =4.8。对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差；电流超调量%5≤i σ；

空载启动到额定转速时的转速超调量%25≤σ 过渡过程时间t s =0.5s 。

2.计算电流和转速反馈系数

r V r V

n U A

V A

V I U nm

im min/02.0min

/50010/25.14210max *nom *⋅===

=⨯==αλβ

3．电流环设计参数计算:

小参数环节近似处理：

T s =1f =1

10KHz

=0.1ms

s s s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑

电流调节器设计

W ACR s =K i

根据MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

《机电控制系统分析与设计》课程大作业之一基于MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

1 计算电流和转速反馈系数

β=U im ∗I dm =10V 4A =1.25Ω

α=U nm ∗n =10500

=0.02V ∙min/r

2 按工程设计法，详细写出电流环的动态校正过程和设计结果

根据设计的一般原则“先内环后外环”，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。电流调节器设计分为以下几个步骤：

a 电流环结构图的简化 1）忽略反电动势的动态影响

在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即 E ≈0。这时，电流环如下图所示。

2）等效成单位负反馈系统

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成

U *i (s ) /β ，则电流环便等效成单位负反馈系统。

3）小惯性环节近似处理

由于T s 和 T 0i 一般都比T l 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为

T ∑i = T s + T oi 简化的近似条件为

电流环结构图最终简化成图。

s ci 131T T ≤

b 电流调节器结构的选择 1) 典型系统的选择：

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。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 2) 电流调节器选择

基于matlab的转速、电流反馈控制直流调速系统的simulink仿真

转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真

基本数据如下：

1.直流电动机：V U N 220=、A I N 136=、min

/1460r n N =)min /(132.01-∙=r V C e ，允许过载倍数λ=1.5；

2.晶闸管装置放大系数：40=s K ；电枢回路总电阻：R=0.5Ω；

4.时间常数：s T l 03.0=，s T m 18.0=；电流反馈系数A V I U N

im /05.05.1*==β；转速反馈系数：)min /(007.01460

101*-⋅===r V n U N nm α无静差，电流超调量%5≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%10≤n σ。一、电流环仿真

图1电流环仿真模型

图2仿真结果

图3无超调

图4较大超调

二、双闭环仿真

仿真结果显示在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，因为电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，为一个线性渐增的扰动量，系统做不到无静差。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，构成转速、电流双闭环调速系统。

图5双闭环调速系统仿真模型

图6转速环空载高速起动

图7转速环满载高速起动

图8转速环抗扰波形

三、分析总结

双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程的波形。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有转速必超调的特点。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流；ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。

基于matlab的直流电机双闭环调速系统仿真

基于Matlab的直流电机双闭环调速系统仿真

本文将介绍使用Matlab软件进行直流电机双闭环调速系统的仿真。直流电机调速系统是工业控制领域中常见的一种控制系统，通过控制电机的输入电压，调节电机的转速。双闭环调速系统在传统的单闭环调速系统的基础上增加了速度环和电流环，提高了系统的稳定性和响应速度。

1. 直流电机调速系统介绍

直流电机调速系统主要包括电机、电机功率器件、传感器和控制器等组成部分。其中，电机是被控对象，通过控制电机功率器件的输入电压，可以调节电机的转速。传感器用于实时测量电机的转速和转矩，将测量值反馈给控制器。控制器根据测量值和设定值的差异，生成控制信号，控制输入电压，使得电机的转速达到设定值，并保持在设定值附近。

2. 双闭环调速系统结构

双闭环调速系统在传统的单闭环调速系统的基础上增加了速度环和电流环，使得系统的控制更加精确。速度环对电机的速度进行控制，根据速度误差生成调节电压；电流环则对电机的电流进行控制，根据电流误差生成最终的控制信号。

双闭环调速系统的结构如下所示：

_______ _______

| | e1 | |

r +--+ | |---+-->| C |---+--> u

| | | | |_____| |

+--->| P1 | | | +-------+

| | | _______ | | |

y <---+ |_____| _|_ | | | | |

_______ | | C1 | | | P2 |

| | | |_____| | | |

--| P0 |--+ +--> | |

转速-电流双闭环直流调速系统的课程设计(MATLAB-Simulink)

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