1、实 验 报 告课程名称： 电机控 指导老师： 年珩 成绩：_实验名称： 直流电机双闭环调速 实验类型： _同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、 实验目的和要求1、 加深对直流电机双闭环 PWM 调速模型的理解。2、 学会利用 MATLAB 中的 SIMULINK 工具进行建模仿真。3、 掌握 PI 调节器的使用，分析其参数对电机运行性能的影响。二、 实验内容专业：电气工程与自动化姓名： 学号： 日期： 地点： 1、描述 Chopper-Fed D
2、C Motor Drive 中每个模块的功能。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 调节器后，对电机运行调速结果的影响。三、 主要仪器设备和仿真平台1、 MATLABR2013a2、 Microsoft Officials Word 2013四、 实验步骤及分析1、 直流电机双闭环调速各模块功能分析参考 Matlab 自带的直流电机双闭环调速的 SIMULINK 仿真模型：demo/simulink/simpowersystem/Power Electronics Models/Chop
3、per-Fed DC Motor Drive1.1 转速给定模块转速给定有两种方式：一为恒定转速给定，二是阶跃的给定。两种方式的选择通过单刀双掷开关实现。恒转速给定可由以下窗口修改设置：阶跃转速给定可由以下窗口修改设置：Step Time 为从初始状态到阶跃完成所需的时间，Initial Value 为初始转速，Final Value 为阶跃后最终转速，Sample Time 为采样时间间隔。即从图中可得出，当前转速给定为一个从 120rad/s 到 160rad/s 的阶跃过程，直到阶跃过程结束耗时 0.4s。1.2 转矩给定模块转矩给定也有两种方式：一为恒定转矩给定，二是阶跃转矩的给定。两
4、种方式的选择通过单刀双掷开关实现。恒转矩给定可由以下窗口修改设置：阶跃转矩给定可由以下窗口修改设置：Step Time 为从初始状态到阶跃完成所需的时间，Initial Value 为初始转矩，Final Value 为阶跃后最终转矩，Sample Time 为采样时间间隔。即从图中可得出，当前转矩给定为一个从 5 Nm 到 25 Nm 的阶跃过程，直到阶跃过程结束耗时1.2s。1.3 速度控制器 Speed Controller速度控制器其内部结构如下：两个输入量分别为由转速给定模块提供作为转速参考值的 wref 和当前速度实际值 wm，得出差值通过比例积分环节，再通过 Saturation
5、 限幅环节，获得输出电流值 Iref。可知该环节为 PI 控制环节，其内部参数主要有比例调节系数 Kp 和积分调节系数 Ki。可通过如下窗口修改设置：由图中可观察得该 PI 调节系统的系数 Kp=1.6，Ki=16，Current Limit 为输出电流最大限定值，设置为 30A。1.4 电流控制器 Current Controller其内部结构如下：可得知该电流控制系统为滞环调节系统，其两个输入量分别为由电流给定模块提供参考电流值 Iref 和当前实际电流反馈值 Ia，经过滞环调节，输出 GTO的通断开关信号。滞环模块的参数设置如下，可设置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
6、部参数设置如下图，当 Hysteresis Band 滞环电流两个输入量差别超过正负 2A 时，输出 GTO 关或开信号进行调节电路。1.5 PWM 波生成模块其内部结构如下：Powersysdomain 模块是一个 P-code 文件，具体里面的内容是看不到的，存在于 matlab 文件夹下。Powersysdomain 为电机三相绕组的电力电子电路，外部三相电路 A、B、C 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。Model(Continuous)模块的具体结构如下：由图中可知，GTO 模块以一个 280V 直流电压作为
7、该模块输入阳极电压信号 a，滞环控制环节输出信号作为该模块的门极触发信号 g，当输入信号 g 为正时，输出高电平；当输入信号 g 为负时，输出低电平。该模块内部参数设置如下图：Resistance Ron 为晶闸管元件内电阻，Inductance Lon 为晶闸管元件内电感 Lon(H)，Forward voltage Vf 为晶闸管元件的正向管压降， Current 10% fall time为电流下降到 10%的时间， Current tail time 为电流拖尾时间，Initial current Ic为初始电流，Snubber resistance Rs 为缓冲电阻，Snubber
8、capacitance Cs 为缓冲电容。1.6 直流电机模块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。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。电机的内部参数可由如下窗口设置：由图可得，可由 Armature Resistance And Inductance 设置电枢绕组电阻和电感，Field Resistance And Inductance 设置励磁绕组的电阻和电感，Field-Armature Mutual Inductance Laf 设置励磁绕组和电枢绕组的互感， Total Inertia J 设置转动惯量，Viscous
9、 Friction Coefficient Bm 设置粘滞摩擦系数，Coulomb Friction Torque Tf 设置库仑摩擦转矩，Initial Speed 为初始角速度。则可以读取，当前电枢绕组的 Ra=0.5ohms，La=0.01H ，当前励磁绕组的Rf=240ohms， Lf=120H，励磁绕组和电枢绕组的互感 Laf=1.23H，转动惯量J=0.05Kg.m2 等参数。1.7 速度和电流反馈模块其内部变量如下图：由上图可知，由直流电机系统获得的可选择的反馈输入量有转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩，我们所选择的输出为电机转速和电枢电流。1.8 反馈电流滤波模块其内部参数设置
10、如下图： Numerator coefficients 为分子，Denominator coefficients 为分母，以此来构成过滤模块的传递函数，则此时的传递函数应为 1/(s*10(-5)+1)。1.8 示波器模块示波器观察的输入信号为是 GTO 的输出 PWM 电压信号，电机的电枢电流和电机转速。2.电机运行性能仿真2.1 默认参数下进行仿真(1) 恒转速、恒转矩给定如上图中，从上到下依次是 GTO 输出 PWM 波形、电枢电流波形、电机转速波形。则可观察到，在电机启动后但转速未达到 120rad/s 的设定值之前，电枢电流一直处于较大的状态，使得电机转速平稳上升。直到转速达到 12
11、0rad/s 后，由于电流的滞环调节与转速的 PI 调节均存在延迟现象，电机转速会超过120rad/s，之后电枢电流下降到一个较低的稳定值，转速也达到设定值。在此期间，由于电流的滞环调节与转速的 PI 调节持续工作， GTO 处于不断开通、关断的状态。(2) 阶跃转速、恒转矩给定对比(1)情况下的波形，在电机达到 120rad/s 转速稳定后，再给一个阶跃信号参考转速达到 160rad/s，则为了保证转速的上升，电枢电流又重新提高到较大值，该调节过程与前相近，直到转速重新在 160rad/s 附近平衡后，电枢电流降低到较小值。(3) 恒转速、阶跃转矩给定与(1)中情况对比，即在转矩发生阶跃后，
12、由于负载增大电机转速受影响下降，之后在系统的调节下回复到 120rad/s 的平衡状态，但是由于负载增加，电枢电流比原本状态下的电枢平衡电流大。(4) 阶跃转速、阶跃转矩给定对比如上(1)、 (2)、(3)状况，该状态下的波形近似为(2) 、(3)情况时的复合。同时，观察以上四种状况下的电枢电流波形和电机转速波形，我们可以明显看到电机转速的 PI 调节的效果比电流的滞环调节的效果好许多，在达到平衡之后，转速波形几乎没有波动，而电流波形一直在平衡值周围小幅振荡。2.2 改变转速给定值后的仿真结果(1) 修改转速阶跃的给定值如下：对比原状态(4)中的波形图，转速由 0 升至 60rad/s 所需的
13、时间明显缩短，在发生转速阶跃，由 60rad/s 阶跃至 160rad/s，所需的调节时间明显增长。(2) 修改转速阶跃的给定值如下：对比原状态(4)中的波形图，转速稳定在 120 rad/s 后，发生转速阶跃，参考转速增至 200rad/s，此时所需的调节时间明显增长。且当转速取得较大时，在负载不变的情况下，参考电流值变大，滞环上下限绝对值增大，可明显观察到电枢电流的滞环控制效果非常粗糙。2.3 改变转矩给定值的仿真结果修改转矩阶跃的给定值如下：改变转矩阶跃的给定值，使其从 5 阶跃到 35，观察如上波形，可看到在2.5s 时转速还未调节到给定 120rad/s，仍处于下降阶段，即转速的调节
14、至给定值的时间明显变长。同时，由于负载的增加，转速一样时，在电机平稳后，随着转矩的增大，电枢电流也明显增大。3、 转速 PI 调节器参数对电机运行性能的影响(1) 改变比例调节参数 Kp，将其由 1.6 增大至 16对比原始状态(4)的波形，可观察得系统的调节速度明显变快，电枢电流的波形变化近似于方波，转速达到参考值的调整时间明显缩短，且达到稳定后波形平直，稳态误差减小。为了提高系统的静态性能指标，减少系统的静态误差，可以使 Kp 增大。但是 Kp 增大时，系统稳态输出增大，系统响应速度和超调量也增大。(2) 改变积分调节参数 Ki，减小其值由 16 至 8对比可明显观察到系统的调节速度变慢，
15、转速在阶跃发生后，需要更长的时间去调整到新的平衡值。4、 电流调节器改用 PI 调节器后的仿真此时两个 PI 调节器系数取值如下：对比初始状态(4)的波形图，则可得知，将电流的滞环调节器改为 PI 调节器之后，电枢电流的调节效果明显，当转速达到参考值稳定后，电枢电流的波动范围较滞环小了许多，接近一条光滑的曲线。通过调节两个 PI 调节器的参数，能够实现更加理想的效果：五、 实验心得由于对利用 Matlab 来进行建模仿真的操作还不够熟悉，在开始实验的初期，我就遇到了类似找不到对应模型的窘境。在搜寻、求解的过程当中，也对Matlab SIMULINK 模块有了一定的了解。而通过对 Matlab 中自带的直流电机双闭环调速模型的分模块研究，从模块的输入信号、输出信号、模块内部环节组成来分析其在整个调节过程当中所起到的作用，对于我对双闭环调速系统的更深入的理解有着直接且显著的帮助。利用具体的环节组成来展现各自的功能作用，而不仅仅是停留在框图的抽象感觉上，也为我学会灵活调节、具体应用双闭环调节系统奠定了良好的基础。
