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# 直流电动机双闭环调速系统的动态特性研究与仿真

I

Simulation Research on Speed Regulation System of Double Closed Loop of DC Motor
ABSTRACT
DC motor has a good effect, braking performance, appropriate for smooth speed

control in a wide range, and DC speed control system both in theory and practice more mature, is to study the basis of other control system. The DC converter using MATLAB software system for simulation of virtual environments is not only easy to use, but also greatly reduce the research costs. This paper describes the basic principle of DC motor and speed control principle, introduced the open-loop DC motor and dual-loop speed control system components and the static and dynamic characteristics, and according to the basic equation of DC motor speed control system construction established a mathematical model diagram shows the dynamic structure, designed by engineering design of DC Speed Regulation system. Finally, the simulation software MATLAB simulation model built on the speed control system was simulated. By DC Motor Speed Regulation of the dynamic characteristics and simulation, we can see clearly, double-loop DC motor speed control system has good dynamic performance, you can within a given speed, a smooth static error-free speed, which for the DC motor speed control system hardware to provide a theoretical basis for experimental Key words: Speed control of DC-drivers；Double-closed-loop；Current regulator；Speed regulator；Computer simulation

II

ABSTRACT ........................................................................................................................ II

1 绪论 ................................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 .......................................................................................................... 1 1.2 课题研究的目的和意义 .............................................................................. 2 1.3 论文的主要内容 ............................................................................................ 2 2 直流电动机调速系统................................................................................................. 4 2.1 直流电动机简介 ............................................................................................ 4 2.1.1 直流电动机的工作原理 .............................................................................. 4 2.1.2 直流电动机的运行特性 .............................................................................. 4 2.1.3 直流电动机的起动与调速 ......................................................................... 5 2.2 转速控制的要求和调速指标..................................................................... 6 2.3 开环调速系统及其存在的问题 ................................................................ 8 2.4 单闭环直流调速系统及动态校正 ........................................................... 8 2.5 双闭环直流调速系统................................................................................... 9 2.5.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 ......................................... 9 2.5.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能 ............................. 12 2.5.3 双闭环调速系统的工程设计方法 ....................................................... 14 2.5.4 双闭环调速系统的设计 ............................................................................ 19 3 直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究..................................................... 26 3.1 MATLAB 简介 .................................................................................................. 26 3.2 双闭环调速系统的仿真 ............................................................................ 28
III

3.3 仿真结果分析............................................................................................... 35 4 结 论 ............................................................................................................................. 36 致 谢 ................................................................................................................................. 37 参 考 文 献 ................................................................................................................... 38 附录 A 英文翻译—原文部分 .................................................................................... 39 附录 B 英文翻译—译文部分 .................................................................................... 41

IV

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1 绪论
1.1 课题背景

1

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 论文的主要内容

2

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3

2 直流电动机调速系统
2.1 直流电动机简介
2.1.1 直流电动机的工作原理 图 2-1 表示是一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分 (定子)上， 装设了一对用直流励磁的主磁极 N 和 S，在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。 定子与转子之间有一气隙。电枢铁心上装置了由 A 和 X 两根导体连成的电枢线 圈，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片 ,换 向片之间互相绝缘。由换向片构成的整体称为换向器，固定在转轴上。在换向 片上放置着一对固定不动的电刷 B 1 和 B 2 ，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向 片和电刷与外电路接通。

T XA ? bilD
a

4

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n ? Ea C e? ? U C e? ? Ra C e? Ia

（2-1）

5

n ? U ? IR K e?

—转速（r/min） ； U —电枢电压（Ｖ） ； I —电枢电流（Ａ） ； R —电枢回路总电阻（ ? ） ； ? —励磁磁通（Ｗb） ；
n

K e —由电机结构决定的电动势常数。

2.2 转速控制的要求和调速指标

6

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D ? n max n min

（2—2）

?nN

，与理想空载转速 n 0 之比，称作静差率 s，即
s ? ?nN n0

（2-3）

s ? ?n N n0 ? 100 %

(2-4)

s ? ?nN n 0 min ? ?nN n min ? ? n N

(2-5)

n min ? ?nN s ? ?nN ?

?1 ? s ?? n N
s

(2-6)

7

D ?

n max n min

?

nN n min

(2-7)

D ? ? n N ?1 ? s ? nN s

（2-8）

2.3 开环调速系统及其存在的问题

2.4 单闭环直流调速系统及动态校正

8

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2.5 双闭环直流调速系统
2.5.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 采用 PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转 速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载 动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系统中不能随 心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只 能在超过临界电流 I dcr 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想 地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统中，起动电流突破
I dcr

9

* 限幅作用的，转速调节器 ASR 的输出限幅电压 U im 决定了电流给定电压的最大值，电

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(2) 稳态结构框图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先会出它的稳态结构框图，如图 2-5 所示。它可以很方便地根据原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示 PI 调 节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征，一般存在两 种状况： 饱和——输出达到限幅值， 不饱和——输出未达到限幅值。 当调节器饱和时， 输出为恒值， 输入量的变化不再影响输出， 除非有反向的输入信号使调节器退出饱和； 换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。 当调节器不饱和时，PI 的作用使输入偏差电压 ? U 在稳态时总为零。

11

U n ? U n ? ? n ? ? n0
*

U i ? U i ? ?Id
*

n ? Un
*

?

? n0

（2-9）

* 此时，由于 ASR 不饱和， U i* ＜ U im ，从上述第二个关系式可知 I d ＜ I dm 。

* ② 转速调节器饱和时，ASR 输出达到限幅值 U im ，转速外环呈开环状态，转速的

Id ? U im
*

?

? I dm

（2-10）

* 负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 I dm 时，对应于转速调节器的饱和输出 U im ，

12

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(2) 动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的 动态性是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 ① 抗负载扰动 由图 2—6 可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器 ASR 来产生抗负载扰动的作用。在设计 ASR 时，应要注有较好的抗扰性能指标。 ② 抗电网电压扰动 电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。 ? U d 和 I dL 都作用在被转速负反馈环 包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性 能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地 反映到被调量 n 上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作 用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压扰动的性能要差一些。 在双闭环系统中，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。因此，在双 闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。 (3) 转速和电流两个调节器的作用 综上所述， 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可分别归纳 如下。 ① 转速调节器的作用： a 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压 U n* 变 化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。 b 对负载变化起抗扰作用。 c 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 ② 电流调节器的作用： a 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其 给定电压 U i* （即外环调节器的输出量）变化。 b 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 c 在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大值，起快速的自动保护作用。
13

K ? ?? j s ? 1 ?
j ?1 n m

W ?s ? ?

（2-11）
i

s

r

? ?T s ? 1 ?
i ?1

W ?s ? ? K s ?Ts ? 1 ?

（2-12）

?c ?
1 T

? cT ? 1
arctg ? c T ? 45
?

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a)

b) 图 2-7 典型 I 型系统

W cl ? s ? ? C ?s ? R ?s ? ?

?n
2

2 2

s ? 2 ?? n s ? ? n

（2-13）

? n —无阻尼时的自然振荡角频率，或称固有角频率；

? —阻尼比，或称衰减系数。

?n ?
K T 1 KT
? 1 2T
15

（2-14）

? ?

1 2

（2-15） （2-16）

??

n

1.0 0% ∞ ∞

0.8 1.5% 6.6T 8.3T

0.707 4.3% 4.7T 6.2T

0.6 9.5% 3.3T 4.7T

0.5 16.3% 2.4T 3.6T

76.3

69.9

65.5

59.2

51.8

0.243/T

0.367/T

0.455/T

0.596/T

0.786/T

m ? T1 T2 ? T T2
1 5

1 10

1 20

1 30

? C max Cb

? 100 %

55.5%

33.2%

18.5%

12.9%

tm T tv T

2.8 14.7

3.4 21.7

3.8 28.7

4.0 30.4

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W ?s ? ? K ?? s ? 1 ? s ?Ts ? 1 ?
2

（2-17）

1 1 T

?

? ?c ?

? ?

? ?T

? ? 180 ? 180 ? arctg ? c? ? arctg ? c T ? arctg ? c? ? arctg ? c T
? 比 T 大得越多，则系统的稳定裕度越大。

17

h ?

?
T

?

?2 ?1

（2-18）

h 是斜率为 ? 20 dB / dec 的中频段的宽度，称作“中频宽” 。参数之间的关系如下：
?2 ?c
?c ?1
h ?1 2

?

2h h ?1 h ?1 2
2

（2-19）

?

（2-20）

K ? ? 1? c ? ?

2 1

h ?1 ? 1 ? h ?1 ?? ? ? 2 2 2 2h T ? hT ?

（2-21）

tr T

r min

3 52.6% 2.40 12.15 3

4 43.6% 2.65 11.65 2

5 37.6% 2.85 9.55 2

6 33.2% 3.0 10.45 1

7 29.8% 3.1 11.30 1

ts T

k

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h
? C max tm T tv T Cb

3 72.2% 2.45 13.60

4 77.5% 2.70 10.45

5 81.2% 2.85 8.80

6 84.0% 3.00 12.95

7 86.3% 3.15 16.85

8 88.1% 3.25 19.80

9 89.6% 3.30 22.80

10 90.8 3.40 25.85

19

Un*(s)

1 + Ton s ? 1

Ui(s)
ASR

-

1 + Toi s ? 1 电流环

Uc(s)
ACR

Ks Ts s ? 1 +

Ud0(s)

E(s)

Id(s)

IdL(s)

1R Tl s ? 1

-

? Toi s ? 1
? Ton s ? 1

+

R Tm s

1 Ce

? ci ? 3
1 T m Tl

（2-22）

U i ?s ? ?
*

，则电流环便等效成单位负反馈系统，从其中可以看出两个滤波时间常数取

T ? i ? T s ? T oi

（2-23）

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? ci ?

1 3

1 T s T oi

（2-24）

(2) 电流调节器结构的选择 首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。 从稳态要求上看， 希望电流无静差， 以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。再从动态要求上看，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，以保证电流在动态过程中不超过允许值， 而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。 为此， 电流环应以跟随性能为主， 即应选用典型 I 型系统。 电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用 PI 型的 电流调节器，其传递函数可以写成
W ACR ? s ? ? K i

? is ? 1 ? is

（2-25）

K i —电流调节器的比例系数；

? i —电流调节器的超前时间常数。

? i ? Tl

（2-26）

KI ? K iK s?

? iR

（2-27）

? ci ?
1 3T s

（2-28）

② 忽略反电动势变化对电流环的动态影响
? ci ? 3
1 T m Tl

（2-29）

③ 电流环小惯性群的近似处理
? ci ?
1 3 1 T s T oi

（2-30）

(3) 电流调节器的参数计算 由（2-21）可以看出，电流调节器的参数是 K i 和 ? i ，其中 ? i 已选定，待定的只有 比例系数 K i ，可根据所需要的动态性能指标选取。在一般情况下，希望电流超调量
21

? i =5%，由表 2-2，可选 ? =0.707， K I T ? i =0.5，则
K I ? ? ci ? 1 2T? i

（2-31）

Ki ? Tl R 2 K s ? T? i ? ? Tl ? 2 K s ? ? T? i ? R ? ? ? ?

（2-32）

(4) 电流调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如图 2-10 所示。 图中 U i* 为电流给定电压， ? ? I d 为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控 制电压 U c 。
R1 U i* Ci

R0 2
Coi

R0 2
A

+ + Uc

R0 2

R0 2
Coi

Rbal

? ?I d

Ki ? Ri R0

（2-33） （2-34） （2-35）

? i ? RiC i
T oi ? 1 4 R 0 C oi

W cli ? s ? 。

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W cli ? s ? ?

I d ?s ? U
* i

?s ? / ?

?

s ?T ? i ? 1 ? 1? s ?T ? i s ? 1 ? KI

KI

?

1 T? i KI s ?
2

1 KI

（2-36）
s ?1

W cli ? s ? ? 1 1 KI s ?1

（2-37）

? cn ?
1 3 KI T? i

（2-38）

1 I d ?s ? U
* i

?s ?

?

W cli ? s ?

?

?

?
1 KI s ?1

（2-39）

T? n ? 1 KI ? T on

（2-40）

23

W ASR ? s ? ? K n

? ns ? 1 ? ns

（2-41）

Kn

—转速调节器的比例系数；

? n —转速调节器的超前时间常数。

?R
W n ?s ? ? K n ?? n s ? 1 ?

?
C e T m s ?T ? n s ? 1 ?

? ns

?

? n ? C e T m s ?T ? n s ? 1 ?
2

K n ? R ?? n s ? 1 ?

（2-42）

KN ? K n? R

? n ? C eT m
K N ?? n s ? 1 ? s ?T ? n s ? 1 ?
2

（2-43）

W n ?s ? ?

? cn ?
1 3 1 3 KI T? i KI T on

（2-44）

? cn ?

（2-45）

(3) 转速调节器的参数计算 转速调节器的参数包括 K n 和 ? n 。按照典型 II 型系统的参数关系，由式（2-17） 有
? n ? hT ? n

（2-46）

KN ? h ?1 2 h T? n
2 2

（2-47）

Kn ?

? h ? 1 ?? C e T m
2 h ? RT ? n

（2-48）

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Rn Un * Cn

R0 2

R0 2
Con R0

+ +

Ui*

R0 2

2

Rbal

? ?n

Con

Kn ? Rn R0

（2-49） （2-50） （2-51）

? n ? RnC n
T on ? 1 4 R 0 C on

25

3 直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究
3.1 MATLAB 简介
(1) MATLAB 语言 MATLAB 软件是由美国 NewMexico 大学的 C1eveMoler 博士于 1980 年开始开发的， 1984 年由 C1eveMOIer 等人创立的 Mathwork 公司正式推出了第一个商业版本。 MATLAB 是一套高性能的数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形 显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。这使它成为国际控制领域应 用最广的首选软件工具。现在 MATLAB 软件不但广泛应用于控制领域，也应用于其它 的工程和非工程领域。 在控制界， 很多著名专家和学者为其擅长的领域开发了工具箱， 而其中很多工具箱己经成为该领域的标准。 MATLAB 语言有以下特点： ① 起点高。每个变量代表一个矩阵，它可以有 n ? m 个元素，每个元素都看作是 复数，各种运算对矩阵和复数都有效。 ② 人机界面适合科技人员。MATLAB 的程序与科技人员的书写习惯相近，因此， 它易读易写，易于科技人员交流。MATLAB 是以解释方式工作的，若有错误立即做出 反应，便于编程者立即改正。这些都减轻了编程和调试的工作量。 ③ 强大而简易的作图功能。能根据输入数据自动确定坐标绘图，能绘制多种坐 标系的图形。能绘制三维曲线和曲面，如果数据齐全，通常只需要一条命令即可绘出 图形。 ④ 智能化程度高。绘图时自动选择最佳坐标以及按输入或输出自动选择算法； 数值积分时自动按精度选择步长，自动检测和显示程序错误的能力强，易于调试。 ⑤ 功能丰富，可扩展性强。MATLAB 软件包括基本部分和专业部分。基本部分包 括:矩阵的各种运算和各种变换、代数和超越方程求解、数值积分等。各领域的科技 人员在此基础上，根据本专业的知识编写出许多有用的工具箱为自己的专业服务。这 些工具箱就是专业部分。现在它们己有控制系统、信号处理、图象处理、系统辩识、 模糊控制、神经元网络、小波分析等 20 多个工具箱，并且还在继续扩展。 MATLAB 语言集计算、数据可视和程序设计于一体，并能用人们熟悉的符号表示 出来，在工程计算方面具有不可比拟的优越性，它还为图形处理提供了丰富的函数。 数学函数库中包括了大量的数学函数。因此，MATLAB 已成为世界上应用最广泛的工 程计算应用软件之一。 (2) SIMULINK 仿真工具 SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。SIMULINK 界 面为用户提供了用方框图进行建模的图形接口， 用户建模通过简单的单击和拖动就能 实现，使得建模就像用纸和笔来画画一样容易。它与传统的仿真软件包相比，具有更 直观、方便、灵活的优点。SIMULINK 允许用户定制和创建自己的模块。 用 SIMULINK 创建的模型是分层的，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结 构来查看下一级中更加详细的内容。 这种方法使得用户可以深入地理解模型的组织结 构和各部分是如何相互作用的。由于 MATLAB 和 SIMULINK 是集成在一起的，因此用户
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3.2 双闭环调速系统的仿真

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(3) 平波电抗器的参数设置 打开平波电抗器的参数设置对话框，参数设置为电感值 7e-03H，电阻值为 0，电 容值为 inf，其它参数为默认值。 (4) 直流电动机的参数设置 双击直流电机图标，打开直流电机的参数设置对话框，按计算结果设定电枢电流
Ia

、励磁电流 I f 、电磁转矩 T e 等相关参数。

(5) 同步 6 脉冲触发器的参数设置 双击模块打开参数设置对话框，将频率设为 50，步长设为 90。 (6) 转速给定模块的参数设置 双击打开模块，将给定电压设为 10V。 (7) 仿真参数的设置 按快捷键“Ctrl+E”打开仿真参数设置对话框，将 Start time 设为 0， Stop time 设为 2，仿真算法选变步长解法中的“ode23tb” 。 参数设置完后，我们分别在不同负载下研究仿真波形。 在空载（0N.m） 、任意负载（50N.m） 、额定负载（171.4N.m）下运行仿真系统， 分别作出转速和电枢电流的仿真波形。波形图见 3—2 和 3—3。
1800 1600 1400
T L=0

1200

T L=50N.m T L=171.4N.m

1000 800 600 400 200 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

29

800 700 600 500

400 300
T L=171.4N.m T L=0N.m

200 100 0 -100

T L=50N.m

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

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1800 1600 1400
T L=0N.m

1200

T L=171.4N.m

T L=50N.m

1000 800 600 400 200 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

31

300

250
T L=171.4N.m

200

150
T L=50N.m

100
T L=0

50

0

-50

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

1800 1600 1400 1200

1000 800 600 400 200 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

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700 600 500 400

300 200 100 0 -100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

1800 1600 1400 1200

1000

800 600 400 200 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

33

800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

1600 1400 1200 1000

800 600 400 200 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

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800 700 600 500

400

300 200 100 0 -100

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2 时 间 t(s)

1.4

1.6

1.8

2

3.3 仿真结果分析

35

4 结 论

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1. INTRODUCTION Electric Drive Technology Development 1.1 Current Situation 30 Over the years, the DC motor drive has undergone significant changes. First of all, replacing a rectifier, thyristor rectifier device to replace the conventional long-standing group of DC motors and generators of mercury rectifier DC electric drive device to complete a big leap forward. At the same time, control circuit has achieved a high level of integration and miniaturization, high reliability and low cost. More than technology, so that DC Speed Control System increase performance, expanding the scope of application. DC drive technology development to mature, and perfect, serialization, standardization, in the reversible PWM, high-precision field of electrical transmission is still hard to replace. 1.2 Computer control and status of the development of motor Relatively simple computer control of the motor, as long as the use of microcomputer control relay or electronic switching elements so that the circuit open or off it. In a variety of machine tool equipment and production lines, the now commonly used with the programmable computer controller, in accordance with the laws of certain types of motor control action. For the complex motor control, then use computer control motor voltage, current, torque, speed, angle, etc., so that motor in accordance with the instructions given accurate work. Through computer control, motor performance could greatly improve. 2 Speed and current dual closed-loop speed control system of the two regulator cascade connection for the outer speed feedback loop, current loop for the inner ring. The speed regulator output current is given, the output amplitude is limited to the maximum current value. Adjust the limit of small amplitude or current-feedback coefficient can be adjusted easily to change the maximum current. In effect, the braking process, the speed regulator quickly into saturation, the output amplitude limit for the current loop to provide a maximum current setting, the current regulator for the PI regulator, in its regulatory role under the current remained at the maximum when the system is in fact a constant-current-conditioning system. Since the current loop so that the regulating role of the system, the braking current transition process in the best form of transition closer to the ideal waveform. When the speed overshoot, the speed regulator out of saturation, on speed play a major regulatory role, to become current with the current loop control system. Current feedback loop allows the system to enhance the anti-interference ability, role in the current loop to the channel on the role of all the disturbances, such as disturbances such as voltage, current loop by regulating the timely inhibited, so that speed is not affected or less affected by disturbances. Current speed of the inner ring also played in the transformation of the target structure and regulation of the role of parameters to accelerate the speed of adjustment in response to the process of ring. In characteristics, the speed of the adjustment ring to ensure the system
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without static error, the role of current loop system with better sag characteristics of an excavator. 4 System Simulation MathWorks Inc. MATLAB is introduced in 1984 a set of numerical simulation software, is divided into the total package and a number of kits, you can achieve the numerical analysisDifferent branch of mathematics it to function in the form of algorithms classified as libraries, the use of direct calls to these functions and give the actual parameters of the problem can be solved quickly and accurately. that is, to a series of connecting module, a complex model of the system. In recent years, was the rise of the Simulink has become a field of academic and industrial Building, simulation and analysis of dynamic systems on the most widely used software package, it supports linear and non-linear systems, could create a continuous time, discrete-time system or a mixture of the two models. System is also able to multi-sampling frequency (Multirate), which is different in different systems can combine the sampling frequency. Simulink of MATLAB as an additional component, a system used to provide most of the work of modeling and simulation platform. Simulink is a way of modules allow users to quickly and accurately to create computer models of dynamic systems, especially for complex non-linear, and its effect more visible. Simulink model can be used to simulate the linear or nonlinear, or both continuous or discrete hybrid systems, which means it can be used to simulate almost all of the dynamic system can be encountered. In addition, Simulink provides a graphical animation approach so that users can easily observe the whole process of simulation. 5 H bridge PWM DC-reversible speed control system and results of the simulation analysis

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? ? ? 1.引言 1.1 电气传动技术发展现状 三十多年来， 直流电机传动经历了重大的变革。 首先实现了整流器的更新换代， 以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使 直流电气传动完成一次大的跃进。 同时， 控制电路已经实现高集成化、 小型化、 高可靠性及低成本。以上技术应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应 用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标 准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。 1.2 微机控制电机的发展和现状 比较简单的电机微机控制， 只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通 或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的 可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制,则 要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指 令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。 2 单闭环控制直流脉宽调速系统 本章主要讨论单闭环直流调速系统。 由于开环控制的直流调速系统静态转速降 较大，不能满足调速指标的要求，因此需采用转速负反馈或电压负反馈组成闭 环调速系统。但是单闭环系统并不能满足本课题调速系统的要求。 3 微机控制双闭环可逆调速直流 PWM 调速系统原理设计 转速、电流双闭环调速系统的两个调节器串级连接，转速反馈环为外环，电 流环为内环。速度调节器的输出即为电流给定，其输出限幅值即为最大电流给 定值。调整限幅值的小或调整电流反馈系数就可方便地改变最大电流。在起、 制动过程中，速度调节器很快入饱和，输出限幅值为电流环提供了最大电流给 定，电流调节器为 PI 调节器，在它的调节作用下使电流保持在最大值，这时 系统实际上为一个恒值电流调节系统。由于电流环的调节作用使系统的起、制 动过渡过程中电流的波形接近于理想的最佳过渡波形。当转速超调后，速度调 节器退出饱和，对转速起主要调节作用，电流环成为电流随动系统。 电流反馈环使得系统的抗干扰能力增强， 作用在电流环前向通道上的一切扰动 作用，如电网电压扰动等，受到电流环的及时调节所抑制，使转速不受或少受 扰动的影响。电流内环还起到改造转速外环中调节对象结构及参数的作用，加 快了转速环的调节响应过程。 在特性上， 转速环的调节作用保证了系统无静差， 电流环的作用使系统具有较理想的挖土机下垂特性。 4 系统仿真 MATLAB 是由 MathWorks 公司 1984 年推出的一套数值计算软件，分为总包和若 干个工具箱，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值、自动控制、 信号处理、图像处理等各个领域的计算和图形显示功能。它将不同数学分支的 算法以函数的形式分类成库， 使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以 解决问题，快速而且准确。 Simulink 是 MathWorks 公司于 1990 年推出的产品，是用于 MATLAB 下建立系 统框图和仿真的环境。从名字上看，立即就能看出该程序有两层含义，首先， “ Simu‘’一词表明它可以用于计算机仿真，而“Link”一词表明它能进行
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128 《 机床与液压 》 2005 N o 2 直流电机双闭环调速系统仿真研究张传伟, ...图 得理想的堵转特性, 动态上保持电动机电枢电流的不 超调, 保证系统的跟随性...

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# 128# 5机床与液压 6 20051No12 直流电机双闭环调速系统仿真研究张传伟, ...图 得理想的堵转特性, 动态上保持电动机电枢电流的不 超调, 保证系统的跟随性...