2022年直流调速系统的MATLAB仿真 .pdf

1 直流调速系统的MATLAB 仿真一、开环直流速系统的仿真开环直流调速系统的电气原理如图1 所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号cU调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图 2 所示。MUd+ IdL GT UcE + - - UCR 图 1 开环直流调速系统电气原理图图 2 直流开环调速系统的仿真模型为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s0L，直流电动机励磁由直流电源直接供电。触发器（6-Pulse）的控制角（ alpha_deg ）由移相控制信号cU决定，移相特性的数学表达式为minccmax9090UU名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 16 页 - - - - - - - - - 2 在本模型中取min30，cmax10VU，所以c906U。在直流电动机的负载转矩输入端LT用 Step模块设定加载时刻和加载转矩。仿真算例 1 已知一台四极直流电动机额定参数为N220VU，N136AI，N1460r / minn，a0.2R，2222.5N mGD。励磁电压f220VU，励磁电流f1.5AI。采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec0.3R。平波电抗器d20mHL。仿真该晶闸管 -直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n、电磁转矩eT、电枢电流di及电枢电压du的变化情况。N220VU仿真步骤：1）绘制系统的仿真模型（图2） 。2）设置模块参数（表1） 供电电源电压NrecN2min2200.3 136130(V)2.34cos2.34cos30URIU 电动机参数励磁电阻：fff220146.7()1.5URI励磁电感在恒定磁场控制时可取“0” 。电枢电阻：a0.2R电枢电感由下式估算：NaNN0.422019.119.10.0021(H)222 1460 136CULpn I电枢绕组和励磁绕组间的互感afL：NaNeN2200.2 1360.132(Vmin/r)1460UR IKn名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 16 页 - - - - - - - - - 3 Te60600.1321.2622KKTaff1.260.84(H)1.5KLI电机转动惯量2222.50.57(kg m )449.81GDJg 额定负载转矩LTN1.26 136171.4(Nm)TK I表 1 开环直流调速系统主要模型参数模块参数名参数三相电源（Three-Phase Source ）Phase-to-pahse rms voltage/V 130*sqrt(3) Phase angle of phase A/degrees 0 Frequency/Hz 50 Internal connection Yg Source resistance/0.001 Source inductance/H 0 直流电动机（DC Machine ）电枢电阻a/R0.20 电枢电感a/HL0.0021 励磁电阻f/R146.7 励磁电感f/HL0 电枢绕组与励磁绕组间互感af/ HL0.84 转动惯量2/ kg mJ0.57 平波电抗器（Inductance）电感d/ HL0.02 3）设置仿真参数：仿真算法odel5s，仿真时间 5.0s，直流电动机空载起动，起动 2.5s后加额定负载L171.4NmT。4）进行仿真并观察、分析结果（图3） 。（可以用语句 plot(tout,yout)进行示波器的曲线处理。 ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 16 页 - - - - - - - - - 4 00.511.522.533.544.55-50005001000150020002500t(s)n(r/min)00.511.522.533.544.55-50050100150200250300350400t(s)id(A)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 16 页 - - - - - - - - - 5 00.511.522.533.544.55-1000100200300400500t(s)Te(N.m)00.511.522.533.544.55-50050100150200250300t(s)ud(V)图 3 开环直流调速系统的仿真结果二、转速闭环直流调速系统的仿真带转速负反馈的有静差直流调速系统的电气原理如图4 所示，系统由转速给定环节*nU、转速调节器 ASR（放大器pK） 、移相触发器 GT、晶闸管整流器 UCR名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 16 页 - - - - - - - - - 6 和直流电动机 M 和测速发电机 TG 等组成。MUd+ IdL GT UcE + - - UCR TG ASR + - Un Un *nU图 4 转速闭环直流调速系统电气原理图图 5 转速闭环直流调速系统的仿真模型转速负反馈有静差直流调速系统的仿真模型如图5 所示，模型在图 2 开环调速系统的基础上，增加了转速给定*nU，转速反馈 n-feed、放大器 Gain 和反映放大器输出限幅的饱和特性模块Saturation，饱和限幅模块的输出是移相触发器的控制电压cU，转速反馈直接取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数*nmnNUKn。仿真算例 2 在算例 1 的基础上观察转速负反馈系统在不同放大器放大倍数时对转速变化的影响。仿真步骤：1）绘制系统的仿真模型（图5） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 16 页 - - - - - - - - - 7 2）设置模块参数（表2） 。3）设置仿真参数：仿真算法odel5s，仿真时间 1.5s，直流电动机空载起动，起动 0.5s后加额定负载L171.4NmT。4）进行仿真并观察、分析结果（图6） ：（用语句 plot(tout1,yout1,tout2,yout2,tout3,yout3)进行示波器的曲线处理。 ）表 2 转速闭环直流调速系统主要模型参数模块参数名参数三相电源（ Three-Phase Source）同表 1 直流电动机（DC Machine ）同表 1 平波电抗器（Inductance）电感d/ HL0.02 转速反馈系数（n-feed）nK0.00667 放大器（ Gain）pK10（可调整）饱和限幅（Saturation）Upper limit 10 Lower limit -10 00.511.5-20002004006008001000120014001600t(s)n(r/min)K p=5K p=1 0K p=20名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 16 页 - - - - - - - - - 8 00.511.5-50050100150200250300350400t(s)id(A)K p=20K p =5K p=1 0图 6 转速闭环直流调速系统的仿真结果三、转速电流双闭环直流调速系统的仿真转速电流双闭环直流调速系统的电气原理如图7 所示，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。MUd+ IdL GT UcE + - - UCR TG ASR + - Ui Un *nUACR *iU- + TA图 7 转速电流双闭环直流调速系统的电气原理图双闭环直流调速系统的仿真可以依据系统的动态结构图（图8a）进行，也可以用 SIMULINK 的 Power System模块来组建。两种仿真的不同在于主电路，前者晶闸管和电动机用传递函数来表示，后者晶闸管和电动机使用Power System模块，而控制部分则是相同的。下面对这两种方法分别进行介绍。1. 基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真双闭环直流调速系统的实际动态结构图如图8b 所示，它与图 8a的不同之处名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 16 页 - - - - - - - - - 9 在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。这是因为电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。 这样的滤波环节的传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数oiT可按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用， 在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时， 使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。同样，由测速发电机得到的转速反馈电压信号含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用onT表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为onT的给定滤波环节。GASRss1KT sUdKnIdU*n Un + + Uc En 1/1lRT smRT se1KIdL+ Ki U*i + GACR Ui a) b) 图 8 转速电流双闭环直流调速系统的动态结构图依据系统动态结构图的仿真模型如图9 所示，仿真模型与系统动态结构图的各个环节基本上是对应的。 需要指出的是， 双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI 调节器，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI 调节器，过程如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 16 页 - - - - - - - - - 10 线性 PI 调节器的传递函数为ipipp1( )ksWskkss式中，pk为比例系数，ik为积分系数，时间常数pi/kk。上述 PI 调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK 中的传递函数或零极点模块，而考虑饱和和输出限幅的PI 调节器模型如图10所示。模型中比例和积分环节分为两个通道， 其中积分模块 Integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。图 9 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型图 10 带饱和和输出限幅的PI 调节器仿真算例 3 以算例 1 的晶闸管 -直流电动机系统为基础，设计一个转速电流双闭环控制的调速系统，设计指标为：转速超调量n%10%，电流超调量i%10%，过载倍数1.5，取电流反馈滤波时间常数oi0.002sT，转速反馈滤波时间常数on0.01sT，取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为 10V。额定转速时转速给定电压*nm10VU。通过仿真观察系统的转速、电流响应，以及参数变化（主要是调节器参数）对系统响应的影响。仿真步骤：1）构建系统的仿真模型（图9） 。2）设置模块参数（调节器参数计算和设定） 机电时间常数：m0.161sT名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 16 页 - - - - - - - - - 11 电磁时间常数：0.076slT三相晶闸管整流电路平均失控时间：s0.0017sT 电流调节器 ACR 参数的计算 * 电流反馈系数：*imiN100.05(V/A)1.5 136UKI电流环时间常数之和isoi0.00170.0020.0037(s)TTTACR 的传递函数为iACRpiiipii11(s)sWKKKss，其中时间常数i0.076slT比例系数ipi iSi0.0760.52.57220.0037400.05RkT K K积分系数piiii2.5733.80.076kk 转速调节器 ASR 参数的计算 * 转速反馈系数：*nmnN100.00667(V min/r)1500UKn电流环等效时间常数i220.00370.0074(s)T转速环时间常数之和nion220.00370.010.0174(s)TTT。ASR 的传递函数为nASRpnpipnn11(s)sWkkkss，其中时间常数nn50.01740.087(s)hT比例系数iempnnn(1)60.050.1320.16110.992250.006670.50.0174hK K TKhK RT积分系数pninn10.99126.30.087kk（选择中频段宽度5h）模型各环节参数如图9 所示，其中调节器参数见表3，调节器积分环节限幅名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 16 页 - - - - - - - - - 12 值为12V ，调节器输出限幅值为10V 。表 3 转速电流双闭环直流调速系统主要模型参数模块参数名参数三相电源（ Three-Phase Source）同表 1 直流电动机（DC Machine ）同表 1（电枢回路总电阻0.5R）平波电抗器（Inductance）电感d/ HL0.02 机电时间常数m/ sT0.161 电磁时间常数/slT0.076 UCR 失控时间s/sT0.0017 转速调节器（ASR）pn10.99k，in126.3k电流调节器（ACR）pi2.57k，ii33.8k3）设置仿真参数：仿真算法odel5s，仿真时间2.0s，电动机空载起动，起动 0.8s后突加额定负载（dLN136AII） 。4）进行仿真并观察、分析结果（图11） ：00.20.40.60.811.21.41.61.82020040060080010001200140016001800t(s)n(r/min)a）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 16 页 - - - - - - - - - 13 00.20.40.60.811.21.41.61.82-100-50050100150200250t(s)id(A)b）图 11 基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真结果2. 基于 Power System模块的双闭环直流调速系统仿真采用 SIMULINK 的 Power System模块组成的转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图12所示，模型由晶闸管 -直流电动机组成的主电路和转速、电流调节器组成的控制电路两部分构成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制和电动机等环节使用Power System模型库中的模块。控制电路的主体是转速和电流两个调节器，以及反馈滤波环节， 这部分与前述基于动态结构图的双闭环系统仿真相同。将这两部分拼接起来即组成晶闸管-电动机转速电流双闭环控制的直流调速系统的仿真模型。模型中转速反馈和电流反馈均直接取自电机测量单元的转速和电流输出端，这样减少了测速和电流检测环节，但并不影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端接移相特性模块（Shifter）的输入端，而ACR 的输出限幅值就决定了控制角的min（o30）和max（o150） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 16 页 - - - - - - - - - 14 图 12 基于 Power System 的双闭环直流调速系统仿真模型应该注意，图 12 与图 9 仿真模型的不同在于以晶闸管整流器和电动机模型取代了动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传递函数，由于动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传动函数是线性的，其电流可以反向（如图 11b） ，因此转速调节过程要快一些， 而实际的晶闸管整流器不能通过反向电流，所以仿真的结果略有不同，采用晶闸管整流器和电动机模型的仿真可以更好地反映系统的工作情况（如图 13 所示） 。改变调节器 ASR、ACR 参数的仿真结果如图14所示，可见转速、 电流的仿真结果基本满足设计指标的要求。（可用语句 plot(tout,yout(:,1)和 plot(tout,yout(:,2)进行示波器的曲线处理。 ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 16 页 - - - - - - - - - 15 00.20.40.60.811.21.41.61.82-200020040060080010001200140016001800t(s)n(r/min)a）00.20.40.60.811.21.41.61.82-50050100150200250t(s)id(A)b）图 13 基于 Power System 的双闭环直流调速系统仿真结果名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 16 页 - - - - - - - - - 16 00.20.40.60.811.21.41.61.82-200020040060080010001200140016001800t(s)n(r/min)a）00.20.40.60.811.21.41.61.82-50050100150200250t(s)id(A)b）图 14 改变调节器参数的仿真结果（pn20k，in60k；pi5k，ii15k）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 16 页 - - - - - - - - -