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1、题目题目( (中中) )直流电机双闭环控制调速直流电机双闭环控制调速与学号与学号指导教师指导教师年级与专业年级与专业所在学院所在学院1目录：目录：一、电机控制实验目的和要求一、电机控制实验目的和要求. . 3 3二、双闭环调速控制内容二、双闭环调速控制内容 . . 3 3三、主要仪器设备和仿真平台三、主要仪器设备和仿真平台. . 3 3四、仿真建模步骤及分析四、仿真建模步骤及分析 . . 4 41直流电机双闭环调速各模块功能分析 .42.仿真结果分析转速、转矩改变 .143.转速 PI 调节器参数对电机运行性能的影响 .204.电流调节器改用 PI 调节器后的仿真 .225.加入位置闭环后的仿
2、真 .236.速度无超调仿真 .25七、实验心得七、实验心得 . . 26262一、电机控制实验目的和要求一、电机控制实验目的和要求1、加深对直流电机双闭环 PWM 调速模型的理解。2、学会利用 MATLAB中的 SIMULINK 工具进行建模仿真。3、掌握 PI 调节器的使用，分析其参数对电机运行性能的影响。二、双闭环调速控制内容二、双闭环调速控制内容必做：1、描述 Chopper-Fed DC Motor Drive 中每个模块的功能。2、 仿真结果分析： 包括转速改变、 转矩改变下电机运行性能， 并解释相应现象。3、转速 PI 调节器参数对电机运行性能的影响。4、电流调节器改用 PI 调
3、节器后，对电机运行调速结果的影响。选做：5、加入位置闭环6、速度无超调三、主要仪器设备和仿真平台三、主要仪器设备和仿真平台1、MATLAB R2014b2、Microsoft Officials Word 20163四、仿真建模步骤及分析四、仿真建模步骤及分析1 1直流电机双闭环调速各模块功能分析直流电机双闭环调速各模块功能分析参考 Matlab 自带的直流电机双闭环调速的 SIMULINK 仿真模型：demo/simulink/simpowersystem/Power Electronics Models/Chopper-Fed DCMotor Drive1.1 转速给定模块转速给定有两种方
4、式：一为恒定转速给定，二是阶跃的给定。两种方式的选择通过单刀双掷开关实现。恒转速给定可由以下窗口修改设置：4阶跃转速给定可由以下窗口修改设置：Step Time 为从初始状态到阶跃完成所需的时间，Initial Value为初始转速，Final Value为阶跃后最终转速，Sample Time 为采样时间间隔。从图中可得出，当前转速给定为一个从 120rad/s 到 160rad/s 的阶跃过程，直到阶跃过程结束耗时。转矩给定模块5转矩给定也有两种方式：一为恒定转矩给定，二是阶跃转矩的给定。两种方式的选择通过单刀双掷开关实现。恒转矩给定可由以下窗口修改设置：阶跃转矩给定可由以下窗口修改设置：
5、Step Time 为从初始状态到阶跃完成所需的时间，Initial Value为初始转矩，Final Value为阶跃后最终转矩， Sample Time为采样时间间隔。 即从图中可得出，当前转矩给定为一个从 5 Nm 到 25 Nm 的阶跃过程，直到阶跃过程结束耗时。速度控制器 Speed Controller6速度控制器其内部结构如下：两个输入量分别为由转速给定模块提供作为转速参考值的 wref 和当前速度实际值 wm，得出差值通过比例积分环节，再通过 Saturation 限幅环节，获得输出电流值 Iref。可知该环节为 PI 控制环节，其内部参数主要有比例调节系数 Kp 和积分调节系
6、数 Ki。可通过如下窗口修改设置：由图中可观察得该 PI 调节系统的系数，Ki=16，Current Limit 为输出电流最大限定值，设置为 30A。1.4 电流控制器 Current Controller7其内部结构如下：可得知该电流控制系统为滞环调节系统， 其两个输入量分别为由电流给定模块提供参考电流值 Iref 和当前实际电流反馈值 Ia，经过滞环调节，输出 GTO 的通断开关信号。滞环模块的参数设置如下， 可设置滞环的开关时间点和开关时各自的输出值：8电流控制系统内部参数设置如下列图， 当 Hysteresis Band 滞环电流两个输入量差异超过正负 2A 时，输出 GTO 关或开
7、信号进行调节电路。1.5 PWM 波生成模块9其内部结构如下：Powersysdomain 模块是一个 P-code 文件，具体里面的内容是看不到的，存在于 matlab 文件夹下。Powersysdomain 为电机三相绕组的电力电子电路，外部三相电路 A、B、C 只有接入这个电路才能产生三相电流，电机其他模块则是根据测到的三相电流进行变换和控制，GTO 存在于该模块当中。Model(Continuous)模块的具体结构如下：由图中可知， GTO 模块以一个 280V 直流电压作为该模块输入阳极电压信号a， 滞环控制环节输出信号作为该模块的门极触发信号 g， 当输入信号 g 为正时，输出高电
8、平；当输入信号 g 为负时，输出低电平。该模块内部参数设置如下列图：10Resistance Ron 为晶闸管元件内电阻， Inductance Lon 为晶闸管元件内电感Lon(H)，Forward voltage Vf 为晶闸管元件的正向管压降，Current 10% fall time为电流下降到 10%的时间， Current tail time 为电流拖尾时间，Initial current Ic为初始电流，Snubber resistance Rs 为缓冲电阻，Snubber capacitance Cs 为缓冲电容。1.6 直流电机模块由图可知该直流电机为一台他励直流电机， 励磁
9、电压为240V的直流电压源。由转矩给定模块给定转矩信号，同时输出当前电流和转速的实时反馈信号。电机的内部参数可由如下窗口设置：11由图可得，可由 Armature Resistance And Inductance 设置电枢绕组电阻和电感，Field Resistance And Inductance 设置励磁绕组的电阻和电感，Field-ArmatureMutual Inductance Laf 设置励磁绕组和电枢绕组的互感， Total Inertia J设置转动惯量， Viscous Friction Coefficient Bm设置粘滞摩擦系数， Coulomb Friction To
10、rqueTf 设置库仑摩擦转矩，Initial Speed 为初始角速度。则可以读取，当前电枢绕组的， ，当前励磁绕组的 Rf=240ohms，Lf=120H，励磁绕组和电枢绕组的互感，转动惯量 J=0.05Kg.m2 等参数。1.7 速度和电流反馈模块其内部变量如下列图：12由上图可知， 由直流电机系统获得的可选择的反馈输入量有转速、 电枢电流、励磁电流和电磁转矩，我们所选择的输出为电机转速和电枢电流。1.8 反馈电流滤波模块其内部参数设置如下列图：13Numerator coefficients 为分子，Denominator coefficients 为分母，以此来构成过滤模块的传递函数
11、，则此时的传递函数应为 1/(s*10(-5)+1)。1.8 示波器模块示波器观察的输入信号为是 GTO 的输出 PWM 电压信号，电机的电枢电流和电机转速。2.2.仿真结果分析转速、转矩改变仿真结果分析转速、转矩改变2.1 默认参数下进行仿真(1) 恒转速、恒转矩给定14如上图中，从上到下依次是 GTO 输出 PWM 波形、电枢电流波形、电机转速波形。则可观察到，在电机启动后但转速未到达 120rad/s 的设定值之前，电枢电流一直处于较大的状态，使得电机转速平稳上升。直到转速到达120rad/s 后，由于电流的滞环调节与转速的 PI 调节均存在延迟现象， 电机转速会超过 120rad/s，
12、 之后电枢电流下降到一个较低的稳定值，转速也到达设定值。在此期间，由于电流的滞环调节与转速的 PI 调节持续工作，GTO 处于不断开通、关断的状态。(2) 阶跃转速、恒转矩给定比照(1)情况下的波形，在电机到达 120rad/s 转速稳定后，再给一个阶跃信号参考转速到达 160rad/s，则为了保证转速的上升，电枢电流又重新提高到较大值，该调节过程与前相近，直到转速重新在160rad/s 附近平衡后，电枢电流降低到较小值。(3) 恒转速、阶跃转矩给定15与(1)中情况比照，即在转矩发生阶跃后，由于负载增大电机转速受影响下降，之后在系统的调节下回复到120rad/s 的平衡状态，但是由于负载增加
13、，电枢电流比原本状态下的电枢平衡电流大。(4) 阶跃转速、阶跃转矩给定比照方上(1)、(2)、(3)状况，该状态下的波形近似为(2)、(3)情况时的复合。同时， 观察以上四种状况下的电枢电流波形和电机转速波形，我们可以明显看到电机转速的 PI 调节的效果比电流的滞环调节的效果好许多，在到达平衡之后，转速波形几乎没有波动，而电流波形一直在平衡值周围小幅振荡。2.2 改变转速给定值后的仿真结果(1) 修改转速阶跃的给定值如下：16比照原状态(4)中的波形图，转速由 0 升至 60rad/s 所需的时间明显缩短，在发生转速阶跃，由 60rad/s 阶跃至 160rad/s，所需的调节时间明显增长。(
14、2) 修改转速阶跃的给定值如下：17比照原状态(4)中的波形图，转速稳定在 120 rad/s 后，发生转速阶跃，参考转速增至 200rad/s，此时所需的调节时间明显增长。且当转速取得较大时，在负载不变的情况下，参考电流值变大，滞环上下限绝对值增大，可明显观察到电枢电流的滞环控制效果非常粗糙。2.3 改变转矩给定值的仿真结果修改转矩阶跃的给定值如下：18改变转矩阶跃的给定值，使其从 5 阶跃到 35，观察如上波形，可看到在时转速还未调节到给定 120rad/s，仍处于下降阶段，即转速的调节至给定值的时间明显变长。同时，由于负载的增加，转速一样时，在电机平稳后，随着转矩的增大，电枢电流也明显增
15、大。193.3.转速转速 PIPI 调节器参数对电机运行性能的影响调节器参数对电机运行性能的影响(1) 改变比例调节参数 Kp，将其由增大至 16比照原始状态(4)的波形，可观察得系统的调节速度明显变快，电枢电流的波形变化近似于方波，转速到达参考值的调整时间明显缩短，且到达稳定后波形平直，稳态误差减小。为了提高系统的静态性能指标，减少系统的静态误差，可以使Kp 增大。但是 Kp 增大时，系统稳态输出增大，系统响应速度和超调量也增大。(2) 改变积分调节参数 Ki，减小其值由 16 至 820比照可明显观察到系统的调节速度变慢， 转速在阶跃发生后，需要更长的时间去调整到新的平衡值。214.4.电
16、流调节器改用电流调节器改用 PIPI 调节器后的仿真调节器后的仿真此时两个 PI调节器系数取值如下：22比照初始状态(4)的波形图，则可得知，将电流的滞环调节器改为 PI 调节器之后，电枢电流的调节效果明显，当转速到达参考值稳定后，电枢电流的波动范围较滞环小了许多，接近一条光滑的曲线。通过调节两个 PI 调节器的参数，能够实现更加理想的效果：5.5.加入位置闭环后的仿真加入位置闭环后的仿真23为了加入位置闭环控制，则首先设定位置给定值为 200，然后位置给定值与速度的积分值进行比较得到位置的误差输入速度控制器，以实现位置的闭环控制。其实 200 本来是速度给定，但是由于与实际速度的积分做比较所
17、以变成位置给定。仿真结果如下列图所示时间为 2s 时，可以看到位置有超调，图示分别为转速、电流和位置。时间为 10s 时，可以看到实现位置闭环控制，但是此时超调还是比较大。246.6.速度无超调仿真速度无超调仿真根据仿真图调节速度控制器 PI参数， 当参数取合适的值时可以得到速度无超调。速度控制器参数：电流控制器参数：仿真示波器显示：25可以看到此时，速度在误差允许范围内无超调。七、实验心得七、实验心得通过电机控制大作业仿真联系，对于 Matlab 仿真操作更加熟悉，虽然在实验初期遇到很多软件问题，但是在讨论和实践过程中对于操作熟练度都有提高。在搜寻、求解的过程当中，对 Matlab SIMULINK 模块有更深的了解。通过对Matlab 中自带的直流电机双闭环调速模型的分模块研究， 从模块的输入信号、 输出信号、 模块内部环节组成来分析其在整个调节过程当中所起到的作用，对于我对双闭环调速系统的理解有着直接且显著的帮助。 利用具体的环节组成来展现各自的功能作用，而不仅仅是停留在框图的抽象感觉上，也为我学会灵活调节、具体应用双闭环调节系统奠定了良好的基础。同时通过实践操作，对于直流电机的调速有了深刻认识。直流电机调速在电机调速中占有较大的优势， 熟练掌握直流电机调速是一项比较基础却很重要的能力。26