船电技术|控制技术 Vol.31 No.2 2011.2 基于 Matlab 的双闭环直流电机调速系统的仿真 万里光 (湖北师范学院控制科学与工程系, 黄石 435002) 摘 要：直流电机拥有良好的转速可调性能；本文实现了双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确 直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析 其他系统性能的影响，取得了较好的效果。 关键词：直流电机 调速 双闭环 PID 控制 MATLAB 仿真 中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1003-4862(2011)02-0030-03 Matlab-based Simulation of Double Closed Loop DC Motor Drives System Wan Liguang （Department of Control Science and Engineering of Hubei Normal University, Huangshi 435002, China） Abstract: DC motor has a good speed adjustable performance. In this paper, the design of the double closed loop DC motor system is presented, and the experimental results can be accurately visual observation speed - the current double closed loop speed regulation system of the start-up process for the design of various regulator and the control strategy and analyzes its influence on the performance of the system, and good results have been achieved. Key words：DC motor; speed adjustment; double closed loop; PID control; MATLAB simulation 直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑 调速，其调速控制系统历来在工业控制具有及其 重要的地位。直流调速控制系统中最典型一种调 速系统就是转速、电流双闭环调速系统。在当今 社会，仿真技术已经成为分析、研究各种系统尤 其是复杂系统的重要工具，为了简便工程设计和 解 决 设 计 中 可 能 出 现 的 问 题 ， 利 用 Maflab 中 Simulink 实用工具对直流电动机的双闭环调速系 统进行仿真和系统分析就成为我们今天急需探讨 的课题。 本文通过实例对直流电动机的双闭环调速系 统进行仿真和系统分析，做出了整个设计的过程 及仿真图形，让人们能更深刻地认识双闭环直流 电机调速系统，为以后的学习及应用提供了很好 的材料。 收稿日期：2010-10-12 作者简介：万里光（1981-），男，讲师。研究方向：电 机调速与控制。 30 1 调节器的设计 （1）电流调节器的设计 双闭环直流调速系统的动态结构图如图 1， 包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波 环节。 转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流 环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电 流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变， 即 ∆E≈0。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。Ts 和 Toi 一般 都比 Tl 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 TΣi=Ts+Toi。 电流环应以跟随性能为主，应选用典型 I 型系 统，应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以 。其中，Ki—电流调节器 写成 K + )1 s )( = W ACR i s ( τ i s τ i 的比例系数；τi—电流调节器的超前时间常数。 

Vol.31 No.2 2011.2 船电技术|控制技术 U* n(s) 1 + T0ns+1 ASR - Un U* 1 + T0is+1 I(s) 电流环 ACR Uc(s) - Ui Ud0(s) Ks Tss+1 E(s) - 1/R Tl s+1 Id + -IdL(s) R Tms E n(s) 1 Ce β Tois+1 α Tons+1 图1 双闭环调速系统的动态结构框图 为了使校正后的系统动态响应快一些，将调 节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选 择 τi =Tl，则电流环的动态结构图便成为图 2 所示 。希望电流超调量 的典型形式，其中 β K I = KK s i R τ i σi%≤5% ， 可 选 ξ=0.707 ， KITΣi=0.5 ， K I = ω ci = 1 T 2 ∑ i ，即 K i = RT l TK β ∑ s i 2 = R K s 2 ( β T l T ∑ i 。 ) 根据上述要求，可设计出如下电流环仿真模 型，其输出波形如图 3 所示，在 0 到 0.016 s 时间 段，电流处于上升时间，这个时间很短；之后电 流一直保持为最大值，导致电机以最大的加速度 启动。 图 2 电流环的仿真模型 （2）转速调节器的设计 电 流 环 经 简 化 后 可 视 作 转 速 环 中 的 一 个 环 节，它的闭环传递函数 Wcli(s) W s ( ) cli = s I ( ) d U s ( ) / * i = β 1 ∑ K I s T s ( + i K I s T s ( i ∑ + = 1) + 1) 1 1 K I T ∑ K I i 2 s + s + 1 忽 略 高 次 项 ， Wcli(s) 可 降 阶 近 似 为 。电流环 ，近似条件 I ω cn ≤ 1 3 K T ∑ i sW )( cli ≈ 1 s 1 K I + 1 在转速环中应等效为 s I )( d sU )( * i = sW )( cli β ≈ 。 1 β s + 1 1 K I 原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭 环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数 1/KI 的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控 制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这 是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。 把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内， 同时将给定信号改成 U* n(s)/α，再把时间常数为 1/KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成 一个时间常数为 TΣn 的惯性环节， 1 。 K T =∑ n T on + I 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前 面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节 器 ASR 中，在扰动作用点后面已经有了一个积分 环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分 环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统。 ASR 也 应 该 采 用 PI 调 节 器 ，其中，Kn—转速调节器的比 )1 K + n sW )( ASR = ( τ n τ n s s 例系数；τn—转速调节器的超前时间常数。 调速系统的开环传递函数为 K W s ( ) n = n = τβ n R α β ( ⋅ + 1) s ( τ n s C T s T s 1) τ + e m n n K K R s s 1) ( ( α τ τ + n n n C T s T s s T s ( 2 2 + e m n n 1) N ( = ∑ ∑ ∑ + + 1) 1) 31 

船电技术|控制技术 Vol.31 No.2 2011.2 开环增益 RK α n TC βτ me K = N n 。 按 照 典 型 Ⅱ 型 系 统 参 数 关 系 ，τn =hTΣn 、 ，一般以 ，因此， ( K n N = K h 1 + Th 22 2 n ∑ 选择 h=5。 = h TC )1 + β me RT h 2 α ∑ n T1=0.012 s，机电时间常数 Tm=0.12 s，电流反馈 滤波时间常数 T0i=0.0025 s，转速反馈滤波时间常 数 T0n=0.015 s 额定转速时的给定电压(U* n)N=10 V，调节器 ASR，ACR 饱和输出电压 U* im =8 V， Ucm =6.5 V。 2 设计举例 已知电动机的额定数据为：PN=60 kW, UN =220 V, IN =308 A, nN =1000 r/min，电动机系数 Ce=0.196 V.min/r，主回路总电阻 R=0.18，触发整 流 环 节 的 放 大 系 数 倍 数 ks=35， 电 磁 时 间 常 数 图 3 电流环仿真结果 根据上述的试验数据，可得到如图 4 所示的 结构框图，也就是双闭环直流调速系统的仿真模 型，其输出波形如图 5 所示。 图 4 转速环的仿真模型 图 5 转速环仿真结果波形图 3 结束语 从图 5 仿真结果可以看到，电流 Id 从 0 增长 到 Idm=339 A，然后在一段时间内维持其值等于 Idm 不变，以后又下降到稳态值 IdL，转速波形表 现为先是缓慢地升速，最后经调节达到 n*=1000 r/min。 启动过程的第 1 阶段是电流上升阶段。突加 给定电压，ASR 的输入很大，其输出很快达到限 幅值，电流上升也很快，接近其峰值。第二阶段， ASR 饱和，转速环相当于开环系统，电流基本保 持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第 3 阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定 与反馈电压平衡，输入偏差为 0，但由于积分的 作用，其输出还是很大，所以出现超调。 转速超调之后，ASR 输入端出现负偏差电 压，使它退出了饱和状态，进入了线性阶段，使 速度保持恒定，仿真结果基本上很好的反映出了 这一点。 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京：机械工 业出版社，2003. [2] 阮毅, 陈维钧. 运动控制系统. 北京：清华大学出版 社, 2006. [3] 刘白雁. 机电系统动态仿真—基于matlab/simulink. 北京：机械工业出版社 2005. 32