MATLAB课设报告电动机调速系统的仿真.docx

电气工程综合实训（matlab）报告 题 目 电动机调速系统仿真 一、课程设计目的1、掌握MATLAB环境下传递函数建模和Power System模块建模的方法；2、根据控制对象的物理特性，掌握控制系统动态建模的方法和分析方法；3、了解控制系统校正的一般过程，根据被控对象的性能指标要求进行系统校正。二、课程设计内容 1、某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V、17A、1460r/min、，允许过载倍数。晶闸管装置放大系数：；电枢回路总电阻：；时间常数：，；电流反馈系数：；转速反馈系数：。设计一转速电流双闭环控制的调速系统，设计指标为电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。取电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定。仿真观察系统的转速、电流响应和设定参数变化对系统响应的影响。要求：（1）根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，按传递函数构建仿真模型；（2）按工程方法设计和选择转速和电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器。（3）设定模型仿真参数，仿真时间10s，并在6s时突加1/2额定负载，观察控制系统电流、转速响应。（4）修改调节器参数，观察在不同参数条件下，双闭环系统电流和转速的响应，（5）使用Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型，并与传递函数模型运行结果进行比较。可能会用到的公式：=供电电源电压：=. 励磁电阻为：电枢电感估算式：（c=0.4）反电势常数：电动机轴上的飞轮惯量：电动机转动惯量：额定负载转矩为：（1） 设计思路：在直流调速系统中，通过PI调节器实现的转速负反馈控制，可使系统转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响；为实现在允许条件下电机的最快起动，采用电流负反馈控制，可以获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。为了使转速负反馈和电流负反馈起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入两种负反馈机制以调节转速和电流，其中，把转速调节器（ASR）的输出当作电流调节器（ACR）的输入，再用ACR的输出去控制电力电子变换器。此处作为工程设计方法，可以将调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；第二步，在选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。为获得良好的静态和动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。 转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图（2） 参数计算过程：ACR设计过程：确定各时间常数a由查表可知，三相桥式整流装置的滞后时间常数s；b由题已知电流滤波时间常数s；c按小时间常数近似处理，取电流环小时间常数之和s。选择ACR结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计PI型ACR，其传递函数为；由于，由查表可知，各项指标均满足条件。计算ACR参数ACR超前时间常数：s； ACR开环增益：要求时，取，因此所以，ACR的比例系数为检验近似条件电流环截止频率：a校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足近似条件；b校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，满足近似条件；c校验电流环小时间常数近似处理条件，满足近似条件；综上所述，PI型ACR的传递函数为ASR设计过程：确定各时间常数a由可得，电流环等效时间常数为s；b由题已知转速滤波时间常数s；c按小时间常数近似处理，取转速环小时间常数之和为s；选择ASR结构根据设计要求，可选用PI型ACR，其传递函数为；由于，由查表可知，各项指标均满足条件。计算ASR参数根据跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ACR超前时间常数为s 由可得，ASR开环增益为由可得，ASR的比例系数为检验近似条件转速环截止频率：a校验电流环简化条件，满足简化条件；b校验转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件；校核转速超调量 当突加阶跃给定时，ASR饱和，所以此处应按照退饱和的情况重新计算超调量。当h=5时，查得，则超调量为 显然，能满足设计要求。综上所述，PI型ASR的传递函数为（3） 仿真模型与波形图（注：图要有图标）： 仿真模型： 图1-1转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真模型仿真时间10s，并在6s时突加1/2额定负载：电流调节器KT=0.5： 图1-2 KT=0.5电流波形 图1-3KT=0.5电流、转速响应波形电流调节器KT0.25时： 图1-4KT0.25 电流波形 图1-5KT0.25电流、转速响应波形电流调节器KT=1时： 图1-6KT=1电流波形 图1-7 KT=1电流、转速响应波形（4） 对结果进行分析：电流调节器KT=0.5，电压调节器h=5时的电流和转速的响应跟随性能超调小，动态跟随性能适中。电流调节器KT0.25时，可看出起动时电流响应超调减小，但上升时间变长。电流调节器KT=1时，可看出起动时电流响应超调增大，但上升时间变短。（5） 使用Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型： 图1-8Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型 图1-9Power System模块建立直流电机双闭环系统仿真波形2、转速开环SPWM控制的变频调速系统建立和仿真上图为此系统的总框图，其中spwm模块，inverter模块是经过封装的子系统模块，子系统模块需要自己搭建。提示：1）、调制波是三相正弦调制波， 其中 2）、等腰三角波可用脉冲发生器（幅值设为4，周期设为1 /1980,占空比设为50%）和一个常数2比较，得到新的脉冲，再经过积分环节，得到等腰三角形波，再经过一个增益模块（1980*2）对其进行放大，（也可以不按照我的方法，但是最后得到的仿真时长为0.01s时的三角波形需如图所示：）3）、正弦调制波模块和三角波模块组合到一起，两个信号比较后经延时（relay模块）进行大于还是小于的判断，从而得到正负半周都有的脉冲波形。正半周用来驱动逆变器的上桥臂，负半轴驱动下桥臂。4）、逆变器的仿真模块我们用3个switch模块构成等效的逆变桥，又前面生成的spwm波形送入这个逆变环节，然后送入电动机模型，而不必考虑驱动电路，因为仿真过程中没有电压，电流的概念，而是纯粹的数字来体现的电压和电流。Ud是经过整流，滤波后的直流电，在仿真中用一个常数代替。5）电机参数：额定功率2200VA，额定电压（线电压）380V，额定频率50Hz,转速1500r/min,定子电阻Ra=0.435欧，转子电阻Rr=0.816欧，定子电感Ls=0.004H，转子电感Lr=0.002H，定、转子互感Lm=0.06931，极对数np=2，转动惯量J=0.089kgm2，摩擦系数F=0，仿真类型选用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真时长1s，由于电机控制数据量较大，Scope中的记录点数限制取消。6）要求空载启动后，在0.3s时对系统突加10Nm负载，0.5s时负载突变为20Nm，0.7s时负载又突减为5Nm,记录下整个过程的相关波形图，除了图示示波器，等腰三角形子模块的波形也需要显示，所有波形图中需要标出是那种曲线。7）给出子系统的仿真图。（1） 设计思路：正弦调制仿真模型的搭建：调制波是三相正弦调制波，其中 图2-1 正弦调制仿真模型结构图 图2-2 正弦调制仿真波形等腰三角载波仿真模型:等腰三角波可用脉冲发生器（幅值设为4，周期设为1 /1980,占空比设为50%）和一个常数2比较，得到新的脉冲，再经过积分环节，得到等腰三角形波，再经过一个增益模块（1980*2）得到。 图2-3等腰三角载波仿真模型 图2-4等腰三角载波仿真波形SPWM仿真模型的搭建：将以上两个模块组合到一起，正弦和三角信号比较后经延时（MATLAB/Simulink中的Relay模块）进行大于“0”还是小于“0”的判断，这样得到了所要的正负半周都有的脉冲波形。正半周驱动六相桥的上桥臂，负半周用来驱动下桥臂。 图2-5SPWM仿真模型 图2-6SPWM仿真波形逆变器的仿真模型：逆变器的仿真模块我们用3个switch模块构成等效的逆变桥，又前面生成的spwm波形送入这个逆变环节，然后送入电动机模型，而不必考虑驱动电路，因为仿真过程中没有电压，电流的概念，而是纯粹的数字来体现的电压和电流。Ud是经过整流，滤波后的直流电，在仿真中用一个常数代替。 图2-7逆变器的仿真模型（2） 参数计算过程：额定功率2200VA，额定电压（线电压）380V，额定频率50Hz,转速1500r/min,定子电阻Ra=0.435欧，转子电阻Rr=0.816欧，定子电感Ls=0.004H，转子电感Lr=0.002H，定、转子互感Lm=0.06931，极对数np=2，转动惯量J=0.089kgm2，摩擦系数F=0，仿真类型选用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真时长1s，由于电机控制数据量较大，Scope中的记录点数限制取消。输入逆变器的整流电压取：UdV。电机参数设置：（3） 仿真模型与波形图（注：图要有图标）：仿真模型： 图2-8转速开环SPWM控制调速系统仿真模型仿真波形： 图2-9负载变化曲线 图2-10转速n波形 图2-11电磁转矩Te波形 图2-12转子电流Ir波形 图2-13定子电流Is波形 （4） 对结果进行分析：空载起动，电磁转矩较大但存在一定波动，转速快速上升，大约经过0.15s达到稳定1500r/min，转子电流正负变化趋近于0，定子电流稳定后为三相对称电流；在0.3s时对系统突加10Nm负载，转速下降，电磁转矩上升；0.5s时负载突变为20Nm，转速下降，电磁转矩上升；0.7s时负载又突减为5Nm，转速上升，电磁转矩下降。可见，开环控制转速有静差。3、 课程设计总结短短的一周matalab课程设计，让我得到最大的心得和体会是：有时候一件挺简单的事，想象起来应该是挺容易办到的，但是实际操作起来因为自身缺乏的知识太多而遭到处处碰壁，在此次课程设计中，我真真切切感觉到matalab强大的功能，第一次让我感觉到什么叫做学以致用，以及让我体会到理论与实际直接的结合，让我掌握了matalab环境下传递函数建模和Power System模块建模的方法，我觉得matalab真的是一门很强大的工具，我想在以后的学习以及工作中将受益无穷。 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂