汤仁彪

(江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405)

基于PSIM的双闭环直流调速系统的仿真

汤仁彪

(江阴职业技术学院，江苏 江阴 214405)

文章利用PSIM软件中的元件对直流电动机双闭环调速系统进行了仿真，获得了反映系统动态性能的曲线，并对仿真结果进行了比较分析。结果表明，应用PSIM进行系统仿真具有方便、高效、可靠性高等优点。

PSIM;仿真;直流电动机;双闭环

0 引言

在直流电动机的调速系统中，为了在充分利用电动机的过载能力下获得最快的动态响应、尽量缩短过渡过程的时间，常采用速度和电流2个调节器进行综合调节的双闭环直流调速系统(简称双闭环调速系统)。由于要对系统的转速和电流的响应曲线精确绘制非常困难，因此对系统特性的分析和理解带来了不便。现代计算机仿真技术为电力电子电路和电机系统的分析提供了崭新的途径，可以使复杂的电机驱动控制系统的分析和设计变得更加简单有效，目前在电机仿真中MATLAB/Simjulink[1-2]应用较为广泛。本文通过利用PSIM软件对一个直流电动机双闭环调速系统的实例进行仿真分析表明，它在保证高精度下仿真更加快速，且有着友好的用户界面，为电力电子分析、数字控制和电动机驱动系统的研究提供了强大的仿真环境。

1 转速、电流双闭环调速系统的组成[3]

双闭环直流调速系统的主电路主要由交流电源、同步脉冲发生器、晶闸管整流装置、平波电抗器和直流电动机等构成，其控制电路由给定电路、速度调节器ASR、电流调节器ACR、限幅环节、反相器、电流负反馈环节及速度负反馈环节等组成。为了使转速负反馈和电流负反馈能够不互相干扰地对系统分别起到调节作用，因此在系统中设置了2个调节器来分别调节转速和电流。2个调节器之间采用串级联接，即电流调节器的输入为转速调节器的输出，再用电流调节器的输出控制晶闸管的触发电路，其原理框图如图1所示。图1中ASR是转速调节器，ACR是电流调节器，从系统闭环结构上分析得到:电流调节环是在里面，构成了电流反馈内环，而转速调节环在外面，组成了转速反馈外环，由此就构成了直流电动机的转速、电流双闭环调速系统。为了使系统具有良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器[4]。

图1 双闭环直流调速系统原理图

2 实例仿真

PSIM仿真软件包括电路示意性的程序PSIM、PSIM仿真器和波形形成过程项目SIMVIEW。一个电路在PSIM里表现为4个部分:电力电路，控制电路，传感器和开关控制器。

使用PSIM进行系统仿真与控制时，可根据所掌握的主电路、电子元件、控制方法等知识直接进行设计，在相应的元件库中把需要的元件拖放到原理图窗口中，把各个元件按照连接关系搭成仿真模型，再对各个元件参数设置就可以进行仿真，仿真结束后软件自动运行SIMVIEW，在SIMVIEW中选择需要的变量来观测波形。

设某直流电动机的铭牌参数如下:Un=220 V，In=16 A，nN=1 650 r/min，电枢电阻 Ra=1.5 Ω，飞轮惯量为GD2=22.5 N·m2，励磁电压Uf=220 V，励磁电流If=1.5 A。采用三相桥式全控整流电路，整流器内阻Rrec=0.6 Ω，平波电抗器Lp=200 mH。根据已知的数据计算参数设置时需要的电枢电感La、励磁电阻Rf、电枢绕组合励磁绕组互感Laf、电动机转动惯量J，额定负载转矩TL，计算如下[5]:

整流变压器二次侧额定相电压的有效值，即供电电源电压:

电动机励磁电阻为:

励磁电感在恒定磁场控制时可取0，电枢电感由估算如下:其中，C为补偿系数，无补偿时C=0.1，有补偿时 C=0.4。

电枢绕组合励磁绕组互感Laf的计算步骤如下:

电动势系数Ce为:

转矩系数Cm为:

电枢绕组合励磁绕组互感Laf为:

电动机转动惯量J为:

额定负载转矩TL为:

电流反馈系数β为:

转速反馈系数α为:

2.1 直流调速系统的启动仿真

在PSIM原理图窗口中创建系统仿真模型，如图2所示。选取电源模块库中的阶跃信号作为给定信号，以速度传感器和电流传感器来测量系统的速度和电机电枢电流进行反馈，在各反馈支路上加上电压探针来获得速度与电枢电流的响应曲线[6-7]。在模型窗口中设置好各元件模块的参数和特性，电机负载转矩为额定负载，仿真时间为25 s，点击PSIM 菜单simulate下的run simulation对整个系统进行仿真，仿真结束后在SIMVIEW中选择电机转速和电流变量，得到的电动机转速和电流的阶跃响应曲线如图3所示。

图2 双闭环直流调速系统仿真模型

图3 双闭环调速系统额定负载启动时转速与电枢电流仿真波形

对双闭环直流调速系统理论分析可以得到启动过程分为以下阶段:

第一阶段，电流上升阶段。系统开始时突加给定电压，使得转速调节器的输入很大，其输出也就很快达到了限幅值，电流调节器的作用使电流上升很快，接近其最大值。

第二阶段，这一阶段由于转速调节器的饱和，转速环工作在开环状态，系统相当于是在恒值电流给定作用下的电流单闭环系统，因此电流基本保持不变，系统加速度恒定，转速线性增长。

第三阶段，此时转速已达到给定值，即系统的给定电压与反馈电压相等，转速调节器输入为0，但由于调节器中积分环节的作用，其输出较大，所以转速出现超调。转速超调之后，转速调节器输入端出现负偏差电压，也就使其退出饱和状态，进入线性调节阶段，使系统速度保持恒定。从仿真结果可以看出，实际仿真结果与理论分析的波形非常接近。

2.2 直流调速系统的抗负载扰动能力的仿真

在实际工作中，系统中的负载有可能发生变化，那么系统的抗负载扰动能力可以通过仿真加以研究。用一个阶跃环节控制的负载转矩来表示负载扰动，得到如图4所示的仿真框图。设负载扰动的阶跃时间为15 s，初值为10 N·m，终止值为额定负载18 N·m，即表示负载在t=15 s时由10 N·m加至18 N·m，仿真结果如图5所示。可见，在给定的PI控制器的控制下，即使负载有较大的变化，电流环能够快速地调节电机电枢电流，系统转速仍能快速回复到额定转速，系统抗负载扰动的效果非常理想。

图4 负载变化的双环直流电动机控制仿真框图

图5 负载突变时转速与电枢电流仿真波形

2.3 直流调速系统的抗电网电压能力的仿真

在双闭环直流调速系统中，由于电网电压的扰动是在电流闭环内部，所以如果电压出现波动，系统就可以由电流反馈环节得到及时调节，不必等到电动机的转速有影响后系统才进行调节。设系统带额定负载，在t=20 s时，由于电网电压的波动，直流侧出现了幅值+20 V，周期10 s、持续时间为5 s的电压波动，仿真结果如图6所示。

分析仿真曲线得到结论:在电网出现波动时，电流能够快速地调节，从而维持转速的稳定。仿真结果很好地验证了之前的理论分析。

图6 电网电压波动时转速与电枢电流仿真波形

3 结语

本文基于PSIM软件进行了双闭环直流调速系统的启动、负载扰动与电网电压波动的仿真与分析，结果表明，PSIM软件拥有友好的图形用户界面，在保证精度的前提下对电力电子与电机驱动系统拥有更快的仿真速度，可广泛应用于教学及工程设计中。

[1]李琳.基于MATLAB的直流电动机双闭环调速系统的仿真研究[J].自动化技术与应用，2007，26(11):73-74.

[2]王正林.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京:电子工业出版社，2005.

[3]唐永哲.电力传动自动控制系统[M].西安:西安电子科技大学出版社，1998.

[4]范正翘.电力传动与自动控制系统[M].北京:北京航天航空大学出版社，2003.

[5]李传琦.电力电子技术计算机仿真实验[M].北京:电子工业出版社，2006.

[6]祖珍君，张志文，周腊吾.基于PSIM 仿真的有源滤波器控制方式研究[J].计算机仿真2008(9):245-248.

[7]李林泉，解仑，王志良，等.基于PSIM 双馈电机交-交变频矢量控制系统的仿真研究[J].冶金设备，2007(6):1-5.

PSIM-based Dual-loop DC Motor Control System Simulation

TANG Ren-biao

(Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214405)

This paper adopts the component software PSIM to simulate Speed Regulation of DC system and obtains the curve reflecting the dynamic performance of the system.The results are compared and analyzed，which shows that the systematic application of PSIM simulation is of convenience，efficiency and high reliability.

PSIM;simulation;DC motor;dual-loop

TP276

A

1671-0436(2011)03/04-0012-04

2011-06-30

汤仁彪(1976— )，男，讲师。

责任编辑:张秀兰