目录 摘要 2 1计任务及要求 3 1.1初始条件 3 1.2 设计要求 3 1.2.1技术要求 3 1.2.2设计内容 3 2系统设计方案 4 2.1 原理框图 4 2.2稳态结构图 5 3调节器设计 6 3.1电流调节器的设计 7 3.1.1电流调节器的工作原理及作用 7 3.1.2电流环结构图的简化 8 3.1.3时间常数的计算 9 3.1.4选择电流调节器结构 9 3.1.5计算电流调节器参数 10 3.1.6检验近似条件 10 3.1.7计算电流调节器电阻和电容 11 3.2转速调节器的设计 12 3.2.1转速调节器的工作原理及作用 12 3.2.2电流环的等效闭环传递函数 12 3.2.3 时间常数的计算 13 3.2.4选择转速调节器结构 14 3.2.5转速调节器参数的计算 15 3.2.6检验近似条件 15 3.2.7检验转速超调量 16 3.2.8计算转速调节器电阻和电容 17 4 系统建模与仿真实验 17 4.1 MATLAB仿真软件Simulink 仿真环境 17 4.2双闭环模型的建立 18 4.3双闭环系统的仿真 20 4.4系统的电气原理总图 23 5总结与体会 24 参考文献 25 附录 26

　摘要 直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。本次采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。对各个环节设计好之后，我们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。

　 关键词：调速 反馈 模拟 仿真

　 V-M双闭环直流调速系统 建模与仿真2 1计任务及要求 1.1初始条件 技术数据及技术指标如下：

　 直流电动机：

　PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1Ω 最大允许电流：

　Idbl=1.5IN ,三相全控整流装置：

　Ks=30 ,

　 电枢回路总电阻：

　R=0.15Ω ，系统主电路：

　 Tm=0.12s ，Tl=0.012s 滤波时间常数：

　Toi=0.002s , Ton=0.012s, 其他参数：

　Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V

　σi≤5% , σn≤10% 1.2 设计要求 1.2.1技术要求 (1) 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（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作。

　 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 。

　1.2.2设计内容 (1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 。

　(2) 根据双闭环直流调速系统原理图分析转速调节器和电流调节器的作用。

　(3) 对调节器参数进行设计,通过MATLAB对系统进行仿真和参数的调节。

　(4) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图。

　(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

　2系统设计方案 2.1 原理框图 V-M双闭环直流调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。但电流环只是在超过临界电流值以后，靠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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图 2-1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，起动（调整时间ts）的时间就比较长。在实际工作中为了尽快缩短过渡时间，使起动的电流保护在最大允许值上，并且始终允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，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。这样的理想起动过程波形如图 2-1（b）所示，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）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

　 IdL n t Id O Idm IdL n t Id O Idm

　n n (a) (b)

　 (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程

　 (b)理想快速起动过程 图2-1

　调速系统起动过程的电流和转速波形 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm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就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用。

　为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图3-2所示。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。这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。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PI调节器。

　 图2-2 转速、电流反馈控制 直流调速系统原理图 原理如图2-2所示，ASR是转速调节器，ACR是电流调节器，TG是测速发电机，

　 TA是电流互感器，UPE是电力电子变换器，Un*是转速给定电压，Un是转速反馈电压，Ui*是电流给定电压，Ui是电流反馈电压。

　2.2稳态结构图

　双闭环直流调速系统稳态结构如图2-3所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱和和不饱和两种情况。

　双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用，Un*=Un=αn。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用Id=Uim*/β=Idm，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。

　图2-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数 3调节器设计 双闭环系统调节器的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。

　双闭环电流调速系统结构如图3-1所示。系统外环是速度环，内环是电流环，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串行联接。用于串联校正和改变系统静态和动态特性以及综合输入和反馈信号。

　 图3-1 双闭环调速系统原理图 3.1电流调节器的设计 3.1.1电流调节器的工作原理及作用 电流调节器有两个输入信号。一个是转速调节器输出反映偏差大小的主控信号Ui*，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号Ui，当突加一个很大的给定速度输入值，其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转距和最大加速度，使起、制动过程时间最短。如果电网电压发生突变（如降低）时，整流器输出电压也会随之变化（降低），引起主回路电流变化（减小），由于快速性好，立即使调节器的输出变化（增大），则也变化（变小），最后使整流器输出电压又恢复（增加）至原来的数值，这就抑制了主回路电流的变化。也就是说，在电网电压变化时，在电动机转速变化之前，电流的变化首先被抑制了。

　同样，如果机械负载或电枢电流突然发生很大的变化，由于采用了频率响应较好的快速电流负反馈，当整流器电流侧发生类似短路的严重故障时，电流负反馈也及时的把电流故障反馈到电流控制回路中去，以便迅速减小输出电压，从而保护晶闸管和电流电动机不致因电流过大而损坏。

　综上所述，电流调节器ACR的主要作用如下：

　(1) 对电网电压波动起抗干扰作用 ； (2) 启动时保证获得容许的最大电流 Idm

　； (3) 在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化 ； (4) 当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速 的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。

　3.1.2电流环结构图的简化 电流环结构图如图4-2所示。

　 图3-2

　电流环的动态结构图 由于突加给定阶跃后，速度调节器输出马上达到饱和限幅值，电流环投入工作使电机电枢电流很快上升，相对电流来说，速度变化很缓慢。因此，可以认为反电势产生的影响很小，令△E=0，则图4-2通过结构图变换，简化为图3-3。

　图3-3

　电流环动态结构图等效成单位负反馈系统 查表得三相桥式全控平均失控时间Ts

　=0.0017s，电流滤波时间常数Toi ＝0.002s ，电磁 时间常数Tl

　＝ 0.012s，Ts和Toi都比Tl小得多，可以当作小惯性环节处理，看成一个惯性环节，取

　 则电流环结构图最终简化成图3-4.

　图3-4

　电流环动态结构图小惯性环节近似处理 3.1.3时间常数的计算 （1）三相桥式电路的平均失控时间Ts 三相桥式电路晶闸管最大失控时间在0～0.0033s之间随机分布，取其平均值，即

　Ts ＝ 0.0017s （2）电流滤波时间常数Toi ＝0.002s （3）电流环小时间常数Tεi 按小时间常数近似处理，取

　 ＝0.0017s+0.002s＝0.0037s （4）电磁时间常数Tl

　＝ 0.012s （5）ACR超前时间常数 ＝Tl＝0.012s 3.1.4选择电流调节器结构 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过容许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，因此还要提高其抗扰性能。

　由于设计要求超调量δi≤5％并且保证系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续，有好的动态性能，我们采用典型 型来设计电流调节器。电流调节器选用PI型。

　令电流调节器的传递函数为

　检查对电源电压的抗扰性能

　当KT=0.5时，得各项指标都是可以接受的。

　3.1.5计算电流调节器参数 ACR超前时间常数＝Tl＝0.012s 由于超调量δi≤5％，取

　 = 0.5 因此，电流环的开环增益为

　电流反馈系数β，电流调节器限幅值为8V，则 β=8/（1.5*287）=0.019 V/A 于是ACR的比例系数为

　3.1.6检验近似条件 电流环截止频率， 晶闸管装置传递函数近似条件：

　，

　满足近似条件； 忽略反电动势对电流环影响的条件：

　， 满足近似条件； 小时间常数近似处理条件：

　，

　=， 满足近似条件。

　由于

　 =0.5 电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。

　3.1.7计算电流调节器电阻和电容 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如图3-5所示。

　图3-5含给定滤波及反馈滤波的PI型电流调节器 其中，UGi为电流调节器的给定电压，－βId为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压UK。

　按所用运算放大器取R0＝40KΩ，各电阻和电容值计算如下

　Ri＝Ki R0＝0.427×40 KΩ＝17.8KΩ

　(取18 KΩ)

　 ( 取0.68μF)

　( 取0.2μF )

　3.2转速调节器的设计 3.2.1转速调节器的工作原理及作用 在主电机上安装一电流测速发电机，发出正比于主电机转速的电压，此电压UFn与给定电压UGn相比较，其偏差ΔUn送到转速调节器ASR中去，如欲调整，可以改变给定电压。例如提高UGn，则有较大ΔUn加到ASR输入端，ASR自动调节GT，使触发脉冲前移（减小），整流电压Ud提高，电动机转速上升，与此同时，UFn也相应增加。当等于或接近给定值时，系统达到平衡，电动机在给定数值下以较高的转速稳定转动。

　如果电动机负载或交流电压发生变化或其它扰动，则经过速度反馈后，系统能起到自动调节和稳定作用。比如，当电机负载增加时，转速下降，平衡状态被破坏，调节器输出电压增加，触发脉冲前移（变小），Ud提高，电动机转速上升。当其恢复到原来数值时，UFn又等于给定电压，系统又达到平衡状态。如果扰动不是来自负载而是来自交流电网，比如交流电压下降，则系统也会按上述过程进行调节，使电动机转速维持在给定值上运行。同样道理，当电动机负载下降，或交流电压提高时，系统将按与上述相反过程进行调节，最后仍能维持电动机转速近似不变。

　综上所述，转速调节器ASR的主要作用如下：

　(1) 使转速n跟随给定电压UGn 变化，保证转速稳态无静差 ； (2) 对负载变化起抗干扰的作用 ； (3) 输出限幅值决定电枢主回路的最大容许电流值Idm 。

　 3.2.2电流环的等效闭环传递函数 在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节器的一个环节，为此必须求出它的等效传递函数。图4-6给出了校正成典型型系统的电流环的结构图，其闭环传递函数为

　图3-6 校正成典型

　型系统的电流环的动态结构图

　 若按=0.5选择参数，则

　 由图3.4.可知电流闭环传递函数为

　因此电流环的等效环节应相应地改成

　原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是Tl和，闭环后，整个电流环等效近似为只有小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。

　3.2.3 时间常数的计算 （1）电流环等效时间常数 ＝2×0.0037s＝0.0074s （2）转速滤波时间常数 根据所用测速发电机波纹情况，任务书给出＝0.012s （3）转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取＝＋＝0.0194s （4）转速反馈系数α

　 由于本系统的限幅值为8V，则 =Unm*/n＝8V/1500 r/min＝0.0053Vmin/r 3.2.4选择转速调节器结构

　 用电流环的等效环节代替图3-4的电流闭环后整个转速调节系统的动态结构图就如图3-7所示。

　 图3-7

　转速环的动态结构图

　与电流环相似，我们可以将转速环结构图化简为图3-8,

　 图3-8

　转速环的动态结构图的化简 按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。其传递函数为

　3.2.5转速调节器参数的计算 （1） ASR超前时间常数

　按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h＝5，典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标,则: ＝＝5×0.0194s＝0.097s （2） 转速环的比例系数

　转速环的开环增益为

　 根据已知条件，可估算出电动机的电势常数为

　 ＝0.128V·min/r 电动机的转矩常数为

　Cμ＝9.55Ce=9.55×0.128=1.222V·min/r

　于是，ASR的比例系数为

　3.2.6检验近似条件

　转速环的截止频率

　 ＝=318.8×0.097＝30.92 （1）电流环传递函数简化条件：

　＝54.05> ， 满足简化条件 ； （2）小时间常数近似处理条件：≤

　, 满足近似条件。

　3.2.7检验转速超调量 如果转速调节器没有饱和限幅的约束，可以在很大范围内线性工作，那么，双闭环调速系统起动时的转速过渡过程的超调量很大（如图3-9 a）。实际上，突加给定电压后不久，转速调节器就进入饱和状态，输出恒定的电压Uim*，使电动机在恒流条件下起动，起动电流Id=Idm= Uim*/β，而转速n则按线性规律增长（如图3-9 b）。虽然这时的起动过程要比调节器没有限幅时慢的多，但是为了保证电流不超过容许值，这是必需的。

　 a ASR不饱和

　b ASR饱和

　图3-9

　 转速环按典型Ⅱ型系统设计的调速系统起动过程 电机容许过载倍数λ＝1.5，负载系数z＝0（理想空载起动）。当h＝5时，；而＝336.3r/min,因此，转速调节器的退饱和超调量为

　=8.83％ < 10％ 符合任务书要求 3.2.8计算转速调节器电阻和电容 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图4-10所示。

　 图3-10

　含给定滤波及反馈滤波的PI型转速调节器 其中，UGn为转速调节器的给定电压，－αn为转速负反馈电压，调节器的输出就是电流调节器的给定电压UGi。

　按所用运算放大器取R0＝40KΩ，各电阻和电容值计算如下 Rn＝KnR0＝12.03×40 KΩ＝481.2KΩ

　 取480KΩ

　 取1.2μF 4 系统建模与仿真实验 4.1 MATLAB仿真软件Simulink 仿真环境 Simulink仿真环境包括仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统。系统仿真包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。Simulink作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点：

　（1）以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。

　（2）画完系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。

　（3）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。

　（4）系统仿真的数据可以用以.mat为后缀的文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。

　4.2双闭环模型的建立 在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可得到双闭环调速系统的动态结构图，如图4-1所示。

　 图4-1

　双闭环调速系统的动态结构图 由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

　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，滤波时间常数用Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。

　因此，带滤波环节的双闭环调速系统的动态结构图如图4-2所示。

　图4-2 带滤波环节的双闭环调速系统的动态结构图

　将前面计算的数据带入图4-2 中，得到本系统仿真模型如图4-3所示

　 图4-3 转速环仿真模型 4.3双闭环系统的仿真 （1）空载时仿真图形 把负载电流设置为0,空载启动模型，得到波形如图4-4。

　（a）空载转速波形

　 （b）空载电流波形 图4-4双闭环空载启动波形图

　（a）是电流波形

　（b）是转速波形

　 （2）满载启动时的仿真图形

　满载稳定运行时负载电流为287A，得到波形如图4-5。

　 （a）满载电流波形

　 （b）满载转速波形 图4-5双闭环满载启动波形图

　（a）是电流波形

　（b）是转速波形

　（3）当系统为5%的负载时，即负载电流为287*0.05A时，得到的波形如图4-6。

　 （a）5%负载的电流波形

　（b）5%负载的转速波 图4-6 5%负载时的波形（a）是电流波形 （b）是转速波形 由仿真出来的波形可知，该系统能稳定的运行。并且当系统为5%负载扰动时电流也能连续，系统也是稳定的。

　 4.4系统的电气原理总图

　图4-7双闭环不可逆直流调速系统电气原理总图

　 5总结与体会

　 这次课程设计是基于任务书所给要求对V-M双闭环直流电机调速系统进行建模与仿真，对系统原理进行理解，分析，然后根据所给条件设计转速调节器和电流调节器，最后运用matlab进行仿真并对仿真结果进行分析。

　在完成此次课程设计任务的时候我遇到了很多问题，对这些问题的分析，查阅相关资料和问同学，到最后解决问题的过程使我进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用。同时，也更加熟悉了MATLAB/SIMULINK在解决电路问题时候的操作方法和技巧。

　通过期末考试我原本发现电力系统自动控制原理内容很简单，但是这次课程设计使我发现真正把理论知识运用到实践上，还是相当复杂的，会利用理论知识去解决实际问题才算是真正掌握了这门学科。

　参考文献 [1] 陈伯时

　 电力拖动自动控制系统——运动控制系统 机械工业出版社 2009 [2] 朱仁初、万伯任

　电力拖动控制系统设计手册 机械工业出版社 1994 [3] 王兆安、刘进军

　电力电子技术第5版

　机械工业出版社

　2009 [4] 李志民

　 同步电动机调速系统

　 机械工业出版社

　1996 [5] 张东力、陈丽兰、仲伟峰 直流拖动控制系统 机械工业出版社 1999

　附录

　表1

　典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系

　参数关系KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比ξ 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量δ 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升时间tr ∞ 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间tp ∞ 8.3T

　6.2T

　 4.7T 3.6T 相对稳定裕度γ 76.3° 69.9° 65.5° 59.2° 51.8° 截止频率ωc 0.243/T 0.367/T 0.455/T

　0.596/T

　0.786/T

　表2 典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5）

　表3

　典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标