直流电机双闭环调速系统MATLAB仿真

题目：直流电机双闭环调速系统姓名：学号：专业班级：电气工程及其自动化指导教师：一、直流电机双闭环调速系统模块功能图1直流电机双闭环调速系统框图图2直流电机双闭环提速系统原理图如图1为直流电机速度、电流双闭环调速系统框图，图2为直流电机速度、电流双闭环调速系统原理图。该调速系统包括两个反馈控制闭环，内环为电流控制环，外环为速度控制环。速度调节器与电流调节器均为PI调节器，可以实现直流电机转速的静态无差调节与快速动态响应。以图2所示由硬件构成的双闭环调速系统为例，介绍该系统的工作原理。直流电机给定速度信号ug与反馈速度信号ufn进行比较,形成速度输入信号Δun=ug-ufn，进入速度PI调节器ST，其输出信号为电流给定信号un，与电流反馈信号ufi进行比较，得到电流PI调节器LT的输入信号Δui=un-ufi，输出信号uk作为触发器CF的移相电压，从而控制整流桥的移相角a，进而控制直流电机的电枢电压Ud、电枢电流Id以及输出转矩T。如图3为MATLAB中直流电机速度、电流双闭环调速系统的Simulink仿真模型。接下来对该模型各个模块的功能进行描述。图3双闭环调速系统Simulink仿真模型1、速度给定模块图1如图4所示为速度给定模块，为一阶跃信号，由表1的模块参数表可知速度给定信号的阶跃时间Steptime为0.8s，阶跃信号初始值Initialvalue为120rad/s，稳定值Finalvalue为160rad/s。该模块的功能为产生一个阶跃的速度给定信号wef输入到速度调节器中。表12、速度调节器图5图5为速度调节器模块，是一个PI调节器，输入信号为速度给定信号wef与速度反馈信号wm，输出信号Iref作为电流调节器的电流给定信号。通表2的模块参数表可知该PI调节器的比例系数kp=1.6，积分系数ki=16，最大输出限幅值Currentlimit为30A。该模块的功能为通过对电机速度的闭环控制输出电流调节器的给定信号Iref。表23、电流调节器图6图6为电流调节器模块，是一个滞环调节器，输入信号为电流给定信号Iref与电流反馈信号Ia，输出信号为GTO的通断开关信号。通过表3的模块参数表可知，滞环宽度HysteresisBand为2A，当两个电流输入量之差超过2A时，输出GTO开通或关断信号对电路进行调节。该模块的功能为产生GTO的门级信号控制其导通或关断，从而调整电枢电流在允许的范围内。表34、PWM触发模块图7图7为PWM触发模块，a处接280V的直流电源，输入信号即GTO的门级信号g为电流调节器的输出信号,当g为高电平时，GTO导通，电源电压加在电枢两端，g为低电平时，GTO关断，电枢电压为零。通过表4的模块表参数可知晶闸管元件内电阻ResistanceRon为0.05Ω，晶闸管元件内电感InductanceLon为0H，晶闸管元件的正向管压降ForwardvoltageVf为1V，电流下降到10%的时间Current10%falltime为1us，电流拖尾时间Currenttailtime为1us，初始电流InitialcurrentIc为零。该模块的功能为通过GTO的关断与开通输出PWM波，从而改变电枢两端电压，控制电枢电流在合适的范围内。表45、转矩给定模块图8图8为直流电机的转矩给定模块，为一阶跃信号，由表5的模块参数表可知转矩给定信号的阶跃时间Steptime为1.5s，阶跃信号初始值Initialvalue为5N·m，稳定值Finalvalue为25N·m。该模块的功能为产生一个阶跃的z转矩给定信号TL作为直流电机的负载转矩。表56、直流电机模块图9图9为直流电机模块，直流电机电枢两端反并联二极管D1作为续流回路，电枢串联平波电抗器Ls保持电流连续，励磁线圈接240V直流电源以他励方式为电机提供恒定的磁通，由表6的模块参数表可知，电机电枢电阻Ra为0.5Ω，电枢电感La为0.01H，励磁绕组电阻Rf为240Ω，励磁电感为Lf为0，电枢绕组与励磁绕组的互感Laf为1.23H，转动惯量J为0.05kg·m2。该模块为直流电机的主回路。表67、速度与电流反馈模块图10图10为速度与电流反馈模块，由电枢端取得电枢电流与转子转速，输出信号为速度反馈信号wm与电流反馈信号Ia。该模块的功能为获得电机转速反馈量与电枢电流反馈量以形成负反馈控制。8、反馈电流滤波模块图11图11为反馈电流的滤波模块，对反馈电流Ia进行滤波。9、示波器模块图12图12为示波器模块，显示电枢电压Va、电枢电流Ia与速度wm的波形。二、仿真结果分析图13按照仿真模型原设定参数进行仿真，得到仿真结果如图13所示。0~0.6s为直流电机起动阶段，0.8s时突然改变给定速度，1.5s时突然改变负载转矩。由于电流的变化比较频繁，电流调节器LT的输出电平高低变化频繁，GTO的开关频率很高，所以在当前的时间坐标轴来看，直流电机电枢电压Va波形为带状，将时基放大之后，观察电枢电压波形，如图14，可以看出电枢电压为一脉宽调制波（PWM波），当LT检测到电流反馈值与给定值相差超过滞环带宽时改变GTO的导通或关断状态，从而形成脉宽调制波。图141、起动阶段起动阶段可以分为三个阶段。（1）起动最开始直流电机进行起动。起动时电机速度反馈ufn为0，突加给定速度ug=120rad/s，速度调节器ST输入Δun=ug，ST饱和输出限幅值Idmax，速度作开环控制。电流给定值为Idmax，电流反馈值为0，两者之差超过了电流滞环调节器LT的滞环宽度，LT输出高电平，GTO导通，电枢两端电压为280V，电枢电流达到最大值Idmax。由于电磁反应速度很快，所以在图上基本上看不到电枢电流由0变为最大值的过程，电枢电流近似阶跃地到达了最大值。此时电机转子的转速还来不及变化仍然为0。（2）加速0~0.2s期间为电机的加速阶段。在此阶段，电机由于转速反应比较慢，ufnug，Δun=ug-ufn仍然很大，速度调节器ST仍作饱和限幅，电流调节器LT以Idmax为电流给定值进行调节，电枢电流一直维持Idmax，电机转子在最大电流产生的最大转矩下以最大的加速度加速，速度一直增大至接近给定转速。速度作开环调节，实际上是电流单闭环系统。（3）稳定0.2~0.4s期间电机双闭环系统调节至稳定。在此阶段，电机转子已经加速到接近额定转速，Δun=ug-ufn很小，速度调节器ST作PI调节，输出电流给定值un下降，电流调节器输入Δui=un-ufi变小，所以在LT的调节下，电枢电流开始下降至稳定值，由于速度调节器的积分作用，速度有惯性，会出现速度超调的现象，之后在速度、电流双闭环系统的调节作用下，转速与电枢电流都趋于稳定值。2、给定速度突变在0.8s时速度调节器ST的给定速度信号ug发生了突变，由原来的120rad/s阶跃变为160rad/s，在速度、电流双闭环系统的调节下，转速与电流发生变化，具体分为两个阶段进行分析。（1）加速此过程与直流电机起动时的加速阶段类似。此时由于ufnug，速度调节器的输入信号Δun=ug-ufn很大，速度调节器ST饱和输出限幅值，电流调节器LT的给定电流信号为Idmax，随后LT进行调节，使得电枢电流一直维持Idmax，电机转子在Idmax产生的最大转矩Tmax下以最大的加速度加速，从速度的波形也可以看出此加速阶段波形上升的斜率与起动时加速阶段的斜率相同，速度一直增大至接近给定转速160rad/s。速度作开环调节，实际上是电流单闭环系统。（2）稳定此过程与直流电机起动时的稳定阶段类似。此时由于转速以接近给定转速，Δun=ug-ufn很小，速度调节器ST作PI调节，输出电流给定值un下降，电流调节器输入Δui=un-ufi变小，所以在LT的调节下，电枢电流开始下降至稳定值，由于速度调节器的积分作用，速度有惯性，会出现速度超调的现象，之后在速度、电流双闭环系统的调节作用下，转速与电枢电流都趋于稳定值。3、负载转矩突变在1.5s时直流电机轴上的负载转矩TL发生突变，由原来的5N·m阶跃变为25N·m，此时负载转矩大于电磁转矩，电机减速，转速稍微有所下降，转速给定信号ug不变，速度调节器ST的输入信号Δun=ug-ufn增大，但是增大的幅度比较小，所以ST作PI调节，其输出信号即电流调节器LT的给定信号un变大，LT的输入信号Δui=un-ufi变大，LT进行闭环调节，增大电枢电流从而增大电磁转矩，直至电流稍微有所超调，此时电磁转矩大于负载转矩，电机加速，速度恢复到给定值，ST的输入信号减小，输出LT的给定值变小，电流稍微下降，直到电磁转矩等于负载转矩，转矩平衡，电流维持新的稳定值，电磁转矩比原来大，所以电流比原来大。此过程为速度、电流双闭环调节。三、速度PI调节器参数对电机运行性能的影响1、比例系数KP的影响改变速度PI调节器的比例系数KP的大小，分别进行仿真，得到波形图如下，图15为KP=10时的仿真波形，图16为KP=0.8时的仿真波形。由图13（KP=1.6）、图15（KP=10）与图16（KP=0.8）对比，可以看出KP对电机运行性能的影响。当KP加大时，可以使得系统的调节速度加快，提高系统的动态性能。由直流电机起动时的波形为例说明，在起动的稳定调节阶段，速度调节器ST为PI调节器。当KP=0.8时，速度PI调节至稳定大概需要0.2s，KP=1.6时，速度PI调节至稳定大概需要0.1s，KP=10时，速度PI调节至稳定大概需要0.02s，由此可知增大KP可以加快系统的调节速度。但是当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。图15（KP=10）图16（KP=0.8）2、积分系数Ki的影响改变速度PI调节器的积分系数Ki，分别进行仿真，得到波形如下，图17为Ki=0.16时的波形，图18为Ki=8时的电压波形，图19为Ki=32时的电压波形，图20为Ki=100时的电压波形。图17Ki=0.16图18Ki=8图19Ki=32图20Ki=100由图17（Ki=0.16）、图18（Ki=8）、图13（Ki=16）、图19（Ki=32）与图20（Ki=100）可以看出，Ki太小的时候，积分作用比较弱，稳态误差减小得比较慢，Ki=8时，转速在1.8s时达到稳定，消除稳态误差，Ki=16时，转速在1.75s的时候就达到了稳定，Ki=32时，转速在1.7s的时候就达到了稳定。如果Ki过小，可能会导致稳态误差难以消除，如图17，Ki=0.16时，达到稳态时，转速只有150rad/s，有10rad/s的稳态误差。但是Ki太大会导致系统容易振荡而使得系统不稳定，Ki=8或16时，系统没有振荡现象，Ki=32时系统已经出现振荡，在Ki=100时振荡很明显，所以Ki也不是越大越好。3、限幅值的影响改变速度调节器的限幅值，即改变电流调节器的最大给定输入信号，仿真得到波形如下，图21为限幅值为20A时的波形，图22为限幅值为40A时的波形。图21限幅值为20A图22限幅值为40A由图13（限幅值为30A）与图22（限幅值为40A）相比，可以看出，在速度调节器的限幅值增大时，即增大了电流调节器的最大给定输入信号，当速度调节器输出限幅值时，电流调节器的给定信号变大，经电流闭环调节之后，直流电机的电枢电流变大，所以电机的最大输出转矩变大，最大加速度变大，在起动的加速阶段加速得更快，所以转速更快接近给定值，在限幅值为30A时加速了0.2s达到给定值，进入稳定调节阶段，在限幅值为40A时加速了0.15s就达到给定值。但是在确定限幅值的时候要考虑到直流电机电枢的电流耐受能力，防止过流使得电机过热而损坏电枢绕组，也要考虑电机轴所能承受的最大力矩，防止电机发生机械损坏。但是限幅值也考虑电机轴上相应负载转矩的大小，限幅值应该大于或等于电机的最大负载所要求的电流，否则会像图21一样，由于给定值小于负载所要求的电流值，所以的负载加大之后，电机的转速一直下降，导致ST的输入信号Δun=ug-ufn一直变大，ST维持限幅值的输出，经过电流调节器LT的调节的调