基于某MATLAB地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
姓名：张xx
学号：113220110x
华北电力大学2014年4月
基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统
摘要
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于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。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。

该系统起动时，转速外环饱和不起作用，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。

并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。

关键词：直流电机，双闭环，PWM，转速调节器，电流调节器，Simulink
Study of the Speed-adjusting Technology for DC Motor based on
Matlab
Abstract
The design uses thyristors, diodes and other devices designs a speed, current double-loop SCR DC converter system. The system sets up the current detecting aspect, the current regulator ACR and the speed detecting link, speed regulator ASR, composes the current central and the speed central, the former through the feedback of the current components to level off the current, the latter through the feedback of speed detecting device to maintain the speed stably and finally eliminates the deviation of speed bias.，thus allowing the system to the purpose of regulating the current and speed. when the system starts, the speed outer ring saturats non-functional, the current inner ring plays a major role to regulate the starting current to maintain the maximum so that the speed linear change, to reach a given value; when it operates steadily, the speed negative feedback from the outer ring plays a major role ,to let the speed changes with the given speed voltage , at the same time the current inner ring regulates the armature current of motor adjustment to balance the load current. Simulink for system through mathematical modeling and system simulation. Finally display control system model and the results of anti-truth.
Keywords: DC motor, Double-loop, PWM, the speed regulator, the current regulator，Simulink
目录
前言 (4)
第一章绪论 (6)
1．1直流调速系统的概述 (6)
1.1.1直流电动机的调速方法 (6)
1.2 PWM的相关介绍 (7)
第二章总体方案设计 (8)
2.1 方案比较 (8)
2.2 方案论证 (8)
2.3 方案选择 (9)
2.4设计参数 (9)
第三章单元模块的仿真电路设计 (10)
3.1转速给定电路设计 (10)
3.2转速检测电路设计 (10)
3.3电流检测电路设计 (11)
3.4 整流及晶闸管保护电路设计 (12)
第四章双闭环直流调速系统的仿真设计 (12)
4.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 (13)
4.1.1双闭环调速系统的组成 (13)
4.1.2稳态结构框图和静特性 (15)
4.1.3 稳态参数计算 (17)
4.2转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型 (17)
4.2.1 动态抗扰性能分析 (19)
4.3 调节器的设计 (20)
4.3.1 电流调节器的设计 (21)
4.3.2 转速调节器的设计 (23)
4.3.3调速系统的开环传递函数 (25)
第五章系统调试 (25)
5.1系统MATLAB仿真 (25)
5.2 系统的建模与参数设置 (25)
5.3 系统仿真结果的输出及结果分析 (26)
前言
自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。

在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。

传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。

双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启
动过程。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

全数字直流调速装置与早先的模拟直流调速装置相比较，全数字直流调速装置具有不可比拟的优越性，最显著的特点是：工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、系统还具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，这样就给用户的使用、维护提供了极大的方便。

而且随着技术发展及大批量生产，全数字直流调速装置的价格已经大幅度下降，与模拟直流调速装置相比较已相差无几，所以在短短的几年内全数字直流调速装置几乎取代了模拟直流调速装置。

在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。

目前，在直流调速方面IGBT一电动机调速系统已发展得很成熟，但脉冲宽度调制(PWM)直流调速系统与之相比有着许多无可比拟的优点，因而具有相当广阔的发展前景。

第一章绪论
1．1直流调速系统的概述
三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。

首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。

同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。

直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。

从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

1.1.1直流电动机的调速方法
（1）调节电枢供电电压U。

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

I a变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

（2）改变电动机主磁通 。

改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。

I f变化时间遇到的时间常数同I a变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

（3）改变电枢回路电阻R。

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。

但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。

弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。

用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直
流电压。

（2）静止可控整流器。

用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

1.2 PWM的相关介绍
脉宽调制的全称为：Pulse Width Modulator简称PWM、由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM调速器已经在:工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。

自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。

与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路简单，需用的电力电子器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

因而，PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。

第二章总体方案设计
2.1 方案比较
方案一：单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。

在电动机轴上装一台测速发电机SF ,引出与转速成正比的电压U f 与给定电压U d 比较后,得偏差电压ΔU ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压U k ,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。

图2.1 方案一原理框图
方案二：双闭环直流调速系统
该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。

为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。

电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。

因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。

在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。

该方案的原理框图如图 2.2所示。

图2.2方案二原理框图
2.2 方案论证
方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , ⋯,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。

因此,除非主电路电感L = ∞,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,
主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。

并且晶闸管整流电路的输出电
压中除了直流分量外,还含有交流分量。

把交流分量引到运算放大器输入端,不
仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而
破坏系统的正常工作。

方案二采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，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实
现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获
得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。

2.3 方案选择
1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。

2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机
的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。

为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端
的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两
个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。

所以本文选
择方案二作为设计的最终方案。

而由于电机上网容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。

电动机额定电压为220V，为保证
供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低。

为避免三次谐波电动势的
不良影响，三次谐波电流对电源的干扰。

主变压器采用A/D联结。

因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。

采用电流截止负反馈
进行限流保护。

出现故障电流时过电流继电器切断主电路电源。

为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜采用KJ004组成的六脉冲集成
触发电路。

该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥
式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。

为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱磁保护环节电动机的额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电
源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。

2.4设计参数
一、直流电动机参数:P
N =20W、U
N
=24V、I
N
=1.5A、n
N
=3000r/min、电枢电阻R
a
=1.8
Ω、电枢回路总电阻R=4.5Ω
电枢电感L
a =6.76mH、GD2=15.68N·cm2、Tm=30ms、T
l
=2.2ms
测速发电机参数:U
n =80V，n
N
=3000r/min，P
N
=16W，I
N
=200mA，负载电阻R=400
Ω
二、PWM主电路：驱动频率f≥10kHz
三、设计指标
转速单闭环直流调速系统：D=20，s≤5%；
转速电流双闭环直流调速系统：U*
n =5V，U
i m
=5V，I
d m
=1.5I
N
，σ
i
≤5%，σ
n
≤10%。

第三章单元模块的仿真电路设计
根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。

3.1转速给定电路设计
转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。

转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。

其电路原理图如图3.1所示。

图3.1 转速给定电路原理图
3.2转速检测电路设计
转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。

转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。

其原理图如图3.2所示。

图3.2 转速检测电路原理图
3.3电流检测电路设计
电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。

该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。

其电路原理图如图3.3所示。

图3.3 电流检测电路原理图
3.4 整流及晶闸管保护电路设计
整流电路如图3.4所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。

晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。

为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。

晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt 限制，过电流保护和di/dt限制。

图3.4 整流电路及晶闸管保护电路
第四章双闭环直流调速系统的仿真设计
直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统。

转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。

电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。

转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。

4.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性
4.1.1双闭环调速系统的组成
速度与电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型的调速系统。

70 年代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。

双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。

单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。

从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。

但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。

为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图2.1中实线所示。

波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流dm I , 其启动时间为1t 。

图4.1带有截止负反馈系统启动电流波形
实际的调速系统, 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。

从图2.1启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值dm I , 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。

如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要2t 就够了。

上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值dm I , 并且保持不变, 在这个条件下, 转速n 得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流fz I 值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为dm I R ∑, 随着
转速n 的上升, dm e U I R C n ∑=+ 也上升, 达到稳定转速时, fz e U I R C n ∑=+。

这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值dm I , 并保持不变。

这就要求一个电流调节器来完成这个任务。

带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。

如下图4.2。

图4.2转速、电流双闭环直流调速系统结构
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。

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，二者之间实行串级联接，如图4.2所示。

这就是说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，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI 调节器。

两个调节器的输出都是带限幅作用的。

转速调节器ASR 的输出限幅电压
是*im U ，它决定了电流给定电压最大值；电流调节器ACR 的输出限幅电压是Ucm ，
它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。

采用PI 型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。

后面需要PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流
I时表现为转速无
m ax
d
静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到
I后，转速调
d
m ax
节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

图4.3双闭环直流调速系统电路原理图
4.1.2稳态结构框图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2-4所示。

电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。

当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。

正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。