本科毕业论文---数字双闭环直流电机控制系统设计生毕设论文.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文

哈 尔 滨 理 工 大 学

毕 业 设 计

题 目：数字化双闭环直流电机调速系统设计
院、 系：
姓 名：
指导教师：
系 主 任：

年 月 日

数字化双闭环直流电机调速系统设计
摘 要
直流调速系统是交流调速系统的基础，虽然交流调速系统在现今发展迅猛，但是直流调速系统凭借着控制特性良好的优点仍然是电机调速系统的最主要方式。为了消掉干扰，直流调速系统采用了闭环系统，而在很多种闭环系统中，双闭环调速系统有着很多独特的优点：可以实现稳态无静差、良好的静动态性能被广泛使用。为了方便，直流调速系统运用数字化控制，数字化控制凭借着体积小、实现方便的优点被广泛应用。以单片机为控制核心的直流调速系统是最准确、最方便、最快速的控制方法。
本文是以直流电机调速系统基本理论的铺垫下对双闭环直流调速系统中的转速调节器、电流调节器均运用了PI控制，可以实现稳定无静差，超调量小等优点，而后运用工程设计方法来较好的讲解转速、电流双闭环调速系统的两个调节器的设计问题，通过Matlab仿真软件来直观的反应转速、电流的工作结果，最后再加上以AT89C51单片机为控制核心，使得系统实现了数字化双闭环直流调速系统。

关键词 直流电动机；调速；PI 控制；双闭环；

43
Design of Digital Double Closed-loop DC Generator Speed Regulation System
Abstract
DC speed regulating system is AC speed regulation system based, although AC speed regulation system in today's rapid development, but DC speed control system with the advantages of good control characteristic is still the main way of motor speed control system. In order to eliminate the interference, DC speed control system using the closed-loop system, and in a closed-loop system, double closed loop speed regulation system has a many unique advantages: can realize stable without static error, good static dynamic performance is widely used. In order to facilitate, DC speed control system of digital control, digital control with small size, the advantages of easy to achieve widely applications. the microcontroller as the core of the DC speed control system is the most accurate, the most convenient, the fastest control method.
This paper is to pave the way of basic theory of DC motor speed control system of double closed loop DC speed control system of speed regulator and current regulator are using PI control, stability can be achieved without static error and overshoot the advantages of small volume, then the use of engineering design method to better explain speed and current double closed loop speed regulation system of two adjusting design problem, by MATLAB simulation software to intuitive response speed and current work results, finally coupled with AT89C51 single-chip microcomputer as the control core, which makes the system realizes the digital double closed loop DC speed control system.
Keywords DC motor; Speed regulation; PI control; Double-closed-loop;

目 录
摘 要 I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 直流调速系统在国内外发展现状 2
1.2.1 国内的发展现状 2
1.2.2 国外的发展现状 2
1.3 本文主要研究内容 2
第2章 双闭环调速系统理论和数学模型 3
2.1 直流调速系统的控制方法的选择 3
2.2 调速系统的静动态性能指标 4
2.2.1 调速系统的稳态性能指标 4
2.2.2 调速系统的动态性能指标 6
2.3 直流调速系统工作原理 8
2.4 双闭环直流调速系统的稳态结构图和动态数学模型 9
2.4.1 调速系统的稳态结构图 9
2.4.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型 10
2.5 本章小结 11
第3章 双闭环直流调速系统的工程设计 12
3.1 双闭环直流调速系统参数的选择 12
3.2 双闭环直流调速系统的工程设计方法 12
3.3 本章小结 14
第4章 用Matlab仿真双闭环直流调速系统 15
4.1 系统的建模和参数设置 15
4.2 电流环的系统仿真 15
4.2.1 电流环的仿真模型 15
4.2.2 电流环的仿真结果曲线 16
4.2.3 电流环的仿真结果分析 17
4.3 转速环（双闭环）的系统仿真 17
4.3.1 转速环（双闭环）仿真模型 17
4.3.2 转速环（双闭环）的仿真结果 18
4.3.3 转速环(双闭环)的仿真结果分析 19
4.4 本章小结 19
第5章 数字化双闭环直流调速系统 20
5.1 总体设计方案 20
5.2 单片机AT89C51的工作原理 20
5.3 模数转换器ADC0809的工作原理 22
5.4 可编程定时/计数器Intel8253的工作原理 24
5.5 本章小结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录 31

第1章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
对于平滑调速范围较广、起制动性能较好的直流电动机来说，在各个方面中都被认可，并且应用范围较广。其在1970年以后被大众认可。直流调速能够精确控制电枢电流和励磁电流是因为电枢和励磁不是耦合的;直流调速有很多优点，例如：直流调速的抗干扰能力特别强、调速范围特别广、动态响应快速等。通过学习《运动控制系统》，我们知道单闭环直流电机调速系统采用转速负反馈和PI调节器可以达到转速无静差，但是必须保证系统是在稳定运行的条件。如果想要得到电流为最大值的恒流系统，而且要实现在很短的时间内快速启动，可以按照反馈系统的控制规律，选取电流负反馈就能收获恒定的电流。因此希望输入端只有电流负反馈作用，转速负反馈不作用。因此转速调节器和电流调节器不能同时加到一个调节器的输入端，当转速达到稳定转速时，我们希望只需要转速负反馈起作用，电流负反馈不发挥作用，因此我们采用双闭环直流电机调速系统[1]。
直流电机调速系统是交流调速系统的最基本知识，是交流的基础。故直流电机调速系统的衡量在某一特定的层面内能平滑调节速度而且有特别好的功能特性，包括静态特性、动态特性。后来数字化直流电机调速系统的出现使得直流调速系统应用越来越广。
首先在直流调速系统的初期，模拟电子器件被作为控制回路，如晶体管等，尽管也满足了要求，然而模拟电子器件在使用中易老化、通用性变差，控制系统效果较差，使控制性能普遍偏低。
其次微电子技术、微处理器的出现使得电机调速系统从连续调速系统中的模拟量到离散调速系统的数字量转化，不但提高了本身的运算速度，而且也使系统直观清晰。
最后由于运动控制系统的主要是以实现实现数字化和智能化为主，故经过时间的洗礼，数字化直流电机调速系统被大量的使用在各个领域。而在各个数字化调速系统中，以计算机为基础的控制使得制作成本特别低，结构也非常简单。由于计算机性价比较高、可靠性较好，因此在很多领域得到了大量的应用。再加上计算机的操作和维护都非常方便快捷，使得数字化双闭环直流调速系统在工程上的应用又上了一个台阶。而在计算机控制双闭环调速系统中，以单片机控制的应用最为方便、准确，因此受到各个公司的极力青睐！
1.2 直流调速系统在国内外发展现状
1.2.1 国内的发展现状
1970年以后，主要以晶闸管直流调速系统为主，因为晶闸管调速效率高、噪声小和响应快。咱们知晓双闭环直流调速系统一般由主电路（晶闸管可控整流电路），控制电路（移相电路和转速、电流双闭环直流电机调速电路），以及保护电路（缺相和过流保护电路）等组成，当给定的直流电压为10V以内的时候，可进行平滑调速，然后采用PI调节器达到既放大倍数又达到稳态无静差的效果[2]。虽然交流电机调速系统发展速度很快，技术也越来越成熟，然而直流调速系统仍被大量使用，归因于直流电动机的调速性能出奇的好，而且交流调速系统原理的最基础知识就是直流调速系统 [3]。在中国，经过了几十年的发展时期，双闭环直流调速系统控制也已经基本成熟，然而时下还在赶超着发达国家，为了实现数字化不断发展。
1.2.2 国外的发展现状
从1980年起，数字化直流调速系统在对全世界的公司影响非常深远，故直流调速系统的发展提高了很多；在国外，采用电源换相的控制方式，而且特别采用了计算机技术以及其他先进的技术，受到国内外各大电气公司广泛的应用[4]。今天，发达国家基本上已经完全落实了数字化控制双闭环。
1.3 本文主要研究内容
根据本论文的设计要点，应从以下几个方面来设计分析：
1. 双闭环直流调速的几种控制方法，选择最优控制
2. 双闭环直流调速系统的工作原理及数学模型
3. 分析双闭环调速系统的工作原理，并画出其动态结构图
4. 应用Matlab软件对设计的系统进行仿真和校正
5. 仿真：运用Simulink工具箱对系统进行仿真，获得系统的模型图和动态响应图。
6. 数字化双闭环直流调速系统的设计：分别进行电流环和转速环的设计。

第2章 双闭环调速系统理论和数学模型
2.1 直流调速系统的控制方法的选择
稳定状态下，直流电动机转速的表达式如下式（2-1）：
（2-1）
式（2-1）中：U——电枢电压，单位是（V）；
——电枢电流，单位是（A）；
R——电枢电路的总电阻，单位是（）；
——励磁磁通，单位是（Wb）；
n——转速，单位是（r/min）；
由式（2-1）可知，改变直流电机转速n有三种控制方法：
1. 改变电枢电压U的控制方法。调压调速适合于大范围无极平滑调速，而且动态响应快，属于恒转矩调速方法，因此，应用较广。
2. 减小磁通的调速控制方法。这种方法调速范围较小，动态响应较慢，而且是让电动机从额定转速向上变速，属于恒功率调速方法。
3. 改变电枢回路电阻R的控制方法。此法属于有级调速，控制效率较低，而且平滑性较差，很软的机械特性。
将此三种方法进行比较可知改变电枢回路电阻的控制方法缺点非常多，因此一般不采用；减小磁通的调速控制方法调节范围小，而调压调速的特长较多，被大规模的使用。因此，本论文的调速系统采用调压调速。
变电压的调速方式被公认为是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压也有很多方法，主要被使用的有旋转变流机组（G-M系统），静止变流装置（V-M系统），PWM脉宽调制变换器(也称直流斩波器)三种方法。
1. 旋转变流机组被称为G-M系统，此系统是由直流发电机和交流电动机组组成，目的是得到可调的直流电压。此系统适宜要求调速低的可逆运行系统，然而系统的效率低下，体积也大，维护不合适。
2. 静止变流装置（V-M系统)，此方式是通过去调节晶闸管的触发装置GT的控制电压来达到改变，从而实现调速系统的平滑调节，此方法快速性能、动态性能较好。
3. PWM脉宽调制交换器，这种方法是用某一特定直流或不可控的整流电源来供电的，然后通过PWM生成可调的电压，然而元器件易受很多因素的影响，此系统在中、小功率的系统中受到欢迎。
本论文选用V-M系统，因为V-M系统应用范围较广 。
在V-M系统中，变化给定电压的数值，便可改变触发装置GT的输出脉冲相位，从而改变整流器的输出量值。为了让直流电压的波动以较小的波形显示，故采用三相整流电路。但要考虑到晶闸管可控整流装置要达到的目的，即噪声特别小、响应特别快、性价比高，而且还要要求工作可靠性高，耗能较低。故采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电方法[5]。下图2-1为三相桥式全控整流电路原理图。

图2-1三相桥式全控整流电路原理图
2.2 调速系统的静动态性能指标
2.2.1 调速系统的稳态性能指标
系统调试效果的优劣取决于调速系统的性能，因此必须选择最优设计方案。可以根据一些必要条件来选取最优设计方案。
控制转速的大小可以使调速性能发生变化。即要求最高转速和最低转速之间的范围差距有多大,是有级调速还是无级调速，从正转到反转运行的时间是否合适，为了有较高的生产率，对于经常起/制动的设备可以使其加减速快一些，突加负载时波动的允许值，精度的大小等。
可以用“调速范围”和“静差率”来衡量调速系统的稳态性能，下面就介绍一下这两项指标：
1. 调速范围D
在机械、生产上电动机的最高转速与最低转速之比叫做调速范围,用D表示，它们的关系见下式（2-2）：
（2-2）
其中是运行到额定负载的最高转速，是最低转速。若= ,则它们的关系见下式（2-3）：
（2-3）
2. 静差率s
当转速为一特定值时,负载从“0”（空载）状态增加到电动机的额定值时之间的差值（转速降落）与理想空载转速之比为静差率，见式（2-4）：
（2-4）
静差率主要研究转速的稳定度的，静差率随负载变化而变化，它有关于机械特性的硬度,并且可知机械特性的硬度越高,静差率就越小,转速的稳定度就会越高[6]。
但是静差率和机械硬度特性又是不一样的，下图2-2为不同转速下的静差率。

图2-2 不同转速下的静差率
从图2-2可以看出,两者的机械特性硬度是相同的,但是理想空载转速,所以,可见静差率不同，因此可知道静差率和机械特性是不一样的。
因此可得出结论,D和s这两项指标不能单独存在的，在调速过程中， 让额定转速降落相同，则降低转速，静差率就会变大。如果额定转速很低的静差率都能达到系统的理想要求，那么额定转速很高时的静差率更能满足设计要求，因此可得出结论：静差率的选择以最低速时的数值为准。
3. 变压调速系统中调速范围D、静差率s和转速降落之间的关系
在直流调速系统中，可认为电动机的额定转速为最高转速，该系统在最低速时的静差率s见下式（2-5）：
（2-5）
因此最低转速为下式（2-6）：
(2-6）
而调速范围D为:

将上面几式联立可得下式（2-7）：
（2-7）
由上式知，在一个调速系统中，让转速降落一定，若静差率s的值变小,调速范围D也变小[7]。
2.2.2 调速系统的动态性能指标
直流电机调速系统的动态性能指标包括跟随性能指标(对给定输入信号)和抗扰性能指标(对扰动输入信号)。
1. 跟随性能指标
当R(t)变化时，C(t)跟随系统变化。上升时间、超调量和调节时间为阶跃响应跟随性能指标，下图2-3反应了典型的阶跃响应跟随性能指标。

图2-3 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标
(1) 上升时间
上升时间是用C(t)从“0”开始第一次上升到稳态值时所经过的时间来定义的，它反应了动态响应的快慢。
(2) 超调量和峰值时间
输出量到达峰值时的时间为峰值时间。峰值超过稳态值的百分数比值叫超调量，即
(2-8)
系统的相对稳定性便是由超调量来反应的，即要想系统的相对稳定性越好，则超调量就得越小。
(3) 调节时间
输出量达到稳态值的5%(或2%)的范围所需要用的时间称为调节时间。它主要反映的是输出量在调节期间的快慢程度。包含系统的快速性和稳定性。
2. 抗扰性能指标
在稳定运行的系统中，加一个负扰动量F使输出量降低，得到输出量由降低到恢复的过程就是系统抗扰过程。动态降落和恢复时间是动态抗扰指标的了两大要素。
(1) 动态降落
稳定运行的系统中，给系统加一个扰动所产生的最大降落值为动态降落。一般来说，我们用%来表示，或者选用某个基准值，然后用 来表示。
(2) 恢复时间
标准阶跃函数使用时从第一次出现扰动作用开始，最后到输出量达到稳定值，与新稳态值的差值在某个基准值的%或(2%)范围之内所经过的时间我们称之为恢复时间。
一般来说，对于各种动态指标的要求在实际控制系统中的应用各有不同，调速系统中的跟随性能指标主要应用于随动系统，抗扰性能指标应用于动态稳定系统[8]。
2.3 直流调速系统工作原理
众所周知，对于一个直流电动机调速系统具有多种调速系统方式，主要常用的有开环直流电机调速系统、单闭环直流电机调速系统、双闭环直流电机调速系统和多闭环直流电机调速系统。而在这几种直流电机调速系统中尤其以双闭环直流电机调速系统为主。直流电动机双闭环调速系统可以在电机的电流和转矩受限的情况下仍能充分发挥电机的过载能力,而且能够使电流和转矩保持允许的最大值，并且能够加速运行，当达到稳定转速时,让电流减小而转矩很快与负载相平衡,从而使系统稳定运行。因此我们可以知道双闭环直流电机调速系统的主要工作原理是：当处于起动过程时只有电流负反馈作用。而后稳定运行时,让系统只有转速负反馈作用。双闭环直流电机调速系统的系统结构图如下图2-4所示。

图2-4 双闭环直流电机调速系统图
从图2-4中可以看到，表示转速外环的转速给定电压，为转速外环的转速反馈电压，两者的差值代表了转速外环的偏差值作用于转速调节器ASR的输入端，经过转速调节器ASR的比例放大和积分去静差使得其输出端变为电流调节器ACR的输入给定电压，表示电流内环的电流给定电压，由电流互感器TA经二极管转化的电压反向作用于电流调节器ACR的输入端，代表电流内环的电流反馈电压，它与电流内环的电流给定电压做差所得的值作用于电流调节器ACR的输入端，同样经过比例积分调节使得输出端作为电力电子变换器UPE的输入端，电力电子变换器UPE经过变换可从直流电机中输出转速n，最后转速n与测速发电机TG连接转换为电压的方式给到转速外环，如此形成循环，构成闭合回路[9]。下图2-5为双闭环直流调速系统的电路原理图。

图2-5 双闭环直流调速系统电路原理图
2.4 双闭环直流调速系统的稳态结构图和动态数学模型
2.4.1 调速系统的稳态结构图
从上文中我们不但可以知道双闭环直流电机调速系统是由两个带限幅作用的PI调节器串联构成，再者也了解了电流调节器ACR的最大给定电压受转速调节器ASR的输出限幅电压的限制，电力电子变换器UPE的最大输出电压由电流调节器ACR的输出限幅电压决定，如图2-6所示为双闭环直流调速系统的稳态构造图[10]。

图2-6 双闭环直流调速系统的稳态结构图
2.4.2 双闭环直流调速系统的动态数学模型
2.4.2.1 直流电动机的传递函数
当励磁是额定的状态下并且电枢电流也是连续的时候，电枢闭合电路的动态平衡方程式为下式（2-9）：
(2-9)
对上面的式子进行拉氏变换得下式（2-10）：
(2-10)
而是电枢控制回路的电磁时间常数，单位为秒(s)。
将式（2-10）整理成电流比电压的形式可得传函为下式（2-11）：
（2-11）
从电机的动力学方程可知电磁转矩和负载转矩的关系为式（2-12）：
（2-12）
可得式（2-13）：
（2-13）

式子（2-13）中的是直流电机系统的机电时间常数。
将上式（2-13）进行拉氏变换可得电势比电流的传函为下式（2-14）：
（2-14）
上式（2-14）中的为负载电流，单位是A。
2.4.2.2 晶闸管触发装置的整流传函
晶闸管触发装置的整流环节在一定的工作范围内可看成是一个电压响应超前电流的环节，属于纯滞后环节。而失控时间是影响这个滞后作用的主要因素。咱们可以按这个公式来表示，由公式可以看出最大失控时间与交流电源频率f和一周内整流电压的脉动波数m有关；当电流在连续的状态下，我们可把晶闸管整流触发装置看成一阶惯性环节，因此它的传函可写成下式（2-15）；
（2-15）
2.4.2.3 PI调节器的传函
转速调节器ASR和电流调节器ACR为了实现快速无静差，可以将它们均设为比例积分控制规律，即两个调节器的比例部分P能使控制作用迅速的被响应，达到要求但有静差，因此加上积分部分I来消除稳态误差。其传函见式（2-16）：
（2-16）
其中表示PI调节器的比例放大倍数，表示PI调节器的积分时间常数。
将上述各传递函数以结构图的形式连接起来便得到了双闭环直流电机调速系统的动态结构图，其中转速调节器和电流调节器因为采用了PI控制而能实现稳态无静差，晶闸管整流装置以近似为一阶惯性环节实现了稳定快速的必要条件，再加上直流电动机的传递函数，使得系统实现了双闭环。如图2-7所示，因此双闭环直流电机调速系统的数学模型也就一目了然[11]。
图2-7 双闭环直流电机调速系统的动态结构图
2.5 本章小结
本章首先主要说明了直流调速系统的控制方式有三种，而这三种中以调压调速最优，然后又重点阐述了双闭环直流调速系统的性能指标，有稳态性能指标和动态性能指标，并分别介绍了各个指标的分类，为后续的单片机控制实现数字化打下了基础。其次本章又阐述了双闭环直流调速系统的原理结构。最后又详细介绍了双闭环调速系统的稳态结构和动态结构的数学模型构成，为后面的内容做好了铺垫！

第3章 双闭环直流调速系统的工程设计
3.1 双闭环直流调速系统参数的选择
该电动机选择直流电动机，由晶闸管供电，整流装置选择三相桥式电路，其各个参数如下：直流电动机额定电压U=220V,额定电流I=140A,额定转速n=2000r/min，电动势系数=0.132，过载倍数=1.5；晶闸管放大倍数为=60；电枢回路总电阻R=0.5；设电磁时间常数=0.03s，机电时间常数=0.20s；由于采用三相桥式电路，其滞后时间常数=0.0017s；
3.2 双闭环直流调速系统的工程设计方法
双闭环直流调速系统的实际动态结构图应该是在原来的动态结构图基础上增加了电流滤波环节、转速滤波环节和给定信号上的滤波环节。下图3-1表示增加滤波环节的动态结构图[12]。
图3-1 双闭环直流调速系统的实际动态结构图
图中的表示电流反馈滤波时间常数；图中的表示转速反馈滤波时间常数；从图中可见在电流环上加了电流滤波环节，在转速环上加了转速滤波环节，在两个给定信号上同样加了滤波环节。系统以 “先内环后外环”的设计规范，即先规划内环（电流环），渐渐的向外规划，而后把电流环看做成系统的一个子环节，再规划外环（转速环）。
我们知道双闭环直流调速系统中的电流环的一个特别的作用是能够在动态过程中让电枢电流不超过允许的最大值，故电流环一般被规划为典型的I型系统，用PI调节器可以做到稳态无静差；为了让转速环也做到稳态无静差，所以也运用PI调节器，即加一个积分环节，但是转速环内部的电流环已经有个积分环节，再加上一个共计两个积分环节，就此转速环规划为II型系统。在双闭环直流电机调速系统中，晶闸管的滞后时间常数和电流反馈滤波时间常数一般都比电磁时间常数小很多，所以可将两者相加近似为一个一阶惯性环节，我们取，这样，电流环是一个双惯性环节，同理，转速环可写成。
1. 电流调节器设计
首先需要知道设计的指标，有静态指标和动态指标。静态指标满足无静差，动态指标满足电流的超调量小于等于5%。
其次由3.1节中给出的各个参数可知=0.0017s，电流滤波时间常数满足三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，因此=2ms=0.002s。电流环小时间常数之和=+=0.0037s。计算电压的抗扰性能：，满足各项指标。然后计算电流调节器参数，由于要求小于等于5%，可选择=0.5，因此。电流反馈系数；
所以ACR的比例系数为=，电流截止频率=135.1/s，检验晶闸管为
，满足条件。
，满足条件。
按照上述所计算的参数，再加上附录中表1提供的数据可知:=4.3%5%，满足设计要求。
2. 转速调节器设计
首先需要知道设计的指标，有静态指标和动态指标。静态指标满足转速无静差，动态指标满足空载启动到额定转速时的转速超调量小于等于10%。
其次由3.1节中给出的各个参数来确定时间常数。已知，由于电流环可以作为速度环、电流环的一个子部分可以等效时间常数设置为，则，速度滤波时间常数=0.01s，因此速度环小时间常数，即，可取h=5，则ASR的超前时间常数为
s
转速反馈系数。
转速环开环增益，所以ASR的比例系数。
转速环截止频率。
检测电流环，条件是：， 满足简化条件。
检测转速环的小时间常数条件是：， 满足条件。
最后检验转速的超调量大小可知当h=5时，由附录中表2可知，我们不能满足设计要求，事实上，这种计算是基于线性系统的计算，并给出了突然跃变，ASR饱和。ASR应该回归计算饱和超调。即当z=0，空载启动时计算。由附录中表3可知当h=5时，，，由3.1节的数据可知。显而可见根据饱和度计算超调量满足设计要求[13]。
3.3 本章小结
本章主要介绍了双闭环直流调速系统的工程设计，并设置了电动机的基本参数，然后通过举例用工程设计方法计算出电流环和转速环中PI调节器的传递函数，为下面对电流环和转速环的仿真打下了基础。

第4章 用Matlab仿真双闭环直流调速系统
本课题中的双闭环直流电机调速系统仿真采用Matlab仿真软件，我们以第3章中的工程设计方法为主，即采用控制系统的传递函数方程为基础，在Simulink仿真使用Matlab工具箱。
4.1 系统的建模和参数设置
在第3章直流电机双闭环调速系统的工程设计方法中，我们知道直流电机双闭环调速系统的动态结构图添加滤波器就可以，通过实际的动态结构图我们可以用Matlab仿真软件中的Simulink工具箱对系统进行建模，下面就建模中需要的传递函数参数列入下表4-1。
表4-1 双闭环调速系统中传递函数中的参数值

R

0.01
0.002
60
0.0017
0.03
0.5
0.20
0.005
0.047

4.2 电流环的系统仿真
通过学习Matlab咱们知晓要实现系统仿真需按下列步骤进行，即建立设定模型参数，仿真分析结果。当建模，对系统的理解和找到合适的模块，然后设置参数，以达到良好的仿真结构[14]。
4.2.1 电流环的仿真模型
由表4-1可知道各个环节传递函数的系数，这里就以3.2节为例用Simulink建立电流环仿真模型如下图4-1所示。

图4-1 电流环仿真模型
4.2.2 电流环的仿真结果曲线
当KT=0.5时， 此时PI调节器的传递函数为，把结束时间设为0.05s，此时电流环仿真结果如下图4-2所示。

图4-2 电流环仿真结果
当KT=0.25时，按照上面所计算的方法重新计算可得PI调节器的传递函数为，本案的电流回路无超调，但这是一个很长的上升时间。同样将结束时间设为0.05 s，电流环仿真结果如下图4-3所示。

图4-3 电流环无超调仿真结果
当KT=1.0时，按照上面的计算方法重新计算可得PI调节器的传递函数为，在这个电流回路有较大的超调，相应的上升时间短。同样把结束时间设为0.05 s，电流环仿真结果如下图4-4所示。

图4-4 电流环超调量较大的仿真结果
4.2.3 电流环的仿真结果分析
由图4-2可以看到系统的阶跃响应。
从图4-3你可以看到，KT = 0.25，目前无超调，但较长的上升时间。
从图4-4你可以看到，当KT = 1，电流超调量大，但上升时间短。三个数字的比较可以发现在第二阶段增加电机转速恒定，电流值小于= 210A，因为这次是干扰电机的反电势 [15]。
4.3 转速环（双闭环）的系统仿真
由于双闭环中的电流环可以看成是转速环的一个子环节，因此转速环的仿真模型便是整个双闭环的仿真模型；转速环的仿真结果便是整个双闭环的仿真结果。转速环的系统仿真分为三个步骤，它们分别是建立系统的模型，参数的设定，对其仿真及对其仿真结果的分析。在建立模型的时候，深入分析，而后获取合适的模块；最后进行仿真绘制[16]。
4.3.1 转速环（双闭环）仿真模型
根据表4-1可得各个环节传递函数的系数，这里就以3.2节为例用Simulink建立转速环仿真模型，是在电流环的基础上又增加了PI环节，转速环的仿真模型图如下图4-5所示。

图4-5 转速环仿真模型
4.3.2 转速环（双闭环）的仿真结果
本转速调节器也采用PI调节器，按照上面所计算的结果来对转速环设计仿真，由图4-5知Step1模块用来输入负载电流，当KT=0.5时，转速环的PI调节器的传递函数为，把结束时间设为1s，得到双闭环的响应曲线如图4-6所示。

图4-6 转速环空载高速启动下的仿真结果
由图可看出转速最终稳定于额定转速。
然而利用转速环的仿真模型在负载电流上再加上负载电流把结束时间设为2s，此时是在空载稳定运行中突加负载的转速和电流的响应曲线图，如图4-7所示。

图4-7 转速环空载运行稳定时突加负载的仿真结果
由图可看出此时有扰动波。
4.3.3 转速环(双闭环)的仿真结果分析
由图4-6可以看出转速调节器的转速最终达到稳定转速。
由图4-7可以看出当在负载电流上再加电流时，得出直流电机空载运行时会受到额定电流的扰动波影响[17]。
4.4 本章小结
首先本章主要简单的介绍了一下系统的建模与参数的设置，并通过表格的形式将在仿真中应用的参数列出来，
最后本章又详细的介绍了电流环的建模，设参，仿真及仿真结果分析。转速环的建模，设参，仿真及仿真结果分析等，由于看图说话，既直观又准确。

第5章 数字化双闭环直流调速系统
5.1 总体设计方案
该系统是由单片机AT89C51控制，其中双闭环中的电流环是用模数转换器ADC0809将交流互感器产生的电流反馈信号转换为数字信号传给单片机的；而双闭环中的转速环是用可编程的定时/计数器Intel8253将脉冲发生序列产生的脉冲信号转换为单片机能够识别的数字信号，最后发给单片机。故数字化双闭环直流调速系统的总体设计框图如图5-1所示。

图5-1 数字化双闭环调速系统总体设计框图
从图中我们可以知道本设计是通过利用通信接口和键盘的输入来控制从电流互感器经整流滤波再经模数转换器ADC0809转换的数字电流信号，最后传给单片机并在显示器设备上显示；同理，脉冲发生序列产生的转速脉冲信号经可编程定时/计时器Intel8253的计数原理传给单片机并在显示器设备上显示；晶闸管整流装置也是经过整流分压滤波最后将直流电流信号传给单片机。数字化双闭环输出设备用于结果的输出[18]。
5.2 单片机AT89C51的工作原理
本论文选用AT89C51单片机，因为AT89C51单片机的性价比特别高，属于MCS-51系列的主流产品，被国内外各大电气公司争相使用，AT89C51单片机有很多优点，其主要优点有：
1. 5个中断源；
2. 内部RAM为128*8位，内部空间特别大；
3. 寿命：可以循环写/擦1000次，而且性能也不会变差；
4. 可编程闪烁存储器有4K字节，在MCS-51系列中算是大的；
5. 有两个16位定时/计数器，功能强大；
6. 数据可以存在ROM中，数据是不易丢失的，可保留数据长达十年之久；
7. 可编程的I/O均是32位的，而且串行通道可编程；
8. 掉电模式低功耗；
9. 与MCS-51能够一起使用，不会产生排斥[19]。
我们知道AT89C51单片机有40个引脚。其中1-8引脚为P1口，9引脚为复位引脚，10-17引脚为P3口，18、19引脚为时钟电路的输入输出引脚，20引脚为接地引脚，21-28引脚为P2口，29引脚外部程序存储器的选通信号，30引脚为地址选择端，31引脚为开启总中断，低电平有效，32-39引脚为P0口，40引脚为供电电压引脚，下面就一些拥有特殊功能的引脚进行简单的介绍，如图5-