直流电机双闭环调速.docx

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直流电机双闭环调速

专业：

电气工程与自动化

姓名：

____

学号：

日期：

2011.5.5

地点：

实验报告

课程名称：

机电运动控制系统指导老师：

________成绩：

__________________

实验名称：

直流电机双闭环调速实验类型：

__上机仿真实验___同组学生姓名：

一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）

三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤

五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、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、实验内容和原理

图表1直流电机双闭环调速原理图

1、描述Chopper-FedDCMotorDrive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。

三、主要仪器设备和仿真平台

1、MATLAB2010b

2、word2007

四、实验步骤及分析

1、直流电机双闭环调速各模块功能分析

下图是MATLAB中自带的直流电机双闭环调速的SIMULINK仿真模型。

图表2直流电机双闭环调速模型图

1.1转速给定模块

图表3转速给定模块图

这里的转速可以通过开关选择是恒转速还是阶跃的过程。

图表4阶跃转速给定的参数设定图

可以看出是一个转速从120rad/s到160rad/s的阶跃过程，并且阶跃过程耗时0.4s。

1.2转矩给定模块

图表5转矩给定模块图

与转速给定模块相似，这里转速也可以通过选择开关，选择是恒转矩运行还是转矩阶跃的过程。

为了观看动态调节特性，阶跃的转速过程和阶跃的转矩过程比较有分析意义。

图表6转矩阶跃变化模块参数设置

可以看出这是一个转矩从5N.m到25N.m的阶跃变化过程，历时1.2s。

1.3速度调节器ST

图表7ST模块图

这是一个PI调节器，输入的是速度给定值和当前速度反馈值，输出的是电流给定值。

其内部参数设置如下，可以看出Kp=1.6,Ki=16,还设置了输出电流给定值最大限定值为30A。

图表8ST的PI参数设置

1.4电流调节器LT

图表9LT模块图

这是一个滞环电流调节器，其输入量是电流给定值和电流反馈值，输出的是给GTO的通断信号。

其内部参数设置如下图，而已看出当输入量差别超过2时，就进行调节。

图表10LT参数设置

1.5PWM波触发模块

图表11PWM波触发模块图

可以看出接的是一个直流电压为280V的电源，当g输入为正时，输出高电平；当输入g信号为负时，输出低电平。

图表12触发电路的参数设置

1.6直流电机模块

图表13直流电机模块图

可以看出直流电机电枢回路接有一个电感滤波。

直流电机是他励直流电机，励磁电压是240V是我直流电源。

除此外输入信号还有转矩给定，输出信号有电流和速度反馈量。

电机的内部参数设置如下：

图表14直流电机参数设置

上图可以看出：

可以看出电枢回路的Ra=0.5,La=0.01,J=0.05Kg.m^2等等，这些参数对电机的动态特性有一定影响。

1.7速度和电流反馈模块

图表15速度和电流反馈模块图

其内部变量如下图：

图表16反馈参数图

可以看出，反馈的量有速度和电枢电流，还有励磁电流和电磁转矩，但输出的只有速度和电枢电流。

1.8反馈电流滤波模块

图表17反馈电流滤波模块图

其内部参数设置如下图：

其中具体数值的作用不是很理解。

图表18滤波参数设置

1.8示波器模块

图表19示波器模块图

可以看出示波器观察的是PWM波形，电枢电流和速度。

2.电机运行性能仿真

2.1原定数值下仿真

上图中，从下到上依次是转速波形、电流波形、PWM波形。

整个动态过程可以分为三个阶段，第一个是启动阶段，电枢电流很大，转速平稳增加。

转速达到给定值120rad/s后，电枢电流下降到一个较为稳定的值。

之后在0.8s时刻，转速给定值发生阶跃变化，电枢电流迅速增加进行加速，转速也从120rad/s慢慢地增加到160rad/s，完成加速后，电流再次下降趋于平稳，但是电流的平稳值比原先的大，因为同样大小负载下，转速增大，功率需要增大，电枢电流增大。

在1.5s时刻，转矩给定值发生阶跃变化，转矩增大，转速刚开始略有下降，然后在转速调节器的作用下再次趋于给定值160rad/s。

电枢电流则增加，并且稳定于一个比原来稳定值更大的值，这是因为负载增大，需要更大的电流来提供更大的电磁转矩。

对横坐标进行放大后，可以看清PWM波形还有电流和转速的波形过程如下：

图表20放大后的波形图

可以看出转速调节波形范围比电流调节的效果要好得多，这就是PI调节比滞环调节强大的地方。

PI调节对数据的变化具有预判，可以让调节曲线很平稳，几乎没有波动。

而滞环调节则是存在调节滞后的问题，波动比较大。

2.2改变转速给定值后的仿真结果

改变转速给定值就是改变转速给定模块中的参数设置，改变如下：

图表21改变转速给定值

可以看出原来阶跃过程是从120跳向160，现在是60跳向150。

图表22改变转速给定值后的波形

上图可以看出在0.8S时刻发生的转速阶跃过程，转速是从原来的60rad/s跳向现在的150rad/s.可以看出转速阶跃的距离越大，动态变化的过程时间也越长。

转矩一样时，电机平稳后，转速越大，电枢电流越大。

2.3改变转矩给定值的仿真结果

在转矩给定模块重新设置新的转矩给定值如下：

图表23转矩给定值设置

图表24转矩给定值变化后的波形

上图可以看出转矩阶跃的给定值从原来的5阶跃到25，改为现在的10阶跃到18，可以看出阶跃的距离变小后，调节平稳所需的时间也变短。

转速一样时，电机平稳后，转矩越大，电枢电流越大。

3、转速PI调节器参数对电机运行性能的影响

PI调节器的可调参数就是Kp和Ki，前者是比例项，后者是积分项。

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。

下图把Kp从原来的1.6调到8：

图表25增大Kp

图表26仿真后的波形

上图可以明显看出，Kp增大后系统反应速度增快，当转矩或者转速发生阶跃后，系统将更快地达到稳定值。

考虑系统的稳定性时，Ki应足够小，然而Ki太小，则PI调节器中的积分作用变小，会影响系统的静态性能。

PI调节器归根到底是一个滞后环节，由于引入滞后环节，也会导致系统响应速度变慢。

此时可通过合理调节Kp和Ki的参数使系统的动态性能和静态性能均满足要求。

下图就是减小Ki的仿真：

图表27减小ki值

图表28减小Ki后的仿真波形

上图可以看出Ki减小后，系统的响应速度明显变慢，需要更长的时间才能将转速调到给定值附近。

4、电流调节器改用PI调节器后的仿真

图表29电流调节器改用PI调节器原理图

图表30电流调节器改用PI调节器后的仿真波形

从上图可以看出，当电流调节器改用PI调节器后，电流的调节效果比滞环调节好许多，电流波动的范围小很多，是一条接近光滑的曲线。

但是这时候要求GTO的开关频率达到20Khz左右，这是不满足要求的，因为通常GTO的开关频率只有几百hz。

所以添加一个三角波斩波器。

此时的原理图如下图：

图表31添加三角波斩波器后

图表32此时电流PI调节器的参数设定

图表33添加三角波斩波器后的仿真波形

五、实验心得与体会

课堂上一直在讲直流电机的双闭环调速，但是一直不是很了解其在实际应用中的效果，这次仿真实验也算是最接近实际应用的一次实践。

这让我加深了对双闭环PWM调速应用的了解，也复习了其原理。

特别是知道了速度调节器和电流调节器可以通过PI调节器或者滞环调节器来应用。

这次仿真刚开始摸不着头脑，感谢MATLAB强大的功能，给我指出一条明路，期间也遇到一个意外的状况，但是通过与同学的交流，克服了一些困难。