電氣工程綜合實(shí)訓(xùn)（matlab）報(bào)告

題

目

電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真

專

業(yè)

班

級(jí)

學(xué)

生

姓

名

學(xué)

號(hào)

指

導(dǎo)

教

師

時(shí)

間

一、課程設(shè)計(jì)目的1、掌握MATLAB環(huán)境下傳遞函數(shù)建模和Power

System模塊建模的方法；

2、根據(jù)控制對(duì)象的物理特性，掌握控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模的方法和分析方法；

3、了解控制系統(tǒng)校正的一般過程，根據(jù)被控對(duì)象的性能指標(biāo)要求進(jìn)行系統(tǒng)校正。

二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容

1、某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，基本數(shù)據(jù)如下：

直流電動(dòng)機(jī)：220V、17A、1460r/min、，允許過載倍數(shù)。

晶閘管裝置放大系數(shù)：；

電樞回路總電阻：；

時(shí)間常數(shù)：，；

電流反饋系數(shù)：；

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：。

設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計(jì)指標(biāo)為電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)。取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速給定。仿真觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)和設(shè)定參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。

要求：

（1）根據(jù)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，按傳遞函數(shù)構(gòu)建仿真模型；

（2）按工程方法設(shè)計(jì)和選擇轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器參數(shù)，ASR和ACR都采用PI調(diào)節(jié)器。

（3）設(shè)定模型仿真參數(shù)，仿真時(shí)間10s，并在6s時(shí)突加1/2額定負(fù)載，觀察控制系統(tǒng)電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)。

（4）修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，觀察在不同參數(shù)條件下，雙閉環(huán)系統(tǒng)電流和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)，（5）使用Power

System模塊建立直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，并與傳遞函數(shù)模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行比較。

可能會(huì)用到的公式：=

供電電源電壓：=.勵(lì)磁電阻為：

電樞電感估算式：（c=0.4）

反電勢(shì)常數(shù)：

電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量：

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：

（1）

設(shè)計(jì)思路：

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，通過PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制，可使系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響；為實(shí)現(xiàn)在允許條件下電機(jī)的最快起動(dòng)，采用電流負(fù)反饋控制，可以獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別引入兩種負(fù)反饋機(jī)制以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，其中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸入，再用ACR的輸出去控制電力電子變換器。

此處作為工程設(shè)計(jì)方法，可以將調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)過程分為兩步：第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；第二步，在選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。為獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

（2）

參數(shù)計(jì)算過程：

ACR設(shè)計(jì)過程：

①確定各時(shí)間常數(shù)

a．由查表可知，三相橋式整流裝置的滯后時(shí)間常數(shù)s；

b．由題已知電流濾波時(shí)間常數(shù)s；

c．按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和s。

②選擇ACR結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)PI型ACR，其傳遞函數(shù)為；由于，由查表可知，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足條件。

③計(jì)算ACR參數(shù)

ACR超前時(shí)間常數(shù)：s；

ACR開環(huán)增益：要求時(shí)，取，因此

所以，ACR的比例系數(shù)為

④檢驗(yàn)近似條件

電流環(huán)截止頻率：

a．校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件，滿足近似條件；

b．校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件，滿足近似條件；

c．校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件；綜上所述，PI型ACR的傳遞函數(shù)為

ASR設(shè)計(jì)過程：

①確定各時(shí)間常數(shù)

a．由可得，電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為

s；

b．由題已知轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)s；

c．按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和為

s；

②選擇ASR結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可選用PI型ACR，其傳遞函數(shù)為；由于，由查表可知，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足條件。

③計(jì)算ASR參數(shù)

根據(jù)跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ACR超前時(shí)間常數(shù)為s

由可得，ASR開環(huán)增益為

由可得，ASR的比例系數(shù)為

④檢驗(yàn)近似條件

轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：

a．校驗(yàn)電流環(huán)簡化條件，滿足簡化條件；

b．校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足近似條件；

⑤校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量

當(dāng)突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，所以此處應(yīng)按照退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。當(dāng)h=5時(shí)，查得，則超調(diào)量為

顯然，能滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，PI型ASR的傳遞函數(shù)為

（3）

仿真模型與波形圖（注：圖要有圖標(biāo)）：

仿真模型：

圖1-1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

仿真時(shí)間10s，并在6s時(shí)突加1/2額定負(fù)載：電流調(diào)節(jié)器KT=0.5：

圖1-2

KT=0.5電流波形

圖1-3KT=0.5電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

電流調(diào)節(jié)器KT＝0.25時(shí)：

圖1-4KT＝0.25

電流波形

圖1-5KT＝0.25電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

電流調(diào)節(jié)器KT=1時(shí)：

圖1-6KT=1電流波形

圖1-7

KT=1電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

（4）

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析：

電流調(diào)節(jié)器KT=0.5，電壓調(diào)節(jié)器h=5時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)跟隨性能超調(diào)小，動(dòng)態(tài)跟隨性能適中。電流調(diào)節(jié)器KT＝0.25時(shí)，可看出起動(dòng)時(shí)電流響應(yīng)超調(diào)減小，但上升時(shí)間變長。電流調(diào)節(jié)器KT=1時(shí)，可看出起動(dòng)時(shí)電流響應(yīng)超調(diào)增大，但上升時(shí)間變短。

（5）

使用Power

System模塊建立直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型：

圖1-8Power

System模塊建立直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型

圖1-9Power

System模塊建立直流電機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形

2、轉(zhuǎn)速開環(huán)SPWM控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)建立和仿真

上圖為此系統(tǒng)的總框圖，其中spwm模塊，inverter模塊是經(jīng)過封裝的子系統(tǒng)模塊，子系統(tǒng)模塊需要自己搭建。

提示：1）、調(diào)制波是三相正弦調(diào)制波，其中

2）、等腰三角波可用脈沖發(fā)生器（幅值設(shè)為4，周期設(shè)為1

/1980,占空比設(shè)為50%）和一個(gè)常數(shù)2比較，得到新的脈沖，再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)，得到等腰三角形波，再經(jīng)過一個(gè)增益模塊（1980*2）對(duì)其進(jìn)行放大，（也可以不按照我的方法，但是最后得到的仿真時(shí)長為0.01s時(shí)的三角波形需如圖所示：）

3）、正弦調(diào)制波模塊和三角波模塊組合到一起，兩個(gè)信號(hào)比較后經(jīng)延時(shí)（relay模塊）進(jìn)行大于還是小于的判斷，從而得到正負(fù)半周都有的脈沖波形。正半周用來驅(qū)動(dòng)逆變器的上橋臂，負(fù)半軸驅(qū)動(dòng)下橋臂。

4）、逆變器的仿真模塊我們用3個(gè)switch模塊構(gòu)成等效的逆變橋，又前面生成的spwm波形送入這個(gè)逆變環(huán)節(jié)，然后送入電動(dòng)機(jī)模型，而不必考慮驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)榉抡孢^程中沒有電壓，電流的概念，而是純粹的數(shù)字來體現(xiàn)的電壓和電流。Ud是經(jīng)過整流，濾波后的直流電，在仿真中用一個(gè)常數(shù)代替。

5）電機(jī)參數(shù)：

額定功率2200VA，額定電壓（線電壓）380V，額定頻率50Hz,轉(zhuǎn)速1500r/min,定子電阻Ra=0.435歐，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816歐，定子電感Ls=0.004H，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.002H，定、轉(zhuǎn)子互感Lm=0.06931，極對(duì)數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.089kgm2，摩擦系數(shù)F=0，仿真類型選用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真時(shí)長1s，由于電機(jī)控制數(shù)據(jù)量較大，Scope中的記錄點(diǎn)數(shù)限制取消。

6）要求空載啟動(dòng)后，在0.3s時(shí)對(duì)系統(tǒng)突加10Nm負(fù)載，0.5s時(shí)負(fù)載突變?yōu)?0Nm，0.7s時(shí)負(fù)載又突減為5Nm,記錄下整個(gè)過程的相關(guān)波形圖，除了圖示示波器，等腰三角形子模塊的波形也需要顯示，所有波形圖中需要標(biāo)出是那種曲線。

7）給出子系統(tǒng)的仿真圖。

（1）

設(shè)計(jì)思路：

①正弦調(diào)制仿真模型的搭建：調(diào)制波是三相正弦調(diào)制波，其中

圖2-1

正弦調(diào)制仿真模型結(jié)構(gòu)圖

圖2-2

正弦調(diào)制仿真波形

②等腰三角載波仿真模型:等腰三角波可用脈沖發(fā)生器（幅值設(shè)為4，周期設(shè)為1

/1980,占空比設(shè)為50%）和一個(gè)常數(shù)2比較，得到新的脈沖，再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)，得到等腰三角形波，再經(jīng)過一個(gè)增益模塊（1980*2）得到。

圖2-3等腰三角載波仿真模型

圖2-4等腰三角載波仿真波形

③SPWM仿真模型的搭建：

將以上兩個(gè)模塊組合到一起，正弦和三角信號(hào)比較后經(jīng)延時(shí)（MATLAB/Simulink中的Relay模塊）進(jìn)行大于“0”還是小于“0”的判斷，這樣得到了所要的正負(fù)半周都有的脈沖波形。正半周驅(qū)動(dòng)六相橋的上橋臂，負(fù)半周用來驅(qū)動(dòng)下橋臂。

圖2-5SPWM仿真模型

圖2-6SPWM仿真波形

④逆變器的仿真模型：

逆變器的仿真模塊我們用3個(gè)switch模塊構(gòu)成等效的逆變橋，又前面生成的spwm波形送入這個(gè)逆變環(huán)節(jié)，然后送入電動(dòng)機(jī)模型，而不必考慮驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)榉抡孢^程中沒有電壓，電流的概念，而是純粹的數(shù)字來體現(xiàn)的電壓和電流。Ud是經(jīng)過整流，濾波后的直流電，在仿真中用一個(gè)常數(shù)代替。

圖2-7逆變器的仿真模型

（2）

參數(shù)計(jì)算過程：

額定功率2200VA，額定電壓（線電壓）380V，額定頻率50Hz,轉(zhuǎn)速1500r/min,定子電阻Ra=0.435歐，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816歐，定子電感Ls=0.004H，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.002H，定、轉(zhuǎn)子互感Lm=0.06931，極對(duì)數(shù)np=2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.089kgm2，摩擦系數(shù)F=0，仿真類型選用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真時(shí)長1s，由于電機(jī)控制數(shù)據(jù)量較大，Scope中的記錄點(diǎn)數(shù)限制取消。輸入逆變器的整流電壓?。篣d＝V。

電機(jī)參數(shù)設(shè)置：

（3）

仿真模型與波形圖（注：圖要有圖標(biāo)）：

仿真模型：

圖2-8轉(zhuǎn)速開環(huán)SPWM控制調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

仿真波形：

圖2-9負(fù)載變化曲線

圖2-10轉(zhuǎn)速n波形

圖2-11電磁轉(zhuǎn)矩Te波形

圖2-12轉(zhuǎn)子電流Ir波形

圖2-13定子電流Is波形

（4）

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析：

空載起動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)矩較大但存在一定波動(dòng)，轉(zhuǎn)速快速上升，大約經(jīng)過0.15s達(dá)到穩(wěn)定1500r/min，轉(zhuǎn)子電流正負(fù)變化趨近于0，定子電流穩(wěn)定后為三相對(duì)稱電流；在0.3s時(shí)對(duì)系統(tǒng)突加10Nm負(fù)載，轉(zhuǎn)速下降，電磁轉(zhuǎn)矩上升；0.5s時(shí)負(fù)載突變?yōu)?0Nm，轉(zhuǎn)速下降，電磁轉(zhuǎn)矩上升；0.7s時(shí)負(fù)載又突減為5Nm，轉(zhuǎn)速上升，電磁轉(zhuǎn)矩下降?？梢姡_環(huán)控制轉(zhuǎn)速有靜差。

三、課程設(shè)計(jì)總結(jié)

短短的一周matalab課程設(shè)計(jì)，讓我得到最大的心得和體會(huì)是：有時(shí)候一件挺簡單的事，想象起來應(yīng)該是挺容易辦到的，但是實(shí)際操作起來因?yàn)樽陨砣狈Φ闹R(shí)太多而遭到處處碰壁，在此次課程設(shè)計(jì)中，我真真切切感覺到matalab強(qiáng)大的功能，第一次讓我感覺到什么叫做學(xué)以致用，以及讓我體會(huì)到理論與實(shí)際直接的結(jié)合，讓我掌握了matalab環(huán)境下傳遞函數(shù)建模和Power

System模塊建模的方法，我覺得matalab真的是一門很強(qiáng)大的工具，我想在以后的學(xué)習(xí)以及工作中將受益無窮。

江SU大學(xué)