電氣工程方向?qū)I(yè)設(shè)計(jì)電壓負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真

1、西南科技大學(xué)專業(yè)方向設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱： 電氣工程方向?qū)I(yè)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)名稱： 電壓負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 姓 名： 學(xué) 號(hào): 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 起止日期： 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制16方 向 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書學(xué)生班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 設(shè)計(jì)名稱： 電壓負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 起止日期： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)要求：1、 原理圖設(shè)計(jì)2、 選擇元器件3、 運(yùn)用matlab軟件畫出仿真圖4、 設(shè)置各元器件的參數(shù)5、 仿真出系統(tǒng)的波形圖方 向 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容11.1011.12審題，分析設(shè)計(jì)入手方向11.1311.15查看資料，復(fù)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)知識(shí)11.1611.17畫出電壓

2、負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖11.1811.22學(xué)習(xí)matlab應(yīng)用技術(shù)，并分析如何實(shí)現(xiàn)仿真11.23查看電力電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)，并開始初步布置仿真圖11.24完成仿真圖，初步設(shè)置參數(shù)11.2511.29調(diào)試各器件的參數(shù)，仿真出理想的波形11.3012.04撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告12.05準(zhǔn)備答辯電壓負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 一、 摘要電壓負(fù)反饋調(diào)速是比轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速更簡(jiǎn)單和容易實(shí)現(xiàn)的一種調(diào)速方式。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不很低時(shí)，電樞電阻壓降比電樞端電壓要小得多，因而可以認(rèn)為，直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與端電壓近似相等，或者說，電機(jī)轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比。在這種情況下，就可以通過檢測(cè)電壓、反饋電壓來進(jìn)行調(diào)速。電壓負(fù)反饋調(diào)速

3、系統(tǒng)實(shí)際上只是一個(gè)自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)，只有被反饋環(huán)所包圍的電力電子裝置內(nèi)阻引起的穩(wěn)態(tài)速降被減小了，而對(duì)反饋環(huán)外的電樞電阻速降無能為力。為了分析電壓負(fù)反饋在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，我特地對(duì)電壓負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。二、 設(shè)計(jì)目的和意義1）了解電壓負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及其組成；2）掌握電壓負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和調(diào)試技術(shù)；3）加深了解電壓負(fù)反饋在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用；4）了解matlab在電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)中的應(yīng)用；5）學(xué)會(huì)應(yīng)用matlab仿真技術(shù)解決一些問題；6）通過此設(shè)計(jì)培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力和解決問題的能力。三、 設(shè)計(jì)原理1、晶閘管 a b c 圖1 晶閘管 a 晶閘管模型 b晶閘管

4、模型分解方法 c晶閘管工作原理 晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖1所示。如在器件上取一傾斜的截面，則晶閘管可以看成由兩個(gè)晶體管v1、v2構(gòu)成，如圖1b所示。如果外電路向門極注入電流ig，也就是注入驅(qū)動(dòng)電流，則晶閘管導(dǎo)通。此時(shí)如果撤掉外電路注入門極的ig，晶閘管由于內(nèi)部已形成了強(qiáng)烈的正反饋會(huì)仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極所加的電壓，或者給陽極施加反電壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降低至接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關(guān)斷2、vm系統(tǒng) 圖2 晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖2為晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（vm系統(tǒng)）原理圖。圖中vt是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置g

5、t的控制電壓uc來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。在vm系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免和減輕這種影響，需采用抑制電流脈動(dòng)的措施。在這次仿真中，我采用的方法是設(shè)置平波電抗器。另外，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。 3、pi調(diào)節(jié)器。 圖3 pi調(diào)節(jié)器線路圖 pi調(diào)節(jié)即是指比例積分調(diào)節(jié)。圖3為pi調(diào)節(jié)器的線路圖。工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制，實(shí)際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積

6、分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 （1）比例（p）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 （2）積分（i）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差

7、進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 4、電壓負(fù)反饋直流調(diào)速。調(diào)速系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓負(fù)反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種常用的形式。圖4為電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 圖4 電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖中做為反饋檢測(cè)元件的只是一個(gè)起分壓作用的電位器（或是其他電壓檢測(cè)裝置）。從電壓檢測(cè)裝置中引出的電壓負(fù)反饋信號(hào)uu=ud（為電壓反饋系數(shù)），uu與給定電壓un*比較后得到偏差電壓u，u經(jīng)過放大器，產(chǎn)生電力電子變換器upe所需的控制電壓uc，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。圖中，upe

8、是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單項(xiàng)）交流電源，輸出為可控的直流電壓ud。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按照被調(diào)亮的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。由于在電機(jī)轉(zhuǎn)速不很低時(shí)，可以看做電機(jī)轉(zhuǎn)速和端電壓成正比，所以可以通過直接調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)端電壓變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)糾正此偏差，從而達(dá)到調(diào)速的目的。圖5為比例控制電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算規(guī)則，可以分別求出只有給定輸入或者擾動(dòng)輸入部分的輸入輸出關(guān)系，疊加起來，即得電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 n= kpk sun */ ce (1+k)rpe

9、id/ ce (1+k)raid/ce （1）式中 k=kpks （2）由穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性方程式可以看出，因?yàn)殡妷贺?fù)反饋系統(tǒng)實(shí)際上只是一個(gè)自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)，所以只有被包圍的電力電子裝置內(nèi)阻引起的穩(wěn)態(tài)速降被減小到1/（1+k），而電樞電阻速降raid/ce處于反饋環(huán)之外，其大小仍然和開環(huán)系統(tǒng)一樣。顯然，電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能比帶同樣放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要差一些。在實(shí)際情況中，為了盡量減小靜態(tài)速降，電壓負(fù)反饋信號(hào)的引出線應(yīng)該盡量地靠近直流電動(dòng)機(jī)的電樞兩端。 圖5 比例控制電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖需要指出的是，電力電子變換器的輸出電壓除了直流分量ud外，還含有交流分量。把交流分量引入運(yùn)

10、算放大器，非但起不到調(diào)節(jié)作用，反而會(huì)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成放大器局部飽和，從而破壞了它的正常工作。為此，電壓反饋信號(hào)必須經(jīng)過濾波。四、 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟1、根據(jù)原理圖分析如何實(shí)現(xiàn)仿真。根據(jù)自動(dòng)控制原理，一個(gè)電壓負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單地以圖5表示。 圖6 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 圖6中，調(diào)節(jié)器如果采用p（比例）調(diào)節(jié)對(duì)階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除上述誤差，則應(yīng)該選用pi（比例積分）調(diào)節(jié)。對(duì)比圖4和圖5可見，電壓負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由電壓比較環(huán)節(jié)、放大器、晶閘管整流器與觸發(fā)裝置、直流電動(dòng)機(jī)和電壓檢測(cè)裝置等部分組成。在仿真中，給定和負(fù)載可以用constant模塊實(shí)現(xiàn)，比較環(huán)節(jié)可以用加法器sum實(shí)現(xiàn)，放大環(huán)節(jié)由

11、pi調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)裝置用脈沖觸發(fā)器模塊實(shí)現(xiàn)，晶閘管和電動(dòng)機(jī)組成一個(gè)v-m系統(tǒng)。2、根據(jù)分析結(jié)果在matlab中畫出仿真圖。（1）、打開matlab軟件，運(yùn)行simulink，彈出simulink library browser對(duì)話框；（2）、在simpowersystems庫的electrical子庫中選取3個(gè)ac voltage source作為三相交流電壓源，從elements子庫中選取3個(gè)ground分別與交流電壓源的負(fù)極相接；（3）、將power electronics子庫中的晶閘管整流器universal bridge拖到仿真頁面，將3個(gè)交流電壓源的正極分別接到晶閘管整流器

12、的a、b、c端；（4）、從elements子庫中選取一個(gè)series rlc branch作為平波電抗器，從machines中選取直流電動(dòng)機(jī)dc machine，從electrical sources子庫中選取直流電源dc voltage source作為電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電源。將選取的器件連接好；（5）、從simullink庫的commonly used blocks子庫中選取示波器scope連接到電動(dòng)機(jī)的輸出端，以便觀察輸出波形；（6）、從電動(dòng)機(jī)輸入端引出反饋環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)用到器件gain、電壓表voltage measurement、加法器sum，這些器件都能在simpowersystems庫

13、和simulink庫的commonly used blocks子庫中找到；（7）、在以上兩個(gè)庫中找到并選取constant作為給定和負(fù)載、pi調(diào)節(jié)器discrete pi controller、限幅器saturation并連接；（8）、設(shè)置脈沖觸發(fā)器subsystem。其設(shè)置如下： 圖7 同步脈沖觸發(fā)器和封裝后的子系統(tǒng)模塊 （9）、將給定和比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、限幅器與脈沖觸發(fā)器依次連接，并將脈沖觸發(fā)器連接到晶閘管整流器的g級(jí)。其中脈沖觸發(fā)器還要和三相交流電源相連接； （10）、從電動(dòng)機(jī)的輸入端引出示波器，以便觀察端電壓。最后連接好的仿真圖如圖8： 圖8 電壓負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖3、 設(shè)定

14、參數(shù)。1） 、直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置如下圖所示。選用30hp 240v 1750rpm field:300v的電機(jī)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，起始轉(zhuǎn)速設(shè)置為0。 圖9 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置 2）、pi調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。 圖10 pi調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置 3）、平波電抗器參數(shù)設(shè)置。選用rl模塊，具體參數(shù)為r=0.03，l=0.15h。 圖11 平波電抗器參數(shù)設(shè)置 4）、三相電壓源設(shè)置。三相電壓源的相位互相相差120，其中a相的設(shè)置如下圖。 圖12 a相電壓源設(shè)置界面5）、晶閘管參數(shù)設(shè)置。 圖13 晶閘管參數(shù)設(shè)置界面4、 調(diào)試和記錄結(jié)果。設(shè)置好參數(shù)后，檢查是否有所疏漏。然后點(diǎn)擊裝載圖標(biāo)，若沒有提示錯(cuò)誤，則證明仿真圖可行，點(diǎn)擊

15、示波器查看波形。若波形圖不理想，則調(diào)節(jié)pi調(diào)節(jié)器參數(shù)和平波電抗器的參數(shù)，直到得到理想波形為止。若在裝載時(shí)有提示錯(cuò)誤，點(diǎn)擊open，打開錯(cuò)誤，則在仿真圖中的有錯(cuò)誤模塊會(huì)有提示，改正錯(cuò)誤后重新裝載，直到無錯(cuò)誤提示為止。分析并記錄結(jié)果，比較各種參數(shù)下的波形圖，分析原因。五、 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析當(dāng)給定電壓為50v，負(fù)載為100k時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速wm、電動(dòng)機(jī)電流ia、勵(lì)磁電流if、轉(zhuǎn)矩te的波形如圖14所示。由圖可以看出，當(dāng)負(fù)載過大時(shí)，在仿真圖里的轉(zhuǎn)速一開始是負(fù)的，即電機(jī)是先反轉(zhuǎn)再正轉(zhuǎn)，這在實(shí)際生產(chǎn)中是不允許的，減輕負(fù)載可以避免這個(gè)情況。如圖15為給定電壓為50v，負(fù)載為30k時(shí)的波形圖，從中可以看出，當(dāng)負(fù)

16、載減輕時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?開始逐漸上升，當(dāng)上升到最大值時(shí)，又開始下降，達(dá)到平衡后穩(wěn)速運(yùn)行。電機(jī)負(fù)載過大時(shí)為什么會(huì)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)呢？我分析認(rèn)為，在電機(jī)沒有啟動(dòng)的時(shí)候，我們可以把電機(jī)看成已經(jīng)處于一個(gè)平衡狀態(tài)，電機(jī)啟動(dòng)的瞬間，由于負(fù)載過大，而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流都還很低，電機(jī)在慣性作用下被負(fù)載帶動(dòng)反轉(zhuǎn)，當(dāng)一段時(shí)間后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流都增大到一定程度，可以拉動(dòng)負(fù)載，從而使電機(jī)正轉(zhuǎn)，最后達(dá)到平衡狀態(tài)，電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行。 圖14 負(fù)載過大時(shí)的波形圖 圖15 負(fù)載減輕后的波形圖圖16為電機(jī)輸出在示波器中分屏顯示和同屏顯示的波形圖。在4s時(shí)人為地改變負(fù)載，將負(fù)載從原來的30k歐姆改為60k歐姆，我們可以從圖15中看出，在負(fù)載改變

17、時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電樞電流ia、轉(zhuǎn)矩te均發(fā)生了改變。負(fù)載變大時(shí)，轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩都上升，勵(lì)磁電流不受負(fù)載的影響。但相對(duì)于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來說，閉環(huán)調(diào)速的轉(zhuǎn)速變化并不是很大。這就是閉環(huán)調(diào)速相對(duì)于開環(huán)調(diào)速的優(yōu)勢(shì)。圖16 4s時(shí)改變電機(jī)負(fù)載后的n、if、ia、te波形圖另外，從電機(jī)輸入端引出的電壓反饋信號(hào)波形如下圖。 圖17 反饋電壓信號(hào)波形 圖18和圖19分別是系統(tǒng)穩(wěn)定后的波形圖和系統(tǒng)整個(gè)仿真過程波形圖。 圖18 系統(tǒng)穩(wěn)定后的波形圖 圖19 系統(tǒng)整個(gè)仿真過程波形圖從圖中可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速是一個(gè)恒定值，電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)震蕩。六、 總結(jié) 電壓負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相對(duì)于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

18、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來說，其穩(wěn)態(tài)性能要差一些。但是，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，例如測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)，以及電磁脈沖測(cè)速器等等，其安裝和維護(hù)都比較麻煩，常常是系統(tǒng)裝置中可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。因此，對(duì)于調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)來說，電壓負(fù)反饋是一個(gè)不錯(cuò)的選擇?？傊?，在實(shí)際生產(chǎn)中，電壓負(fù)反饋比之轉(zhuǎn)速負(fù)反饋更容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)條件的要求不高，更適用于低精度要求的生產(chǎn)系統(tǒng)中。七、 體會(huì) 從本次設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了simulink仿真的一些方法，更加深入的了解了matlab這款非常優(yōu)秀的數(shù)學(xué)軟件。仿真過程可以說是很令人煩惱的。無數(shù)的參數(shù)需要設(shè)置，各種元件的搭建，都是對(duì)我平時(shí)所學(xué)知識(shí)的檢驗(yàn)。由于以前并沒有使用過simulink仿真，所以在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候也出現(xiàn)了很多問題，主要體現(xiàn)在元件不熟悉，參數(shù)設(shè)置等方面。雖然這次的實(shí)驗(yàn)基本完成，但其中也存在著許多不