交直流调速报告

1、 交直流调速系统综合实验报告姓 名： 班 级： 学 号： 设计题目： PWM 直流电源驱动的 双闭环直流调速仿真实验 时 间： 2016年 7月17日 综合实验成绩： 交直流调系统综合实验课程设计任务书一、基本数据在本实验的双闭环直流调速系统中，直流电机的参数为额定功率（Kw）：学生学号*2额定电压：200V额定转速：1000r/min空载转速：1100r/min转动惯量：学号*0.05kg·m2母线电压：300V变流器：采用H桥，双极可逆PWM驱动；开关频率为10KHz；二、计算以下参数已知 忽略主电路中除电枢绕组以外的电机电阻和电感;转动惯量： GD2=0.05kg·m

2、*17=0.85kg·m2；飞轮惯量： GD2=0.05kg·m*17*4*9.8=33.32kg·m2;电流滤波器时间常数： Toi=0.4ms;转速滤波器时间常数： Ton=1ms;额定功率： PN=17*2=34KW;额定电压： UN=200V;电磁时间常数： Tl=Ta=0.011s;ASR的限幅值： Uim=10V;ACR的限幅值： Uctm=10V;求得 额定电流： IN=934A;反电动势系数： Ce =0.182;转矩系数： CM=9.55*0.182=1.74;电流反馈系数： =1;转速反馈系数： =1;电枢绕组电阻： Ra=0.01927 ;电

3、枢绕组电感： La=Ra*Tl=0.000212H;整流器平均失控时间： Ts=0.00005s;机电时间常数： Tm=0.00549s;整流器的放大倍数： Ks=17;电流环合并处理： Ti=Ts+Toi=0.00045s;三、系统框图本仿真实验所涉及的双闭环调速系统的控制系统框图如图1所示。图1 双闭环调速系统的控制系统框图在控制系统中，转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，使用PI调节器，则可实现无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随

4、其给定电压的变化；对电网电压的波动起及时抗扰的作用；在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程；当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。Transfer Fcn和Transfer Fcn2分别是转速环和电流环的的给定滤波器，这个滤波器可以抵消减少系统的超调量。四、设计电流调节器1、电流调节器的选型典型I型系统 由于电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而，在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好，所以，应该把电流环校正成典型I型系统。典型I型系统的响应指标不论从超调量还是从快速性

5、ts都比典型型系统的性能指标好。2、画出电流环的系统框图未经过简化的电流环的结构如图2所示。 图2电流环框图3、确定电流调节器的传递函数 电流调节器传递函数 WACR)(s)=简化电流环闭环传递函数 W(cli)(s)=为什么用PI调节器 比例调节器是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,积分调节可使系统消除稳态误差,提高无差度。当有误差时,积分调节就进行积分,直至无差,积分调节停止,所以其输出量的稳态值与输入无关，而是由它面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值,它就能提供多少，直到饱和为止。4、确

6、定电流调节器的参数由于电流环使用典型型系统，所以选择调节器的WACR (s)=，根据典型型系统的二阶最佳设计法的公式可以计算电流调节器的参数=Tl=0.011=0.00774 WACR(s)= 五、设计转速调节器1、转速调节器的选型典型型系统 典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。且典型型系统能实现稳态无静差跟踪。2、画出转速环的系统框图未经过简化的转速环的结构如图3所示。 图3转速环框图3、确定转速调节器的传递函数转速调节器传递函数 WASR(s) = 简化转速环开环传递函数为什么用PI调节器 比例调节器是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差

7、。比例作用大,可以加快调节,减少误差,积分调节可使系统消除稳态误差,提高无差度。当有误差时,积分调节就进行积分,直至无差,积分调节停止,所以其输出量的稳态值与输入无关，而是由它面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值,它就能提供多少直到饱和为止。4、确定转速调节器的参数由于电流环使用典型型系统，所以选择调节器的WASR (s)=，根据典型型系统的三阶最佳设计法（最小谐振峰值法）的公式取中频宽度h=5=5*(TON+2*Ti)=5*(0.001+0.0009)=0.0095=23.724所以WASR(s)= 六、仿真实验根据以上设计用MATLAB Simulink平台搭建双闭环直

8、流调速系统的仿真程序，仿真程序如图4所示。图4双闭环直流调速系统的仿真平台将双闭环的仿真模型的变流器部分和电机部分换成真实的电机，用PWM驱动H桥来将母线电压降压，经过滤波后为直流电机供电，用电流环的输出Uct作为PWM模块的调制信号，载波频率为10KHZ，使系统稳定时的PWM的的占空比为0.67，同时为电机的转速输出增加一个60倍放大器来统一转速的单位，其他部分的参数与模块与双闭环系统一样。1、直流电机的仿真模型采用SymPowerSystems工具箱中提供的直流电机模型，针对本实验直流电机模型的参数设置如图5所示，具体参数见表1。序号参数名称参数值1电枢绕组电阻 Ra0.0193；2电枢绕

9、组电感 La0.000212H3反电动势系数 Ce转矩系数 CM1.81.854转动惯量GD21 kg·m2表1直流电机模型参数 图5 直流电机的参数设置图2、电流环阶越响应实验电流调节器使用限幅的PI调节器，如图6所示。对限幅的PI调节器的工作原理进行解释。写出参数。图6 限幅的PI调节器原理：带限幅值PI调节器在输入信号时，比例调节器先起作用将输入的信号立即放大，这样可以实现信号的迅速响应，而积分调节器的反应时间比较缓慢，它对输入的信号进行积分，积分得到的效果与比例调节器的作用累加，如果调节器的工作时间足够长或者比例调节器的放大倍数过大，可能导致PI 调节器输出的信号过大，可能会

10、超过接收信号模块的最大值，导致损坏接受模块，所以在PI调节器的输出端加一个限幅环节，当输出信号过大可以将信号限制在一定的幅值下，可以保护信号接收模块。电流调节器ACR的输出限幅是Uctm，它对应于晶闸管 整流器输出电压的最大值，故Uctm需满足触发器移 相范围的要求。PI限幅值的作用：饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值,输入量的变化不再影响输出，除非有反向的 输入信号使调节器退出饱和。 不饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏 差电压在稳态时总是零。电流环阶越响应如图7所示。对图中的曲线进行说明，包括超调量、上升时间等等，与理论结果进行比较。对比较结果进行分析。图

11、7 电流环阶越响应由图可以得到电流环电流曲线实际的 上升时间（10%-90%）Tr=0.2905s 超调量为（%）=（1646.56-1372.13）=1.127%根据最佳设计法得到性能指标理论的 上升时间（10%-90%）Tr=0.3s 超调量为（%）=1.13%误差分析：比较可以得到理论值与实际值发现存在一些很小误差，这可能是在设计电流环参数时，近似处理传递函数导致的，也有可能是仿真的误差与计算的误差导致。3、双闭环直流调速系统的转速环阶越响应转速调节器使用限幅的PI调节器，如图8所示。对限幅的PI调节器的工作原理进行解释。图8限幅的PI调节器原理：带限幅值PI调节器在输入信号时，比例调节

12、器先起作用将输入的信号立即放大，这样可以实现信号的迅速响应，而积分调节器的反应时间比较缓慢，它对输入的信号进行积分，积分得到的效果与比例调节器的作用累加，如果调节器的工作时间足够长或者比例调节器的放大倍数过大，可能导致PI 调节器输出的信号过大，可能会超过接收信号模块的最大值，导致损坏接受模块，所以在PI调节器的输出端加一个限幅环节，当输出信号过大可以将信号限制在一定的幅值下，可以保护信号接收模块。同时也可以减小型系统的超调量。在转速环ASR中,带限幅值得PI调节器的另一个重要的作用就是保证在双闭环直流调速系统中，可以使电机以最大的电流启动，提高启动速度。故其限幅值整定的大小完全取决于 电动机

13、的过载能力和系统对最大加速度的需要。PI限幅值的作用：饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值,输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。 不饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏 差电压在稳态时总是零。转速环阶的越响应如图9所示。对图中的曲线进行说明，包括超调量、上升时间等等，与理论结果进行比较。对比较结果进行分析。图9转速环阶的越响应由图可以得到转速环速度曲线实际的上升时间（10%-90%）为Tr=0.293s调节时间（达到稳定误差带）Ts=0.2905s超调量为（%）=1.13%根据最佳设计法得到性能指标理论的上升时间（10%-90%）Tr=

14、0.295s调节时间（达到稳定误差带）Ts=0.3s超调量为（%）=1.127%误差分析：比较可以得到理论值与实际值发现存在一些很小误差，这可能是在设计转速环参数时，近似处理传递函数导致的，也有可能是仿真的误差与计算的误差导致。4、双闭环直流调速系统的抗负载扰动实验。双闭环直流调速系统的抗负载扰动曲线如图10所示。对图中的曲线进行说明，包括超调量、上升时间等等，与理论结果进行比较。对比较结果进行分析。双闭环直流调速系统的带负载启动 图10抗负载扰动动态曲线由图可以得到转速环速度曲线实际的 起动时间Tq=0.002 上升时间（10%-90%）为Tr=0.293 恢复时间（起动减调节时间）Tf=0

15、.315 调节时间（达到稳定误差带）Ts=0.3s 超调量为（%）=1.12%根据最佳设计法得到性能指标理论的 起动时间Tq=0 恢复时间（起动减调节时间）Tf=0.3 调节时间（达到稳定误差带）Ts=0.3 超调量为（%）=（1646.56-1372.13）=1.127%误差分析：比较可以得到理论值与实际值发现存在一些很小误差，这可能是在设计电流环参数时，近似处理传递函数导致的，也有可能是仿真的误差与计算的误差导致。加入电机后的仿真图像T=0.3s增加扰动七、实验总结通过这次实验我更加深刻了解了双闭环直流调速系统的基本组成以及静态和动态特性，通过对电流环和转速环的设计更加熟悉了电流环和转速环选型的的理论依据和设计参数的计算的方