直流电动机双闭环调速系统MATLAB仿真实验报告.docx
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直流电动机双闭环调速系统MATLAB仿真实验报告
本科上机大作业报告
课程名称：
电机控制
姓名：
学号：
学院：
电气工程学院
专业：
电气工程及其自动化
指导教师：
提交日期：
20年月日
一、作业目的
1.熟悉电机的控制与仿真；
2.熟悉matlab和simulink等相关仿真软件的操作；
3.熟悉在仿真中各参数变化和不同控制器对电机运行的影响。
二、作业要求
对直流电动机双闭环调速进行仿真
1.描述每个模块的功能
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
三、实验设备
MATLAB、simulink
四、实验原理
1.双闭环系统结构如图：
该系统通过电流负反馈和速度负反馈两个反馈闭环实现对电机的控制，其内环是电流控制环，外环是转速控制环。
内环由电流调节器LT,晶闸管移相触发器CF,晶闸管整流器和电动机电枢回路所组成。
电流调节器的给定信号un。
与电机电枢回路的电流反馈信号相比较,其差值送人电流调节器.由调节器的输出通过移相触发器控制整流桥的输出电压。
在这个电压的作用下电机的电流及转矩将相应地发生变化。
电流反馈信号可以通过直流互感器取白肖流电枢回路,也可以用交流互感器取自整流桥的交流输人电流,然后经整流面得。
这两种办法所得结果相同，但后者应用较多,因为交流互感器结构比较简单。
当电流调节器的给定信号un大于电流反馈信号uf,其差值为正时,经过调节器控制整流桥的移相角α,使整流输出电压升高,电枢电流增大。
反之,当给定信号un小于电流反馈信号时，使整流桥输出电压降低,电流减小,它力图使电枢电流与电流给定值相等。
外环是速度环,其中有一个速度调节器ST,在调节器的输入端送入一个速度给定信号ug，由它规定电机运行的转速。
另一个速度反馈信号ufn米自与电机同轴的测速发电机TG。
这个速度给定信号和实际转速反馈信号之差输人到速度调节器,由速度调节器的输出信号un作电流调节器输人送到电流调节器，通过前面所讲的电流调节环的控制作用调节电机的.电枢电流Ia和转矩T,使电机转速发生变化，最后达到转速的给定值。
五、仿真及其分析
1.描述每个模块的功能
参考Matlab自带的直流电机双闭环调速的SIMULINK仿真模型
1.1参考速度给定选择器
通过该选择器可以选择恒定转速或者阶跃给定，通过单刀双掷开关实现选择。
可以通过如下设置改变速度给定（单位为rad/s）：
可以通过如下设置改变阶跃给定值和steptime（阶跃开始的时间）：
速度给定的值输入到速度调节器中。
1.2速度调节器
速度调节器是一个PI调节器，有两个输入分别来自速度给定和电机速度反馈电压信号，通过速度调节器的运算后将结果值电压输入到电流控制器中。
其内部结构为
先将两个输入作差，然后通过一个比例环节和积分环节相叠加输出电流信号。
可以通过如下设置改变速度控制器Kp和Ki的值，以及输出电压的最大限制：
1.3电流调节器
内部结构为
输入为速度调节器输出的给定和电机反馈的电流信号，将两者作差，然后通过滞环调节，输出整流桥的开关信号，从而控制移相角，改变整流输出电压，改变电枢电流大小。
可以通过如下设置改变滞环的开关时间点和开关时各自的输出值：
电流控制系统内部设置如下图，当滞环电流两个输入量差的绝对值超过2A时，输出GTO信号改变电枢电流。
1.4PWM波生成
内部结构为
Powersysdomain为电机绕组的电力电子电路，外部电路只有接入这个电路才能产生三相电流，电机其他模块则是根据测到的三相电流进行变换和控制，GTO存在于该模块当中。
该GTO输入280V电压作为输入阳极电压信号，电流控制器输出信号作为该GTO模块的门极触发信号g，当输入信号g为正时，输出高电平，而当输入信号g为负时，输出低电平。
可以通过如下设置改变该模块的内阻和ForwardvoltageVf（晶闸管元件的正向管压降）
1.5转矩给定选择器
通过该选择器可以选择恒定转矩或者阶跃给定，通过单刀双掷开关实现选择。
可以通过如下两个设置界面分别设置恒定转矩给定和阶跃给定初值终值以及阶跃发生时间：
1.6直流电机
由图可知该直流电机为一台他励直流电机，励磁电压为240V的直流电压源。
Ls串联通路为电枢电路。
由转矩给定模块给定转矩信号，同时输出当前电流和转速的实时反馈信号。
同时并联二极管D1作为续流回路，电枢串联平波电抗器Ls保持电流连续。
直流电机的相关参数设置如下：
ArmatureResistanceAndInductance设置电枢绕组电阻和电感
FieldResistanceAndInductance设置励磁绕组的电阻和电感
Field-ArmatureMutualInductanceLaf设置励磁绕组和电枢绕组的互感
TotalInertiaJ设置转动惯量
ViscousFrictionCoefficientBm设置粘滞摩擦系数
CoulombFrictionTorqueTf设置库仑摩擦转矩
InitialSpeed为初始角速度
1.7信号反馈模块
由一个Busselect和过滤器Filter组成，首先将直流电机反馈的众多信号中选择出所需要的转速和电枢电流信号（如下图）：
然后将电流信号通过过滤器，过滤器本质上是一个开环传递函数，其传递函数可以通过下图设置进行改变。
Numeratorcoefficients为分子，Denominatorcoefficients为分母，由下图设置参数可知，此时过滤器的传递函数为
1.8示波器模块
通过示波器可以观察电机转速、电枢电流和GTO的输出PWM电压信号。
2.仿真结果分析
2.1恒转速、恒转矩给定
由相关设置可知，此时转速给定为120rad/s，转矩给定为5N·m。
仿真结果如下：
从上到下依次是电机转速波形、电枢电流波形、GTO输出PWM波形。
可以看到，电机启动后转速从0开始增大，在转速未达到120rad/s的设定值之前，由于转速反馈环的存在，电枢电流一直处于较大的状态，从而使转速不断增大。
直到转速达到120rad/s后，由于电流的滞环调节（没有到达边界）与转速的PI调节（存在积分环节）存在一定滞后，电机转速会出现超调，即超过设定值，同时电枢电流会较快速下降到一个较低的稳定值（中间也存在超调），最后转速达到设定值保持恒定。
此时GTO在调节器的输出的门极控制下，不断开断输出PWM波形，同时影响着电枢电流波形。
2.2阶跃转速、恒转矩给定
拨动单刀双掷开关，由相关设置可知，转速给定在0.4s时从120rad/s变为160rad/s，转矩给定为5N·m。
在0.4s时电机转速发生第二次变化，从120rad/s增大到160rad/s，则为了保证转速的上升，此时电枢电流迅速增大到30A，并保持在定值，直到转速再次达到给定值，电枢电流再次恢复到较低值。
可以看到此时保持GTO一直处于开通状态，使电枢电流快速增大。
2.3阶跃转矩、恒转速给定
由相关设置可知，转速给定为120rad/s，转矩给定在1.2s从5N·m变为25N·m。
由图可以看到，1.2s时由于转矩给定增大，电机负载增大，导致转速出现了下滑，但是由于速度环的反馈，电枢电流的快速增大，转速没有出现很大的变化，并且又恢复到了接近转速给定值附近，电枢电流在超调之后，稳定在一个新的稳定值。
3.转速PI调节器参数对电机运行性能的影响
PI调节器有3个参数，分别为Kp（比例），Ki（积分）和限幅值。
3.1调节Kp
将Kp增大到10，可得仿真结果如下图：
和Kp=1.6的波形进行对比可以得到，随着Kp的增加，系统的动态性能得到优化，响应时间缩短，响应较快时，电枢电流的变化较大，会出现明显的超调，但是恢复很快。
当Kp偏大时，响应的震荡次数将增加，调节时间反而延长。
而当Kp过大时，系统将变得不稳定。
3.2调节Ki
调节Ki为1.6和30，进行对比如下图：
Ki=1.6
Ki=32
将不同Ki值下系统响应做对比可以看到，当Ki=1.6时，转速超调量较小，但是在达到设定值附近后，转速需要很长时间缓慢减小达到设定值，稳态误差难以消除。
当Ki=32时，系统超调量较大，但是它能对稳定后存在累积误差的系统进行误差消除，所以此时转速很快达到标准的设定值。
Ki也不是越大越好，随着Ki的不断增大，系统会出现震荡。
3.3改变限幅值
PI调节器的快速动态响应得益于调节器采取限幅输出的结果。
这既从安全角度约束了被控制量的数值范围，也保证了系统能以最大限幅值实现相应被控制量的快速调节。
但是一旦调节器进入限幅饱和状态，PI调节器会退变为一个简单限幅器，而失去PI调节功能，系统也变为开环系统，所以在实际系统中我们要避免出现限幅饱和的现象，限幅值的选取十分重要。
可以看到，当限幅值改变为5A时，电枢电流无法使电机转速很快地达到设定值。
而且随着PI调节器中积分环节的误差累积越来越大，GTO的震荡速度越来越快。
此时PI调节器已经沦为一个简单的限幅器，仅仅限制了电枢电流的大小，而无法控制电机各个性能指标。
4.电流调节器改用PI调节器
设置该PI控制器的各个参数如下图：
设置三角载波频率为10kHz
得到仿真结果为
和原来的电流调节器相对比，很明显的一点是电枢电流的线“变细了”，这代表着电流波动的范围减小了，电流变化曲线更加平滑。
同时值得注意的是在滞环控制时滞环的宽度不能过小，如果开关频率过高会对自关断器件寿命产生影响。
而PI控制没有这么高的开关频率。
而通过试凑法调节PI参数进一步提高电机调节性能。
六、收获与体会
通过本次实验，我对直流电机双闭环控制系统有了更深入的认识和理解。
虽然用过simulink仿真过很多次实验，但是还是遇到了三角波输出不会设置的问题，通过阅读matlab的帮助文档才得到解答。
同时通过本次仿真的参数调节，我更直观地了解了PI各参数对电机控制性能的不同影响。
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