雙閉環直流調速系統設計

摘要：在電氣傳動領域，直流調速系統因其寬廣的調速范圍、高精度的控制能力、出色的動態響應及易控性而被廣泛應用。為提升此類系統的控制精度與穩定性，文章依托Simulink仿真平臺開展了雙閉環直流調速系統的數字化設計探討。借助Simulink環境，文章構建并優化了數字化控制器模型，對整個調速控制系統進行了詳盡的設計與調試，旨在實現更高水準的控制性能。

關鍵詞：直流電機；直流調速；雙閉環

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

0 引言

直流電機在工業控制領域的廣泛應用，使直流調速控制器成為現代工業自動化控制系統的核心組件，其穩定性和精確性直接影響整個系統的性能表現［1-2］。盡管傳統模擬控制技術被廣泛研究，但受限于精度低、抗干擾能力弱以及調試困難等局限性［3］，目前研究已轉向數字調節器［4］。數字控制器因其調試便捷、穩定性強、可靠性高及功能豐富等優勢逐漸取代模擬控制器［5］。

Simulink作為基于MATLAB的實時仿真和硬件在環測試平臺，能夠實現模型到實時代碼的快速轉換，從而進行快速原型設計和實時控制。采用Simulink平臺對直流調速控制器進行數字化設計，不僅可以充分發揮數字控制器的優點，還能利用Simulink環境的獨特優勢來提升系統控制精度與穩定性。

本研究聚焦基于Simulink平臺的直流調速控制器數字化設計，旨在克服傳統模擬控制器的缺點，通過采用數字化控制技術提高直流電機的控制精度和性能，并降低系統成本，增強可靠性。這一方法不僅促進了直流電機控制uVkm94BcCuDtO5aPGq1scw==理論的研究進步，還可將其推廣應用于交流調速控制器、電力電子調節器等領域。

1 雙閉環直流調速系統工作原理

雙閉環直流調速系統作為一種先進的電機控制策略，在工業自動化領域中占據重要地位，它基于雙重反饋機制實現對直流電動機轉速與電流的精密調控。該系統主要由耦合運作的速度環和電流環2個部分組成。

速度閉環控制系統通過將實時檢測的電機實際轉速與預設的目標轉速相比較，采用經典的比例積分微分（Proportional Integral Differential，PID）控制算法處理誤差信號，控制器輸出作為調整電機電壓或電流的指令變量，以確保電機的實際轉速高效且準確地追蹤并逼近期望值。啟動階段，當轉速低于設定閾值時，速度調節器會驅動系統以開環方式工作，限制輸出電壓，從而促進電機在限定電流下快速啟動；隨著轉速上升，速度調節器逐步過渡至線性區，并進入閉環模式運行。

電流閉環控制著重于電機電樞電流的精確跟蹤與穩態控制，同樣運用PID算法，根據實際電流與理想電流的偏差來調整電機電壓，旨在維持恒定且可調的電磁轉矩輸出，增強系統的動態穩定性和負載適應能力。在啟動后期，當電機達到設定轉速時，電流控制器也隨之脫離飽和狀態，與速度控制器協同作用，共同保障整個雙閉環直流調速系統具有卓越的瞬態響應特性、高精度控制性能以及強抗擾動能力。

2 系統模型的搭建

雙閉環調速系統是一種具有高度精確性的直流電動機控制策略，整合了速度與電流2個獨立且相互耦合的閉環控制系統。當構建和分析該系統的仿真流程時，本文主要遵循以下步驟。

（1）在MATLAB環境中啟動Simulink軟件并創建一個新的模型實例。

（2）從Simulink庫中導入相應的模塊，包括直流電機模型、速度環控制器模型以及電流環控制器模型，這些模塊共同構成了雙閉環調速系統的主體結構。

（3）根據電機的實際規格數據，在模型中設定電機的額定電壓、額定轉速及轉矩常數等物理參數，這些數值通常可在電機的技術手冊中查得。

（4）設置速度環控制器的比例-積分-微分參數，包括比例增益、積分時間常數和微分時間常數。這些參數的選擇可通過實驗驗證或基于領域專家的經驗法則進行優化調整。

（5）設置電流環控制器設置其比例增益和積分時間常數。

（6）設計系統內部連接邏輯，將速度環控制器的輸出信號作為電流環控制器的輸入參考值，并確保電流環控制器的輸出直接作用于直流電機的控制端口，以實現通過調節電樞電流間接控制電機轉速的目的。

（7）在模型中引入一個外部輸入模塊，用于模擬期望的電機轉速指令，可以采用階躍信號或正弦信號等多種形式。

（8）執行仿真程序，觀察并分析系統對不同輸入信號及控制器參數變化下的動態響應行為。

雙閉環調速系統的仿真模型如圖1所示。電動機轉速與其接收的有效電壓之間存在緊密關聯性，其中轉速調節器（ASR）的輸入偏差電壓Δusr定義為usn與ufn之差，而ASR的輸出usi充當整個閉環系統的目標信號。電流調節器（ACR）的輸入偏差電壓遵循公式Δucr=-usi+ufi，其輸出電壓Uc則直接決定了系統的實際控制電壓。在系統運作過程中，改變控制電壓Uc會直接影響觸發器的控制角α以及最終的輸出電壓Udo，從而實現對電動機轉速的精準調控，使得電機能夠在預定范圍內靈活變換運行速度。

值得注意的是，相較于單閉環系統，雙閉環調速系統的仿真模型具有更高的精度要求和更復雜的參數配置需求，包含有ACR和ASR這2個關鍵部件，它們分別通過限幅電路Usim和Ucm來限定各自的輸出范圍。鑒于轉速是核心被控變量，故應視速度負反饋回路為外環，以確保電機轉速能夠準確跟蹤給定指令；同時，電流負反饋回路作為內環，使系統在最大允許電流下平穩過渡，達到最優轉速控制效果。在實際應用場合，必須根據具體應用條件精心校準和整定系統參數以及控制器參數，以確保系統的穩定性和高效性能。

3 仿真結果

雙閉環調速系統下電機轉速變化如圖2所示。在圖2中可以清晰地觀察到電機轉速隨時間演進的動態變化趨勢。在仿真初期階段，電機的轉速由靜止狀態（0）開始逐漸提升，并最終趨向于穩定狀態。值得注意的是，在該穩態階段，電機轉速圍繞預設的目標轉速值呈現出較小幅度的波動，且目標穩態轉速為183.225 rad/s。相較于前一版本的電流環控制系統，本系統在穩態時的轉速波動顯著減小，這一現象有力地證明了本雙閉環調速系統的控制性能優越，其對電機轉速的精確調控能力得到了顯著提升。

雙閉環調速系統下電機轉矩變化如圖3所示，可以發現電機轉矩隨著模擬進程推進而不斷增長直至達到穩定的規律性變化。在穩態條件下，電機轉矩圍繞設定的理想值發生微小振蕩，其穩態轉矩表現為0.5 N·m。對比先前的電流環控制方案，本系統在轉矩穩態波動控制上亦表現出了更優的效果，這表明其在轉矩控制精度和穩定性方面取得了改進，從而整體提升了系統的控制效能。

4 結語

基于Simulink平臺的直流調速控制器數字化設計方法憑借其卓越的控制精度、強健的穩定性、廣泛的適用性和高效的工程實現能力，為提升各類工業控制系統性能，尤其是直流電機調速系統的控制品質，提供了極具價值的解決方案。這種方法不僅革新了傳統控制設計思路，還有力推動了工業控制技術的數字化、智能化轉型。

參考文獻

［1］聶偉，陸奇志，曹陽明，等.電動力農機直流調速控制器的設計與試驗［J］.新疆農機化，2021（3）：21-24.

［2］嚴新海.四輥壓延機安川VS505直流調速控制器升級改造［J］.計算機產品與流通，2019（12）：263.

［3］祝建榮.基于591全數字直流調速裝置內置PID功能模塊實現造紙機分部傳動的負荷分配［J］.電工技術，2022（8）：20-21，25.

［4］焦鍵.雙閉環PWM可逆直流調速系統仿真設計［J］.電子技術，2022（8）：58-60.

［5］馮興田，崔曉，馬文忠，等.基于電網不平衡的三相Vienna整流器雙閉環控制策略［J］.電網技術，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