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基于Matlab双闭环直流调速系统设计与仿真
大连海洋大学信息工程学院
马占军
［摘要］V-M双闭环直流调速系统是目前应用比较成熟的一种调速系统，通过本次设计，给出一种具体的设计步骤和方法，使之能够通过本方法对其他的调速系统的设计和计算起到指导性的作用；同时，通过本次设计和仿真方法，达到举一反三的效果。［关键词］V-M系统调速
仿真前言
双闭环直流调速系统是目前应用最广泛的调速系统，该系统具有调速范围宽、稳定性好、精度高等许多优点，在理论和实践方面都是比
由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，较成熟的系统。
馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，其时间常数用Ton表示。
根据电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入了时间常数为Ton的
[2]
给定滤波环节。
2、系统参数设计本文设计了一种具有具体参数计算的调速速统，并采用Matlab/Simulink进行仿真，仿真结果表明各种参数设计合理，达到了控制要求。
1、系统组成及工作原理
为了实现转速和电流两者负反馈分别起作用，双闭环系统中设置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)，分别调节转速和电流，两者实行串级连接，且都带有输出限幅电路，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子
变换器UPE。从闭环结构上看，
电流环在里面称作内环；转速环在外面称作外环。以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组
成的环作为内环,以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快的
“最优”
控制。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，这样构成了双闭环调速系统的原理图，如图1所示[1]：
图1双闭环直流调速系统电路原理图
工作原理如下：电动机的转速由给定电压U*
n决定，速度调节器ASR的输入偏差电压为ΔU=U*
*
n-Un，ASR的输出电压Ui作为电流调节器ACR的给定信号(其输出的限幅值U*
im决定了电流调节器给定电压的最大值)，电流调节器ACR的输入偏差电压为ΔU=U*
i-Ui，ACR的输出电压UC作为触发电路的控制电压(其输出的限幅值UCM决定了晶闸管整流输出电压的最大值)。改变控制电压UC，就能改变触发器控制角α及整流输出电压Ud0，相应地也就改变了电动机的转速,达到调速的目的。
通过原理图我们很容易画出其稳态结构框图，如图2所示。
图2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
图2中在设有转速调节器ASR，
电流调节器ACR，电力电子变换器UPE等的基础上增加了电流滤波，转速滤波和两个给定滤波环节。由于电流检测信号中常含有交流成分，需加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要给定。滤波信号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迟。所以在给定信号通道中加入一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由测速发电机得到的转速反
2.1主要技术指标
假设负载电机不可逆运行，调速范围D≥10，
静差率s≤2%；转速超调量δi≤5%，电流超调量δi≤5%，动态速降Δn≤8%，调节时间ts≤2s，电流调节器外电阻R=0.12，放大倍数K*
*
s=45，
Un=Uim=10V，n*=1800r/min。电机参数：PN=90KW，UN=220V,IN=136,nN=1480r/min,Ce=0.132，允许过载能力为λ=1.5，R∑=0.5Ω，T1=0.03s,Tm=0.18s电流反馈系数β=0.05转速反馈系数α=0.0.7。
2.2电流环的设计(1
)确定时间常数。①整流装置滞后时间常数Ts，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s；
②电流滤波时间常数Toi，取Toi=0.002s；
③电流环小时间常数T∑i，按小时间常数近似处理，取T∑i=Toi+Ts=0.0037s
(2)根据设计要求：δi≤5%，而且T1=8.11，因此，电流环可按典型
∑i
Ⅰ型系统设计。
(3)电流调节器选用PI型，其传递函数为WACR(s)=Ki×τis+1
τis
取τi=T1=0.03s，取KIT∑i=0.5，则KI=135.1*
β=U
n=10=0.049NKi=KIτiR=135.1×0.03×0.12=0.22
s(4)计算电流调节器的电路参数。取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下：Ri=Ki×R0=0.22×40=8.8KΩ，取9KΩCi=τi/Ri=0.03/(9×1000)F=3.33μFCio=4Toi/R0=4×0.002/(40×1000)F=0.2μF2.3转速环的设计(1)确定时间常数。
①电流环等效时间常数为2T∑i=0.0074s；②转速滤波时间常数Ton，取Ton=0.01s；
③转速环小时间常数T∑n=2T∑i+Ton=0.0174s。(2)转速调节器的结构选择。应按典型Ⅱ型系统设计转速环，转速
调节器选择PI型，
其传递函数为:WASR(S)=Knτns+1
n取h=5，则ASR超前时间常数为：τn=hT∑n=5×0.0174=0.087s
KN=h+15+12×h×T
==396.4∑n
于是，ASR的比例系数Kn计算：
Kn=(h+1)βCeTm=11.7
∑n
(3)计算转速调节器的电路参数，按所运算放大器,取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下：
Rn=KnR0=365.2KΩCn=τn=0.0023μF
n
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