1、題目(中) 直流電機雙閉環(huán)控制調(diào)速 姓名與學號 指導教師 年級與專業(yè) 所在學院 目錄：一、電機控制實驗目的和要求3二、雙閉環(huán)調(diào)速控制內(nèi)容3三、主要儀器設備和仿真平臺3四、仿真建模步驟及分析41直流電機雙閉環(huán)調(diào)速各模塊功能分析42.仿真結果分析（轉速、轉矩改變）143.轉速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機運行性能的影響204.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真225.加入位置閉環(huán)后的仿真236.速度無超調(diào)仿真25七、實驗心得26一、電機控制實驗目的和要求1、 加深對直流電機雙閉環(huán)PWM調(diào)速模型的理解。2、 學會利用MATLAB中的SIMULINK工具進行建模仿真。3、 掌握PI調(diào)節(jié)器的使用，分析其參數(shù)對電機運

2、行性能的影響。二、雙閉環(huán)調(diào)速控制內(nèi)容必做：1、描述Chopper-Fed DC Motor Drive中每個模塊的功能。2、仿真結果分析：包括轉速改變、轉矩改變下電機運行性能，并解釋相應現(xiàn)象。3、轉速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機運行性能的影響。4、電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后，對電機運行調(diào)速結果的影響。選做：5、加入位置閉環(huán)6、 速度無超調(diào)三、主要儀器設備和仿真平臺1、 MATLAB R2014b2、 Microsoft Officials Word 2016四、仿真建模步驟及分析1直流電機雙閉環(huán)調(diào)速各模塊功能分析參考Matlab自帶的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速的SIMULINK仿真模型：demo/simuli

3、nk/simpowersystem/Power Electronics Models/Chopper-Fed DC Motor Drive1.1 轉速給定模塊轉速給定有兩種方式：一為恒定轉速給定，二是階躍的給定。兩種方式的選擇通過單刀雙擲開關實現(xiàn)。恒轉速給定可由以下窗口修改設置：階躍轉速給定可由以下窗口修改設置：Step Time為從初始狀態(tài)到階躍完成所需的時間，Initial Value為初始轉速，F(xiàn)inal Value為階躍后最終轉速，Sample Time為采樣時間間隔。從圖中可得出，當前轉速給定為一個從120rad/s到160rad/s的階躍過程，直到階躍過程結束耗時0.4s。1.2轉

4、矩給定模塊轉矩給定也有兩種方式：一為恒定轉矩給定，二是階躍轉矩的給定。兩種方式的選擇通過單刀雙擲開關實現(xiàn)。恒轉矩給定可由以下窗口修改設置：階躍轉矩給定可由以下窗口修改設置：Step Time為從初始狀態(tài)到階躍完成所需的時間，Initial Value為初始轉矩，F(xiàn)inal Value為階躍后最終轉矩，Sample Time為采樣時間間隔。即從圖中可得出，當前轉矩給定為一個從5 Nm到25 Nm的階躍過程，直到階躍過程結束耗時1.2s。1.3速度控制器Speed Controller速度控制器其內(nèi)部結構如下：兩個輸入量分別為由轉速給定模塊提供作為轉速參考值的wref和當前速度實際值wm，得出差值

5、通過比例積分環(huán)節(jié)，再通過Saturation限幅環(huán)節(jié)，獲得輸出電流值Iref。可知該環(huán)節(jié)為PI控制環(huán)節(jié)，其內(nèi)部參數(shù)主要有比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp和積分調(diào)節(jié)系數(shù)Ki。可通過如下窗口修改設置：由圖中可觀察得該PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)的系數(shù)Kp=1.6，Ki=16，Current Limit為輸出電流最大限定值，設置為30A。1.4 電流控制器Current Controller其內(nèi)部結構如下：可得知該電流控制系統(tǒng)為滯環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其兩個輸入量分別為由電流給定模塊提供參考電流值Iref和當前實際電流反饋值Ia，經(jīng)過滯環(huán)調(diào)節(jié)，輸出GTO的通斷開關信號。滯環(huán)模塊的參數(shù)設置如下，可設置滯環(huán)的開關時間點和開關時各自的輸出值：電流

6、控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設置如下圖，當Hysteresis Band滯環(huán)電流兩個輸入量差別超過正負2A時，輸出GTO關或開信號進行調(diào)節(jié)電路。1.5 PWM波生成模塊其內(nèi)部結構如下：Powersysdomain模塊是一個P-code文件，具體里面的內(nèi)容是看不到的，存在于matlab文件夾下。Powersysdomain為電機三相繞組的電力電子電路，外部三相電路A、B、C只有接入這個電路才能產(chǎn)生三相電流，電機其他模塊則是根據(jù)測到的三相電流進行變換和控制，GTO存在于該模塊當中。Model(Continuous)模塊的具體結構如下：由圖中可知，GTO模塊以一個280V直流電壓作為該模塊輸入陽極電壓信號a，滯

7、環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出信號作為該模塊的門極觸發(fā)信號g，當輸入信號g為正時，輸出高電平；當輸入信號g為負時，輸出低電平。該模塊內(nèi)部參數(shù)設置如下圖：Resistance Ron為晶閘管元件內(nèi)電阻，Inductance Lon為晶閘管元件內(nèi)電感 Lon(H)，F(xiàn)orward voltage Vf為晶閘管元件的正向管壓降，Current 10% fall time為電流下降到10%的時間， Current tail time為電流拖尾時間，Initial current Ic為初始電流，Snubber resistance Rs為緩沖電阻，Snubber capacitance Cs 為緩沖電容。1.6 直流

8、電機模塊由圖可知該直流電機為一臺他勵直流電機，勵磁電壓為240V的直流電壓源。由轉矩給定模塊給定轉矩信號，同時輸出當前電流和轉速的實時反饋信號。電機的內(nèi)部參數(shù)可由如下窗口設置：由圖可得，可由Armature Resistance And Inductance設置電樞繞組電阻和電感，F(xiàn)ield Resistance And Inductance設置勵磁繞組的電阻和電感，F(xiàn)ield-Armature Mutual Inductance Laf設置勵磁繞組和電樞繞組的互感， Total Inertia J設置轉動慣量，Viscous Friction Coefficient Bm設置粘滯摩擦系數(shù)，C

9、oulomb Friction Torque Tf設置庫侖摩擦轉矩，Initial Speed為初始角速度。則可以讀取，當前電樞繞組的Ra=0.5ohms，La=0.01H，當前勵磁繞組的Rf=240ohms，Lf=120H，勵磁繞組和電樞繞組的互感Laf=1.23H，轉動慣量J=0.05Kg.m2等參數(shù)。1.7 速度和電流反饋模塊其內(nèi)部變量如下圖：由上圖可知，由直流電機系統(tǒng)獲得的可選擇的反饋輸入量有轉速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉矩，我們所選擇的輸出為電機轉速和電樞電流。1.8 反饋電流濾波模塊其內(nèi)部參數(shù)設置如下圖： Numerator coefficients為分子，Denominator

10、 coefficients為分母，以此來構成過濾模塊的傳遞函數(shù)，則此時的傳遞函數(shù)應為1/(s*10(-5)+1)。1.8 示波器模塊示波器觀察的輸入信號為是GTO的輸出PWM電壓信號，電機的電樞電流和電機轉速。2.仿真結果分析（轉速、轉矩改變）2.1 默認參數(shù)下進行仿真(1) 恒轉速、恒轉矩給定如上圖中，從上到下依次是GTO輸出PWM波形、電樞電流波形、電機轉速波形。則可觀察到，在電機啟動后但轉速未達到120rad/s的設定值之前，電樞電流一直處于較大的狀態(tài)，使得電機轉速平穩(wěn)上升。直到轉速達到120rad/s后，由于電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)與轉速的PI調(diào)節(jié)均存在延遲現(xiàn)象，電機轉速會超過120rad/s，

11、之后電樞電流下降到一個較低的穩(wěn)定值，轉速也達到設定值。在此期間，由于電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)與轉速的PI調(diào)節(jié)持續(xù)工作，GTO處于不斷開通、關斷的狀態(tài)。(2) 階躍轉速、恒轉矩給定對比(1)情況下的波形，在電機達到120rad/s轉速穩(wěn)定后，再給一個階躍信號參考轉速達到160rad/s，則為了保證轉速的上升，電樞電流又重新提高到較大值，該調(diào)節(jié)過程與前相近，直到轉速重新在160rad/s附近平衡后，電樞電流降低到較小值。(3) 恒轉速、階躍轉矩給定與(1)中情況對比，即在轉矩發(fā)生階躍后，由于負載增大電機轉速受影響下降，之后在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下回復到120rad/s的平衡狀態(tài)，但是由于負載增加，電樞電流比原本狀態(tài)下

12、的電樞平衡電流大。(4) 階躍轉速、階躍轉矩給定對比如上(1)、(2)、(3)狀況，該狀態(tài)下的波形近似為(2)、(3)情況時的復合。同時，觀察以上四種狀況下的電樞電流波形和電機轉速波形，我們可以明顯看到電機轉速的PI調(diào)節(jié)的效果比電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)的效果好許多，在達到平衡之后，轉速波形幾乎沒有波動，而電流波形一直在平衡值周圍小幅振蕩。2.2 改變轉速給定值后的仿真結果(1) 修改轉速階躍的給定值如下：對比原狀態(tài)(4)中的波形圖，轉速由0升至60rad/s所需的時間明顯縮短，在發(fā)生轉速階躍，由60rad/s階躍至160rad/s，所需的調(diào)節(jié)時間明顯增長。(2) 修改轉速階躍的給定值如下：對比原狀態(tài)(4

13、)中的波形圖，轉速穩(wěn)定在120 rad/s后，發(fā)生轉速階躍，參考轉速增至200rad/s，此時所需的調(diào)節(jié)時間明顯增長。且當轉速取得較大時，在負載不變的情況下，參考電流值變大，滯環(huán)上下限絕對值增大，可明顯觀察到電樞電流的滯環(huán)控制效果非常粗糙。2.3 改變轉矩給定值的仿真結果修改轉矩階躍的給定值如下：改變轉矩階躍的給定值，使其從5階躍到35，觀察如上波形，可看到在2.5s時轉速還未調(diào)節(jié)到給定120rad/s，仍處于下降階段，即轉速的調(diào)節(jié)至給定值的時間明顯變長。同時，由于負載的增加，轉速一樣時，在電機平穩(wěn)后，隨著轉矩的增大，電樞電流也明顯增大。3.轉速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機運行性能的影響(1) 改變比

14、例調(diào)節(jié)參數(shù)Kp，將其由1.6增大至16對比原始狀態(tài)(4)的波形，可觀察得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度明顯變快，電樞電流的波形變化近似于方波，轉速達到參考值的調(diào)整時間明顯縮短，且達到穩(wěn)定后波形平直，穩(wěn)態(tài)誤差減小。為了提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標，減少系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，可以使Kp增大。但是Kp增大時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出增大，系統(tǒng)響應速度和超調(diào)量也增大。(2) 改變積分調(diào)節(jié)參數(shù)Ki，減小其值由16至8對比可明顯觀察到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度變慢，轉速在階躍發(fā)生后，需要更長的時間去調(diào)整到新的平衡值。4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真此時兩個PI調(diào)節(jié)器系數(shù)取值如下：對比初始狀態(tài)(4)的波形圖，則可得知，將電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)器改為PI調(diào)節(jié)器之后

15、，電樞電流的調(diào)節(jié)效果明顯，當轉速達到參考值穩(wěn)定后，電樞電流的波動范圍較滯環(huán)小了許多，接近一條光滑的曲線。通過調(diào)節(jié)兩個PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，能夠實現(xiàn)更加理想的效果：5.加入位置閉環(huán)后的仿真為了加入位置閉環(huán)控制，則首先設定位置給定值為200，然后位置給定值與速度的積分值進行比較得到位置的誤差輸入速度控制器，以實現(xiàn)位置的閉環(huán)控制。其實200本來是速度給定，但是由于與實際速度的積分做比較所以變成位置給定。仿真結果如下圖所示時間為2s時，可以看到位置有超調(diào)，圖示分別為轉速、電流和位置。時間為10s時，可以看到實現(xiàn)位置閉環(huán)控制，但是此時超調(diào)還是比較大。6.速度無超調(diào)仿真根據(jù)仿真圖調(diào)節(jié)速度控制器PI參數(shù)，當參數(shù)取合適的值時可以得到速度無超調(diào)。速度控制器參數(shù)：電流控制器參數(shù)：仿真示波器顯示：可以看到此時，速度在誤差允許范圍內(nèi)無超調(diào)。七、實驗心得通過電機控制大作業(yè)仿真聯(lián)系，對于Matlab仿真操作更加熟悉，雖然在實驗初期遇到很多軟件問題，但是在討論和實踐過程中對于操作熟練度都有提高。在搜尋、求解的過程當中，對Matlab SIMULIN