基于Matlab双闭环直流调速系统的仿真
第 22卷 第 3期
2009年 O9月
盐城工学院学报(自然科学版 )
Journal of Yancheng Institute of Technology(Natural Science Edition)
V0】．22 No．3
Sept．2009
基 于 Matlab双 闭环 直 流调 速 系统 的仿 真
陈 中 ，李先锋
(1．盐城工学院 电气工程学 院 224051；2．盐城工学 院 信息工程学院 ，江苏 盐城 224051)
摘 要 ：在双 闭环 直流调 速 系统原理 基础 上 ，根据 系统 的动 、静 态性 能指 标采 用工程 设计 方法设 计
调 节 器参数 ，并运 用 Matlab的 Simulink和 Power System 工具 箱 、面 向 系统 电气原 理结 构 图 的仿
真方法，实现了转速电流双闭环直流调速 系统的建模与仿真。重点介绍了调速系统的建模和调
节器、直流电机模块互感等参数的设置 ，给出了直流可逆调速 系统的仿真模型和仿真结果 ，从仿
真结果可以验证仿真模型及调节器参数设置的正确性。
关键词 ：双闭环；参数设置；互感；仿真
中 图分 类号 ：TM341 文献标 识码 ：A 文章编 号 ：1671—5322(2009)03—0040—04
在 双闭环 直流 电动机 调 速系 统 中 ，根 据工 程
设计方法设置调节器参数。由于直流电机有很多
类型，在实际仿真 中，采用 Matlab中直 流电机通
用模块并设置互感参数来代替各种类型的直流电
机，并验证系统设计参数的正确性。本文在调速
系统数学模 型建立 以及设 置调节器参数 的基础
上 ，通过 Matlab的工具箱中 PI调节器和直流电机
模块，对此系统进行仿真 ，从仿真的结果可以验证
模型及参数设置的正确性 。
1 双 闭环直流调速 系统工作原理
双闭环直流调速系统原理框图如图 1所示 ，
其主电路是采用三相桥式晶闸管装置电路。控制
电路采用典型的转速、电流双闭环系统 ，转速调节
器 ASR设置输出限幅 ，以限制最大起动电流。根
据系统运行的需要 ，当给定 电压 后 ，ASR输 出
饱和，电机以最大的允许电流起动，使得电机转速
很快上升 ，达到给定 的速度后 转速超调 ，ASR退
饱和 ，电机电枢电流下降，经过两个调节器的调节
作用 ，使系统很快得到稳态。
双闭环调速系统 的实际动态结构框 图 如
图 2所示 ，它包括转速调节器 、电流调节器 、电机
的数学模型外，还有滤波环节，包括电流滤波、转
速滤波和两个给定信号 的滤波环节 ，其 目的是让
给定信号和反馈信号经过相同的延 时，使二者在
图 1 双闭环调 速系统原理框图
Fig．1 Diagram of double dosed —loop
DC system S principle
时间上得到恰当的配合 ，从而带来设计上的方便。
当按工程设计方法来设计转速、电流调节器
时，应按照先内环后外环的一般原则 ，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。
2 双闭环调 速系统 的建模步骤
2．1 转 换环 节的建 模
从双闭环调速系统的动态结构框 图可知，电
流调节器 ACR输出最大限幅时 ，整流桥输出最大
电压值 由 也即电流调节器输 出信号与整流
桥输出电压成正比，但在 Matlab中同步触发器的
输入信号为导通角 ，整流桥 输出电压与导通
收稿 日期 ：2009—03—12
作者简介：陈中 (1968一)，男 ，安徽六安人 ，讲师 ，硕士 ，主要研究方 向为电机控制。
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一
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第 3期 陈中 ，等 ：基于 Matlab双闭环直流调速 系统的仿真
图 2 双闭环调速 系统动态框 图
Fig．2 Dynam ic diagram of double
closed —loop DC system
角 的关系为 ：
U棚 ： U由( )COS (1)
从上式可知 ，在仿真 中电流调节器的 ACR输
出信号不能直接 同步触发器 的输 入端 ，必须经过
适当转换 ，使得 ACR的输出信号同整流桥 的输 出
电压对应。即 ACR输出信号为 0时 ，整流桥 的输
出电压为 0，ACR输出达到 限幅 (10 V)时，整
流桥输 出电压为最大值 由 x1’转换模块见 图 3。
图 3 转换环节建模
Fig．3 M odule of converter circuit
从转换模块可知 ，当电流调 节器 ACR输 出
为 0电压时，同步 6脉 冲触发器 的输入信号 为
9O。，整流桥输出电压 0；当电流调节器 ACR输 出
为最大限幅(1O V)时 ，同步 6脉冲触发器 的输人
信号为 0。，整流桥输出电压为 )。
2．2 同步 6脉冲 触发 器 的建 模
同步触发器包括同步电源和 6脉冲触发器两
部分 J。6脉冲触发器 可从模块 中获得 ，在其参
数的设置上 ，把同步合成 电压改为 50 Hz。6脉 冲
触发器需用三相线 电压 同步 ，所 以同步电源的任
务是将三相交流 电源 的相 电压转化成线 电压 ，同
步电源与 6脉冲触发器及封装后的子系统如图 4
所示
[=>———+ alpha—deg
●—一 鸯=_ AB
BC LIk
I L=．_J -J L= 一
CA
volI ：
田—一 Block
同步 6脉 冲触发 器
图 4 同步触发器和封装后 的子系统符号
Fig．4 The mod ule and masked subsystem of
synchronized 6一pulse generators
2．3 电动 机本 体模 块 参数 的设 置
实际的电动机互感 的参数与直流电动机的类
型有关 ，也与励磁绕组和电枢绕组的绕组数有关 ，
从 Matlab中的直 流电动机模块可以看 出其类型
为他励直流电动机 J，其互感参数公式为 ：
(2)
兀』，
c ： (3)
凡 ?v
，，
(4
为电动机 常数 ， 、 分别 为励 磁 电压和
励磁 电阻。U R IN、n 分别 为电动机额定 电
压、电枢电阻、额定 电流 、额定转速和励磁电流。
在具体仿真时 ，首先根据电动机的基本数据 ，
写入 电动机本体模块 中对应参数 ，至于 电动机本
体模块的互感参数 ，则 由电动机常数和励磁 电流 ，
改为 由公式(2)得到即可。
3 仿真举例 ?
直 流 电 动 机 ：220 V，55 A，1 000 r／min，C =
0．192 5 V ·min／r，允许过载倍数 A=1．5；晶闸管
装置放大系数 =44；电枢 回路 总电阻 R=1．0
Q；时间常数 =0．017 s， =0．075 S；电流反馈
系数 =0．121 V／A( 10 V／1．5 IN)。转速反馈
系数 =0．01 V ·min／r(一10 V／nN)，To =2 ms
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= 0．002 S。转 速 滤波 时 问 常 数 To ：0．01 S。试
按 工程设 计方法设 计 电流 、转速 凋节器 ，并校 验转
速超调量的要求能否得 到满足。设计要求 ：设计
电流调节器，要求 电流超调量 ≤5％。要求转
速无静差 ，转速超调量 ≤20％。
电流调节器 ACR参数计算如下 ：
根据电流超调量 ≤5％要求 ，电流环按典
型 I型系 统设计 。三相 桥式 电路 的平均 失控 时间
= 0．001 7 S，电流环小时间常数为 T∑ = +
1
=0．003 7 s；电流调节器超前时间常数 ： ： =
』 l
= 0．03 S；电流环 开 环增 益 K，：取 T∑ =135．1
S 一
。 因此 ，于是 ACR的 比例系数 ：
= _ 1．ol3
转速调节器 ASR参数计算如下 ：
为了加快转速 的调节，转速环按典型 Ⅱ型系
统设计 ，选中频段宽度 h=5。
转速环小时间常数 T∑ =2T∑ +To ，则 ASR
的超 前时 问 常数 为 = 1 =^ ∑ =0．。87 ，转速
环 的开环增 益 = h+l =396
· 4 s- ，于 是可 得
AsR的比例系数为 = ：l1．7
双 闭 环 调 涑 系 统 仿 真 模 型 如 图 5所 示 。
图 5 双 闭环直流调速 系统的仿真模型
Fig．5 Simulation m odel of double
closed —loop DC system
ASR、ACR采用 PI模块 ，其参数设置就根
据以上所求得数 值，输 出限幅均为 [10，一1O]。
其它环节参数设置 ：电源 A、B、C设置峰值电压为
220 V，频 率 为 50 Hz，相 位 分别 为 0。、240。和
120。。整流桥为系统默认值。由于电动机输出信
号是角 速度 ∞，故把 其转 化 成转 速 (凡=60∞／
2耵) J。电动机参数如图 6所示 。
4 仿真结果
仿真结果如图 7所示 。
从仿真结果可以看出，当给定信号为 l0 V
时 ，在 电机起动过程中，电流调节器作用下 电机电
枢电流接近最大值 ，使得电机 以最优时间准则开
始上升 ，在 0．25 S左 右时转速超调 ，电流很快下
降 ，在 1．6 S时达到稳态 ，在稳态时转速为 1 000
r／rain，整个变化曲线同实际情况非常类似。
5 结语
本文主要是双闭环直流调速系统模型搭建 ，
转速凋节器、电流调节器、电机本体模块等参数的
设置。从仿真结果可以看出模型及参数设置的正
确 性 。
第 3期 陈 中，等 ：基 于 Matlab双 闭环 直流调速系统 的仿 真 ·43·
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参考 文献 ：
图 6 直 流电动机 的参数 设置
Fig．6 Param eter setting of DC
r ～ i 转速曲线
|
／
，
一 一
|
，
L_ 电 流曲到 -一
0 0
．
2 0．4 0．6 0．8 1 1．2 1．4 1．6 1．8 2
图 7 双闭环直流调速 系统 的仿真 结果
Fig．7 Result of simu1
．
ation ofdouble
closed —loop DC system
[1]陈伯时．电力拖动 自动控制 系统——运动控制 系统 [M]．3版 ．北京 ：机械工业 出版社 ，2003．
[2]周渊深．交直流调速系统与 Matlab仿真 [M]．北京 ：中 国电力 出版社 ，2003．
[3]王忠礼．MATLAB应用技术—— 在电气工程与 自动化 专业 中的应用 [M]．北京 ：清华大学 出版社 ，2007
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Sim ulation of Double Close Loop DC M otor
Control Speed Based on M atlab
CHENG Zhong ，LI Xian—feng
／1．School of Electrical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Jiangsu Yancheng 22405 1，China．＼
＼2．School ofhfformation Engineering，Yaneheng Institute ofTechnology ，Jiangsu Yancheng 224051，China／
Abstract：According to dynamic and static performance，the method uses engineering design to set．Parameters of controllers were
set by the engineering design metha based on principle of double close loo p speed system．The approach using electrical principle
and toolbox of simulink and power system in the Matlab have completed the modeling and simulation of system．The model of sim-
ulation and parameters of controllers were introduced emphatically，as well as mutual inductance parameter in DC motors．The re—
suits of simulation are close to actual situation，which shows the correction of the model and parameters of controllers．
Keywords：double close—loo p；setting parameters ；mutual inductance；simulation
(责任编辑 ：沈建新 ；校对 ：范大和)
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