直流电机双闭环调速Matlab仿真实验

---

实验目的

1、 掌握双闭环直流调速系统的原理及组成
2、 掌握双闭环直流调速系统的仿真
3、 掌握调节器的参数设置
4、 电流反馈断开、转速反馈断开以及直流电机失磁系统运行条件分析

---

1、双闭环直流调速系统组成及工作原理

在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系。用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出作为电流调节器的电流给定信号。再用ACR的输出电压$U_c$作为PWM脉冲宽度调制控制输入。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环,电流坏在里面为内环。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进行输出限幅，且转速与电流两个调节器都采用PI调节器。

图1 转速电流双闭环调速系统图

---

2、电机参数及仿真设置

直流电动机：额定电压$U_N$=240V，额定电流$I_{dN}$=52.2A，额定转速1260RPM；电枢回路总电阻0.368$\Omega$，电枢回路总电感L=1mH，励磁电阻240$\Omega$，励磁电感120H，励磁互感1.8H。
电机供电采用直流脉宽调制，PWM模块直流母线电压538V
采用风机、泵类负载，其负载转矩与转速的二次方成正比。即$T_L=k{n}^2$

图2 直流转速电流双闭环仿真图

3、仿真结果

3.1、转速电流双闭环仿真（给定转速1260RPM）

图3 给定转速条件下系统波形图

图4 电流上升阶段

第Ⅰ阶段：0-0.1ms，电流上升阶段。如图4所示，此时电枢电流迅速上升，由于机电惯性的作用，电机转速上升不明显。
第Ⅱ阶段：0.1ms-0.3s，恒流升速阶段（起动过程的主要阶段）。电枢电流保持恒定，系统的加速度恒定，转速成比例上升。
第Ⅲ阶段：0.3s-0.36s，转速调节阶段。转速上升到给定值时，ASR输入偏差为0，ACR输入偏差减小，所以电枢电流下降到负载电流，此时转速稳定在给定转速。

3.2、电流反馈断开（单转速闭环）

图5 电流反馈断开系统波形图

电流反馈断开，系统在单转速反馈下工作。ACR输入为恒定偏差，电流限幅不起作用。电枢电流突然增大至1300A，转速快速上升，在0.03s到达给定转速。到达额定转速之后，ASR输入为0，ACR输入减小，电流下降并稳定在负载电流，此时转速稳定在给定转速。

3.3、转速反馈断开（单电流闭环）

风机泵类负载，其负载转矩与转速的二次方成正比。即$T_L=k{n}^2$。
① 若k相对较大

图6 转速反馈断开系统波形图

转速反馈断开后，系统在单电流反馈下工作。ASR输入为恒定偏差（给定转速）。开始时，ACR输入为恒定偏差（ASR输出），转速在恒定电流下成比例升速。因为没有转速反馈，转速会一直上升，随着转速升高，负载转矩T_L变大，当负载转矩T_L升高至与电磁转矩T_e相等时，转速恒定。此时电枢电流等于负载电流。
②若k相对较小

图7 转速反馈断开系统波形

图8 转速反馈断开电压波形

转速反馈断开后，系统在单电流反馈下工作。ASR输入为恒定偏差（给定转速）。开始时，ACR输入为恒定偏差（ASR输出）。转速在恒定电流下成比例升速。由图8可知，当母线电压全部加在电机上时，电机转速保持稳定。此时，电枢电流下降并在ACR调制下等于负载电流。

3.4、电机失磁

图9 失磁条件下系统波形图

电机失磁情况下，电机转速始终保持0，因为无法产生电磁转矩。此时ASR和ACR输入和输出都为恒定偏差，所以电流保持给定电流值。由$T_e-T_L=J\frac{dw}{dt}$，电机转速保持为0，$T_L$和$\frac{dw}{dt}$都为0，所以电磁转矩也为0。

---

总结

① 电流反馈断开，单转速反馈：电流会迅速上升（电流环限幅失效），转速会快速上升至给定转速（转速闭环）。
② 转速反馈断开，单电流反馈：如果负载系数大，转速一直上升，当负载转矩等于电磁转矩时，转速保持恒定。如果负载系数小，转速一直上升，当母线电压全部加在电机上时，转速稳定。
③ 电机失磁：转速为0，不能起动。