1、直流电机双闭环调速大作业题目(中) 直流电机双闭环控制调速 姓名与学号 指导教师 年级与专业 所在学院 目录：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调节器后，对电机运行调速结果的影响。选做：5、加
2、入位置闭环6、 速度无超调三、主要仪器设备和仿真平台1、 MATLAB R2014b2、 Microsoft Officials Word 2016四、仿真建模步骤及分析1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 DC Motor Drive 1.1 转速给定模块 转速给定有两种方式：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：阶跃转速给定可由以下窗
3、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0.4s。1.2转矩给定模块 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：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
4、，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1.2s。1.3速度控制器Speed Controller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Kp=1.6，Ki=16，Current Limit为输出电流最大限定值，设置为30
5、A。1.4 电流控制器Current Controller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：电流控制系统内部参数设置如下图，当Hysteresis Band滞环电流两个输入量差别超过正负2A时，输出GTO关或开信号进行调节电路。 1.5 PWM波生成模块其内部结构如下： 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。Powers
6、ysdomain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图： Resistance 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
7、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：由图可得，可由Armature Resistance And Inductance设置电枢绕组电阻和电感，Fiel
8、d Resistance And Inductance设置励磁绕组的电阻和电感，Field-Armature Mutual 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 Torque Tf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Ra=0.5ohms，La=0.01H，当前励磁绕组的Rf=240ohms，Lf=120H，励磁绕组和电枢绕组的互感Laf=1.23H，转动惯量J=0.05
9、Kg.m2等参数。1.7 速度和电流反馈模块 其内部变量如下图：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图： Numerator coefficients为分子，Denominator coefficients为分母，以此来构成过滤模块的传递函数，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.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
10、、恒转矩给定如上图中，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达到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。直到转速达到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，之后电枢电流下降到一个较低的稳定值，转速也达到设定值。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、恒转矩给定对比(1)情况下的波形，在电机达到120rad/s转速稳定后，再给一个阶跃信号参考转速达到160rad/s，则为了保
11、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、阶跃转矩给定与(1)中情况对比，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，电枢电流比原本状态下的电枢平衡电流大。(4) 阶跃转速、阶跃转矩给定对比如上(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，在达到平衡之后，转速波形几乎
12、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：对比原状态(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。(2) 修改转速阶跃的给定值如下：对比原状态(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
13、的给定值如下： 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2.5s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，电枢电流也明显增大。3.转速PI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1.6增大至16对比原始状态(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，转速达到参考值的调整时间明显缩短，且达到稳定后波形平直，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
14、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8对比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。4.电流调节器改用PI调节器后的仿真此时两个PI调节器系数取值如下：对比初始状态(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，当转速达到参考值稳定后，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.加入位置闭环后的仿真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
15、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以变成位置给定。仿真结果如下图所示时间为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。6.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：可以看到此时，速度在误差允许范围内无超调。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。
