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直流电机双闭环调速系统仿真研究
张传伟 , 郭 卫
(西安科技大学机械工程学院 , 陕西西安 710054 )
摘要 : 详细讨论了直流电机调速系统的工程设计方法 .基于直流电机基本方程 , 建立了直流电机转速 ,电流双闭环调 速系统数学模型 , 给出了系统动态结构图并进行了仿真研究 , 仿真结果验证了控制方案的合理性 . 关键词 : 直流电机 ; 调速 ; P I控制器 中图分类号 : TP39119 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 3881 ( 2005 ) 2 - 128 - 2
S i ula tion Research on the Speed Govern in g System of DC M otor m
Abstract: The methods were discussed to design the speed governing system of DC motor On the basis of fundamental for . mula of
DC motor, the mathematical model and dynam ic structure for speed and current closed loop control system was established, and the system was sim ulated. Sim ulation results confir the validity of the scheme. m Keywords: DC motor; Speed governing; P I controller
在工程实践中 , 虽然交流电动机结构简单 ,价格 便宜 ,制造方便 ,维护容易 .但由于直流电动机双闭 环调速系统在理论和实践上都比较成熟 , 具有极好的 运行和控制性能 , 在工业生产中仍占有相当的比例 , 其双闭环调速系统结构如图 1 所示 .

系统中电流内环的作用是使电机电枢电流 Id 服
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从它的给定值 U i , 当 U i 不变时 , 它表现为恒流调
节 , 否则表现为随动调节 .速度外环的输出为 U i , 不直接推动后面的放大器 , 而是作为电流环的给定 值 , 二者共同构成串级控制系统 , 不仅能控制转速 , 而且能控制电流 , 可充分利用电机的过载能力 , 获得 较快的动态响应 . 1 双闭环调速系统的动态数学模型
111 直流电机数学模型 在电力拖动控制系统中 , 直流电机通常以电枢电 压为输入量 , 以电机转速为输出量 .假设电机补偿良 好 , 忽略电枢反应 ,涡流效应和磁滞的影响 , 并设励 磁电流恒定 , 得直流电机数学模型和运动方程分别 为: d id ( 1) U d = R id + L +E dt 2 GD d n ( 2) Te - TL = 375 d t 式中 : U d — 电枢电压 ; L, id , R — 分别为电枢回路电 感 ,电流和总电阻 ; E — 电机的反电动势 , 且有 E =
ZHANG Chuan 2 wei, GUO W ei ( School of M echanical Engineering, X i' University of Science & Technology, X i' 710054, China ) an an
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C e n; Te , TL — 分别为电机的电磁转矩和负载转矩 ,
且有 Te = Cm id ; GD — 电力拖动系统整个运动部分折 算到电动机轴上的转动惯量 . 整理得电流与电压以及电动势与电流之间的传递 函数分别为 :
Id ( s) 1 /R = ( s) - E ( s) T1 s + 1 Ud E ( s) R = Id ( s) - IdL ( s) Tm s ( 3) ( 4)
A SR — 速度调节器 ACR — 电流调节器 TA — 交流变换器
U3 — 给定电流信号 U i— 电流反馈信号 i
TG— 测速发电机 U 3 — 给定速度信号 U n — 速度反馈信号 n
图 1 直流电动机双闭环调速系统结构
式中 : T1 = L /R — 电枢回路的电磁时间常数 ( s) ; IdL = TL /Cm — 负载电流 ( A ) ; Tm — 电力拖动系统的机电 时间常数 ( s) .考虑 n = E /Ce , 可得直流电机的动态 结构图如图 2 所示 . 112 整流装置的传递函数 由于晶闸管整流装 置总离不开触发电路 , 因此在分析系统时往往 把它们看成一个整体 , 图 2 直流电动机的 当作一个环节处理 .从 动态结构图 图 1 上可以看出 , 这一 环节的输入量是触发电路的控制电压 U ct , 输出量是 电枢电压 U d .如果在一定的范围内将非线性特性线 性化 , 就可以把它看成一个滞后时间较小的纯滞后环 节 , 如式 ( 5 ) .因传递函数中包含指数函数 , 使系 统成为非最小相位系统 , 给分析和设计带来了麻烦 , 一般情况下 , 把它近似成一阶惯性环节 .

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