2023年直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速大作業(yè)

建廣a貨

題目（中）直流電機(jī)雙閉環(huán)控制調(diào)速__________

姓名與學(xué)號，___________________________

指導(dǎo)教師，_____________________________

年級與專業(yè)，______________________

所在學(xué)院8_______________

目錄:

一、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?guī)定團(tuán)3

二、雙閉環(huán)調(diào)速控制內(nèi)容...................................................3

三、重要儀齡設(shè)備和仿真平臺回3

四、仿真建模環(huán)節(jié)及分析團(tuán)4

1.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速各模塊功能分析....................錯誤!未定義書簽。

2.仿真結(jié)果分析（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩改變）回14

3.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機(jī)運(yùn)營性能的影響..........................20

4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真團(tuán)22

5.加入位置閉環(huán)后的仿真..............................................23

6.速度無超調(diào)仿真....................................................25

七、實(shí)驗(yàn)心得............................................................26

一、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?guī)定

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)會運(yùn)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)營性能的影響。

二、雙閉環(huán)調(diào)速控制內(nèi)容

必做：

1、描述Chopper-FedDCMotorDrive中每個(gè)模塊的功能。

2、仿真結(jié)果分析：涉及轉(zhuǎn)速改變、轉(zhuǎn)矩改變下電機(jī)運(yùn)營性能，并解釋相應(yīng)現(xiàn)象。

3、轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機(jī)運(yùn)營性能的影響。

4、電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后，對電機(jī)運(yùn)營調(diào)速結(jié)果的影響。

選做：

5、加入位置閉環(huán)

6、速度無超調(diào)

三、重要儀器設(shè)備和仿真平臺

1、MATLABR2023b

2、MicrosoftOfficiaIsWord2023

四、仿真建模環(huán)節(jié)及分析

1.直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速各模塊功能分析

參考Matlab自帶的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速的SIMULINK仿真模型:

demo/simulink/simpowersystem/PowerElectronicsModels/Chop

per—FedDCMotorDrive

Chopper-FedDCMotorDrive(Continuous)

士

ReadtheModelProperties

aforinitisfixationdetails

1.1轉(zhuǎn)速給定模塊

轉(zhuǎn)速給定有兩種方式:一為恒定轉(zhuǎn)速給定，二是階躍的給定。兩種方式的選擇

通過單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

恒轉(zhuǎn)速給定可由以下窗口修改設(shè)立:

階躍轉(zhuǎn)速給定可由以下窗口修改設(shè)立:

StepTime為從初始狀態(tài)到階躍完畢所需的時(shí)間,InitialValue為初始轉(zhuǎn)

速，F(xiàn)inalValue為階躍后最終轉(zhuǎn)速,SampleTime為采樣時(shí)間間隔。

從圖中可得出，當(dāng)前轉(zhuǎn)速給定為一個(gè)從120rad/s到16Orad/s的階躍過程,

直到階躍過程結(jié)束耗時(shí)0.4s。

1.2轉(zhuǎn)矩給定模塊

Torque(N.m)l_'

TorqueStep丁

Torque

I、selection|_|

轉(zhuǎn)矩給定也有兩種方式：一為恒定轉(zhuǎn)矩給定，二是階躍轉(zhuǎn)矩的給定。兩種方

式的選擇通過單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

恒轉(zhuǎn)矩給定可由以下窗口修改設(shè)立：

階躍轉(zhuǎn)矩給定可由以下窗口修改設(shè)立:

StepTime為從初始狀態(tài)到階躍完畢所需的時(shí)間』nitialValue為初始轉(zhuǎn)矩,

FinalValue為階躍后最終轉(zhuǎn)矩,SampleTime為采樣時(shí)間間隔。即從圖中

可得出，當(dāng)前轉(zhuǎn)矩給定為一個(gè)從5Nm到25Nm的階躍過程，直到階躍過程結(jié)束

耗時(shí)1.2so

1.3速度控制器SpeedContro11er

速度控制器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下:

wref

兩個(gè)輸入量分別為由轉(zhuǎn)速給定模塊提供作為轉(zhuǎn)速參考值的wref和當(dāng)前速

度實(shí)際值wm,得出差值通過比例積分環(huán)節(jié)，再通過Saturation限幅環(huán)節(jié),獲得輸

出電流值Irefo

可知該環(huán)節(jié)為PI控制環(huán)節(jié)，其內(nèi)部參數(shù)重要有比例調(diào)節(jié)系數(shù)Kp和積分調(diào)節(jié)

系數(shù)Ki。

可通過如下窗口修改設(shè)立：

由圖中可觀測得該P(yáng)I調(diào)節(jié)系統(tǒng)的系數(shù)Kp=1.6,Ki=16,CurrentLimit

為輸出電流最大限定值，設(shè)立為30A。

1.4電流控制器CurrentController

CirrentController

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下:

KD

g

Iref

可得知該電流控制系統(tǒng)為滯環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),其兩個(gè)輸入量分別為由電流給定模

塊提供參考電流值Iref和當(dāng)前實(shí)際電流反饋值la,通過滯環(huán)調(diào)節(jié)，輸出GTO

的通斷開關(guān)信號。

滯環(huán)模塊的參數(shù)設(shè)立如下，可設(shè)立滯環(huán)的開關(guān)時(shí)間點(diǎn)和開關(guān)時(shí)各自的輸出值:

電流控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)立如下圖，當(dāng)HysteresisBand滯環(huán)電流兩個(gè)

輸入量差別超過正負(fù)2A時(shí)，輸出GTO關(guān)或開信號進(jìn)行調(diào)節(jié)電路。

1.5PWM波生成模塊

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下:

GTO

(Switch-----------?!

(1)Acate

SWITCH

9

□switch

Status

ModelITAL

Continuous

Powersysdomain模塊是一個(gè)P—code文獻(xiàn)，具體里面的內(nèi)容是看不到的，存

在于matlab文獻(xiàn)夾下。Powersysdomain為電機(jī)三相繞組的電力電子電路，外

部三相電路A、B、C只有接入這個(gè)電路才干產(chǎn)生三相電流,電機(jī)其他模塊則是根

據(jù)測到的三相電流進(jìn)行變換和控制，GTO存在于該模塊當(dāng)中。

Model(Continuous)模塊的具體結(jié)構(gòu)如下：

由圖中可知，GTO模塊以一個(gè)280V直流電壓作為該模塊輸入陽極電壓信

號a,滯環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出信號作為該模塊的門極觸發(fā)信號g,當(dāng)輸入信號g為正時(shí),

輸出高電平；當(dāng)輸入信號g為負(fù)時(shí)，輸出低電平。

該模塊內(nèi)部參數(shù)設(shè)立如下圖:

ResistanceRon為晶閘管元件內(nèi)電阻，InductanceLon為晶閘管元件

內(nèi)電感Lon(H),Forwardvo1tageVf為晶閘管元件的正向管壓降，Cu

rrent10%falltime為電流下降到10%的時(shí)間，Currenttailtime為

電流拖尾時(shí)間，Initialcun,entIc為初始電流，SnubberresistanceRs

為緩沖電阻，SnubbercapacitanceCs為緩沖電容。

1.6直流電機(jī)模塊

由圖可知該直流電機(jī)為一臺他勵直流電機(jī)，勵磁電壓為240V的直流電壓源。

由轉(zhuǎn)矩給定模塊給定轉(zhuǎn)矩信號，同時(shí)輸出當(dāng)前電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)反饋信號。

電機(jī)的內(nèi)部參數(shù)可由如下窗口設(shè)立：

SBlockParameters:DCMachine5HP/240V

implementsa(wound-fieldorpermanentmagnet)DCmachine.A

Forthewound-fieldDCmachine,accessisprovidedtothe

fieldconnectionssothatthemachinecanbeusedasa

separatelyexcited,shunt-connectedoraseries-connected

DCmachine.

ConfigurationParametersAdvanced,_________________H

Armatureresistanceandinductance[Ra(ohms)La(H)]

[0.50.01]

Fieldresistanceandinductance[Rf(ohms)Lf(H)]

[240120]

Field-armaturemutualinductanceLaf(H):

1.23

TotalinertiaJ(kg.m*2)

0.05

ViscousfrictioncoefficientBm(N.m.s)

0.02

CoulombfrictiontorqueTf(N.m)

G_____________________________________________

Initialspeed(rad/s):

0.1v

<>

OK|Cancel|HelpApply

由圖可得，可由ArmatureResistanceAndInductanee設(shè)立電

樞繞組電阻和電感，F(xiàn)ieldResistaneeAndInductance設(shè)立勵磁繞組的電阻

和電感,Field-ArmatureMutualInductanceLaf設(shè)立勵磁繞組和電樞繞

組的互感，TotalInertiaJ設(shè)立轉(zhuǎn)動慣量,ViscousFrictionCoe

fficientBm設(shè)立粘滯摩擦系數(shù),CoulombFrictionTorqueTf設(shè)立庫侖摩擦轉(zhuǎn)

矩,InitialSpeed為初始角速度。

則可以讀取，當(dāng)前電樞繞組的Ra=0.5ohms,La=0.01H,當(dāng)前勵磁繞組

的Rf=24Oohms,Lf=120H,勵磁繞組和電樞繞組的互感Laf=1.23H,轉(zhuǎn)動慣

量J=0.05Kg.nT2等參數(shù)。

1.7速度和電流反饋模塊

<Speedwm{rad?印

<Armatureorrentia(A)>

其內(nèi)部變量如下圖:

由上圖可知，由直流電機(jī)系統(tǒng)獲得的可選擇的反饋輸入量有轉(zhuǎn)速、電樞電流、

勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩，我們所選擇的輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)速和電樞電流。

1.8反饋電流濾波模塊

Filter

其內(nèi)部參數(shù)設(shè)立如下圖:

Numeratorcoefficients為分子,Denominatorcoefficients為

分母，以此來構(gòu)成過濾模塊的傳遞函數(shù)，則此時(shí)的傳遞函數(shù)應(yīng)為l/(s*10A(-5)

+1)o

1.8示波器模塊

Scope

示波器觀測的輸入信號為是GTO的輸出PWM電壓信號，電機(jī)的電樞電流和電

機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.仿真結(jié)果分析(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩改變)

2.1默認(rèn)參數(shù)下進(jìn)行仿真

(1)恒轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩給定

如上圖中，從上到下依次是GTO輸出PWM波形、電樞電流波形、電機(jī)轉(zhuǎn)速

波形。

則可觀測到,在電機(jī)啟動后但轉(zhuǎn)速未達(dá)成120rad/s的設(shè)定值之前，電樞電流

一直處在較大的狀態(tài)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升。直到轉(zhuǎn)速達(dá)成120rad/s后，由于

電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)均存在延遲現(xiàn)象，電機(jī)轉(zhuǎn)速會超過120rad/s,

之后電樞電流下降到一個(gè)較低的穩(wěn)定值,轉(zhuǎn)速也達(dá)成設(shè)定值。在此期間，由于電

流的滯環(huán)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)連續(xù)工作，GTO處在不斷開通、關(guān)斷的狀態(tài)。

(2)階躍轉(zhuǎn)速、恒轉(zhuǎn)矩給定

對比(1)情況下的波形，在電機(jī)達(dá)成120rad/s轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再給一個(gè)階躍

信號參考轉(zhuǎn)速達(dá)成160rad/s,則為了保證轉(zhuǎn)速的上升，電樞電流又重新提高到較

大值，該調(diào)節(jié)過程與前相近，直到轉(zhuǎn)速重新在16Orad/s附近平衡后，電樞電流

減少到較小值。

(3)恒轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩給定

與(1)中情況對比，即在轉(zhuǎn)矩發(fā)生階躍后，由于負(fù)載增大電機(jī)轉(zhuǎn)速受影響下

降,之后在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下回復(fù)到120rad/s的平衡狀態(tài)，但是由于負(fù)載增長，電樞

電流比原本狀態(tài)下的電樞平衡電流大。

(4)階躍轉(zhuǎn)速、階躍轉(zhuǎn)矩給定

對比如上（1）、（2）、（3）狀況，該狀態(tài)下的波形近似為（2）、（3）情況時(shí)的

復(fù)合。

同時(shí),觀測以上四種狀況下的電樞電流波形和電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，我們可以明顯

看到電機(jī)轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)的效果比電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)的效果好許多，在達(dá)成平衡之

后，轉(zhuǎn)速波形幾乎沒有波動，而電流波形一直在平衡值周邊小幅振蕩。

2.2改變轉(zhuǎn)速給定值后的仿真結(jié)果

（1）修改轉(zhuǎn)速階躍的給定值如下:

對比原狀態(tài)(4)中的波形圖,轉(zhuǎn)速由。升至60rad/s所需的時(shí)間明顯縮短,

在發(fā)生轉(zhuǎn)速階躍，由6Orad/s階躍至160rad/s,所需的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯增長。

(2)修改轉(zhuǎn)速階躍的給定值如下:

對比原狀態(tài)(4)中的波形圖，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在120rad/s后，發(fā)生轉(zhuǎn)速階躍，參考轉(zhuǎn)速

增至2O0rad/s,此時(shí)所需的調(diào)節(jié)時(shí)間明顯增長。且當(dāng)轉(zhuǎn)速取得較大時(shí)，在負(fù)載

不變的情況下，參考電流值變大，滯環(huán)上下限絕對值增大,可明顯觀測到電樞電

流的滯環(huán)控制效果非常粗糙。

2.3改變轉(zhuǎn)矩給定值的仿真結(jié)果

修改轉(zhuǎn)矩階躍的給定值如下:

SourceBlockParameters:TorqueStep

Step

Outputastep.

Parameters

Steptime:

1?2|

Initialvalue:

5

Finalvalue:

35

Sampletime:

0

0Interpretvectorparametersas1-D

0Enablezero-crossingdetection

OKCancelHelpApply

改變轉(zhuǎn)矩階躍的給定值,使其從5階躍到35,觀測如上波形，可看到在2.5

s時(shí)轉(zhuǎn)速尚未調(diào)節(jié)到給定120rad/s,仍處在下降階段，即轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)至給定值的

時(shí)間明顯變長。同時(shí)，由于負(fù)載的增長，轉(zhuǎn)速同樣時(shí),在電機(jī)平穩(wěn)后，隨著轉(zhuǎn)矩的

增大，電樞電流也明顯增大。

3.轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對電機(jī)運(yùn)營性能的影響

(1)改變比例調(diào)節(jié)參數(shù)Kp,將其由1.6增大至16

對比原始狀態(tài)(4)的波形，可觀測得系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度明顯變快，電樞電流的波

形變化近似于方波，轉(zhuǎn)速達(dá)成參考值的調(diào)整時(shí)間明顯縮短，且達(dá)成穩(wěn)定后波形平直,

穩(wěn)態(tài)誤差減小。

為了提高系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)，減少系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，可以使Kp增大。但

是Kp增大時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度和超調(diào)量也增大。

(2)改變積分調(diào)節(jié)參數(shù)Ki,減小其值由16至8

對比可明顯觀測到系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度變慢，轉(zhuǎn)速在階躍發(fā)生后，需要更長的時(shí)

間去調(diào)整到新的平衡值。

4.電流調(diào)節(jié)器改用PI調(diào)節(jié)器后的仿真

Chopper-FedDCMotorDrive(Continuous)

ReadtheModelProperties

farinitiakzstiondetails

此時(shí)兩個(gè)pI調(diào)節(jié)器系數(shù)取值如下:

對比初始狀態(tài)（4）的波形圖，則可得知，將電流的滯環(huán)調(diào)節(jié)器改為PI調(diào)節(jié)

器之后，電樞電流的調(diào)節(jié)效果明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)成參考值穩(wěn)定后，電樞電流的波動范

圍較滯環(huán)小了許多，接近一條光滑的曲線。

通過調(diào)節(jié)兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更加抱負(fù)的效果:

5.加入位置閉環(huán)后的仿真

Chopper-FedDCMotorDrive(Continuous)

rVwitrnllar

Continuous

neadtheModelProperties

Sibrinrtialtfatondetails

-?

-^

-大

丁

，

士

selection1SpeedStepi

為了加入位置閉環(huán)控制,則一方面設(shè)定位置給定值為200,然后位置給定值

與速度的積分值進(jìn)行比較得到位置的誤差輸入速度控制器，以實(shí)現(xiàn)位置的閉

環(huán)控制。

其實(shí)200本來是速度給定，但是由于與實(shí)際速度的積分做比較所以變成位置給

定。仿真結(jié)果如下圖所示

時(shí)間為2s時(shí),可以看到位置有超調(diào)，圖