《转速、电流反馈控制的直流调速系统
设计》论文
院（系）自动化学院
专业班级
姓名
学号
指导教师
摘要： 针对直流调速系统理论设计与实际要求相差较大的现象，利用matlab/simulink 仿真平台对直流调速系统的理论设计结果进行仿真；通过系统仿真以灵活调节各项参数，从而获得理想的设计结果；实践表明，利用仿真技术可以大大地减少直流双闭环调速系统的设计和调试强度。
关键词：直流调速 理论设计 系统仿真
一、直流调速系统的理论设计 1.1 系统组成及要求
双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式整流装置供电，基本参数如下： 1、直流电动机：额定转速nN = 1200 r/min ，额定电压UN = 220V ，额定电流IN = 180A ，电动势系数Ce = 0.196V ·min/r ，电流允许过载倍数 λ =1.25；电动机电枢电阻Ra = 0.2Ω，回路总电感L = 20 mH ； 2、晶闸管整流装置放大倍数：Ks = 36； 3、电枢回路总电阻：R = 0.6 Ω； 4、机电时间常数：Tm = 0.22 s 。
设计要求：（1）稳态指标：无静差；（2）动态指标：电流超调量σi
≤5%，启
动到额定转速时的转速超调量σ
n
≤10%；
1.2、 电流调节器设计 1、确定时间常数。
（1）整流装置滞后时间常数
s
T 三相桥式电路的平均失控时间
s
T s 0017.0=；（2）
电流滤波时间常数oi
T 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ，为了基本滤平
波头，应该有
ms
T oi 33.3)2~1(=,因此取
s
T oi 002.0=；（3）电流环小时间常数
i
T ∑
按小时间常数近似处理，取
s
T T T oi s i 0037.0=+=∑。
图1直流双闭环调速系统动态结构图
图2转速和电流双闭环直流调速系统原理图
2、确定将电流环设计成何种典型系统
根据设计要求：%5≤i σ，而且 1011.80037.0/03.0/<==∑i l T T ，因此设计成
典型I 型系统。
3、电流调节器的结构选择
电流调节器选用比例积分调节器（PI ）,其传递函数为
s
s K s W i i i ACR ττ/)1()(+=。
4、选择电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：s
T l i
03.0==τ； 电流开环增益：因要求
%5≤i σ，故取5.0=∑i I T K ，因此14.1050037.0/5.0/5.0-∑===s T K i I ，β=0.04V/A ，于是电流调节器的比例系数为 Ki=
β
τKs R
K i I =1.2 5、校验近似条件 电流环截止频率14.105-==s K I ci ω
（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：s ci T 3/1≤ω，因为
ci
s s T ω>=-11963/1
，所以满足近似条件。
（2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：l
m ci T T /13≥ω，
由于3
l m T T 1=3×02
.022.01⨯=36.92＜ωci ，满足近似条件。
（3）校验小时间常数近似处理是否满足条件：
oi
s ci T T /1)3/1(≤ω，由于
ci oi s s T T ω>=-18.180/1)3/1(，满足近似条件。
计算调节器的电容和电阻
Ri =Ki ×R0 =1.2×40=48K Ω 取47K Ω
Ci =Ri i
τ=0.44×10﹣6 F=0.45υF 取0.47υF
Coi =04R Toi
⨯=0.2×10﹣6 F=0.2υF 取0.2υF
图3
含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器原理图
σ％=4.3％＜5％ 。
1.3 速度调节器设计 1、确定时间常数。
（1）电流环等效时间常数为s
T i 0074.02=∑；（2）电流滤波时间常数
on
T 根据所
用测速发电机纹波情况，取
s
T on 01.0=；（3）转速环小时间常数n
T ∑按小时间常
数近似处理，取s T T T on i n 0194.02=+=∑∑。
2、确定将转速环设计成何种典型系统
由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型II 型系统设计转速环。
3、转速调节器的结构选择。
转速调节器选用比例积分调节器（PI ）,其传递函数为
s
s K s W n n n ASR ττ/)1()(+=。
4、选择转速调节器参数
（1）按照跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则转速调节器的超前时间常数为
s hT n n 087.0==∑τ，转速开环增益为
22
28.31821
-∑=+=
s T h h K n
N 所以转速调节器的比例系数为 K n =
n
m
e RT h T C h ∑+αβ2)1(=11.73
检验近似
条件转速环截止频率为：ωcn=1ωN
K =KN τn=318.8×0.0875=27.895s-1 电流环传递函数简化条件：
i
I T K ∑31=56.259s-1 ＞ωcn
转速环小时间函数近似处理条件：
on
I T K 31=34.22 s-1 ＞ωcn 满足近似条件。
（5）计算调节器电阻好电容
取R0=40K Ω Rn=KnR0=11.73×40=469.2K Ω 取470K Ω
Cn=n n R
τ≈0.19υF 取0.2υF Con=0
4R T on ≈1υF 取1υF
图4
含给定滤波和反馈滤波的PI 型转速调节器原理图 （6）校核转速超调量
当h=5时，经查表得，n σ=37.6%，不能满足设计要求。
实际上，由于表3-4是按照线性系统计算的，而突加阶跃给定时。
ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按照ASR 退饱和的情况重新计算超调量。
转速调节器退饱和时转速超调量的计算
b
C C m ax ∆=81.2%，空载起动z=0，T ∑n=0.0195s ，Tm=0.22，Ce=0.196
n σ=2（
b
C C m ax ∆）（λ－z ）*∆n n N m
n
T T ∑
代入式子得；n σ=8.22%＜10%满足设计要求。
二、系统仿真
1.1 理论计算参数仿真分析
根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如下图所示。
电流环的仿真模型
转速环的仿真模型
在额定转速和空载下，对系统进行仿真得到电动机电枢电流和转速的仿真输出波形，如下图。
电流环的仿真输出波形
转速环的仿真输出波形从电流环的仿真输出波形图中可知：
1、转速超调量电流环超调量
=( 228.5–219.4)/219.4=4.2%<5%
，转速超调量符合要求，系统相对稳定性较强。
2、整个起动过程只需0.06秒，系统的快速性较好。
1.2 仿真调试分析
通过以上仿真分析，与理想的电动机起动特性相比，仿真的结果与理论设计具有差距。
为什么会出现上述情况，从理论的设计过程中不难看出，因为在“典型系统的最佳设计法”时，将一些非线性环节简化为线性环节来处理，如滞后环节近似为一阶惯性，调节器的限幅输出特性近似为线性环节等。
经过大量仿真调试，改变电流和转速环调节器的参数，兼顾电流、转速超调量和起动时间性能指标，找出最佳参数为：
2.1=i K ，0
3.0=i τ；73.11=n K ，087.0=n τ。
从转速环的仿真输出波形图中可知： 1：转速环超调量为 转速环超调量=(1301.7-1200)/1200=8.5%<10%，超
调量符合要求。
2：整个起动过程约为 0.7 秒，系统的快速性仍较好。
3结论
以上分析表明，利用matlab 仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。
通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。
该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用。
i σi
σ
11。