電機(jī)控制大作業(yè)

目錄一、仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?.....................................................................................................3二、仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容....................................................................................................................3三、仿真步驟與結(jié)果分析......................................................................................................41.各個模塊功能介紹.........................................................................................................4（1）速度給定模塊..................................................................................................4（2）轉(zhuǎn)矩給定模塊..................................................................................................5（3）速度控制模塊..................................................................................................7（4）電流控制模塊..................................................................................................8（5）PWM波生成模塊.........................................................................................11（6）濾波模塊.........................................................................................................13（7）測量模塊.........................................................................................................15（8）直流電機(jī)模塊................................................................................................162.仿真結(jié)果分析................................................................................................................19（1）恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩輸入..................................................................................19（2）恒轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩輸入..............................................................................20（3）階躍轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩輸入..............................................................................21（4）階躍轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩..................................................................................22（5）增大給定轉(zhuǎn)速................................................................................................22（6）減小給定轉(zhuǎn)速................................................................................................23（7）增大給定轉(zhuǎn)矩................................................................................................231（8）減小給定轉(zhuǎn)矩................................................................................................243.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機(jī)運(yùn)行性能的影響.......................................................25（1）增大比例系數(shù)Kp.........................................................................................25（2）減小比例系數(shù)Kp.........................................................................................25（3）增大積分系數(shù)Ki..........................................................................................26（4）減小積分系數(shù)Ki..........................................................................................274.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器仿真..............................................................................275.加入位置閉環(huán)控制.......................................................................................................316.速度無超調(diào)....................................................................................................................34四、實(shí)驗(yàn)心得、體會.............................................................................................................352電機(jī)控制大作業(yè)：直流電機(jī)雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)1.加深對直流電機(jī)雙閉環(huán)PWM調(diào)速模型的理解2.學(xué)會利用MATLAB中的SIMULINK工具進(jìn)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(jī)運(yùn)行性能的影響。圖1直流電機(jī)雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.描述每個模塊的功能（*）2.仿真結(jié)果分析：包括速度改變、轉(zhuǎn)矩改變下的電機(jī)運(yùn)行性能，并解釋響應(yīng)現(xiàn)象（*）3.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機(jī)運(yùn)行性能的影響（*）4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器（*）5.加入位置閉環(huán)36.速度無超調(diào)1.各個模塊功能介紹（1）速度給定模塊圖2速度給定模塊原理圖定，一種為階躍速度給定。其中，恒速度給定是通過simulink里面的固定值電源constant進(jìn)行給定，階躍速度給定是利用step階躍電源進(jìn)行給定。給定速度模塊的數(shù)值改變與確定是通過下面的參數(shù)窗口實(shí)現(xiàn)。圖3恒給定速度模塊參數(shù)窗口4圖4階躍給定速度模塊參數(shù)窗口度給定模塊的給定值。默認(rèn)情況為恒給定速度為120rad/s，階躍速度給定初始速度為120rad/s，終止速度給定為160rad/s，階躍時間為0.4s（2）轉(zhuǎn)矩給定模塊圖5轉(zhuǎn)矩給定模塊原理圖來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩給定控制模塊參數(shù)窗口如下5圖6恒給定轉(zhuǎn)矩模塊參數(shù)窗口圖7階躍給定轉(zhuǎn)矩模塊參數(shù)窗口矩給定模塊的給定值。默認(rèn)情況為恒給定轉(zhuǎn)矩為5Nm，階躍速度給定初始轉(zhuǎn)矩為5Nm，終止轉(zhuǎn)矩給定為25Nm，階躍時間為1.2s。6（3）速度控制模塊圖8速度控制模塊原理圖速度控制器實(shí)際上是一個簡單的PI調(diào)節(jié)器，其中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示圖9PI調(diào)節(jié)器原理圖wm調(diào)節(jié)器首先比較給定轉(zhuǎn)速輸入和反饋轉(zhuǎn)速輸入，然后對差值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，公式為ut)ket)ket)dtpiku(s)(k)e(s)isp再做一個延遲動作，延遲動作參數(shù)窗口如下7圖10滯環(huán)元件參數(shù)窗口上界為參數(shù)可以在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)窗口進(jìn)行調(diào)節(jié)，如下圖所示圖11PI調(diào)節(jié)器參數(shù)窗口默認(rèn)情況下，P調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)系數(shù)kp為1.6，I調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)系數(shù)ki為16，Ilim為30A。（4）電流控制模塊8圖12電流控制模塊原理圖這里的電流調(diào)節(jié)模塊較為簡單，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示圖13電流調(diào)節(jié)器內(nèi)部原理圖Ia為經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器之后輸出的給定電流。電流滯環(huán)模塊再輸出到GTO通斷開關(guān)信號。滯環(huán)模塊的原理圖如下圖所示：9圖14滯環(huán)元件參數(shù)窗口當(dāng)大于給定值超過h/2h/2時，滯環(huán)為一個可調(diào)數(shù)值，可以在電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)窗口進(jìn)行控制，如下圖所示圖15電流調(diào)節(jié)器參數(shù)窗口默認(rèn)給定值h為2A。10（5）PWM波生成模塊圖16PWM波生成模塊原理圖PWM波生成模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如下圖所示圖17PWM波模塊內(nèi)部原理圖這個模塊是電機(jī)三相繞組的電力電子電路，外部三相電路A、B、C三相只有接入這個電路才能產(chǎn)生電流。Model模塊具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：11圖18Model內(nèi)部原理圖該模塊是一個280V直流電壓供電的模塊，電流滯環(huán)輸出控制GTO開關(guān)信PWM脈沖調(diào)制可以根據(jù)輸入信號的變化調(diào)整晶體管基極的偏置，來控制晶現(xiàn)對直流電機(jī)的控制。其參數(shù)設(shè)置菜單如下圖所示：12圖19Gto參數(shù)窗口其中，ResistanceRon是晶閘管元件內(nèi)電阻,Inductance為晶閘管元件內(nèi)電感，F(xiàn)orwardvoltageVf為晶閘管元件的正向管壓降。（6）濾波模塊圖20濾波模塊原理圖13圖21低通濾波器模塊參數(shù)窗口是一個傳遞函數(shù)，Num是分子部分的s各階參數(shù)，Den是分母部分s各階參數(shù)。濾波器較為合適。14圖22Busselector模塊參數(shù)窗口Busselector模塊是反饋選擇器模塊。經(jīng)過直流電機(jī)之后可以反饋到的信號由系統(tǒng)是直流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)，用到的其實(shí)只是電流和轉(zhuǎn)速，所以Filter就可以根據(jù)實(shí)際情況選擇我們所需的反饋?zhàn)兞浚⑶覍⑺麄兎珠_作為單獨(dú)反饋?zhàn)兞?。?）測量模塊圖23測量模塊原理圖15測量模塊分為兩部分；一個是電壓測量模塊Vd（VoltageGto輸出的脈沖，輸出則Gto來顯示測量量的變化情況。（8）直流電機(jī)模塊圖24直流電機(jī)模塊原理圖該模塊是整個電路的核心模塊，其中電機(jī)選用的是5HP、勵磁電壓為240V的他勵直流電機(jī)，輸入為轉(zhuǎn)矩，輸出為電樞電流、勵磁電流等反饋?zhàn)兞俊Ｓ靡粋€240V電源作為他勵勵磁電源。Ls為并聯(lián)在直流電機(jī)上的電感，目的是為了讓電機(jī)電流上升更加平穩(wěn)。Ls參數(shù)設(shè)置如下圖所示：16圖25串聯(lián)電感參數(shù)窗口直流電機(jī)模塊的原理圖如下圖所示圖26直流電機(jī)模塊內(nèi)部原理圖其中PWM波的輸出模塊相連，與電源模塊相連做與運(yùn)算之后輸出電樞電流到ElectricalModelElectricalModel模塊。ElectcalModel模塊內(nèi)部原理如下17圖27ElectcalModel模塊內(nèi)部原理圖直流電機(jī)模塊的參數(shù)設(shè)置菜單如下圖18圖28直流電機(jī)模塊參數(shù)參數(shù)窗口Ra為La2為240V，勵磁電感Lf為0.05kgm2，粘滯摩擦系數(shù)Bm為0.02Nms，庫倫摩擦轉(zhuǎn)矩0.02Nm，初始角速度為0.1rad/s。2.仿真結(jié)果分析（1）恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩輸入圖29恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩輸入仿真結(jié)果恒定轉(zhuǎn)矩、恒轉(zhuǎn)速輸入的情況如上圖所示，第一個變化的波形是轉(zhuǎn)速，在0.2s0.5s超調(diào)量大約為10rad/s，這是因?yàn)樗俣日{(diào)節(jié)環(huán)節(jié)的PI控制存在一定的滯環(huán)，最終穩(wěn)定在120rad/s。根據(jù)滯環(huán)調(diào)節(jié)，在29A~31A之間上下波動。在轉(zhuǎn)速達(dá)到120rad/s時，速度反饋調(diào)節(jié)Gto19突變情況。等到速度穩(wěn)定之后，電流也逐漸趨于穩(wěn)定，在5±1A范圍內(nèi)波動。隨著電流以及轉(zhuǎn)速的變化時刻在改變。（2）恒轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩輸入圖30恒轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩輸入仿真結(jié)果1.2s之前的波形變化與第一個實(shí)驗(yàn)一樣，在1.2s時加入了一個階躍的轉(zhuǎn)矩變化，由5Nm變?yōu)榱?5Nm。1.2s0.3s于穩(wěn)定。也隨之增大，在電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用下，經(jīng)過了0.3s進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定在25±1A左右。由于電流調(diào)節(jié)器中含有滯環(huán)調(diào)節(jié)的影響，電流調(diào)節(jié)存在著一定的超調(diào)量。20（3）階躍轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩輸入圖31階躍轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩輸入仿真結(jié)果0.5s的時候?qū)⑺俣冉o定增大為160rad/s。對于轉(zhuǎn)速來說，0.5s之前的波形與第一次實(shí)驗(yàn)相同。0.5s時，速度給定突然增大，由于沒有達(dá)到新的給定轉(zhuǎn)速，在勵磁電源的帶動下，轉(zhuǎn)速逐漸升高，在0.7s趨于穩(wěn)定在160rad/s左右。由于PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用，速度變化的時候仍然具有一定超調(diào)量。對于電流來說，0.5s由于速度給定的變化，Gto開關(guān)會持續(xù)開通一段時間，所以此時的電流會發(fā)生突變，由原來未達(dá)到穩(wěn)定值的低電流突變?yōu)?0rad/s，當(dāng)負(fù)反饋電路后，經(jīng)過一定的超調(diào)穩(wěn)定在6A左右。對于PWM波輸出波形，在0.5s時刻，由于轉(zhuǎn)速未達(dá)到新的額定轉(zhuǎn)速，所以有一段時間PWM30rad/s輸出波形繼續(xù)回到原來的波形中。21（4）階躍轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩圖32階躍轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)與電流調(diào)節(jié)器的滯環(huán)調(diào)節(jié)相比，調(diào)整時間較短，超調(diào)量較大并且明顯，這就說明PI調(diào)節(jié)在直流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)中可以代替滯環(huán)調(diào)節(jié)器，從而獲得更加穩(wěn)定的波形。（5）增大給定轉(zhuǎn)速22圖33增大轉(zhuǎn)速給定仿真結(jié)果將階躍轉(zhuǎn)速的最終值從160rad/s改為了180rad/s，可以看出，當(dāng)最終轉(zhuǎn)速增大后，轉(zhuǎn)速調(diào)整時間變長，但是轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)的超調(diào)并沒有明顯變化。（6）減小給定轉(zhuǎn)速圖34減小轉(zhuǎn)速給定仿真結(jié)果將初始轉(zhuǎn)速給定從120rad/s變?yōu)榱碎g變長，超調(diào)量基本無變化。（7）增大給定轉(zhuǎn)矩23圖35增大轉(zhuǎn)矩給定仿真結(jié)果將最終給定轉(zhuǎn)矩從25Nm改為了30Nm，比較明顯的變化就是電流穩(wěn)定值增很大。轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)對于轉(zhuǎn)速的變化并不是很大。（8）減小給定轉(zhuǎn)矩圖36減小仿真給定仿真結(jié)果減小初始給定轉(zhuǎn)矩，從5Nm變?yōu)?Nm，可以看到點(diǎn)書電流明顯減小，電流241.2s階躍變化的時候也有明顯的改變。3.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機(jī)運(yùn)行性能的影響（1）增大比例系數(shù)Kp圖37增大比例系數(shù)Kp仿真結(jié)果Kp從1.6增大為10之后的仿真波形如上圖所示。增大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)Kp之后，轉(zhuǎn)速變化明顯加快，超調(diào)量明顯減小，調(diào)整花四濺明顯減小。這說明比例參數(shù)的增大可以有效地減小靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能。但是如果Kp較大，會引起系統(tǒng)動態(tài)性能誤差。（2）減小比例系數(shù)Kp25圖38減小比例系數(shù)Kp參數(shù)仿真結(jié)果減小速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)1.6調(diào)整為1）之后，無論是電流還是轉(zhuǎn)速，無論是超調(diào)量還是調(diào)整時間，都有非常明顯的增大。說明減小比例參數(shù)Kp之后，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能變差，響應(yīng)速度變差，靜態(tài)誤差較大，從反面說明比例系數(shù)Kp的增大對系統(tǒng)調(diào)節(jié)的重要性。（3）增大積分系數(shù)Ki圖39增大積分系數(shù)Ki參數(shù)仿真結(jié)果26增大速度調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)Ki（從16調(diào)整為的增大趨勢，靜態(tài)誤差增大，調(diào)節(jié)性能下降。說明積分系數(shù)越大，對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差效果越差。（4）減小積分系數(shù)Ki圖40減小積分系數(shù)Ki仿真結(jié)果減小速度調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)Ki（從1.6變?yōu)榉€(wěn)態(tài)誤差減小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性比較穩(wěn)定。但是積分系數(shù)Ki的減少可能會帶來動態(tài)誤差的增大，從而使得超調(diào)量、調(diào)整時間增大。所以，PI調(diào)節(jié)器對于動態(tài)誤統(tǒng)穩(wěn)定性。4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器仿真電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器仿真之后，電路原理圖如下圖所示：27圖41電流調(diào)節(jié)器改為PI調(diào)節(jié)器后電路原理圖PI調(diào)節(jié)器的原理圖如下圖所示：圖42電流調(diào)節(jié)器（初始）內(nèi)部原理圖但是此時仿真會出現(xiàn)錯誤，如下圖所示：28圖43仿真出錯圖這是因?yàn)閟imulink仿真時，如果遇到超過1000個過零事件，就會報錯，如圖所示：圖44仿真參數(shù)修改窗口然后得到的波形如下圖所示：29圖45解決錯誤之后仿真結(jié)果這個波形顯然不符合實(shí)驗(yàn)要求，這是因?yàn)檩敵龅碾娏餍盘柺且粋€模擬信號，需要將電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并變成boolean形式輸出，所以用了一個AD轉(zhuǎn)換模塊和datatypeconversion模塊。改正后的電流調(diào)節(jié)器如下圖所示：圖46改進(jìn)PI調(diào)節(jié)器原理圖調(diào)節(jié)兩個PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki，最