电力拖动控制系统实验指导书电气20132

吉林化工学院实验指导教材

《电力拖动控制系统》

实验指导书

李艳

自动控制系统实验指导书

自动控制系统实验指导书

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2

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I

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目录

实验一Matlab仿真认识实验

2

实验二单闭环直流调速系统MATLAB仿真

4

实验三双闭环直流调速系统MATLAB仿真

6

实验四PWM调速系统的MATLAB仿真

9

实验五双闭环控制的直流脉宽调速系统（H桥）

11

实验六三相正弦波脉宽度调制（SPWM）变频原理实验

16

实验七三相空间电压矢量变频原理实验

17

实验八位置随动系统综合实验

18

附注

21

1数字随动系统实验程序说明

21

2数字随动调试报告

22

实验一Matlab仿真认识实验

实验目的

1.熟悉MATLAB中的sinulink仿真的Powersystem库的元器件；

2.掌握直流电动机的模型；

3.掌握开环直流调速系统的原理及仿真。

4.掌握基本电力电子器件的应用

二、实验原理

1.直流电动机的数字模型及模块

SimPowersystem/machine/DCmachine

2.开环直流调速系统

三、实验内容

基本数据如下：

电动机：150kW,1000r/min,700A,0.05Ω；Ld=2mH,Rd=0.08;Ce=0.185,Cm=0.18;Tm=0.8s;Tl=0.025s

三相全控桥整流：Ks=23；Ts=0.0017；

Ce=0.185,Cm=0.18;Tm=0.8s;Tl=0.025s

四、实验步骤

1．根据原理和内容搭建电路模型；

2．设置各元器件的参数；

3．设置仿真参数：仿真时间设为0——1s；计算方法为ode15或ode23tb。

4．仿真实现。

元器件清单：

元器件名称

提取元器件路径

同步6脉冲发生器（Synchronized6-PulseGenerator）

SimPowerSystems/ExtraLibrary/ControlBlock/Synchronized6-PulseGenerato

多功能桥式电路模型（UniversalBridge）

SimPowerSystems/PowerElectronics/UniversalBridge

直流电机(DCMachine)

SimPowerSystems/ExtraLibrary/AdditionalMachines/DCMachine

五、实验报告

1.绘制仿真电路图及输出波形图(波形要求的白底)；

2.分析开环调速系统的特性，负载变化时速度如何变化；

实验二单闭环直流调速系统MATLAB仿真

一、实验目的

1.掌握单闭环直流调速系统的原理及组成；

2.掌握单闭环直流调速系统的仿真。

实验原理

α

PI

1/Ce

三、实验内容

基本数据如下：

直流电动机：220V，55A，1000r/min.Ce=0.192Vmin/r.允许过载倍数为1.5；

晶闸管装置放大系数：Ks=44；Ts=0.00167s；

电枢回路总电阻：；

时间常数：；

转速反馈系数：；

给定电压为10V

四、实验步骤

1．根据原理和内容搭建电路模型；

2．设置各元器件的参数；

Step:steptime=’0’finalvalve=’10’

Intergrator的限幅值为正负10

Kpi=0.25,1/τ=3;Kpi=0.56,1/τ=11.43;Kpi=0.8,1/τ=15;

3．设置仿真参数：仿真时间设为0.06s；计算方法为ode15或ode23。

4．仿真实现。

五、实验报告

1.绘制负载电流为零时电流及转速输出波形；

2.绘制负载电流为额定电流时电流及转速输出波形；

3.并讨论P及PI调节器参数对系统的影响。

step

Simulink/sources

‘0’‘0’‘10’‘0’

Integrator

Simulink/continuous/

‘0’‘10’‘-10’

TransferFcn

Simulink/continuous/

gain

Simulink/mathoperations

sum

Simulink/mathoperations

+-

实验三双闭环直流调速系统MATLAB仿真

一、实验目的

1.掌握双闭环直流调速系统的原理及组成；

2.掌握双闭环直流调速系统的仿真。

二、实验原理WASR

WACR

β

α

实验内容

基本数据如下：

直流电动机：220V，136A，1460r/min.Ce=0.132Vmin/r.允许过载倍数为1.5；

晶闸管装置放大系数：Ks=40；Ts=0.0017s；

电枢回路总电阻：；

时间常数：；

电流反馈系数：；

电流反馈滤波时间常数：；

电流反馈系数：；

转速反馈系数α=0.007vmin/r

转速反馈滤波时间常数：

设计要求：设计电流调节器，要求电流无静差，电流超调量。转速无静差，空载起动到额定负载转速时转速超调量。并绘制双闭环调速系统的动态结构图。

四、实验步骤

1．根据原理和内容搭建电路模型；

2．设置各元器件的参数；

3．设置仿真参数：仿真时间设为0.06s；计算方法为ode15或ode23。

4．仿真实现。

五、实验报告

1.Idl=0和Idl=136A时电流和转速的输出波形

2.讨论PI调节器参数对系统的影响.

名称

路径

参数设置

ACVoltageSource

Simpowersystem/electrical/

Ground(output)

Simpowersystem/connectors

Thyristor

Simpowersystem/Powerelectronics

SeriesRLCbranch

Simpowersystem/Elenemts

C=infL=0纯电阻

VlotageMeasurement

Simpowersystem/Measurements

CurrentMeasurement

Simpowersystem/Measurements

Multimeter

Simpowersystem/Measurements

TConnector

Simpowersystem/connectors

Scope

Simulink/sinks

Mux

Simulink/SignalRouting

Demux

Simulink/SignalRouting

PulseGenerator

Simulink/Sources

step

Simulink/sources

‘0’‘0’‘10’‘0’

Integrator

Simulink/continuous/

‘0’‘10’‘-10’

TransferFcn

Simulink/continuous/

gain

Simulink/mathoperations

sum

Simulink/mathoperations

+-

讨论：计算电流环设计成典型一型系统选用PI调节器

KT

Kp

τi

ki=Kp/τi

0.25

0.5067

0.03

16.89

0.5

1.013

0.03

34.77

1

2.027

0.03

67.567

τi=TL,…………取KT=0.5

转速环设计成典型二型系统

h=5,TKn=

取11.7，11.7/0.087

实验四PWM调速系统的MATLAB仿真

一、实验目的

1.掌握PWM直流调速系统的原理及组成；

2.掌握PWM直流调速系统的仿真。

二、实验原理

三、实验内容

四、实验步骤

1．根据原理和内容搭建电路模型；

2．设置各元器件的参数；

3．设置仿真参数：仿真时间设为0.06s；计算方法为ode15或ode23。

4．仿真实现。

五、实验报告

输出波形并讨论PWM调节器参数对系统的影响

名称

路径

参数设置

ACVoltageSource

Simpowersystem/electrical/

Ground(output)

Simpowersystem/connectors

Thyristor

Simpowersystem/Powerelectronics

SeriesRLCbranch

Simpowersystem/Elenemts

C=infL=0纯电阻

VlotageMeasurement

Simpowersystem/Measurements

CurrentMeasurement

Simpowersystem/Measurements

Multimeter

Simpowersystem/Measurements

TConnector

Simpowersystem/connectors

Scope

Simulink/sinks

Mux

Simulink/SignalRouting

Demux

Simulink/SignalRouting

PulseGenerator

Simulink/Sources

实验五双闭环控制的直流脉宽调速系统（H桥）

一、实验目的

(1)了解PWM全桥直流调速系统的工作原理。

(2)分析电流环与速度环在直流调速系统中的作用。

二、实验所需挂件及附件

序号

编号

备注

DJK01电源控制屏

该挂件包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。

DJK08可调电阻、电容箱

DJK09单相调压与可调负载

DJK17双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统

DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表

或DD03-2电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表

DJ13-1直流发电机

DJ15直流并励电动机

D42三相可调电阻

慢扫描示波器

自备

万用表

自备

三、实验线路及原理

本实验系统的主电路采用受限单极性PWM控制方式，其中主电路由四个IGBT管构成H桥，通过控制IGBT的栅极电压，用以控制IGBT管的通断。受限单极性的控制方式是这样进行控制的：在图5-12中，电机正转时，在VT1的栅极施加脉冲，VT4的栅极施加高电平，VT2VT3的栅极为低电平；反转时，VT2栅极施加脉冲，VT3的栅极施加高电平，VT1VT4的栅极为低电平。四个快恢复二极管VD1~VD4用于续流。

电流调节器的电流反馈量是由主回路中的电流传感器取得的。速度反馈量取自转速表输出的电压值。

本实验系统可设定不同的给定量、速度反馈量及电流反馈量，以完成开环、速度单闭环、电流单闭环及双闭环的调速实验。

由于给定量Ug恒为正，因此速度反馈量必须为负值，在需用到速度闭环时必须检测测速发电机提供的输出电压的极性，在做双闭环实验时，必须将正端连接到面板T2端，负值端连接到面板的T1端，面板上的转向选择开关改变，速度信号与T1、T2端的连线也相应改变。本实验系统原理框图如图5-12所示：

图5-12双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统原理框图

四、实验内容

(1)控制单元调试

(2)观测并记录在电机正、反转时，H桥四个桥臂开关器件的控制逻辑。

(3)观测并记录电枢回路电流Id随给定电压Ug、负载电阻Rg改变的波形。

(4)电机的正、反转机械特性n=f（Id）的测定。

(5)电机的正、反转控制特性n=f（Ug）的测定。

(6)系统动态特性观察

(7)系统静态特性观察

五、预习题

(1)在驱动脉冲形成过程中，为什么要加逻辑延时（死区），延时过长会影响那些指标？

(2)H桥变换器的受限单极式工作模式与单极性以及双极式工作模式相比有哪些特点？

(3)加大转速反馈深度会对调速系统哪些指标产生影响？

(4)了解电流环、速度环的作用

(5)熟悉双闭环调速的特点

六、思考题

为什么要调节偏移电压，如果不调节或者调节的不好对闭环调速有什么影响

七、实验方法

(1)系统单元调试

①偏移电压调节：把系统接至开环，给定为0，调节面板上的调节偏移电压的电位器，使电机处于刚好不转的状态。

②电流调节器的调节：在电流调节器的4、6之间接50KΩ电阻，把调节器的1、2、3接地，用万用表测量电流调节器的输出7（Uct）和地之间的电压，调节电位器RP3，使输出尽可能接近0V。

③电流调节器正负限幅值的整定：在电流调节器的4和5之间接50KΩ电阻，5和6之间接1UF的电容，输入端2（Ui*）加一负的给定，用万用表测量电流调节器的输出7和地之间电压，调节正的限幅值电位器RP1，使输出为4V左右，加一正给定，调节负限幅电位器RP2，使输出为-4V。

④速度调节器负限幅值的整定同电流调节器相同。

⑤电流反馈输出的整定：一般电机限流在额定电流的1.2倍，本实验所使用电机应调节限流值为1.2A左右。把给定直接接至PWM发生器2（Un*/Uct）（即开环实验），改变负载，使电机的电枢电流达到1.2A，调节电流反馈输出电位器RP1使电压值等于速度调节器的限幅值即可，本实验设定电流在1.2A的时候反馈值为4V。

⑥速度反馈输出的整定：把给定直接接至PWM发生器，调节给定，使转速为1400r/min，调节转速调节器电位器RP1使输出3（Un）为4V。

(2)双闭环调速系统的调试原则

①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。

②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后再确定电流和转速均为负反馈后才可组成闭环系统。

③先单环、后双环，即先使系统在电流单闭环和转速单闭环下稳定运行，然后再做电流速度双闭环。

(3)系统调试

①开环系统测定：

把给定接至面板上的Un*/Uct，把220V直流电源和直流电机接入主电路，直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，给定调至零。

接好线后，先打开控制电源的开关，接通电机励磁电源，然后接通220V直流电源。逐渐增大给定电压Un*，使电机启动升速，使转速达到1200rpm。

逐渐减小负载电阻R的阻值（即增大负载），使电动机的电枢电流达到额定电流1A，可测出该系统的开环特性n=f（Id），记录与下表中：

n(rpm)

Id(A)

把负载减小至最小，给定减小至零，切断直流电，断开励磁，关断电源，结束实验。

②电流速度双闭环系统测定：

根据图5-12接线，可组成电流转速双闭环。

给定电压为正电压，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载R，负载电阻调至最大值，给定调节至零。将速度调节器、电流调节器都接成PI调节器，接入系统，形成双闭环调速系统。（速度调节器、电流调节器的电阻值可调为50KΩ，电容值可调节为1uf）。

接好线后，先打开控制电源的开关，接通电机励磁电源，然后接通220V直流电源。逐渐增大给定电压Un*，使电机启动升速，使转速达到1200rpm。

③机械特性n=f（Id）测定：

A、先把负载电阻调至最大，从零开始增大给定电压，使电动机转速达到n=1200rpm，调节负载电阻逐渐减小至零（增大负载）。测出n，Id值，记录于下表：

n(rpm)

Id(A)

B、降低Ug，测试n=800rpm的n，Id值，记录于下表：

n(rpm)

Id(A)

④系统动态特性观察：

用慢扫描示波器或数字示波器观察动态波形。在不同的系统参数下（速度调节器和电流调节器的PI值），记录下列动态波形：

突加给定，电机启动时的电枢电流Id（电流反馈调节器的2端）波形和转速n（转速反馈调节器的3端）波形。

突加负载（20%Ied=>100%Ied）时电机电枢电流波形和转速波形。

突降负载（100%Ied=>20%Ied）时电机电枢电流波形和转速波形。

八、实验报告

(1)按照实验方法记录的波形描述导通臂与关断臂切断状态时的控制逻辑原则。

(2)画出上述实验中记录的各工作特性曲线n=f（zd），并比较它们的静差率。

(3)画出闭环控制特性曲线n=f（Ug）。

九、注意事项

(1)为保证系统在负反馈状态下运行，测速发电机输出电压极性与控制系统的连接必须正确。

(2)在测量电枢电流时，应将转速开关拨到“正向”，以保证示波器“地”为低电位。

(3)在Ug下调，使电机减速时，应缓慢调节。

实验六三相正弦波脉宽度调制（SPWM）变频原理实验

一、实验目的

(1)掌握SPWM的基本原理和实现方法。

(2)熟悉与SPWM控制有关的信号波形。

二、实验所需挂件及附件

序号

型号

备注

1

DJK01电源控制屏

该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。

2

DJK13三相异步电动机变频调速控制

PLC控制的COM口为示波器的接地点

3

双踪示波器

三、实验方法

(1)接通挂件电源，关闭电机开关，调制方式设定在SPWM方式下（将控制部分S、V、P的三个端子都悬空），然后开启电源开关。

(2)点动“增速”按键，将频率设定在0.5Hz，在SPWM部分观测三相正弦波信号（在测试点“2、3、4”），观测三角载波信号（在测试点“5”），三相SPWM调制信号（在测试点“6、7、8”）；再点动“转向”按键，改变转动方向，观测上述各信号的相位关系变化。

(3)逐步升高频率，直至到达50Hz处，重复以上的步骤。

(4)将频率设置为0.5HZ～60HZ的范围内改变，在测试点“2、3、4”中观测正弦波信号的频率和幅值的关系。

四、实验报告

画出与SPWM调制有关信号波形，说明SPWM的基本原理。

分析在0.5HZ～50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

分析在50HZ～60Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。

实验七三相空间电压矢量变频原理实验

一、实验目的

(1)通过实验，掌握空间电压矢量控制方式的原理及其实现方法。

(2)熟悉与空间电压矢量控制方式有关的信号波形。

二、实验所需挂件及附件

序号

型号

备注

1

DJK01电源控制屏

该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。

2

DJK13三相异步电动机变频调速控制

3

双踪示波器

三、实验方法

(1)接通挂件电源，关闭电机开关，并将调制方式设定在空间电压矢量方式下（将控制部分S、V两端用导线短接，P端悬空），然后打开电源开关。

(2)点动“增速”按键，将频率设定在0.5Hz，用示波器观测SVPWM部分的三相矢量信号（在测试点“10、11、12”），三角载波信号（在测试点“14”），PWM信号（在测试点“13”），三相SVPWM调制信号（在测试点“15、16、17”）；再点动“转向”按键，改变转动方向，再观测上述各信号的相位关系的变化。

(3)逐步升高频率，直至50Hz处，重复以上的步骤。

(4)将频率设置为0.5Hz～60Hz的范围内改变，在测试点“13”中观测占空比与频率的关系（在V/F函数不变的情况下）。

四、实验报告

(1)简述空间电压矢量控制变频调速的原理。

(2)画出在试验中观测到的所有波形。

(3)简述注入“零矢量”的作用。

实验八位置随动系统综合实验

一、实验目的

熟悉数字随动系统的基本单元，计算机及接口电路（含A/D、D/A电路）；ASR和ACR；PWM功率放大器；光电编码器及并行输入接口电路等

二、实验设备

计算机及相应接口卡、SKJ数字随动系统学习机一台、万用表一块、示波器一台、外围机组。

实验原理

1.系统组成及工作原理

数字随动系统主要由三部分组成：直流电动机；微型计算机及输入输出接口电路；外部设备。

PC

测速电机

光电码盘

减速器

直流电机

功率放大器

电流调节器

α

β

γ

速度调节器

工作原理：计算机从内存专用单元取出数字量给定，与数字反馈量相减，得到误差量，根据误差量，经过计算机实现某种控制规律（P或PD算法等），得到数字调节器的输出量。该输出量经过数/模转换，得到相应的模拟量（电压）Un*,Un*即作为双环调速系统调节器的输入信号，经过ASR、ACR以及PWM功率放大器，驱动电机旋转，通过减速箱带动光电编码器和刻度盘转动逐渐向控制目标接近，当刻度盘转过一定的角度，到达数字量反馈信号与数字量给定信号一致的位置时，误差量为零，输出Un*也等于零，电机停止，完成位置追踪过程。

2.PID控制

PID的方程为

式中Kp为比例增益，Td为微分时间常数。微分作用具有预测特性。但放大了噪声信号。

+

Kp(1+Tds+1/Tis)

图3.4

比例和微分作用同上,积分控制作用具有三个特征：

（1）偏差为正与为负时，控制作用的变化方向是不同的。

（2）在一定界限内，控制作用的变化量与偏差对时间的积分值成正比，积分（I）作用的命名由此而来。也可以说，控制作用的变化速度与偏差成正比。

（3）控制作用的变化是有限的。在控制作用达到上下限后，即使偏差进一步加大，控制作用也不再变化。

积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出将会不断，直到偏差为零，输出才能维持在某一常量，使系统在给定值不变的情况下趋于稳态，因此，即使不加控制量，也能消除系统的静态误差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱。增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性

实验内容

据系统原理图进行接线并调制；

面板给定电压值确定电机的正反转；

通过计算机输入信号进行信号追踪；

通过SKJ-KPB程序选择不同的Kp和Td参数进行测试，

阶跃目标方式、方波目标方式、三角波目标方式。

通过计算机输入给定电压值确定电机的正反转；

PID调节追踪波形。

五、实验步骤

1.接线方式：X2接X3，X5接X6，X8接X9，X10接X11，X12接X13，X16接X17接直流电机。利用RP1电压调速信号发生器来输出一组-5V~+5V的电压，将开关S打到ON位置，用万用表测量插口X2的变化，调节RP1可以改变直流输出电压的极性，电压为正时，电机顺时针转动，电压越大，转速越快，电压小，转速慢。电压为负时，电机逆时针旋转。观察电机的运动规律分析调速控制原理。

2.测量速度反馈电压XJ5极性，XJ5点的电压与X3极性相反。如果极性一致，则应将电机接线端X18、X19极性对调（如果测量不出XJ5的极性或者电机振动，可以调节RP4）。

3.电流反馈电压XJ4与X9电压极性相反，速度反馈电压的极性正确时电流反馈电压也是正确的。（XJ4为一个方向反馈电压，测量时如测不出可使电机反向即可）。调节方法同上所述。

4.零点校准，测试使电机停止的零位范围。用万用表测量。

5.通过计算机输入信号的连接，跟踪输入波形（SKJ-KPB），检查接线是否正确。

6.通过计算机输入固定电压（参阅SKJ-KP.TXT）观察不同电压下，直流电机的转向，并记录数值。

输入控制电压：计算机板口的输出地址为201，数据范围为00——FF（-5V5V）

方法：DOS环境下输入DEBUG然后回车。

-o201ZZ(输入电压)，Q为退出DEBUG命令。

六、实验报告

1.画出整个数字随动系统的控制框图，并分析各部分在整个系统中的作用。

2.分析不同控制电压参数对直流电机控制结果的影响。

3.PWM的占空比为50%的调制方法。

4.PID控制方式

（1）画出各个控制结果的图形

（2）分析不同的控制参数对控制结果的影响

附注

1数字随动系统实验程序说明

１.清单:

SKJ-KP.C控制源程序（运动到指定位置）。

SKJ-KPA.C控制源程序（PD和PID算法,给定位置为单点、方波、三角波）。

SKJ-KPB.C控制源程序（SKJ-KPA.C加PN和YN运动轨迹600点图形显示）。

wjd.txt存储控制过程参数变化（文本）。

wjd.dat存储控制YN变化（二进制，600点）。

SKJ-KP.TXT本说明。

２.KP和KD的选择:

KP,KD:0--100,100;

电机运动速度慢或动不到预定位置就停:加大KP或减少KD。

电机运动速度太快、过冲、震荡:加大KD或减少KP。

３.说明:

０〈ＫＰ〉１００；

０〈ＫＤ〈１００；

０〈ＫＩ〈１００；

０〈＝ＰＮ〈５１２；（整数,1=0.703125度）

PD算法:CN=KP*EN+KD*(EN-EN1)

CN:控制输出量(0--255,127或128为零位)

YN:反馈位置量PN:给定位置量

EN=PN-YN(当前时刻)EN1=PN-YN(前一时刻)

KP:比例放大系数KD:微分系数

PID算法:CN=KP*(EN-EN1)+KI*EN+KD*(EN-2*EN1+EN2)

KI:积分系数

EN1=PN-YN(前二时刻)

提示：pd=1orpid=2?

PD算法选１，PID算法选２。

提示：delay=?（0<delay<5000,整数）

delay为０，两次反馈控制或采集YN之间不延时。

否则延时１－－９９毫秒，软件定时不准。

提示：0=no,1=square,2=triangle)wave?

给定位置为单点选１、方波选２、三角波选３。

图形说明：Ｘ轴－时间点（0-600），Ｙ轴－转角（0-511），

PN-绿色，YN-红色。

注ａ．输出固定电压方法：

５１２〈＝ＰＮ〈７６８；

输出固定电压＝10*(PN-512)/255-5

512..-5V,512+127..-0.02V,512+128..+0.02V,767..+5V

注ｂ．退出程序：ＰＮ＝９９９

2数字随动调试报告

１.检查执行机构：

联轴节有无振动，转动是否灵活。

２.按说明书检查并调整控制箱。

（X1-X3X6-X8X8-X9X10-X11X12-X13，

X16,X17-电机，X18,X19-测速电机，

XS2-微机接口板，XS3-光电码