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題目（中）直流電機雙閉環控制調速__________

姓名與學號，___________________________

指導教師，_____________________________

年級與專業，______________________

所在學院8_______________

目錄:

一、電機控制實驗目的和規定團3

二、雙閉環調速控制內容...................................................3

三、重要儀齡設備和仿真平臺回3

四、仿真建模環節及分析團4

1.直流電機雙閉環調速各模塊功能分析....................錯誤!未定義書簽。

2.仿真結果分析（轉速、轉矩改變）回14

3.轉速PI調節器參數對電機運營性能的影響..........................20

4.電流調節器改用PI調節器后的仿真團22

5.加入位置閉環后的仿真..............................................23

6.速度無超調仿真....................................................25

七、實驗心得............................................................26

一、電機控制實驗目的和規定

1、加深對直流電機雙閉環PWM調速模型的理解。

2、學會運用MATLAB中的SIMULINK工具進行建模仿真。

3、掌握PI調節器的使用，分析其參數對電機運營性能的影響。

二、雙閉環調速控制內容

必做：

1、描述Chopper-FedDCMotorDrive中每個模塊的功能。

2、仿真結果分析：涉及轉速改變、轉矩改變下電機運營性能，并解釋相應現象。

3、轉速PI調節器參數對電機運營性能的影響。

4、電流調節器改用PI調節器后，對電機運營調速結果的影響。

選做：

5、加入位置閉環

6、速度無超調

三、重要儀器設備和仿真平臺

1、MATLABR2023b

2、MicrosoftOfficiaIsWord2023

四、仿真建模環節及分析

1.直流電機雙閉環調速各模塊功能分析

參考Matlab自帶的直流電機雙閉環調速的SIMULINK仿真模型:

demo/simulink/simpowersystem/PowerElectronicsModels/Chop

per—FedDCMotorDrive

Chopper-FedDCMotorDrive(Continuous)

士

ReadtheModelProperties

aforinitisfixationdetails

1.1轉速給定模塊

轉速給定有兩種方式:一為恒定轉速給定，二是階躍的給定。兩種方式的選擇

通過單刀雙擲開關實現。

恒轉速給定可由以下窗口修改設立:

階躍轉速給定可由以下窗口修改設立:

StepTime為從初始狀態到階躍完畢所需的時間,InitialValue為初始轉

速，FinalValue為階躍后最終轉速,SampleTime為采樣時間間隔。

從圖中可得出，當前轉速給定為一個從120rad/s到16Orad/s的階躍過程,

直到階躍過程結束耗時0.4s。

1.2轉矩給定模塊

Torque(N.m)l_'

TorqueStep丁

Torque

I、selection|_|

轉矩給定也有兩種方式：一為恒定轉矩給定，二是階躍轉矩的給定。兩種方

式的選擇通過單刀雙擲開關實現。

恒轉矩給定可由以下窗口修改設立：

階躍轉矩給定可由以下窗口修改設立:

StepTime為從初始狀態到階躍完畢所需的時間』nitialValue為初始轉矩,

FinalValue為階躍后最終轉矩,SampleTime為采樣時間間隔。即從圖中

可得出，當前轉矩給定為一個從5Nm到25Nm的階躍過程，直到階躍過程結束

耗時1.2so

1.3速度控制器SpeedContro11er

速度控制器其內部結構如下:

wref

兩個輸入量分別為由轉速給定模塊提供作為轉速參考值的wref和當前速

度實際值wm,得出差值通過比例積分環節，再通過Saturation限幅環節,獲得輸

出電流值Irefo

可知該環節為PI控制環節，其內部參數重要有比例調節系數Kp和積分調節

系數Ki。

可通過如下窗口修改設立：

由圖中可觀測得該PI調節系統的系數Kp=1.6,Ki=16,CurrentLimit

為輸出電流最大限定值，設立為30A。

1.4電流控制器CurrentController

CirrentController

其內部結構如下:

KD

g

Iref

可得知該電流控制系統為滯環調節系統,其兩個輸入量分別為由電流給定模

塊提供參考電流值Iref和當前實際電流反饋值la,通過滯環調節，輸出GTO

的通斷開關信號。

滯環模塊的參數設立如下，可設立滯環的開關時間點和開關時各自的輸出值:

電流控制系統內部參數設立如下圖，當HysteresisBand滯環電流兩個

輸入量差別超過正負2A時，輸出GTO關或開信號進行調節電路。

1.5PWM波生成模塊

其內部結構如下:

GTO

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

(1)Acate

SWITCH

9

□switch

Status

ModelITAL

Continuous

Powersysdomain模塊是一個P—code文獻，具體里面的內容是看不到的，存

在于matlab文獻夾下。Powersysdomain為電機三相繞組的電力電子電路，外

部三相電路A、B、C只有接入這個電路才干產生三相電流,電機其他模塊則是根

據測到的三相電流進行變換和控制，GTO存在于該模塊當中。

Model(Continuous)模塊的具體結構如下：

由圖中可知，GTO模塊以一個280V直流電壓作為該模塊輸入陽極電壓信

號a,滯環控制環節輸出信號作為該模塊的門極觸發信號g,當輸入信號g為正時,

輸出高電平；當輸入信號g為負時，輸出低電平。

該模塊內部參數設立如下圖:

ResistanceRon為晶閘管元件內電阻，InductanceLon為晶閘管元件

內電感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%的時間，Currenttailtime為

電流拖尾時間，Initialcun,entIc為初始電流，SnubberresistanceRs

為緩沖電阻，SnubbercapacitanceCs為緩沖電容。

1.6直流電機模塊

由圖可知該直流電機為一臺他勵直流電機，勵磁電壓為240V的直流電壓源。

由轉矩給定模塊給定轉矩信號，同時輸出當前電流和轉速的實時反饋信號。

電機的內部參數可由如下窗口設立：

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設立電

樞繞組電阻和電感，FieldResistaneeAndInductance設立勵磁繞組的電阻

和電感,Field-ArmatureMutualInductanceLaf設立勵磁繞組和電樞繞

組的互感，TotalInertiaJ設立轉動慣量,ViscousFrictionCoe

fficientBm設立粘滯摩擦系數,CoulombFrictionTorqueTf設立庫侖摩擦轉

矩,InitialSpeed為初始角速度。

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

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

量J=0.05Kg.nT2等參數。

1.7速度和電流反饋模塊

<Speedwm{rad?印

<Armatureorrentia(A)>

其內部變量如下圖:

由上圖可知，由直流電機系統獲得的可選擇的反饋輸入量有轉速、電樞電流、

勵磁電流和電磁轉矩，我們所選擇的輸出為電機轉速和電樞電流。

1.8反饋電流濾波模塊

Filter

其內部參數設立如下圖:

Numeratorcoefficients為分子,Denominatorcoefficients為

分母，以此來構成過濾模塊的傳遞函數，則此時的傳遞函數應為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，電機的電樞電流和電

機轉速。

2.仿真結果分析(轉速、轉矩改變)

2.1默認參數下進行仿真

(1)恒轉速、恒轉矩給定

如上圖中，從上到下依次是GTO輸出PWM波形、電樞電流波形、電機轉速

波形。

則可觀測到,在電機啟動后但轉速未達成120rad/s的設定值之前，電樞電流

一直處在較大的狀態，使得電機轉速平穩上升。直到轉速達成120rad/s后，由于

電流的滯環調節與轉速的PI調節均存在延遲現象，電機轉速會超過120rad/s,

之后電樞電流下降到一個較低的穩定值,轉速也達成設定值。在此期間，由于電

流的滯環調節與轉速的PI調節連續工作，GTO處在不斷開通、關斷的狀態。

(2)階躍轉速、恒轉矩給定

對比(1)情況下的波形，在電機達成120rad/s轉速穩定后，再給一個階躍

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

大值，該調節過程與前相近，直到轉速重新在16Orad/s附近平衡后，電樞電流

減少到較小值。

(3)恒轉速、階躍轉矩給定

與(1)中情況對比，即在轉矩發生階躍后，由于負載增大電機轉速受影響下

降,之后在系統的調節下回復到120rad/s的平衡狀態，但是由于負載增長，電樞

電流比原本狀態下的電樞平衡電流大。

(4)階躍轉速、階躍轉矩給定

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

復合。

同時,觀測以上四種狀況下的電樞電流波形和電機轉速波形，我們可以明顯

看到電機轉速的PI調節的效果比電流的滯環調節的效果好許多，在達成平衡之

后，轉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改變轉速給定值后的仿真結果

（1）修改轉速階躍的給定值如下:

對比原狀態(4)中的波形圖,轉速由。升至60rad/s所需的時間明顯縮短,

在發生轉速階躍，由6Orad/s階躍至160rad/s,所需的調節時間明顯增長。

(2)修改轉速階躍的給定值如下:

對比原狀態(4)中的波形圖，轉速穩定在120rad/s后，發生轉速階躍，參考轉速

增至2O0rad/s,此時所需的調節時間明顯增長。且當轉速取得較大時，在負載

不變的情況下，參考電流值變大，滯環上下限絕對值增大,可明顯觀測到電樞電

流的滯環控制效果非常粗糙。

2.3改變轉矩給定值的仿真結果

修改轉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時轉速尚未調節到給定120rad/s,仍處在下降階段，即轉速的調節至給定值的

時間明顯變長。同時，由于負載的增長，轉速同樣時,在電機平穩后，隨著轉矩的

增大，電樞電流也明顯增大。

3.轉速PI調節器參數對電機運營性能的影響

(1)改變比例調節參數Kp,將其由1.6增大至16

對比原始狀態(4)的波形，可觀測得系統的調節速度明顯變快，電樞電流的波

形變化近似于方波，轉速達成參考值的調整時間明顯縮短，且達成穩定后波形平直,

穩態誤差減小。

為了提高系統的靜態性能指標，減少系統的靜態誤差，可以使Kp增大。但

是Kp增大時，系統穩態輸出增大，系統響應速度和超調量也增大。

(2)改變積分調節參數Ki,減小其值由16至8

對比可明顯觀測到系統的調節速度變慢，轉速在階躍發生后，需要更長的時

間去調整到新的平衡值。

4.電流調節器改用PI調節器后的仿真

Chopper-FedDCMotorDrive(Continuous)

ReadtheModelProperties

farinitiakzstiondetails

此時兩個pI調節器系數取值如下:

對比初始狀態（4）的波形圖，則可得知，將電流的滯環調節器改為PI調節

器之后，電樞電流的調節效果明顯，當轉速達成參考值穩定后，電樞電流的波動范

圍較滯環小了許多，接近一條光滑的曲線。

通過調節兩個PI調節器的參數，可以實現更加抱負的效果:

5.加入位置閉環后的仿真

Chopper-FedDCMotorDrive(Continuous)

rVwitrnllar

Continuous

neadtheModelProperties

Sibrinrtialtfatondetails

-?

-^

-大

丁

，

士

selection1SpeedStepi

為了加入位置閉環控制,則一方面設定位置給定值為200,然后位置給定值

與速度的積分值進行比較得到位置的誤差輸入速度控制器，以實現位置的閉

環控制。

其實200本來是速度給定，但是由于與實際速度的積分做比較所以變成位置給

定。仿真結果如下圖所示

時間為2s時,可以看到位置有超調，圖