基于MATLABSIMULINK的直流电机三闭环控制系统的仿真任立鹏

基于MATLAB/SIMULINK的直流电机三闭环控制系

统的仿真

王杰，任立鹏

(天津科技大学电子信息与自动化学院，天津300222)

摘要:电机作为不可或缺的驱动设备，正在朝着更加稳定，更加快速，更加准确的方向发展。而由开环到闭环的演变，由单环到双环甚至多环的改进，使得电机在某些特殊的场合也逐渐在适应了客观规律的同时将产品的质量提升一个层次。

由原来电机双闭环控制系统增设一个外环-线速度环变更为电机三闭环控制系统，这种改变，对保障产品质量有了极大的

提高。电机三闭环控制系统无论是在启动、正常稳定运行以及在抗干扰能力方面具有优越的性能。这些优越的性能使其

能够更加适应特殊场合的特殊要求。MATLAB/SIMULINK的直流电机三闭环控制系统的仿真实验表明，三闭环控制系统具有

极其可靠的工业实用性。

关键词：直流电机；三闭环；线速度环；MATLAB仿真

中图分类号：文献标识码：

Three Closed Loop DC Motor Control System Based on MATLAB/SIMULINK Simulation

WANG Jie,REN Li-Peng

(Tianjin University of Science&Technology,Tianjin300222,China)

Abstract:Motor as an indispensable driving equipment,is toward a more stable,more quickly,more accurate direction.From the evolution of the open loop to closed-loop,from simple ring to the double loop even polycyclic improvement,make the motor in some special occasions are also gradually adapt to the objective law and at the same time a level will increase the quality of products.Product quality improvement,also benefit from the improvement of motor control method.Motor three closed loop control system has good control performance,whether in the boot process,or in the normal and stable operation,or in terms of anti-interference ability,has the stronger applicability and practicality.The motor three closed loop control system can more adapt to the special requirements of special occasions.And three close loop DC motor control system based on MATLAB/SIMULINK show has an extremely reliable industrial practicability.

Key words:DC motor;Three closed loop;Linear velocity loop;The matlab simulation

1引言

电机作为机器运转驱动设备，无疑备受人们的关注。自动化领域的学者们对电机控制系统的研究可谓是绞尽脑汁，力争在安全的条件下，优化电机的启动及运转。众所周知，电机的启动与运行，转速的控制在工业化领域都是必须认真对待解决的问题[1]。因为这不仅关系到生产产品的合格率，而且涉及到工人的人身安全。因此，电机调速系统的研究早已经被赋予极其重要的研究价值。电机调速系统的产生是在于利用励磁来控制发电机输出电压间接控制运转速度的想法并且付诸于了实践[2]。于是电机调速系统就此完成了基本雏形，但是还存在诸多问题，诸如低速情况下会出现断流的情况等等。

晶闸管的出现为电机调速系统的进一步提升寻求到了解决思路[3]。为了解决低速情况下断流的问题，全控型功率管投入使用。全控型功率管可以控制晶闸管的导通与关断。因此它的利用，不仅提高了解决了上述问题，而且还能够提高了开关频率，调速系统的响应速度得到了质的提升。不仅如此，由于晶闸管的应用，调速系统的性能、

作者简介：田志宏(1966--)，男，教授，硕士生导师。研究方向：新型电力传动系统，智能化自动化系统与装置。E-mail:zhtian@

使用的可靠性以及经济方面的实惠性都得到了极大的保障。矢量控制技术的出现以及计算机的高速发展实现了电机电压有效值的大幅度提升。随后便形成了独到的控制方法即矢量控制和直接转矩控制[4]。

伴随着计算机微型化，高速化，电机调速系统的数字化已成为当前主流发展方向。在80年代中后期，调速装置的计算机化便已经开始启动，各大公司都竞相努力开发，也就使得到目前为止，无论是技术还是运用软件都达到了较高的水平[5]。无论是直流电机还是交流电机，对双闭环的研究都有着极其丰富的成果。而针对双闭环的研究，则又可以理解为大方向研究角度的更换，也可以理解为对某个模型部分的创新。诸如，为了电机更加稳定的启动和抗干扰能力，在《基于MATLAB 的双闭环直流电机调速系统的仿真》[6]（万里光著）和《基于MATLAB/SIMULINK双闭环调速系统设计及仿真》[7]（杨怀林著）中分析出双闭环系统的各个调节器的最佳参数和控制策略，使得双闭环系统模型趋于合理与完善，不仅如此，前者还增加了对其他系统性能影响的研究。以上两个研究成果具有普遍性，是针对直流调速系统核心问题的研究。

2电机三闭环调速系统的设计

2.1线速度环调速系统

2.1.1线速度环系统的存在价值

在某些特殊的场合，电机双闭环的工业使用会受到特殊因素的限制，在造纸行业，卷纸的紧松程度，卷纸的质量；在纺织行业，涂布机是否涂色均匀。这些问题的考虑，不仅仅是一个转速量所能完全控制的，因此顺其自然的就要引入其他参考量来完善工业控制过程。因此电机三闭环控制系统的研究被赋予了极其重要的工业价值。双闭环系统的研究比比皆是，而针对三闭环的研究确实屈指可数。所谓三闭环是指转速环，电流环和线速度环。三闭环调速系统的操纵自如的运行也得益于工业计算机的使用，尤其是MATLAB软件的使用。在某些特殊的行业，需要用到卷取机，涂布机或者牵引机的场合，比如造纸行业或者纺织行业，这些场合是需要第三个环来进一步控制的。以造纸行业作为举例，在造纸行业中，卷纸的过程中，如果不能保证其线速度恒定，是无法保证卷出的卷纸是紧松一致，不留缝隙的。然而在卷制过程中，随着卷纸半径的增加，如果转速一定的情况下，线速度是增加的。而在电机双闭环调速系统中，电流调节器的作用也仅仅是在启动过程或者发生堵转的情况下运行，而它的作用也仅仅是控制跟随转速所输出的电压变化的电流，辅助转速环调节转速。而转速调节器可以实现无静差，并且减少转速误差，又或者抗干扰性能较好，但是转速环是无法控制线速度的。是以要保持线速度恒定，电机双闭环系统的存在就无法满足要求，就需要第三个环节来弥补完成这一项工作。因此线速度环是有极大的存在价值和实际意义的。

1.1.2线速度环的数学模型

线速度环是在电流双闭环的基础上建立起来的,因此在数学模型搭建中,电流环和转速环作为线速度环的外环而存在。由线速度和转速之间存在的关系设置线速度环的数学模型如下图1

所示。

图1线速度环动态结构框图

Fig.1speed dynamic structure diagram acyclic graph

图中

'

I

U为线速度环给定信号，

I

U为线速度环反馈信号,V为整个系统的扰动量。具体ALR调节器参数、调节对象函数以及反馈系数的确定都需要实际过程的仿真来完善。因此对于线速度环的设计寻求良好的仿真实例对整个过程的研究设计带来了极大的方便。

2.2电机三闭环调速系统的SIMULINK仿真

在设计线速度环调节器时，在实际生产中，运用角位移变换器来控制线速度，因此采用的是PI调节器，在电机双闭环调速系统中，电流环作为内环，转速环作为外环，而在建立线速度环时，线速度环需要作为外环来进行设计。整个动态结构框图及 …… 此处隐藏：3114字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……