电气工程方向专业设计-电压负反馈单环调速系统的仿真文档格式.doc
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电压负反馈单环调速系统的仿真
指导教师：
设计要求：
1、原理图设计
2、选择元器件
3、运用MATLAB软件画出仿真图
4、设置各元器件的参数
5、仿真出系统的波形图
方向设计学生日志
时间
设计内容
11.10—11.12
审题，分析设计入手方向
11.13—11.15
查看资料，复习运动控制相关知识
11.16—11.17
画出电压负反馈单环调速系统的原理图
11.18—11.22
学习MATLAB应用技术，并分析如何实现仿真
11.23
查看电力电子技术相关知识，并开始初步布置仿真图
11.24
完成仿真图，初步设置参数
11.25—11.29
调试各器件的参数，仿真出理想的波形
11.30—12.04
撰写设计报告
12.05
准备答辩
电压负反馈单环调速系统的仿真
一、摘要
电压负反馈调速是比转速负反馈调速更简单和容易实现的一种调速方式。
在电动机转速不
很低时，电枢电阻压降比电枢端电压要小得多，因而可以认为，直流电动机的反电动势与端电压近似相等，或者说，电机转速近似与端电压成正比。
在这种情况下，就可以通过检测电压、反馈电压来进行调速。
电压负反馈调速系统实际上只是一个自动调压系统，只有被反馈环所包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小了，而对反馈环外的电枢电阻速降无能为力。
为了分析电压负反馈在电机调速系统中的应用，我特地对电压负反馈单环调速系统进行了仿真。
二、设计目的和意义
1）了解电压负反馈单闭环调速系统的工作原理及其组成；
2）掌握电压负反馈单环调速系统的设计方法和调试技术；
3）加深了解电压负反馈在调速系统中的应用；
4）了解MATLAB在电气工程与自动化专业中的应用；
5）学会应用MATLAB仿真技术解决一些问题；
6）通过此设计培养实际动手能力和解决问题的能力。
三、设计原理
1、晶闸管
abc
图1晶闸管
a晶闸管模型b晶闸管模型分解方法c晶闸管工作原理
晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图1所示。
如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看成由两个晶体管V1、V2构成，如图1b所示。
如果外电路向门极注入电流Ig，也就是注入驱动电流，则晶闸管导通。
此时如果撤掉外电路注入门极的Ig，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态。
而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的电压，或者给阳极施加反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降低至接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断
2、V—M系统
图2晶闸管－电动机调速系统原理图
图2为晶闸管－电动机调速系统（V－M系统）原理图。
图中VT是晶闸管可控整流器，
通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。
在V－M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。
为了避免和减轻这种影响，需采用抑制电流脉动的措施。
在这次仿真中，我采用的方法是设置平波电抗器。
另外，只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。
3、PI调节器。
图3PI调节器线路图
PI调节即是指比例积分调节。
图3为PI调节器的线路图。
工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
（2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
4、电压负反馈直流调速。
调速系统中为了提高系统的动静态特性，必须采用闭环控制系统，电压负反馈单环调速系
统是一种常用的形式。
图4为电压负反馈直流调速系统原理图。
图4电压负反馈直流调速系统原理图
图中做为反馈检测元件的只是一个起分压作用的电位器（或是其他电压检测装置）。
从电压检测装置中引出的电压负反馈信号Uu=γUd（γ为电压反馈系数），Uu与给定电压Un*比较后得到偏差电压ΔU，ΔU经过放大器，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc，用以控制电动机的转速。
这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。
图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或单项）交流电源，输出为可控的直流电压Ud。
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按照被调亮的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
由于在电机转速不很低时，可以看做电机转速和端电压成正比，所以可以通过直接调节电机端电压来实现调节转速。
当电机端电压变化时，系统会自动纠正此偏差，从而达到调速的目的。
图5为比例控制电压负反馈直流调速系统稳态结构框图。
利用结构图运算规则，可以分别求出只有给定输入或者扰动输入部分的输入输出关系，叠加起来，即得电压负反馈直流调速系统的静特性方程式
n=KpKsUn*/Ce（1+K）－RpeId/Ce（1+K）－RaId/Ce
（1）
式中
K=γKpKs
（2）
由稳态结构框图和静特性方程式可以看出，因为电压负反馈系统实际上只是一个自动调压系统，所以只有被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到1/（1+K），而电枢电阻速降RaId/Ce处于反馈环之外，其大小仍然和开环系统一样。
显然，电压负反馈系统的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差一些。
在实际情况中，为了尽量减小静态速降，电压负反馈信号的引出线应该尽量地靠近直流电动机的电枢两端。
图5比例控制电压负反馈直流调速系统稳态结构框图
需要指出的是，电力电子变换器的输出电压除了直流分量Ud外，还含有交流分量。
把交流分量引入运算放大器，非但起不到调节作用，反而会产生干扰，严重时会造成放大器局部饱和，从而破坏了它的正常工作。
为此，电压反馈信号必须经过滤波。
四、详细设计步骤
1、根据原理图分析如何实现仿真。
根据自动控制原理，一个电压负反馈单闭环控制系统可以简单地以图5表示。
图6闭环系统方框图
图6中，调节器如果采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要消除上述误差，则应该选用PI（比例积分）调节。
对比图4和图5可见，电压负反馈单闭环调速系统由电压比较环节、放大器、晶闸管整流器与触发装置、直流电动机和电压检测装置等部分组成。
在仿真中，给定和负载可以用Constant模块实现，比较环节可以用加法器Sum实现，放大环节由PI调节器实现，晶闸管的触发装置用脉冲触发器模块实现，晶闸管和电动机组成一个V-M系统。
2、根据分析结果在MATLAB中画出仿真图。
（1）、打开MATLAB软件，运行SIMULINK，弹出SimulinkLibraryBrowser对话框；
（2）、在SimPowersystems库的Electrical子库中选取3个ACVoltageSource作为三相交流电压源，从Elements子库中选取3个Ground分别与交流电压源的负极相接；
（3）、将PowerElectronics子库中的晶闸管整流器UniversalBridge拖到仿真页面，将3个交流电压源的正极分别接到晶闸管整流器的A、B、C端；
（4）、从Elements子库中选取一个SeriesRLCBranch作为平波电抗器，从Machines中选取直流电动机DCMachine，从ElectricalSources子库中选取直流电源DCVoltageSource作为电动机的励磁电源。
将选取的器件连接好；
（5）、从Simullink库的CommonlyUsedBlocks子库中选取示波器Scope连接到电动机的输出端，以便观察输出波形；
（6）、从电动机输入端引出反馈环节。
反馈环节用到器件Gain、电压表VoltageMeasurement、加法器Sum，这些器件都能在SimpowerSystems库和Simulink库的CommonlyUsedBlocks子库中找到；
（7）、在以上两个库中找到并选取Constant作为给定和负载、PI调节器DiscretePIcontroller、限幅器Saturation并连接；
（8）、设置脉冲触发器Subsystem。
其设置如下：
图7同步脉冲触发器和封装后的子系统模块
（9）、将给定和比较环节、放大环节、限幅器与脉冲触发器依次连接，并将脉冲触发器连接到晶闸管整流器的g级。
其中脉冲触发器还要和三相交流电源相连接；
（10）、从电动机的输入端引出示波器，以便观察端电压。
最后连接好的仿真图如图8：
图8电压负反馈单闭环调速系统仿真图
3、设定参数。
1）、直流电动机参数设置如下图所示。
选用30HP240V1750RPMField:
300V的电机进行
模拟实验，起始转速设置为0。
图9直流电动机参数设置
2）、PI调节器参数设置。
图10PI调节器参数设置
3）、平波电抗器参数设置。
选用RL模块，具体参数为R=0.03Ω，L=0.15H。
图11平波电抗器参数设置
4）、三相电压源设置。
三相电压源的相位互相相差120°
，其中A相的设置如下图。
图12A相电压源设置界面
5）、晶闸管参数设置。
图13晶闸管参数设置界面
4、调试和记录结果。
设置好参数后，检查是否有所疏漏。
然后点击装载图标，若没有提示错误，则证明仿
真图可行，点击示波器查看波形。
若波形图不理想，则调节PI调节器参数和平波电抗器的参数，直到得到理想波形为止。
若在装载时有提示错误，点击open，打开错误，则在仿真图中的有错误模块会有提示，改正错误后重新装载，直到无错误提示为止。
分析并记录结果，比较各种参数下的波形图，分析原因。
五、设计结果及分析
当给定电压为50V，负载为100KΩ时，电动机的转速Wm、电动机电流Ia、励磁电流If、转矩Te的波形如图14所示。
由图可以看出，当负载过大时，在仿真图里的转速一开始是负的，即电机是先反转再正转，这在实际生产中是不允许的，减轻负载可以避免这个情况。
如图15为给定电压为50V，负载为30KΩ时的波形图，从中可以看出，当负载减轻时，电机转速从0开始逐渐上升，当上升到最大值时，又开始下降，达到平衡后稳速运行。
电机负载过大时为什么会反转启动呢？
我分析认为，在电机没有启动的时候，我们可以把电机看成已经处于一个平衡状态，电机启动的瞬间，由于负载过大，而电机的转矩和电流都还很低，电机在惯性作用下被负载带动反转，当一段时间后，电机转矩和电流都增大到一定程度，可以拉动负载，从而使电机正转，最后达到平衡状态，电机稳速运行。
图14负载过大时的波形图
图15负载减轻后的波形图
图16为电机输出在示波器中分屏显示和同屏显示的波形图。
在4S时人为地改变负载，将负载从原来的30K欧姆改为60K欧姆，我们可以从图15中看出，在负载改变时，电机的转速n、电枢电流Ia、转矩Te均发生了改变。
负载变大时，转速下降，电机电流和转矩都上升，励磁电流不受负载的影响。
但相对于开环调速系统来说，闭环调速的转速变化并不是很大。
这就是闭环调速相对于开环调速的优势。
图164S时改变电机负载后的n、If、Ia、Te波形图
另外，从电机输入端引出的电压反馈信号波形如下图。
图17反馈电压信号波形
图18和图19分别是系统稳定后的波形图和系统整个仿真过程波形图。
图18系统稳定后的波形图
图19系统整个仿真过程波形图
从图中可以看出，系统稳定后，转速是一个恒定值，电机电流和转矩在一定范围内震荡。
六、总结
电压负反馈单闭环调速系统相对于转速负反馈单闭环调速系统来说，其稳态性能要差一些。
但是，要实现转速负反馈必须有转速检测装置，例如测速发动机，以及电磁脉冲测速器等等，其安装和维护都比较麻烦，常常是系统装置中可靠性的薄弱环节。
因此，对于调速指标要求不高的系统来说，电压负反馈是一个不错的选择。
总之，在实际生产中，电压负反馈比之转速负反馈更容易实现，对经济条件的要求不高，更适用于低精度要求的生产系统中。
七、体会
从本次设计中，我学到了simulink仿真的一些方法，更加深入的了解了matlab这款非常优秀的数学软件。
仿真过程可以说是很令人烦恼的。
无数的参数需要设置，各种元件的搭建，都是对我平时所学知识的检验。
由于以前并没有使用过simulink仿真，所以在实验的时候也出现了很多问题，主要体现在元件不熟悉，参数设置等方面。
虽然这次的实验基本完成，但其中也存在着许多不足之处，在以后的学习中，我将更加深入的学习这款软件，以期在毕业的时候能够更好的掌握simulink仿真技术，在工程应用上取得更好的成绩。
另外，通过本次专业方向设计，我对于电气工程方向的知识有了更多的了解。
在设计过程中，有许多模糊的知识点需要重新去学习。
在不知不觉中发现，许多原来不懂的知识点现在竟然都能理解了。
特别是对于直流调速系统方面有了更深入的了解。
通过这次设计，我不但对于电压负反馈单闭环调速系统有了更深入的认识，而且还学到了此设计内容相关的许多知识，知道了什么是电压反馈调速，懂得了转速反馈调速的原理，更加深入地了解了电机控制、PI调节器的设计等。
同时，通过对MATLAB软件的使用，我还懂得了如何利用软件解决电气工程中的问题，对于MATLAB在电气工程和自动化专业中的应用有了更多的了解。
总之，这次设计不但丰富了我的理论知识，还锻炼了我的实际动手能力，在这里我要衷心感谢我的指导老师李丽老师和那些为我解答疑问的同学，是他们使我少走了许多弯路的同时学到了更多的知识。
八、参考文献
[1]王忠礼、段慧达、高玉峰.MATLB应用技术—在电气工程与自动化中的应用.清华大学出版社2007.1
[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第三版）.机械工业出版社.2003.7
[3]王兆安.电力电子技术（第四版）.机械工业出版社.2000
[4]毕效辉.自动控制理论.中国轻工业出版社.2009.8
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