直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计摘要：提出并介绍了基于转速和电流双闭环直流调速系统的模型，对建立的数学模型在Matlab/Simulink下进行了仿真。
从而验证了转速电流双闭环直流调速系统具有较好的动态性能以及在保证系统稳定的前提下实现转速无差。
同时对负载变化和电网电压的波动都能起到很好的抗扰作用。
关键词：直流电动机；双闭环；MA TLABABSTRACT: Proposed and introduced DC system model based on speed and current double closed loop, the mathematical model is simulated under Matlab / Simulink. Therefore the speed and current double closed loop DC system having good dynamic performance is verified and ensure system achieve stability under the premise of no speed difference. At the same time the load changes and power grid voltage fluctuations can play a very good anti-interference function.Keyword: DC motor; double loop; MA TLAB0 引言对直流电动机建立数学模型是对其分析的重要一环。
双闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差以及满足系统快速起制动、突加负载动态速降小等要求，克服单闭环直流调速系统的不能随意控制电流和转矩的动态过程。
双闭环系统可以在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，充分利用电机的过载能力，在过渡过程中保证电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
在直流电动机起动时只采用电流负反馈，得到近似的恒流过程，在达到稳态转速后只利用转速负反馈保证系统稳定运行。
1 转速电流双闭环控制系统的组成系统中设置两个调节器，分别用来调节转速和电流。
转速负反馈和电流负反馈实现嵌套连接，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再利用电流调节器的输出控制电力电子变换器，从而形成转速、电流双闭环调速系统。
从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环，转速环在外面称为外环。
为了实现静、动态性能，调节器采用比例部分能够迅速响应控制作用，积分部分最终消除稳态偏差，因此两个调节器都采用PI调节器。
同时两个调节器还带有限幅作用，通过限幅作用，转速调节器输出限幅电压决定电流调节器的最大输入，ACR输出的限幅电压限制了电力电子变换器件的最大输出电压。
=图1 转速、电流双闭环直流调速系统2 双闭环调速系统的数学模型2.1 直流调速系统动态数学模型直流电机运行时的电压和转矩方程分别为=R（1）（2）额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为（3）（4）其中——包括电动机空载转矩在内的负载转矩（N.m）；——电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量（N.m2）；——额定励磁下电动机的转矩系数（N.m/A）；定义时间常数——电枢回路电磁时间常数（s），（5）——电力拖动系统机电时间常数（s），（6）从以上几个公式整理可以得到（7）（8）式中，为负载电流（9）在零初始条件下取等式两端拉氏变换有（10）（11）对于电力电子变换器件部分，可以等效成一个纯滞后的放大环节，其滞后作用是由电力电子器件的失控时间引起的，考虑到失控时间较小，可以近似等效成一阶惯性环节。
为了滤除电流和转速的检测信号中的交流分量噪声，通常在反馈通道和给定信号前加入滤波环节。
因此结合以上的数学公式可以绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图。
为了引出电流负反馈，在电动机的动态结构框图中把电枢电流I d显露出来。
图2 双闭环直流调速系统的动态结构框图2.2 PI调节器参数计算只要输入偏差存在，调节器的输出就会不断地无限制增加，因此必须在PI调节器的输出端加入限幅装置。
将电流环校正设计成典型系统。
稳态上希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，从动态上看，希望实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，保证电流在动态过程中不超过允许值，因此电流环应以跟随性能为主，选典型Ⅰ型系统。
PI型电流调节器传递函数可以写成（12）——电流调节器的比例系数；——电流调节器的超前时间常数。
选择（13）（14）对于转速调节器，为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节包含在转速调节器中，现在扰动作用点后已经有一个积分环节，因此转速环开环共有两个积分环节，设计成典型的Ⅱ型系统。
（15）——转速调节器的比例系数；——转速调节器的超前时间常数。
取（16）3 系统仿真分析仿真参数如下：直流电动机：220V ，13.6A ，180r/min，,允许过载倍数；晶闸管装置：；电枢回路总电阻：；时间常数：l T =0.018s ，m T =0.25s ；反馈系数：α=0.00337V/(r/min)，β=0.4V/A ；反馈滤波时间常数：oi T =0.005s ，on T =0.005s 。
3.1 启动过程分析通过仿真可以看出双闭环直流调速系统启动过程可以分为三个阶段：第一个阶段是电流上升阶段，突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、、都跟着上升，但是没有到达负载电流前，电动机还不能够转动。
当后，电动机开始启动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器输入偏差电压数值仍然较大，输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升，直到电枢电流达到额定值，电压达到限幅值，电流调节器压制了电枢电流的增长。
这一阶段中，很快进去并保持饱和状态，电流调节器不饱和。
图3 双闭环调速系统启动过程的转速波形图4 双闭环调速系统启动过程的电流波形第二阶段为恒流升速阶段，是启动过程的主要阶段。
这一阶段转速调节器始终是饱和的，系统成为在恒指电流给定限幅电压下的电流调节系统，基本上保持电枢电流恒定，因而系统加速度恒定，转速呈线性增长。
电枢电流略低于其额定值，输入偏差电压保持一定的恒值，所以电流调节器的输出按线性增长。
在这一过程中也应该保证电流调节器为不饱和状态。
第三阶段为转速调节阶段。
当转速升高到给定值，ASR 的输入偏差减小到零，输出由于积分作用而保持在限幅值，所以电动机仍然在加速，使转速超调。
转速超调后，ASR 输入偏差电压变负，使退出饱和状态。
在这一阶段中ASR 和ACR 都处于不饱和状态，ASR 起主导的转速调节作用，而ACR 力图使电枢电流跟随其给定值。
从图中可以计算出电流超调量为转速超调量为，比理论计算值要大些。
图5和图6各为ASR和ACR的输出特性图。
ASR经历了饱和限幅输出和线性调节两个阶段。
ACR只工作在线性调节阶段。
图5 ASR的输出特性图6 ACR的输出特性3.2 双闭环系统的抗扰性能双闭环系统的主要扰动负突变与电网电压波动。
通过仿真分析来观察这两种扰动对系统性能的影响。
1.负载扰动负载扰动是在电流环之后，通过负载电流的变化对系统产生影响，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。
在0.5s处加入负载扰动电流5.6A，即总负载电流有原来的13.6A瞬时变为18A。
从图8中可以看出系统有较好的抗负载扰动特性。
图7 负载扰动后的电机电流图8 负载扰动后的电机转速2.电网电压波动电网电压变化对双闭环直流调速系统也会产生扰动影响。
在双闭环系统中，有电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小的多。
在0.5s处，电网扰动取-45V。
扰动后的影响效果如图8所示。
在调速系统中加入电网电压扰动U，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
图9 电网扰动后的电机电流图10 电网扰动后的电机转速4 结论1.转速调节器是主导调节器使转速很快的跟随给定电压的变化，同时对负载的变化起抗扰作用，输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
电流调节器对电网电压的波动起到抗扰作用，在启动过程中保证电动机获得最大允许电流，从而加快启动过程。
2.通过调节ASR和ACR可以使系统处于最佳工作状态，ASR调节器参数修改会影响转速的上升时间以及启动过程中转速超调量的大小。
3.由于仿真模型是通过一些环节的近似处理以及某些环节的简化处理而得到的。
所以实际的调试情况要更为复杂些。
参考文献[1]张晓华.系统建模与仿真.北京：清华大学出版社，2006.12[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系.北京：机械工业出版社，2003.07[3]黄忠霖，黄京.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：国防工业出版社,2009.1[4]杜文斌.基于DSP的电机双闭环控制系统.工业控制计算机.2010,23(1):41-44。