转速电流双闭环直流调速系统 -------基于MATLAB的仿真实验
组员：王勇（201110231067）
朱海（201110231057）
艾合麦提江（201110231066）
王志刚（20110231062）
学院：物流工程学院
专业：电气工程及其自动化
班级：电气112班
目录
一、前言 (3)
二、课程设计的目的及内容 (3)
2.1-课程设计的目的 (3)
2.2-课程设计的内容 (3)
三、参数的选取与计算 (4)
四、MATLAB仿真 (6)
4.1 开环直流系统的仿真 (6)
4.2 转速单闭环系统的仿真 (9)
4.3电流、转速双闭环系统的仿真 (12)
4.3.1基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真 (13)
4.3.2基于Power System模块的双闭环直流调速系统仿真 .. 15
五、课程设计心得体会 (20)
一、前言
在单闭环的系统中，由于不能随心所欲的控制电流和转速的动态过程，因此不适用与要求调速性能较高的场合。为了使系统在启动、制动的动态过程中，在最大的电流约束下，获得直流电动机最佳速度调节过程，就引入了转速 、电流负反馈双闭环直流调速系统,使得在电动机起动时转速调节器(ASR)饱和, ASR 不起作用 ,电流环调节器 (ACR)起主要作用 , 用以调节起动电流并使之保持最大值,使得转速线性变化,迅速上升到给定值 ;在电动机稳定运行时 , ASR 退出饱和状态,开始起主要调节作用 , 使转速跟随给定信号变化 ,电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。但是 , 双闭环直流调速系统硬件的电气结构复杂 ,在研究和设计的过程中 ,许多参数的选择需要反复调试 , 需要我们花费大量的时间和精力。而运用计算机仿真技术对系统进行仿真 , 可以方便地对参数进行设置 ,得到合理的参数组合,为系统的实现提供理论依据 。鉴于上述理由 ,本文提出种面向控制系统电气原理结构图的转速 、电流双闭环不可逆直流调速系统仿真的新方法 。使用 Matlab/Simulink 中的 SimPowerSystems 工具箱,用户不需要自己编程且不需推导系统的动态数学模型, 只需要从工具箱的元件库中复制所需的电气元件 ,按电气系统的结构进行连接即可。系统的建模过程接近实际系统的搭建过程,且元件库中的电气元件能较全面地反映相应实际元件的电气特性,仿真结果的可信度很高,而且由于仿真模型是图形化的 ,面向对象的,非常适合本次课程设计的研究。
二、课程设计目的及内容
2.1课程设计的目的
参照课本P104例3-6，以及结合给定的三道例题的参数，设计电流调节器ACR 和转速调节器ASR ，使其满足
(1) 静态指标：调速范围100D =，静差率1%<δ。
(2) 动态指标：电流和转速的超调量均小于5%（可按10%计算），
转速上升时间小于0.5秒， 动态恢复时间小于1秒， 振荡次数小于2~3次。
2.2设计内容
(1) 计算转速电流双闭环直流调速系统的基本参数（三相交流电源、直流电动机、平
波电抗器等）。
(2) 按照先内环、后外环的设计原则，设计双闭环系统的电流调节器ACR 和转速调节器ASR （工程设计法）。
(3) 在MATLAB/SIMULINK 软件平台上构建仿真模型，并对调速系统进行模拟实验，研究参数变化对系统性能的影响。
三、参数的选取与计算
根据课本中P104页给出的例题以及老师给定的三道例题我们可以知道：电动机额定参数为：额定电压U N =220V, 额定电流I N =100A, 额定转速nN=1460r/min, Ke=0.132V ·min/r, 三相桥式电路中KS=40, Ts=0.18s,电枢回路总电阻为R=0.5Ω，电磁时间常数Tl=0.03s,转速反馈系数为Kn=0.007V ·min/r,转速滤波时间常数Ton=0.01s ，电流反馈系数Ki=0.05V/A,电流滤波时间常数Toi=0.002s, GD 2=22.5N ·m, 励磁电压Uf=220V,，励磁电流If=1.5A,平波电抗器的电感为Ld=10mH 。由以上的数据我们可以推算出：
为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感Ls=0H ，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号Uc 决定，移相特性的数学表达式为
min
c
cmax
9090U U αα︒-=︒-
在本模型中取αmin=30，Ucmax=10V ，所以α=90-6Uc 。在直流电动机的负载转矩输入端TL 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。 由公式： Ke =
Un−In∗Ra
nN
得到：电机的内阻为：
Ra=
Un−nN∗Ke
In
=220−1460×0.132
100
=0.273（Ω）
所以整流器的内阻为：Rrec=R-Ra=0.5-0.273=0.227（Ω）。 供电电源电压为： U2=Un+Rrec×In 2.34cosαmin
=
220+0.227×1002.34cos30°
=120（V ）
电动机的参数有： 励磁电阻为：
Rf=Uf/If=220/1.5=146.7（Ω）, 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。 电枢电感有下式估算出：
La =19.1CUn 2p∗nN∗In =19.1×0.4×220
2×2×1460×100=0.0029（H ） 电枢绕组与励磁绕组之间的互感：
KT=60Ke/2π=60×0.132/2π=1.26（s ） Laf=KT/If=1.26/1.5=0.84(H) 电机的转动惯量为：
J=GD 2 /4g=22.5/(4×9.81)=0.57（kg ·m 2）
额定负载转矩：
T L =K T I N =1.26×100=126（N ·m ）
电流调节器ACR 参数的计算： 电流环时间常数之和
T1=Ts+Toi=0.00167+0.002=0.00367（s ）
ACR 的传递函数为i ACR pi ii
pi i 11
(s)s W K K K s s
ττ+=+=，其中时间常数 ti=Tl=0.03s,
比列系数Kpi=ti∗R 2T1∗Ks∗Ki =0.03×0.5
2×0.00367×40×005=1.02 积分系数 Kii=Kpi/ti=1.02/0.03=34
转速调节器ASR 参数的计算： 电流环等效时间常数
2Ti=2×0.00367=0.00734s 转速环时间常数之和
Tn=2Ti+Ton=0.00734+0.01=0.01734s
ASR 的传递函数为n ASR pn pi
pn n 11
(s)s W k k k s s
+τ=+=τ，其中时间常数 tn=h*Tn=5×0.01734=0.0867s 比列系数Kpn=
(h+1)Ki∗Ke∗Tm 2h∗Kn∗R∗Tn
=6×0.05×0.132×0.18
2×5×0.007×0.5×0.01734=11.745
积分系数 Kin=Kpn/tn=11.745/0.0867=135.47
（选择中频段宽度5h =）
综合上述的数据我们得到如下一张表格：
