运动控制仿真实验报告.docx

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运动控制仿真实验报告

运动控制仿真实验报告

姓名：

班级：

学号：

      ——晶闸管三相全控桥式整流仿真实验   

 ——实用 Buck 变换仿真实验

晶闸管三相全控桥式整流仿真实验（大电感负载）

原理电路：

输入三相交流电，额定电压380伏（相电压220伏），额定频率50Hz，星型联接。

输入变压器可省略。

为便于理解电路原理，要求用6只晶闸管搭建全控桥。

实验内容：

1、根据原理框图构建Matlab仿真模型。

所需元件参考下表：

仿真元件库：

SimulinkLibraryBrowser

示波器Simulink/sink/Scope

要观察到整个仿真时间段的结果波形必须取消对输出数据的5000点限制。

要观察波形的FFT结果时，使能保存数据到工作站。

仿真结束后即可点击仿真模型左上方powergui打开FFT窗口，设定相关参数：

开始时间、分析波形的周期数、基波频率、最大频率等后，点Display即可看到结果。

交流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltageSource

设定频率、幅值、相角，相位依次滞后120度。

晶闸管SimPowerSystems/PowerElectronics/Thyristor

6脉冲触发器SimPowerSystems/ExtraLibrary/ControlBlocks/Synchronized6-PulseGenerator

设定为50Hz，双脉冲

利用电压检测构造线电压输入。

Block端输入常数0.

输出通过信号分离器分为6路信号加到晶闸管门极，分离器输出脉冲自动会按顺序从1到6排列，注意按号分配给主电路对应晶闸管。

电阻、电容、电感SimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch

设定参数

负载切换开关SimPowerSystems/Elements/Breaker

设定动作时间

信号合成、分离Simulink/SignalRouting/Demux,Mux

电流傅立叶分解SimPowerSystems/ExtraLibrary/DiscreteMeasurements/DiscreteFourier

设定输出为50Hz，基波

有效值SimPowerSystems/ExtraLibrary/DiscreteMeasurements/DiscreteRMSvalue

设定为50Hz

位移功率因数计算Simulink/User-DifinedFunctions/Fcn

将度转换为弧度后计算余弦

常数Simulink/Sources/Constant

增益Simulink/MathOperations/Gain

乘除运算Simulink/Math/Divide

显示Simulink/sinks/Display

电压检测SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement

电流检测SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement

2、带阻感负载，电感0.1H,设定触发角为30度：

起动时基本负载20欧，0.3秒后并联一个2欧姆电阻。

仿真设定：

ConfigurationParameters/Solveroptions

TypeVariable-stepSolverOde23s

Maxstepsize1e-6Relativetolerance1e-5，其它不变

仿真时间0.6秒。

在MATLAB搭建的仿真电路如图：

仿真电路解释：

：

代表6个晶闸管全控桥。

：

代表触发角为30度，和6路脉冲分配。

：

代表负载部分，R=20Ω，R1=2Ω，R4=0.1H（R4为电感），step为阶跃信号，0.3秒后产生阶跃，闭合开关。

：

代表测量值。

Ia代表a相电流有效值。

I1代表输入电流的基波幅值，angle代表触发角，Vo输出电压有效值。

分析下列波形：

1） 输入相电压、相电流； 

a相的电流ia和三相电压波形如下：

2）输出电流（滤波前、后；突加负载前后）、输出电压；

输出电流：

输出电压：

3）1号晶闸管电压、电流；

4）输入电流的有效值、输入电流基波幅值、相角和输入功率因数。

可以利用仿真库中相应检测元件自动检测、计算。

由图可知：

输入电流的有效值140A，输入电流基波幅值189.1A，相角30.01°，输入功率因数cos30.01=0.866

5）输出电压平均值在轻载和重载下的稳态值。

输出电压平均值在轻载和重载下的有效值都为319.9V，平均值大约为为314.6V

6）将功率因数、输出电压平均值与教材公式计算的理论值比较。

有效值为U2=220/

Ud=2.34U2cos30=315.2V

由于电感不可能无穷大，电感上存在压降，所以实际输出电压小于理论电压

3、 

1>改变触发角大于 60 度，重复以上实验，分析实验结果。

 将触发角改为80°时， 输出电压波形

输出电压平均值变小。

由于电感的作用，出现了负的部分

输出电流波形：

放大后如图：

1 号晶闸管电压、电流：

2>输入电流的有效值、输入电流基波幅值、相角和输入功率因数由系统检测元件检测如下：

由图可知：

输入电流的有效值28.09A，输入电流基波幅值37.94A，相角79.98°，输入功率因数1+cos（140）=0.234

3>输出电压平均值在轻载和重载下的稳态值：

有效值为：

127.4V，平均值大约为：

63.1V

理论值Ud=2.34U2（1+COS（140））=85.16V

由于电感不可能无穷大，电感上存在压降，所以实际输出电压小于理论电压

4、 将电感减小到 1mH,重复上述实验，分析与大电感时的异同。

（触发角30°） 输出电压ud波形。

输出电流加载前后变化：

放大后如图：

由于电感太小，无法使负载电流连续。

1 号晶闸管电压、电流；

输入电流的有效值、输入电流基波幅值、相角和输入功率因数由系统检测元件检测如下：

由图可知：

输入电流的有效值141.5A，输入电流基波幅值190.8A，相角29.25°，输入功率因数cos29.25=0.872

输出电压平均值大约为为314.8V 

理论计算值Ud=2.34U2COSα=315.2V

由于电感不可能无穷大，电感上存在压降，所以实际输出电压小于理论电压

实验总结：

本实验仿真了晶闸管三相全控桥式整流在带阻感负载下的波形，讨论了不同电阻，不同电感，不同触发角对实验结果的影响，通过计算和对负载波形的观察可以得出，实验结果在误差范围内与理论上一致。

——实用Buck变换仿真实验

原理电路

实验内容：

1、依照原理电路搭建仿真模型。

VT采用场效应管。

选择开关频率为50Hz，输入直流电压200V，电感0.2mH,电容100uF,负载基本电阻20欧姆，加载并联电阻2欧姆。

3、根据原理框图构建Matlab仿真模型。

所需元件参考下表：

仿真元件库：

SimulinkLibraryBrowser

示波器Simulink/sink/Scope

要观察到整个仿真时间段的结果波形必须取消对输出数据的5000点限制。

要观察波形的FFT结果时，使能保存数据到工作站。

仿真结束后即可点击仿真模型左上方powergui打开FFT窗口，设定相关参数：

开始时间、分析波形的周期数、基波频率、最大频率等后，点Display即可看到结果。

直流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/DCVoltageSource

设定电压。

场效应管SimPowerSystems/PowerElectronics/Mosfet

取消检测输出口

调制波（三角波）发生器Simulink/Sources/RepeatingSequence

设定为50kHz，Timevalues=[05e-610e-615e-620e-6],Outputvalues=[010-10]

常数Simulink/Sources/Constant

设定范围可在（－1，1）区间变化，初始设定值＝－0.5，对应占空比0.25

加法器Simulink/Math/add设定为-+。

过零比较器Simulink/LogicandBitoperations/CompareToZero

电阻、电容、电感SimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch

设定参数

负载切换开关SimPowerSystems/Elements/Breaker

设定动作时间

增益Simulink/MathOperations/Gain

显示Simulink/sinks/Display

电压检测SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement

电流检测SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement

平均值SimPowerSystems/ExtraLibrary/DiscreteMeasurements/Meanvalue

2、仿真设定：

ConfigurationParameters/Solveroptions

TypeVariable-stepSolverOde23s

Maxstepsize1e-6Relativetolerance1e-5，其它不变

仿真时间0.1秒。

加载时间0.07秒。

仿真电路图如下图：

2>实验结果分析:

 场效应管的稳态工作电流、二极管电流、电感电流、电感电压、输出电流、输出电压；

场效应管的稳态工作电流:

放大后：

二极管电流:

放大后：

电感电流:

放大后：

电感电压:

放大后：

输出电流与输出电压：

3>分析加载前后输出电压电流的变化。

对输出电压的平均值与理论计算值的误差进行讨论

输出电压的平均值：

由图可知，输出电压平均值为46.16V，由于占空比为25%，所以理论值为50V

实际输出出电压小于理论输出电压。

原因：

电感L并不可能无穷大，所以在电感L上存在压降。

4、增加检测观察场效应管和二极管在开关过程中的工作电压；

由上面图，导通时，场效应管的电压为23V，二极管的电压为-177V；断开后，电感L和电容C通过二极管续流，此时二极管的工作电压就为0V，而场效应管的工作电压为200V。

5、改变占空比到50%（对应常数0）重复上述实验，分析实验结果；

场效应管的稳态工作电流、二极管电流、电感电流、电感电压、输出电流、输出电压；

场效应管的稳态工作电流:

放大后：

二极管电流:

放大后：

电感电流:

放大后：

电感电压:

放大后：

输出电流与输出电压：

3>分析加载前后输出电压电流的变化。

对输出电压的平均值与理论计算值的误差进行讨论

输出电压的平均值：

由图可知，输出电压平均值为87.56V，由于占空比为50%，所以理论值为100V

实际输出出电压小于理论输出电压。

原因：

电感L并不可能无穷大，所以在电感L上存在压降。

6、增加检测观察场效应管和二极管在开关过程中的工作电压；

由上面图，导通时，场效应管的电压为23V，二极管的电压为-177V；断开后，电感L和电容C通过二极管续流，此时二极管的工作电压就为0V，而场效应管的工作电压为200V。

7、设计电压闭环，采用pi调节器通过闭环自动控制使输出电压平均值在负载变化前后自动保持为50伏电压输出。

电路原理图为：

如图所示：

调节P为0.1，I为5，采样频率为500Khz，

得到的输出电压如图：

结论：

P的影响：

增大P可以加快系统的响应速度，但是当P过大时，系统可能会变得不稳定。

当只有比例环节时，系统会有稳态误差

I的影响：

积分环节可以消除稳态误差，当I过大时，系统的超调会过大，响应速度变慢。

实验结论：

本实验仿真了实用Buck变换仿真实验，讨论了不同占空比和不同负载下的二极管电流、电感电流、电感电压、输出电流、输出电压，场效应管的稳态工作电流波形。

得到的实验结果在误差范围内验证了理论分析的结果。

同时也设计的电压环的闭环PI调节，增加了该次实验的应用性，与自控原理相结合，体现了学科交叉性。