電氣工程綜合實訓（matlab）報告
題
目
電動機調速系統仿真
專
業
班
級
學
生
姓
名
學
號
指
導
教
師
時
間
一、課程設計目的1、掌握MATLAB環境下傳遞函數建模和Power
System模塊建模的方法；
2、根據控制對象的物理特性，掌握控制系統動態建模的方法和分析方法；
3、了解控制系統校正的一般過程，根據被控對象的性能指標要求進行系統校正。
二、課程設計內容
1、某晶閘管供電的雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據如下：
直流電動機：220V、17A、1460r/min、，允許過載倍數。
晶閘管裝置放大系數：；
電樞回路總電阻：；
時間常數：，；
電流反饋系數：；
轉速反饋系數：。
設計一轉速電流雙閉環控制的調速系統，設計指標為電流超調量，空載起動到額定轉速時的轉速超調量。取電流反饋濾波時間常數，轉速反饋濾波時間常數。取轉速調節器和電流調節器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V，額定轉速時轉速給定。仿真觀察系統的轉速、電流響應和設定參數變化對系統響應的影響。
要求：
（1）根據轉速電流雙閉環控制的直流調速系統動態結構圖，按傳遞函數構建仿真模型；
（2）按工程方法設計和選擇轉速和電流調節器參數，ASR和ACR都采用PI調節器。
（3）設定模型仿真參數，仿真時間10s，并在6s時突加1/2額定負載，觀察控制系統電流、轉速響應。
（4）修改調節器參數，觀察在不同參數條件下，雙閉環系統電流和轉速的響應，（5）使用Power
System模塊建立直流電機雙閉環系統仿真模型，并與傳遞函數模型運行結果進行比較。
可能會用到的公式：=
供電電源電壓：=.勵磁電阻為：
電樞電感估算式：（c=0.4）
反電勢常數：
電動機軸上的飛輪慣量：
電動機轉動慣量：
額定負載轉矩為：
（1）
設計思路：
在直流調速系統中，通過PI調節器實現的轉速負反饋控制，可使系統轉速穩態無靜差，消除負載轉矩擾動對穩態轉速的影響；為實現在允許條件下電機的最快起動，采用電流負反饋控制，可以獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。為了使轉速負反饋和電流負反饋起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別引入兩種負反饋機制以調節轉速和電流，其中，把轉速調節器（ASR）的輸出當作電流調節器（ACR）的輸入，再用ACR的輸出去控制電力電子變換器。
此處作為工程設計方法，可以將調節器的設計過程分為兩步：第一步，先選擇調節器的結構，以確保系統穩定，同時滿足所需的穩態精度；第二步，在選擇調節器的參數，以滿足動態性能指標的要求。為獲得良好的靜態和動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器。
轉速電流雙閉環控制的直流調速系統動態結構圖
（2）
參數計算過程：
ACR設計過程：
①確定各時間常數
a．由查表可知，三相橋式整流裝置的滯后時間常數s；
b．由題已知電流濾波時間常數s；
c．按小時間常數近似處理，取電流環小時間常數之和s。
②選擇ACR結構
根據設計要求，并保證穩態電流無差，可按典型Ⅰ型系統設計PI型ACR，其傳遞函數為；由于，由查表可知，各項指標均滿足條件。
③計算ACR參數
ACR超前時間常數：s；
ACR開環增益：要求時，取，因此
所以，ACR的比例系數為
④檢驗近似條件
電流環截止頻率：
a．校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件，滿足近似條件；
b．校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件，滿足近似條件；
c．校驗電流環小時間常數近似處理條件，滿足近似條件；綜上所述，PI型ACR的傳遞函數為
ASR設計過程：
①確定各時間常數
a．由可得，電流環等效時間常數為
s；
b．由題已知轉速濾波時間常數s；
c．按小時間常數近似處理，取轉速環小時間常數之和為
s；
②選擇ASR結構
根據設計要求，可選用PI型ACR，其傳遞函數為；由于，由查表可知，各項指標均滿足條件。
③計算ASR參數
根據跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ACR超前時間常數為s
由可得，ASR開環增益為
由可得，ASR的比例系數為
④檢驗近似條件
轉速環截止頻率：
a．校驗電流環簡化條件，滿足簡化條件；
b．校驗轉速環小時間常數近似處理條件，滿足近似條件；
⑤校核轉速超調量
當突加階躍給定時，ASR飽和，所以此處應按照退飽和的情況重新計算超調量。當h=5時，查得，則超調量為
顯然，能滿足設計要求。
綜上所述，PI型ASR的傳遞函數為
（3）
仿真模型與波形圖（注：圖要有圖標）：
仿真模型：
圖1-1轉速電流雙閉環控制的直流調速系統仿真模型
仿真時間10s，并在6s時突加1/2額定負載：電流調節器KT=0.5：
圖1-2
KT=0.5電流波形
圖1-3KT=0.5電流、轉速響應波形
電流調節器KT＝0.25時：
圖1-4KT＝0.25
電流波形
圖1-5KT＝0.25電流、轉速響應波形
電流調節器KT=1時：
圖1-6KT=1電流波形
圖1-7
KT=1電流、轉速響應波形
（4）
對結果進行分析：
電流調節器KT=0.5，電壓調節器h=5時的電流和轉速的響應跟隨性能超調小，動態跟隨性能適中。電流調節器KT＝0.25時，可看出起動時電流響應超調減小，但上升時間變長。電流調節器KT=1時，可看出起動時電流響應超調增大，但上升時間變短。
（5）
使用Power
System模塊建立直流電機雙閉環系統仿真模型：
圖1-8Power
System模塊建立直流電機雙閉環系統仿真模型
圖1-9Power
System模塊建立直流電機雙閉環系統仿真波形
2、轉速開環SPWM控制的變頻調速系統建立和仿真
上圖為此系統的總框圖，其中spwm模塊，inverter模塊是經過封裝的子系統模塊，子系統模塊需要自己搭建。
提示：1）、調制波是三相正弦調制波，其中
2）、等腰三角波可用脈沖發生器（幅值設為4，周期設為1
/1980,占空比設為50%）和一個常數2比較，得到新的脈沖，再經過積分環節，得到等腰三角形波，再經過一個增益模塊（1980*2）對其進行放大，（也可以不按照我的方法，但是最后得到的仿真時長為0.01s時的三角波形需如圖所示：）
3）、正弦調制波模塊和三角波模塊組合到一起，兩個信號比較后經延時（relay模塊）進行大于還是小于的判斷，從而得到正負半周都有的脈沖波形。正半周用來驅動逆變器的上橋臂，負半軸驅動下橋臂。
4）、逆變器的仿真模塊我們用3個switch模塊構成等效的逆變橋，又前面生成的spwm波形送入這個逆變環節，然后送入電動機模型，而不必考慮驅動電路，因為仿真過程中沒有電壓，電流的概念，而是純粹的數字來體現的電壓和電流。Ud是經過整流，濾波后的直流電，在仿真中用一個常數代替。
5）電機參數：
額定功率2200VA，額定電壓（線電壓）380V，額定頻率50Hz,轉速1500r/min,定子電阻Ra=0.435歐，轉子電阻Rr=0.816歐，定子電感Ls=0.004H，轉子電感Lr=0.002H，定、轉子互感Lm=0.06931，極對數np=2，轉動慣量J=0.089kgm2，摩擦系數F=0，仿真類型選用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真時長1s，由于電機控制數據量較大，Scope中的記錄點數限制取消。
6）要求空載啟動后，在0.3s時對系統突加10Nm負載，0.5s時負載突變為20Nm，0.7s時負載又突減為5Nm,記錄下整個過程的相關波形圖，除了圖示示波器，等腰三角形子模塊的波形也需要顯示，所有波形圖中需要標出是那種曲線。
7）給出子系統的仿真圖。
（1）
設計思路：
①正弦調制仿真模型的搭建：調制波是三相正弦調制波，其中
圖2-1
正弦調制仿真模型結構圖
圖2-2
正弦調制仿真波形
②等腰三角載波仿真模型:等腰三角波可用脈沖發生器（幅值設為4，周期設為1
/1980,占空比設為50%）和一個常數2比較，得到新的脈沖，再經過積分環節，得到等腰三角形波，再經過一個增益模塊（1980*2）得到。
圖2-3等腰三角載波仿真模型
圖2-4等腰三角載波仿真波形
③SPWM仿真模型的搭建：
將以上兩個模塊組合到一起，正弦和三角信號比較后經延時（MATLAB/Simulink中的Relay模塊）進行大于“0”還是小于“0”的判斷，這樣得到了所要的正負半周都有的脈沖波形。正半周驅動六相橋的上橋臂，負半周用來驅動下橋臂。
圖2-5SPWM仿真模型
圖2-6SPWM仿真波形
④逆變器的仿真模型：
逆變器的仿真模塊我們用3個switch模塊構成等效的逆變橋，又前面生成的spwm波形送入這個逆變環節，然后送入電動機模型，而不必考慮驅動電路，因為仿真過程中沒有電壓，電流的概念，而是純粹的數字來體現的電壓和電流。Ud是經過整流，濾波后的直流電，在仿真中用一個常數代替。
圖2-7逆變器的仿真模型
（2）
參數計算過程：
額定功率2200VA，額定電壓（線電壓）380V，額定頻率50Hz,轉速1500r/min,定子電阻Ra=0.435歐，轉子電阻Rr=0.816歐，定子電感Ls=0.004H，轉子電感Lr=0.002H，定、轉子互感Lm=0.06931，極對數np=2，轉動慣量J=0.089kgm2，摩擦系數F=0，仿真類型選用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真時長1s，由于電機控制數據量較大，Scope中的記錄點數限制取消。輸入逆變器的整流電壓取：Ud＝V。
電機參數設置：
（3）
仿真模型與波形圖（注：圖要有圖標）：
仿真模型：
圖2-8轉速開環SPWM控制調速系統仿真模型
仿真波形：
圖2-9負載變化曲線
圖2-10轉速n波形
圖2-11電磁轉矩Te波形
圖2-12轉子電流Ir波形
圖2-13定子電流Is波形
（4）
對結果進行分析：
空載起動，電磁轉矩較大但存在一定波動，轉速快速上升，大約經過0.15s達到穩定1500r/min，轉子電流正負變化趨近于0，定子電流穩定后為三相對稱電流；在0.3s時對系統突加10Nm負載，轉速下降，電磁轉矩上升；0.5s時負載突變為20Nm，轉速下降，電磁轉矩上升；0.7s時負載又突減為5Nm，轉速上升，電磁轉矩下降。可見，開環控制轉速有靜差。
三、課程設計總結
短短的一周matalab課程設計，讓我得到最大的心得和體會是：有時候一件挺簡單的事，想象起來應該是挺容易辦到的，但是實際操作起來因為自身缺乏的知識太多而遭到處處碰壁，在此次課程設計中，我真真切切感覺到matalab強大的功能，第一次讓我感覺到什么叫做學以致用，以及讓我體會到理論與實際直接的結合，讓我掌握了matalab環境下傳遞函數建模和Power
System模塊建模的方法，我覺得matalab真的是一門很強大的工具，我想在以后的學習以及工作中將受益無窮。
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