MATLAB課設報告

1、江蘇大學電動機調速系統(tǒng)仿直電氣工程綜合實訓（matlab）報告題目專業(yè)班級學生姓名學號指導教師 一、課程設計目的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)控制對象的物理特性，掌握控制系統(tǒng)動態(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)被控對象的性能指標要求進行系 統(tǒng)校正。二、課程設計內容1、某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路， 基本數(shù)據(jù)如下：直流電動機：220V、17A、1460r/min、Ce = 0.132V min/r ,允許過載倍數(shù) 九=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：(=40; s電樞回路總電阻：R

2、= 0.5Q；時間常數(shù)：T= 0.03s, Tm=0.18s;電流反饋系數(shù)：0 =0.3922V/A(/0V/1.5/In);轉速反饋系數(shù)：« =0.007V min/r(z10V/nN)。設計一轉速電流雙閉環(huán)控制的調速系統(tǒng)，設計指標為電流超調量 叼<5%,空載起動到額定轉速時的轉速超調量3%£10%。取電流反饋濾波時間常數(shù)、 = 0.002s,轉速反饋濾波時間常數(shù)Ton = 0.01s。取轉速調節(jié) 器和電流調節(jié)器的飽和值為12V,輸出限幅值為10V,額定轉速時轉速給 定U：=10V。仿真觀察系統(tǒng)的轉速、電流響應和設定參數(shù)變化對系統(tǒng)響應 的影響。要求:(1)根據(jù)轉速電

3、流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖，按傳遞函數(shù)構建仿真模型；(2)按工程方法設計和選擇轉速和電流調節(jié)器參數(shù)，ASR和ACR都采用PI調節(jié)器。(3)設定模型仿真參數(shù)，仿真時間10s,并在6s時突加1/2額定負載， 觀察控制系統(tǒng)電流、轉速響應。(4)修改調節(jié)器參數(shù)，觀察在不同參數(shù)條件下，雙閉環(huán)系統(tǒng)電流和轉速的響應，(5)使用Power System模塊建立直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型， 并與傳遞函數(shù)模型運行結果進行比較。可能會用到的公式：=Ce = UN生nN供電電源電壓：=.U2I小"2.34cos.：s勵磁電阻為：Rf =Uf/If電樞電感估算式：La = 19.1CUN (c=0.

4、4)2pmIN反電勢常數(shù)：Ke =30Ce =1.2605 71電動機軸上的飛輪慣量：GD2 = 3750"R電動機轉動慣量：J=GD 2/4g額定負載轉矩為：二KEIa(1)設計思路：在直流調速系統(tǒng)中，通過 PI調節(jié)器實現(xiàn)的轉速負反饋控制，可使系 統(tǒng)轉速穩(wěn)態(tài)無靜差，消除負載轉矩擾動對穩(wěn)態(tài)轉速的影響；為實現(xiàn)在允許條件下電機的最快起動，采用電流負反饋控制，可以獲得一段使電流保持 為最大值I dm的恒流過程。為了使轉速負反饋和電流負反饋起作用，可在 系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別引入兩種負反饋機制以調節(jié)轉速和電流， 其 中，把轉速調節(jié)器（ASR）的輸出當作電流調節(jié)器（ACR）的輸入，再用 A

5、CR的輸出去控制電力電子變換器。此處作為工程設計方法，可以將調節(jié)器的設計過程分為兩步：第一步， 先選擇調節(jié)器的結構，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度；第二 步，在選擇調節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標的要求。為獲得良好的靜 態(tài)和動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用 PI調節(jié)器。轉速電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖（2）參數(shù)計算過程：ACR設計過程：確定各時間常數(shù)a.由查表可知，三相橋式整流裝置的滯后時間常數(shù)Ts = 0.0017s;b.由題已知電流濾波時間常數(shù)Toi = 0.002s;c.按小時間常數(shù)近似處理，取電流環(huán)小時間常數(shù)之和 T i =1 F = 0.0037s。選擇AC

6、R結構根據(jù)設計要求巴工5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計PI型ACR具傳遞函數(shù)為WMs) = "is；由于二=裊黑=& 11,isT i 0. 0037由查表可知，各項指標均滿足條件。計算ACR參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：量=1 = 0.03s;ACR開環(huán)增益：要求5 W5%寸，取KT5=0.5,因此Ki0. 50. 5=sK i 0.0037135. 1sKi135.10.03 0. 5400. 3922所以，ACR的比例系數(shù)為0. 1292檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率：c = Ki =135. 1s13Tsa.校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件111 ，一&quo

7、t;一定196.08s之®ci ,滿足近似條件;3 U. UUI7b.校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件40.82s,£ " 滿足近似條件;c.校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件11s3.0.0017 0.002180.8s-1之ci ,滿足近似條件;綜上所述，PI型ACR勺傳遞函數(shù)為WUS)Ki( is 1)is0. 1292s4.3sASR設計過程:確定各時間常數(shù)a.由KITgi =0.5可得，電流環(huán)等效時間常數(shù)為12Txi = 2 0, 0037s = 0. 0074 s.K isJb.由題已知轉速濾波時間常數(shù)Toi = 0.01s;c.按小時間常數(shù)近

8、似處理，取轉速環(huán)小時間常數(shù)之和為-1T nTon = 0.0074s0. 01 = 0.0174s.nKi'選擇ASR結構根據(jù)設計要求，可選用PI型ACR具傳遞函數(shù)為WsG) = Kn"ns " ； ns由于0. 030. 0037= 8.11,由查表可知，各項指標均滿足條件計算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超前時間常數(shù)為.n = hK n = 5 0,0174s = 0. 087s,h 1,，一_.由Kn = h 12可得,ASR開環(huán)增益為2h T-Kn = -17 = 2- 2 : 396. 4s 12h2Ty n22 x 52

9、x 0. 01742由 =(h '.BCeTm可得 asr的比例系數(shù)為2h： RT n(h 1) CeTm _ 6 0.3922 0.132 0.18 Kn s 91.8s2h： RT n 2 6 0.007 0.5 0.0017檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率:cnKn=396. 40. 087s34. 5sa.校驗電流環(huán)簡化條件Ki135. 11 c 1s -163. 7s -10. 0037至四,滿足簡化條件;當突加階躍給定時,1:38. 7s. cn,滿足近似條件;計算超調量。當h=5時,查得空吧=81.2%,則超調量為_ C . Cmax、/_ nNn = 2 )( ' -

10、 z) y Cbn170. 5< n _ 0 0 QO 0. 0174_ _二281.2% 1.50. 1321. 04% < 10%Tm146018b.校驗轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件ASR飽和，所以此處應按照退飽和的情況重新顯然，能滿足設計要求。綜上所述，PI型ASR勺傳遞函數(shù)為WASR(S)=WU=g0, ns(3)仿真模型與波形圖(注：圖要有圖標)：仿真模型:圖1-1轉速電流雙閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)仿真模型仿真時間10s,并在6s時突加1/2額定負載：電流調節(jié)器 KT=0.5:Time offset:0圖1-2 KT=0.5電流波形Time offset： 0圖1-3kt=

11、0.5電流、轉速響應波形電流調節(jié)器KT = 0.25時:Time offset;圖1-4KT=0.25電流波形Time offset: 0圖1-5KT = 0.25電流、轉速響應波形電流調節(jié)器KT=1時:Time oifset; 1600Time offset: 0圖1-7 KT=1電流、轉速響應波形(4)對結果進行分析：電流調節(jié)器KT=0.5,電壓調節(jié)器h=5時的電流和轉速的響應跟隨性能超調小，動態(tài)跟隨性能適中。電流調節(jié)器 KT = 0.25時，可看出起動時電流響應超調減小，但上升時間變長。電流調節(jié)器 KT=1時，可看出起動時電 流響應超調增大，但上升時間變短。(5)使用Power Syst

12、em模塊建立直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型:圖1-8Power System模塊建立直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型圖1-9Power System模塊建立直流電機雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形2、轉速開環(huán)SPWM控制的變頻調速系統(tǒng)建立和仿真22C5n：2in-wQcnt -ol edVoltage Source2ConbnucuaIpovwrguii"dud Voltage Squrcerntrnl f=d ValtagF Sou - cel上圖為此系統(tǒng)的總框圖，其中if 15 ibcB- AGainAsvnchroncus Machine SI UnilsSOJpElspwm 模塊，inverter模

13、塊是經過封裝的子系統(tǒng)模塊，子系統(tǒng)模塊需要自己搭建。提示：1）、調制波是三相正弦調制波，2* 二* npp *602）、等腰三角波可用脈沖發(fā)生器（幅值設為 4,周期設為1 /1980,占空比設為50%）和一個常數(shù)2比較，得到新的脈沖，再經過積分環(huán)節(jié)，得到等 腰三角形波，再經過一個增益模塊（1980*2）對其進行放大，（也可以不 按照我的方法，但是最后得到的仿真時長為0.01s時的三角波形需如圖所示：） 白 ADtU A3）、正弦調制波模塊和三角波模塊組合到一起，兩個信號比較后經延時 （relay模塊）進行大于還是小于的判斷，從而得到正負半周都有的脈沖波形。正半周用來驅動逆變器的上橋臂，負半軸驅動

14、下橋臂。4）、逆變器的仿真模塊我們用3個switch模塊構成等效的逆變橋，又前 面生成的spwm波形送入這個逆變環(huán)節(jié)，然后送入電動機模型，而不必考 慮驅動電路，因為仿真過程中沒有電壓，電流的概念，而是純粹的數(shù)字來 體現(xiàn)的電壓和電流。Ud是經過整流，濾波后的直流電，在仿真中用一個 常數(shù)代替。5）電機參數(shù)：額定功率2200VA,額定電壓（線電壓）380V,額定頻率50Hz,轉速 1500r/min,定子電阻 Ra=0.435歐，轉子電阻 Rr=0.816歐，定子電感Ls=0.004H,轉子電感 Lr=0.002H,定、轉子互感 Lm=0.06931,極對數(shù) np=2, 轉動慣量J=0.089kgm

15、2,摩擦系數(shù)F=0,仿真類型選用 Continurous , Variable-step,算法采用 ode23s (stiff/Mod.Rosenbrock)，仿真時長1s,由于電機控制數(shù)據(jù)量較大， Scope 中的記錄點數(shù)限制取消。6)要求空載啟動后，在0.3s時對系統(tǒng)突加10Nm負載，0.5s時負載突變 為20Nm, 0.7s時負載又突減為5Nm,記錄下整個過程的相關波形圖，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出是那種曲線。7)給出子系統(tǒng)的仿真圖。(1)設計思路: 正弦調制仿真模型的搭建：調制波是三相正弦調制波，ur1 = Ar sin，t，2*r360=

16、人5M。1-2/3兀）其中w= Arsin（ t 2/3二）r圖2-2正弦調制仿真波形等腰三角載波仿真模型：等腰三角波可用脈沖發(fā)生器（幅值設為4,周期設為1 /1980，占空比設為50%）和一個常數(shù)2比較，得到新的脈沖，再經 過積分環(huán)節(jié)，得到等腰三角形波，再經過一個增益模塊（1980*2）得到。Ccn«vwicwa 皿圖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SPWM仿真模型的搭建：將以上兩個模塊組合到一起，正弦和三角信號比較后經延時（MATLAB/Simulink中的Relay模塊）進行大于“ 0”還是小于“ 0”的 判斷，這樣得到了所要的正負半周都有的脈沖波形。 正

17、半周驅動六相橋的 上橋臂，負半周用來驅動下橋臂。ConSHfLfl-BSnC.圖2-5spwm仿真模型1.10.03 Q,oao2 0.03040.03060.03 OB 0.0310 03120.0314-00316Tine offset: 0圖2-6SPWM仿真波形逆變器的仿真模型：逆變器的仿真模塊我們用3個switch模塊構成等效的逆變橋，又前面生 成的spwm波形送入這個逆變環(huán)節(jié)，然后送入電動機模型，而不必考慮驅 動電路，因為仿真過程中沒有電壓，電流的概念，而是純粹的數(shù)字來體現(xiàn) 的電壓和電流。Ud是經過整流，濾波后的直流電，在仿真中用一個常數(shù) 代替。UdGair圖2-7逆變器的仿真模型

18、(2)參數(shù)計算過程：額定功率2200VA，額定電壓(線電壓)380V,額定頻率50Hz,轉速1500r/min, 定子電阻Ra=0.435歐，轉子電阻Rr=0.816歐，定子電感Ls=0.004H,轉 子電感Lr=0.002H,定、轉子互感Lm=0.06931,極對數(shù)np=2,轉動慣量 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)，仿真時長1s,由于電機控制數(shù) 據(jù)量較大，Scope中的記錄點數(shù)限制取消。輸入逆變器的整流電壓?。篣d=220J2V。電機參數(shù)設置:B

19、lock Parameters: Asynchronous Machine SI Unit專c：Aynchronous Machine Cmask) (link)mplevents a thyee-phase 葬ynchranous machine (iFound rcrtur, squirrel cage qi double squirrel cafe) noddled in select able dq reference frame (rotoi, st atorj or synchronous). Stator and rot or vindings are connected in

20、wye to an internal neutral point.Conf igu.r art ionParoeters | Adv皿0七上 | Load _FhwMoninal paver, voltage (line-line) t and frequency Pri(VA)3 VnCVra.Ejj fn(Hz)22Q0 330 50Rs (olun) Lis (H):£土3+0上 resistancs and induct aiuceE0,435 4e-3Rotot resistance and inductance Rr' (ohm) Lit' (HO :0,

21、 316 2e-3Mutual. Lnduct anc& Lm (Hj :6. 931e-2Inertiflj friction fador， pole pairs | J Cks. ui" 2) F(N. jil. s) 口。 :E0. 089 0 2Iriitial c (nidi'll i Olis1 0 0 0 0 0 0PlcrtSimulate EaturatioaCancelHelpAppl7(3)仿真模型與波形圖(注：圖要有圖標)： 仿真模型:1JT F 旅，5*產5曲“Ercffic g 口加 UOwtK<SW»" ar*q 帽 陽那CanmalEd M& 口（口M7田5 4f；三命3口/刃1£|9n總