基于MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真
摘要：直流电力拖动调速技术，简称直流调速。是通过改变电气参数，使直流电动机在不同转速下运行的技术。双闭环直流调速系统可以充分利用直流电动机的过载能力，使得电动机在起动过程中以接近最大允许电流运行，且电流内环对系统也进行了改造，提高了系统的动态性能。
关键词：直流调速 双闭环 MATLAB
1. 系统仿真模型建立
建立双闭环直流调速系统仿真模型，如图1-1所示。
图1-1 双闭环直流调速系统仿真模型
2. 主电路模型参数设置
主电路由直流电动机本体模块、三相对称电源、晶闸管整流装置、同步6脉冲触发器、负载等模块组成。
三相对称电源峰值电压设为220V ，频率为50Hz ，相位差为120°，三相初始相位分别设为0°、240°、120°。A 相参数设置如图2-1所示。
图2-1
电动机的额度数据为10kW 、220V 、55A 、1000r/min，电枢电阻R a =0. 5Ω，晶闸管触发装置为三相桥式可控整流电路，整流变压器连接星形Y ，二次线电压U 21=230V ，电压放大系数K S =44，系统总回路电阻为R =1Ω，测速发动机是永磁式，额定数据为23.1W 、110V 、0.21A 、1900r/min，直流稳压电源-12V ，系统运动部分的飞轮惯量为GD 2=10N ∙m 2，稳态性能指标D=10，s ≤5% 。
整流桥的导通电阻 R on =R -R a =0. 25Ω，其参数设置如图2-2所示。 2
图2-2
电动机负载取50，由于电动机输出信号时角速度ω，将其转化为转速n ，单位为r/min，在电动机角速度输出端接Gain 模块，参数设置为30/3.14。
GD 2R =根据公式 T m =375C e C m
T 1=GD 2R 可得GD =10(N ∙m 2) ；根据公式30375C e C e πl 可以得到回路总电感l =0. 017H 。 R
电动机本体模块参数中飞轮惯量单位是J , 将GD 转换为J , 两者之间关系为
GD 2
J ==0. 255 4g
互感数值确定如下：
励磁电压为220V ，励磁电阻取240Ω，则励磁电流为
I f =220=0. 91667(A ) 240
30C e U N -I N R a L =. C =由互感参数公式 af ，电动机常数 e 可得 πI f n N
L af =30C e 300. 1925. =. =2. 0(H ) πI f π0. 91667
电动机参数设置如图2-3所示。
图2-3
电动机输出4组参数，即转速n ，电枢电流I a 、励磁电流I f 和电磁转矩T e ，将4组参数通过Demux 连接到示波器Scope 的输入端，并通过Mux 元件用Out1模块将仿真输出的信息返回到MATLAB 命令窗口。
同步6脉冲触发器有5个端口，与alpha-deg 连接的端口为导通角。与Block 连接的端口是触发器的开关信号，当开关信号为“0”时，开放触发器；当开关信号为“1”时封锁触发器。取Constant 模块与Block 端口连接，把参数设置为“0”，开放触发器，同步6脉冲触发器参数设置如图2-4。
图2-4
平波电抗器选择RLC Branch设置为纯电感元件，其电抗为1e-3，即0.001H 。其参数设置如图2-5。
图2-5
3. 控制电路模型参数设置
控制电路由PI 调节器、滤波模块、转速反馈等环节组成。
转速调节器ASR 的K pn =6. 02、K n =
11τn =11. 494，电流调节器ACR 的K pi =0. 43、K i =τi =58. 823，上下限幅值均取[10 -10]。ASR 和ACR 的参数设
置分别如图3-1、3-2所示。
图
3-1
图3-2
带滤波环节的转速负反馈系数模块为Transfer Fcn，参数设置：Numerator 为[0.01]，Denominator 为[0.01 1]。带滤波环节的电流负反馈系数模块参数设置：Numerator 为[0.121]，Denominator 为[0.02 1]。转速延迟模块参数设置：
Numerator 为[1]，Denominator 为[0.01 1]。电流延迟模块参数设置：Numerator 为[1]，Denominator 为[0.02 1]。
仿真算法采用ode23tb ，开始时间为0，结束时间为2.5s 。
Configuration Parameters设置如图3-3和图3-4所示。
图
3-3
图3-4
4. 仿真结果及分析
双闭环直流调速系统仿真波形如图4-1所示。分别为转速n ，电枢电流I a 、励磁电流I f 和电磁转矩T e 的波形。
图4-1
系统模型运行完成后，在MATLAB 命令窗口采用plot （tout ，yout ）绘图命令把输出结果绘制成曲线图，如图4-2所示。
图4-2
由仿真结果可以看出，当给定信号为10V 时，在电动机起动过程中，电流调节器作用下的电动机电枢电流接近最大值，使电动机以最优时间准则开始升速，在1.45s 左右时转速超调，电流很快下降，在2.25s 时达到稳态，在稳态时转速为1000r/min，整个变化曲线与实际情况非常相似。从仿真结果可以看出模型及参数设置的正确性。
5. 实践心得
通过仿真和分析，可知双闭环直流调速系统的工作原理，文中应用Matlab 的可视化仿真工具simulink 对双闭环直流调速系统的仿真结果进行了分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。同时我对matlab 仿真软件的应用更加了解。
6. 参考文献
阮毅 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 陈霞 《电力拖动自动控制 系统原理与设计方法》 中国电力出版社
顾春雷 陈中 《电力拖动自动控制系统与MATLAB 仿真》 清华大学出版社 张兴 《高等电力电子技术》 机械工业出版社
陈坚 《交流电机模型及调速方法》 国防工业出版社
基于MATLAB 的双闭环直流调速系统仿真
摘要：直流电力拖动调速技术，简称直流调速。是通过改变电气参数，使直流电动机在不同转速下运行的技术。双闭环直流调速系统可以充分利用直流电动机的过载能力，使得电动机在起动过程中以接近最大允许电流运行，且电流内环对系统也进行了改造，提高了系统的动态性能。
关键词：直流调速 双闭环 MATLAB
1. 系统仿真模型建立
建立双闭环直流调速系统仿真模型，如图1-1所示。
图1-1 双闭环直流调速系统仿真模型
2. 主电路模型参数设置
主电路由直流电动机本体模块、三相对称电源、晶闸管整流装置、同步6脉冲触发器、负载等模块组成。
三相对称电源峰值电压设为220V ，频率为50Hz ，相位差为120°，三相初始相位分别设为0°、240°、120°。A 相参数设置如图2-1所示。
图2-1
电动机的额度数据为10kW 、220V 、55A 、1000r/min，电枢电阻R a =0. 5Ω，晶闸管触发装置为三相桥式可控整流电路，整流变压器连接星形Y ，二次线电压U 21=230V ，电压放大系数K S =44，系统总回路电阻为R =1Ω，测速发动机是永磁式，额定数据为23.1W 、110V 、0.21A 、1900r/min，直流稳压电源-12V ，系统运动部分的飞轮惯量为GD 2=10N ∙m 2，稳态性能指标D=10，s ≤5% 。
整流桥的导通电阻 R on =R -R a =0. 25Ω，其参数设置如图2-2所示。 2
图2-2
电动机负载取50，由于电动机输出信号时角速度ω，将其转化为转速n ，单位为r/min，在电动机角速度输出端接Gain 模块，参数设置为30/3.14。
GD 2R =根据公式 T m =375C e C m
T 1=GD 2R 可得GD =10(N ∙m 2) ；根据公式30375C e C e πl 可以得到回路总电感l =0. 017H 。 R
电动机本体模块参数中飞轮惯量单位是J , 将GD 转换为J , 两者之间关系为
GD 2
J ==0. 255 4g
互感数值确定如下：
励磁电压为220V ，励磁电阻取240Ω，则励磁电流为
I f =220=0. 91667(A ) 240
30C e U N -I N R a L =. C =由互感参数公式 af ，电动机常数 e 可得 πI f n N
L af =30C e 300. 1925. =. =2. 0(H ) πI f π0. 91667
电动机参数设置如图2-3所示。
图2-3
电动机输出4组参数，即转速n ，电枢电流I a 、励磁电流I f 和电磁转矩T e ，将4组参数通过Demux 连接到示波器Scope 的输入端，并通过Mux 元件用Out1模块将仿真输出的信息返回到MATLAB 命令窗口。
同步6脉冲触发器有5个端口，与alpha-deg 连接的端口为导通角。与Block 连接的端口是触发器的开关信号，当开关信号为“0”时，开放触发器；当开关信号为“1”时封锁触发器。取Constant 模块与Block 端口连接，把参数设置为“0”，开放触发器，同步6脉冲触发器参数设置如图2-4。
图2-4
平波电抗器选择RLC Branch设置为纯电感元件，其电抗为1e-3，即0.001H 。其参数设置如图2-5。
图2-5
3. 控制电路模型参数设置
控制电路由PI 调节器、滤波模块、转速反馈等环节组成。
转速调节器ASR 的K pn =6. 02、K n =
11τn =11. 494，电流调节器ACR 的K pi =0. 43、K i =τi =58. 823，上下限幅值均取[10 -10]。ASR 和ACR 的参数设
置分别如图3-1、3-2所示。
图
3-1
图3-2
带滤波环节的转速负反馈系数模块为Transfer Fcn，参数设置：Numerator 为[0.01]，Denominator 为[0.01 1]。带滤波环节的电流负反馈系数模块参数设置：Numerator 为[0.121]，Denominator 为[0.02 1]。转速延迟模块参数设置：
Numerator 为[1]，Denominator 为[0.01 1]。电流延迟模块参数设置：Numerator 为[1]，Denominator 为[0.02 1]。
仿真算法采用ode23tb ，开始时间为0，结束时间为2.5s 。
Configuration Parameters设置如图3-3和图3-4所示。
图
3-3
图3-4
4. 仿真结果及分析
双闭环直流调速系统仿真波形如图4-1所示。分别为转速n ，电枢电流I a 、励磁电流I f 和电磁转矩T e 的波形。
图4-1
系统模型运行完成后，在MATLAB 命令窗口采用plot （tout ，yout ）绘图命令把输出结果绘制成曲线图，如图4-2所示。
图4-2
由仿真结果可以看出，当给定信号为10V 时，在电动机起动过程中，电流调节器作用下的电动机电枢电流接近最大值，使电动机以最优时间准则开始升速，在1.45s 左右时转速超调，电流很快下降，在2.25s 时达到稳态，在稳态时转速为1000r/min，整个变化曲线与实际情况非常相似。从仿真结果可以看出模型及参数设置的正确性。
5. 实践心得
通过仿真和分析，可知双闭环直流调速系统的工作原理，文中应用Matlab 的可视化仿真工具simulink 对双闭环直流调速系统的仿真结果进行了分析，并与相关文献中采用常规电路分析方法所得到的输出波形进行比较，进一步验证了仿真结果的正确性。同时我对matlab 仿真软件的应用更加了解。
6. 参考文献
阮毅 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 陈霞 《电力拖动自动控制 系统原理与设计方法》 中国电力出版社
顾春雷 陈中 《电力拖动自动控制系统与MATLAB 仿真》 清华大学出版社 张兴 《高等电力电子技术》 机械工业出版社
陈坚 《交流电机模型及调速方法》 国防工业出版社