电机控制大作业直流电机双闭环调速

1、实验报告 专业: 姓名: 学号: 日期: 地点: 电气工程与自动化 同组学生姓名: 课程名称：电机控 指导老师:年珩 成绩: 直流电机双闭环调速 实验名称： 直流电机双闭环调速实验类型： 一、实验目的和要求（必填） 三、主要仪器设备（必填） 五、实验数据记录和处理 七、讨论、心得 二、实验内容和原理（必填） 四、操作方法和实验步骤 六、实验结果与分析（必填） 1、 2、 3、 1、 2、 3、 4、 1、 2、 实验内容 A码叫户 叫（电流负反馈） i 触发器 CF 速度i周节器5T电流调节器LT +/八/ 实验目的和要求 加深对直流电机双闭环PWM调速模型的理解。 学会利用MATLAB中的S

2、IMULINK工具进行建模仿真。 掌握PI调节器的使用，分析其参数对电机运行性能的影响。 6（速度贯反） 描述Chopper-Fed DC Motor Drive中每个模块的功能。 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。 转速PI调节器参数对电机运行性能的影响。 电流调节器改用PI调节器后，对电机运行调速结果的影响。 主要仪器设备和仿真平台 MATLABR2013a Microsoft Officials Word 2013 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 参考Matlab自带的直流电机双闭环调速的 SIMULINK仿真模型： demo/

3、simulink/simpowersystem/Power Electronics Models/Chopper-Fed DC Motor Drive Chopper-Fed DC Motor Drive (Continuous) 士 习 ead ;he 陆del Prooetres for rrtnalEsbcr dsa 詬 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。 囤 Constant 恒转速给定可由以下窗口修改设置： Source Block Parameters: Ref. Speed (rad/s) Output

4、 the constaxxt specified by the Constant walue parameter. If Constant value* is a vector and * Irrterpret vector parameters as 1-D* is oHj treat the constant value as a 1-D arr. Otherwise output a matrix with the saint di mens ions as the const ant value. Main Signal Attributes Constaxxt value: 120|

5、 0 Interpret vector parameters as 1-D Sampling mode: Sample based 2ajnple time: inf OE Cancel Help Apply 阶跃转速给定可由以下窗口修改设置: Source Block Parameters： Speed Step St op Output a step* Paramfit ers Step tine: Sanple time: 0 V Interpret vectoi pziamstsrs as 1-D | Enable leto-crossinc detection OK Cafticel

6、 Help Apply 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 0.4so 1.2转矩给定模块 forque 15： 方 que Ship Li Torque selecticfi 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： 囤 Constant Source Block

7、Parameters： Torque N,in) Output the ccnst arrt specified by tht Const ant valLu paraietet. If 匸cnstairt value is a vector and Interpret sector pavaneters as I-D is an, treat the constant value as a l-D array. Othtiwise, output a latrix with the same dimensions as the ccnsairt value* Kain S i gjial A

8、t t rihut b s Constant value: 忖 3 Interpret vector paraneters as J-D Sanpling nod匕 t Sanplb b 且sed Sanpls tine: inf OK I I Cancel Help I Apply 阶跃转矩给定可由以下窗口修改设置: Source Block Parameters: Torque Step Step Output a step. P ar meters St ep time: Inilial value: Final value: 25 Sample 1ime: 0 0 Interpret

9、vector parameters as 1-D 0 Enable zero-crossing detection OK Cancel Help Apply 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1.2 h/2| -h/2 Output when on: Output when off: Input precessing: Inherit ed 0 Enable zerocr

10、ossine detection Sanpl time (-1 for inherited): -1 OK Cancel Help Apply 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。 H Function Block Parameters: Current Controller Sub syst em Ciaask) Hysteresis Current Controller Parameters Hysteresis band (A) I OK Cancel Help Apply 1.5 PW

11、M波生成模块 1a :E Vdc * 2S0 V Gto ( 1 E 1 其内部结构如下: GTO Switch (SWITCH -T- U switch vf -T- VF flate Goto 7A1L Hail Mode) Uentir-* 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(Co ntinu ous )模块

12、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: Block Parameters: Gto Parameters Resistance Ron 0. 0b| (Ohms): Induct ance Lcn (H): Forward volt age Vf (7): Current 10% fall time Tf (s): le-6 Current ta订 time Tt (s): le-6 Initia

13、l current Ic (A): Snubber resistance Rs COkms): le4 Snubber capacitance Cs (F): inf Show Measuremenl port OK Cancel Help Apply Curre nt 10% fall time Resista nee Ron为晶闸管元件内电阻，In ducta nee 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， 为电流下降到10%的时间，Current tail time为电流拖尾时间，Initial eurrent le 为初

14、始电流，Sn ubber resista nee Rs为缓冲电阻，Sn ubber cap aeita nee 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： 囤 Block Parameters; DC Machine 5 HP/ 240 V Inp lent ent s a (wauiid-fieid or peimanjent magnet J JXJ machine. For the vound-field DC ma

15、chine, access is provided la the -field cQpnEcticns sc that the machine be used as a ieparatily SKcitadj shunt-conusrtad or a sifts-connftct*d DC lachine. ConfigurationParanet erg | Adyancgd | Arnafturs resist ance and induct arice Ra (ohns) La CH) 0.5 OhOI Field rasist ance and inductanca E (ahns)

16、Lf (H) 240 1201 Fie Id-armature mutual inductance Laf (H: 1.23 lot al inertia J (kg.m2) 0.05 Viscous friction coeff icieirt E* (H. n. s) 0.0? Coulomb friction torque Tf (K.n) Initial speed (rad/: OK Cancel Help Apply 由图可得，可由 Armature Resista nee And In ducta nee设置电枢绕组电阻和电 感，Field Resista nee And In

17、ducta nee设置励磁绕组的电阻和电感，Field-Armature Mutual In ducta nee Laf设置励磁绕组和电枢绕组的互感，Total In ertia J设置转动 惯量，Viseous Frietion Coeffieient Bm 设置粘滞摩擦系数，Coulomb Frietion 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.mA2 等

18、参数。 1.7速度和电流反馈模块 wfnp詛詳 AnTBture curent la (Ap 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: Fuinction Block Parameters: Filter Transfer Fen The nujiierator coefficient can be a vector or matrix expression. The denominator coefficient must be a v

19、ector. The output width equals the number of rows in the numerator c口efficient. You should specify the coefficients in descending： order of povers of s P arameters Numerat or coefficienls: 11 Denominator coefficients; le-5 1 Absolute tolerance: auto State Name: (e. g., position) OK Cancel Help Apply

20、 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*10A(-5)+1)。 1.8示波器模块 la Vd Spd 如! 吋沪 Soope 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 Scope (1)恒转速、恒转矩给定 n 百孔B fl茸 415 3001 .11.111 m- 忖I刪HB血恤 讥岫 iaiiiiimuiHiq 5 D.5 I4 *0 20 Q wnlibdl 150-

21、 50- L Ttearw (1 as 1.5 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

22、，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。 B Scope bb 后瞎讯氐国苍B fl (3)恒转速、阶跃转矩给定 HiB as 20 as 15? as 1.5 的,仆匚 EiWimTEWXi*! rt iZZrJn trnrfnfrrTKrMi I刪 Ni删 1删 MliMiniBiiifflMfflililBilBl 25 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

23、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 Scope :刪 IHH1N 0.5 I* 20 as 1.S 冷覇隔和呵ifVT JFJV * 屮 uWWiB - 20 - Q5 1.5 25 SpKdvwn|ibd 1.5 as 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

24、数Kp，将其由1.6增大至16 a PI controller (mask) Function Block Parameters: Speed ControllerH Proportional-Integral Speed Controller Parameters Proportional gain (Kp) 16| Integral gain (Ki) le Current OK Cancel Help Apply 30 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

25、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 X 囤 Function Block Parameters: Speed Controller PI conir口Iler (mask) Preportional-Integral Speed Controller Paramelers Proport ional gain (Kp) 1.6| Integral gain (Ki) Current limit (A) 30 OK Cancel Help Apply Scope am 25 40 20卜 i5 活 pM VM 1*0邯 IDO 15 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。 枷 1册皿lilfBiMBMIi 輒卿 HBUBP / 4、电流调节器改用PI调节器后