《直流电机双闭环调速.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电机双闭环调速.docx（16页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、专业：电气工程与自动化姓名： 周利庆_ _学号： 3090102448 日期： 2011.5.5 地点： 实验报告课程名称： 机电运动控制系统 指导老师：_年珩 _成绩：_实验名称：直流电机双闭环调速 实验类型：_上机仿真实验_同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、 实验目的和要求1、 加深对直流电机双闭环PWM调速模型的理解。2、 学会利用MATLAB中的SIMULINK工具进行建模仿真。3、 掌握PI调节器的使用，分析其参数对电机运行性能的影响。二、
2、 实验内容和原理图表 1 直流电机双闭环调速原理图1、描述Chopper-Fed DC Motor Drive中每个模块的功能。2、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。3、转速PI调节器参数对电机运行性能的影响。4、电流调节器改用PI调节器后，对电机运行调速结果的影响。三、 主要仪器设备和仿真平台1、 MATLAB2010b2、 word2007四、 实验步骤及分析1、 直流电机双闭环调速各模块功能分析下图是MATLAB中自带的直流电机双闭环调速的SIMULINK仿真模型。图表 2 直流电机双闭环调速模型图1.1 转速给定模块图表 3 转速给定模块图这里的转速可
3、以通过开关选择是恒转速还是阶跃的过程。图表 4 阶跃转速给定的参数设定图可以看出是一个转速从120rad/s到160rad/s的阶跃过程，并且阶跃过程耗时0.4s。1.2转矩给定模块图表 5 转矩给定模块图与转速给定模块相似，这里转速也可以通过选择开关，选择是恒转矩运行还是转矩阶跃的过程。为了观看动态调节特性，阶跃的转速过程和阶跃的转矩过程比较有分析意义。图表 6 转矩阶跃变化模块参数设置可以看出这是一个转矩从5N.m到25N.m的阶跃变化过程，历时1.2s。1.3速度调节器ST图表 7 ST模块图这是一个PI调节器，输入的是速度给定值和当前速度反馈值，输出的是电流给定值。其内部参数设置如下，
4、可以看出Kp=1.6,Ki=16,还设置了输出电流给定值最大限定值为30A。图表 8 ST的PI参数设置1.4 电流调节器LT图表 9 LT模块图这是一个滞环电流调节器，其输入量是电流给定值和电流反馈值，输出的是给GTO的通断信号。其内部参数设置如下图，而已看出当输入量差别超过2时，就进行调节。图表 10 LT参数设置1.5 PWM波触发模块图表 11 PWM波触发模块图可以看出接的是一个直流电压为280V的电源，当g输入为正时，输出高电平；当输入g信号为负时，输出低电平。图表 12 触发电路的参数设置1.6 直流电机模块图表 13 直流电机模块图可以看出直流电机电枢回路接有一个电感滤波。直流
5、电机是他励直流电机，励磁电压是240V是我直流电源。除此外输入信号还有转矩给定，输出信号有电流和速度反馈量。电机的内部参数设置如下：图表 14 直流电机参数设置上图可以看出：可以看出电枢回路的Ra=0.5,La=0.01,J=0.05Kg.m2等等，这些参数对电机的动态特性有一定影响。1.7 速度和电流反馈模块图表 15 速度和电流反馈模块图其内部变量如下图：图表 16 反馈参数图可以看出，反馈的量有速度和电枢电流，还有励磁电流和电磁转矩，但输出的只有速度和电枢电流。1.8 反馈电流滤波模块图表 17 反馈电流滤波模块图其内部参数设置如下图：其中具体数值的作用不是很理解。图表 18 滤波参数设
6、置1.8 示波器模块图表 19 示波器模块图可以看出示波器观察的是PWM波形，电枢电流和速度。2.电机运行性能仿真2.1 原定数值下仿真上图中，从下到上依次是转速波形、电流波形、PWM波形。整个动态过程可以分为三个阶段，第一个是启动阶段，电枢电流很大，转速平稳增加。转速达到给定值120rad/s后，电枢电流下降到一个较为稳定的值。之后在0.8s时刻，转速给定值发生阶跃变化，电枢电流迅速增加进行加速，转速也从120rad/s慢慢地增加到160rad/s，完成加速后，电流再次下降趋于平稳，但是电流的平稳值比原先的大，因为同样大小负载下，转速增大，功率需要增大，电枢电流增大。在1.5s时刻，转矩给定
7、值发生阶跃变化，转矩增大，转速刚开始略有下降，然后在转速调节器的作用下再次趋于给定值160rad/s。电枢电流则增加，并且稳定于一个比原来稳定值更大的值，这是因为负载增大，需要更大的电流来提供更大的电磁转矩。对横坐标进行放大后，可以看清PWM波形还有电流和转速的波形过程如下：图表 20 放大后的波形图可以看出转速调节波形范围比电流调节的效果要好得多，这就是PI调节比滞环调节强大的地方。PI调节对数据的变化具有预判，可以让调节曲线很平稳，几乎没有波动。而滞环调节则是存在调节滞后的问题，波动比较大。2.2 改变转速给定值后的仿真结果改变转速给定值就是改变转速给定模块中的参数设置，改变如下：图表 2
8、1 改变转速给定值可以看出原来阶跃过程是从120跳向160，现在是60跳向150。图表 22 改变转速给定值后的波形上图可以看出在0.8S时刻发生的转速阶跃过程，转速是从原来的60rad/s跳向现在的150rad/s.可以看出转速阶跃的距离越大，动态变化的过程时间也越长。转矩一样时，电机平稳后，转速越大，电枢电流越大。2.3 改变转矩给定值的仿真结果在转矩给定模块重新设置新的转矩给定值如下：图表 23 转矩给定值设置图表 24 转矩给定值变化后的波形上图可以看出转矩阶跃的给定值从原来的5阶跃到25，改为现在的10阶跃到18，可以看出阶跃的距离变小后，调节平稳所需的时间也变短。转速一样时，电机平
9、稳后，转矩越大，电枢电流越大。3、 转速PI调节器参数对电机运行性能的影响PI调节器的可调参数就是Kp和Ki，前者是比例项，后者是积分项。为了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。下图把Kp从原来的1.6调到8：图表 25 增大Kp图表 26 仿真后的波形上图可以明显看出，Kp增大后系统反应速度增快，当转矩或者转速发生阶跃后，系统将更快地达到稳定值。考虑系统的稳定性时，Ki应足够小，然而Ki太小，则PI调节器中的积分作用变小，会影响系统的静态性能。PI调节器归根到底是一个滞后环节，由于引入滞后环节，也会导致系统
10、响应速度变慢。此时可通过合理调节Kp和Ki的参数使系统的动态性能和静态性能均满足要求。下图就是减小Ki的仿真：图表 27 减小ki值图表 28 减小Ki后的仿真波形上图可以看出Ki减小后，系统的响应速度明显变慢，需要更长的时间才能将转速调到给定值附近。4、 电流调节器改用PI调节器后的仿真图表 29 电流调节器改用PI调节器原理图图表 30 电流调节器改用PI调节器后的仿真波形从上图可以看出，当电流调节器改用PI调节器后，电流的调节效果比滞环调节好许多，电流波动的范围小很多，是一条接近光滑的曲线。但是这时候要求GTO的开关频率达到20Khz左右，这是不满足要求的，因为通常GTO的开关频率只有几百hz。所以添加一个三角波斩波器。此时的原理图如下图：图表 31 添加三角波斩波器后图表 32 此时电流PI调节器的参数设定图表 33 添加三角波斩波器后的仿真波形五、 实验心得与体会课堂上一直在讲直流电机的双闭环调速，但是一直不是很了解其在实际应用中的效果，这次仿真实验也算是最接近实际应用的一次实践。这让我加深了对双闭环PWM调速应用的了解，也复习了其原理。特别是知道了速度调节器和电流调节器可以通过PI调节器或者滞环调节器来应用。这次仿真刚开始摸不着头脑，感谢MATLAB强大的功能，给我指出一条明路，期间也遇到一个意外的状况，但是通过与同学的交流，克服了一些困难。