双闭环直流调速系统设计

摘要：在电气传动领域，直流调速系统因其宽广的调速范围、高精度的控制能力、出色的动态响应及易控性而被广泛应用。为提升此类系统的控制精度与稳定性，文章依托Simulink仿真平台开展了双闭环直流调速系统的数字化设计探讨。借助Simulink环境，文章构建并优化了数字化控制器模型，对整个调速控制系统进行了详尽的设计与调试，旨在实现更高水准的控制性能。

关键词：直流电机；直流调速；双闭环

中图分类号：TP391文献标志码：A

0 引言

直流电机在工业控制领域的广泛应用，使直流调速控制器成为现代工业自动化控制系统的核心组件，其稳定性和精确性直接影响整个系统的性能表现［1-2］。尽管传统模拟控制技术被广泛研究，但受限于精度低、抗干扰能力弱以及调试困难等局限性［3］，目前研究已转向数字调节器［4］。数字控制器因其调试便捷、稳定性强、可靠性高及功能丰富等优势逐渐取代模拟控制器［5］。

Simulink作为基于MATLAB的实时仿真和硬件在环测试平台，能够实现模型到实时代码的快速转换，从而进行快速原型设计和实时控制。采用Simulink平台对直流调速控制器进行数字化设计，不仅可以充分发挥数字控制器的优点，还能利用Simulink环境的独特优势来提升系统控制精度与稳定性。

本研究聚焦基于Simulink平台的直流调速控制器数字化设计，旨在克服传统模拟控制器的缺点，通过采用数字化控制技术提高直流电机的控制精度和性能，并降低系统成本，增强可靠性。这一方法不仅促进了直流电机控制uVkm94BcCuDtO5aPGq1scw==理论的研究进步，还可将其推广应用于交流调速控制器、电力电子调节器等领域。

1 双闭环直流调速系统工作原理

双闭环直流调速系统作为一种先进的电机控制策略，在工业自动化领域中占据重要地位，它基于双重反馈机制实现对直流电动机转速与电流的精密调控。该系统主要由耦合运作的速度环和电流环2个部分组成。

速度闭环控制系统通过将实时检测的电机实际转速与预设的目标转速相比较，采用经典的比例积分微分（Proportional Integral Differential，PID）控制算法处理误差信号，控制器输出作为调整电机电压或电流的指令变量，以确保电机的实际转速高效且准确地追踪并逼近期望值。启动阶段，当转速低于设定阈值时，速度调节器会驱动系统以开环方式工作，限制输出电压，从而促进电机在限定电流下快速启动；随着转速上升，速度调节器逐步过渡至线性区，并进入闭环模式运行。

电流闭环控制着重于电机电枢电流的精确跟踪与稳态控制，同样运用PID算法，根据实际电流与理想电流的偏差来调整电机电压，旨在维持恒定且可调的电磁转矩输出，增强系统的动态稳定性和负载适应能力。在启动后期，当电机达到设定转速时，电流控制器也随之脱离饱和状态，与速度控制器协同作用，共同保障整个双闭环直流调速系统具有卓越的瞬态响应特性、高精度控制性能以及强抗扰动能力。

2 系统模型的搭建

双闭环调速系统是一种具有高度精确性的直流电动机控制策略，整合了速度与电流2个独立且相互耦合的闭环控制系统。当构建和分析该系统的仿真流程时，本文主要遵循以下步骤。

（1）在MATLAB环境中启动Simulink软件并创建一个新的模型实例。

（2）从Simulink库中导入相应的模块，包括直流电机模型、速度环控制器模型以及电流环控制器模型，这些模块共同构成了双闭环调速系统的主体结构。

（3）根据电机的实际规格数据，在模型中设定电机的额定电压、额定转速及转矩常数等物理参数，这些数值通常可在电机的技术手册中查得。

（4）设置速度环控制器的比例-积分-微分参数，包括比例增益、积分时间常数和微分时间常数。这些参数的选择可通过实验验证或基于领域专家的经验法则进行优化调整。

（5）设置电流环控制器设置其比例增益和积分时间常数。

（6）设计系统内部连接逻辑，将速度环控制器的输出信号作为电流环控制器的输入参考值，并确保电流环控制器的输出直接作用于直流电机的控制端口，以实现通过调节电枢电流间接控制电机转速的目的。

（7）在模型中引入一个外部输入模块，用于模拟期望的电机转速指令，可以采用阶跃信号或正弦信号等多种形式。

（8）执行仿真程序，观察并分析系统对不同输入信号及控制器参数变化下的动态响应行为。

双闭环调速系统的仿真模型如图1所示。电动机转速与其接收的有效电压之间存在紧密关联性，其中转速调节器（ASR）的输入偏差电压Δusr定义为usn与ufn之差，而ASR的输出usi充当整个闭环系统的目标信号。电流调节器（ACR）的输入偏差电压遵循公式Δucr=-usi+ufi，其输出电压Uc则直接决定了系统的实际控制电压。在系统运作过程中，改变控制电压Uc会直接影响触发器的控制角α以及最终的输出电压Udo，从而实现对电动机转速的精准调控，使得电机能够在预定范围内灵活变换运行速度。

值得注意的是，相较于单闭环系统，双闭环调速系统的仿真模型具有更高的精度要求和更复杂的参数配置需求，包含有ACR和ASR这2个关键部件，它们分别通过限幅电路Usim和Ucm来限定各自的输出范围。鉴于转速是核心被控变量，故应视速度负反馈回路为外环，以确保电机转速能够准确跟踪给定指令；同时，电流负反馈回路作为内环，使系统在最大允许电流下平稳过渡，达到最优转速控制效果。在实际应用场合，必须根据具体应用条件精心校准和整定系统参数以及控制器参数，以确保系统的稳定性和高效性能。

3 仿真结果

双闭环调速系统下电机转速变化如图2所示。在图2中可以清晰地观察到电机转速随时间演进的动态变化趋势。在仿真初期阶段，电机的转速由静止状态（0）开始逐渐提升，并最终趋向于稳定状态。值得注意的是，在该稳态阶段，电机转速围绕预设的目标转速值呈现出较小幅度的波动，且目标稳态转速为183.225 rad/s。相较于前一版本的电流环控制系统，本系统在稳态时的转速波动显著减小，这一现象有力地证明了本双闭环调速系统的控制性能优越，其对电机转速的精确调控能力得到了显著提升。

双闭环调速系统下电机转矩变化如图3所示，可以发现电机转矩随着模拟进程推进而不断增长直至达到稳定的规律性变化。在稳态条件下，电机转矩围绕设定的理想值发生微小振荡，其稳态转矩表现为0.5 N·m。对比先前的电流环控制方案，本系统在转矩稳态波动控制上亦表现出了更优的效果，这表明其在转矩控制精度和稳定性方面取得了改进，从而整体提升了系统的控制效能。

4 结语

基于Simulink平台的直流调速控制器数字化设计方法凭借其卓越的控制精度、强健的稳定性、广泛的适用性和高效的工程实现能力，为提升各类工业控制系统性能，尤其是直流电机调速系统的控制品质，提供了极具价值的解决方案。这种方法不仅革新了传统控制设计思路，还有力推动了工业控制技术的数字化、智能化转型。

参考文献

［1］聂伟，陆奇志，曹阳明，等.电动力农机直流调速控制器的设计与试验［J］.新疆农机化，2021（3）：21-24.

［2］严新海.四辊压延机安川VS505直流调速控制器升级改造［J］.计算机产品与流通，2019（12）：263.

［3］祝建荣.基于591全数字直流调速装置内置PID功能模块实现造纸机分部传动的负荷分配［J］.电工技术，2022（8）：20-21，25.

［4］焦键.双闭环PWM可逆直流调速系统仿真设计［J］.电子技术，2022（8）：58-60.

［5］冯兴田，崔晓，马文忠，等.基于电网不平衡的三相Vienna整流器双闭环控制策略［J］.电网技术，2021（5）：1976-1984.

Design of dual-closed loop DC speed control system

Abstract：In the field of electrical drives， DC speed control systems are widely employed due to their extensive speed range， high precision control capabilities， excellent dynamic response， and easy controllability. To enhance the control precision and stability of such systems， this study leverages the Simulink simulation platform to explore the digital design of a dual-closed loop DC speed control system. Utilizing the Simulink environment， a digital controller model is constructed and optimized， with a comprehensive design and debugging process carried out for the entire speed control system， aiming at achieving a higher level of control performance.

Key words： DC motor; DC speed control; dual closed-loop