直流电机PWM双闭环调速系统的控制策略优化与仿真
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摘 要 本文经过对仿真模型的讨论，采用H型主电路和直流PWM-M双闭环可逆调速控制策略对直流电机调速。运用MATLAB/Simulink搭建仿真，仿真结果显示良好的动态与静态性能，且有效抑制过流，为直流电机控制系统分析和设计提供了有效途径。
关键词 直流电动机调速 MATLAB/Simulink 电力拖动自动控制系统
中图分类号：TM921.5 文献标识码：A
直流调速系统调速范围广、稳定性好、过载能力大，具有良好的稳态、动态性能，在高性能的拖动技术领域中，可以克服交流调速的诸多缺点，例如变频必须变压、变频变压调速的两个非线性关系的问题等，直流电机调压调速，不改变电机负载的性质，并且速度与电压线性相关，较之交流调速，有更广泛的应用价值。为充分利用电动机的过载能力加快启动进程，在单闭环系统基础上，专门加入电流调节器，构成转速-电流双闭环调速系统。实现在最大电枢电流约束下的转速最快过渡过程。由于双闭环调速系统调速范围广、精度高、动态性能好、易于调节与控制的优点，在工业生产过程及电气传动领域中得到广泛应用。
1双闭环调速系统的设计与仿真
为了优化单闭环系统的调速过渡过程，同时克服几个信号综合在一个调节器输入端的不便，将被控量电机转速与电流分别加以控制，形成转速――电流双闭环调速系统。
1.1双闭环调速系统的结构
双闭环调速系统采用转速――电流双闭环控制，其中电流调节环为系统的内环，速度调节环为外环。将电动机监测速度与给定速度相比较，其偏差经PI调节形成电流参考值，再与实际电流相比较，经pwm调制得到占空比可调的调制波，从而调整电机电枢两端的平均电压，改变直流电动机的转速。实现转速负反馈与电流负反馈双重控制。
假设电机补偿良好，忽略电枢反应、涡流效应和磁滞，并假定励磁电流恒定，整理得到电流与电压以及电动势与电流之间的传递函数分别为：
=
=
式中：T1=L/R为电枢回路的电磁时间常数（s）；IdL=TL/Cm为负载电流（A）；Tm为电流拖动系统的机电时间常数（s）。考虑n=E/Ce，可得直流电动机的动态结构。
1.2 PI调节器设计
在电机控制模块中，加入微分环节会抑制系统的变化影响变化速率，所以本文中并没有加入微分环节。
计算转速环（ASR）与电流环（ACR）的闭环传递函数及开环传递函数后，均采用PI算法，使转速调节器ASR输入无偏差，实现转速无静差。
1.3双闭环控制系统的仿真
采用H型主电路和直流PWM-M双闭环可逆调速模块，直流PWM-M 调速系统在变流主电路上，采用了脉宽调制方式，转速和电流的控制和晶闸管直流调速系统类似。本文中为双极式H型PWM变换器，H型变流器调用了多功能桥，设为二相桥臂、以IGBT为开关器件。驱动信号发生电路中输入脉宽调制信号，输出四路IGBT的驱动信号。IGBT模块模拟控制的BJT或IGBT的栅极电流，由Simulink信号开关控制。直流电动机使用的预设模式（5HP240V1750RPM），它模拟一个负载转矩与转速的平方成正比的负载。
在主电路模型中控制信号通过互动开关与PWM 分支电路模块连接，因此双击开关就可以控制电动机正转或反转。转速、电流双闭环控制，串连转速调节器ASR 和电流调节器ACR ，ASR 和ACR 都采用带输出限幅的PI 调节器。
电机沿正方向启动，占空比为75%（平均直流电压180V）；在2s时电枢电压突然逆转，电机运行沿逆方向，得到系统从正转起动至反转运行过程中转速和电枢电流对转速给定的响应波形。在转速达到额定值2400r/min 后，电流下降为4A左右，正转制动和反转起动约用时1.5s，达到稳定状态。