电机控制大作业直流电机双闭环调速

实实验验报报告告 课程名称 电机控 指导老师 年珩 成绩 实验名称 直流电机双闭环调速 实验类型 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 一 实验目的和要求实验目的和要求 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 二 实验内容实验内容 专业 电气工程与自动化 姓名 学号 日期 地点 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 三 三 主要仪器设备和仿真平台主要仪器设备和仿真平台 1 MATLABR2013a 2 Microsoft Officials Word 2013 四 四 实验步骤及分析实验步骤及分析 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 即从图中可得出 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 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 30A 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 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 Field 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 05Kg m 2 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 电机运行性能仿真 2 1 默认参数下进行仿真 1 恒转速 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 五 五 实验心得实验心得 由于对利用 Matlab 来进行建模仿真的操作还不够熟悉 在开始实验的初期