电气工程综合实训（matlab）报告

题

目

电动机调速系统仿真

专

业

班

级

学

生

姓

名

学

号

指

导

教

师

时

间

一、课程设计目的1、掌握MATLAB环境下传递函数建模和Power

System模块建模的方法；

2、根据控制对象的物理特性，掌握控制系统动态建模的方法和分析方法；

3、了解控制系统校正的一般过程，根据被控对象的性能指标要求进行系统校正。

二、课程设计内容

1、某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：

直流电动机：220V、17A、1460r/min、，允许过载倍数。

晶闸管装置放大系数：；

电枢回路总电阻：；

时间常数：，；

电流反馈系数：；

转速反馈系数：。

设计一转速电流双闭环控制的调速系统，设计指标为电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。取电流反馈滤波时间常数，转速反馈滤波时间常数。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。仿真观察系统的转速、电流响应和设定参数变化对系统响应的影响。

要求：

（1）根据转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图，按传递函数构建仿真模型；

（2）按工程方法设计和选择转速和电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器。

（3）设定模型仿真参数，仿真时间10s，并在6s时突加1/2额定负载，观察控制系统电流、转速响应。

（4）修改调节器参数，观察在不同参数条件下，双闭环系统电流和转速的响应，（5）使用Power

System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型，并与传递函数模型运行结果进行比较。

可能会用到的公式：=

供电电源电压：=.励磁电阻为：

电枢电感估算式：（c=0.4）

反电势常数：

电动机轴上的飞轮惯量：

电动机转动惯量：

额定负载转矩为：

（1）

设计思路：

在直流调速系统中，通过PI调节器实现的转速负反馈控制，可使系统转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响；为实现在允许条件下电机的最快起动，采用电流负反馈控制，可以获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。为了使转速负反馈和电流负反馈起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入两种负反馈机制以调节转速和电流，其中，把转速调节器（ASR）的输出当作电流调节器（ACR）的输入，再用ACR的输出去控制电力电子变换器。

此处作为工程设计方法，可以将调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度；第二步，在选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。为获得良好的静态和动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图

（2）

参数计算过程：

ACR设计过程：

①确定各时间常数

a．由查表可知，三相桥式整流装置的滞后时间常数s；

b．由题已知电流滤波时间常数s；

c．按小时间常数近似处理，取电流环小时间常数之和s。

②选择ACR结构

根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计PI型ACR，其传递函数为；由于，由查表可知，各项指标均满足条件。

③计算ACR参数

ACR超前时间常数：s；

ACR开环增益：要求时，取，因此

所以，ACR的比例系数为

④检验近似条件

电流环截止频率：

a．校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足近似条件；

b．校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，满足近似条件；

c．校验电流环小时间常数近似处理条件，满足近似条件；综上所述，PI型ACR的传递函数为

ASR设计过程：

①确定各时间常数

a．由可得，电流环等效时间常数为

s；

b．由题已知转速滤波时间常数s；

c．按小时间常数近似处理，取转速环小时间常数之和为

s；

②选择ASR结构

根据设计要求，可选用PI型ACR，其传递函数为；由于，由查表可知，各项指标均满足条件。

③计算ASR参数

根据跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ACR超前时间常数为s

由可得，ASR开环增益为

由可得，ASR的比例系数为

④检验近似条件

转速环截止频率：

a．校验电流环简化条件，满足简化条件；

b．校验转速环小时间常数近似处理条件，满足近似条件；

⑤校核转速超调量

当突加阶跃给定时，ASR饱和，所以此处应按照退饱和的情况重新计算超调量。当h=5时，查得，则超调量为

显然，能满足设计要求。

综上所述，PI型ASR的传递函数为

（3）

仿真模型与波形图（注：图要有图标）：

仿真模型：

图1-1转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真模型

仿真时间10s，并在6s时突加1/2额定负载：电流调节器KT=0.5：

图1-2

KT=0.5电流波形

图1-3KT=0.5电流、转速响应波形

电流调节器KT＝0.25时：

图1-4KT＝0.25

电流波形

图1-5KT＝0.25电流、转速响应波形

电流调节器KT=1时：

图1-6KT=1电流波形

图1-7

KT=1电流、转速响应波形

（4）

对结果进行分析：

电流调节器KT=0.5，电压调节器h=5时的电流和转速的响应跟随性能超调小，动态跟随性能适中。电流调节器KT＝0.25时，可看出起动时电流响应超调减小，但上升时间变长。电流调节器KT=1时，可看出起动时电流响应超调增大，但上升时间变短。

（5）

使用Power

System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型：

图1-8Power

System模块建立直流电机双闭环系统仿真模型

图1-9Power

System模块建立直流电机双闭环系统仿真波形

2、转速开环SPWM控制的变频调速系统建立和仿真

上图为此系统的总框图，其中spwm模块，inverter模块是经过封装的子系统模块，子系统模块需要自己搭建。

提示：1）、调制波是三相正弦调制波，其中

2）、等腰三角波可用脉冲发生器（幅值设为4，周期设为1

/1980,占空比设为50%）和一个常数2比较，得到新的脉冲，再经过积分环节，得到等腰三角形波，再经过一个增益模块（1980*2）对其进行放大，（也可以不按照我的方法，但是最后得到的仿真时长为0.01s时的三角波形需如图所示：）

3）、正弦调制波模块和三角波模块组合到一起，两个信号比较后经延时（relay模块）进行大于还是小于的判断，从而得到正负半周都有的脉冲波形。正半周用来驱动逆变器的上桥臂，负半轴驱动下桥臂。

4）、逆变器的仿真模块我们用3个switch模块构成等效的逆变桥，又前面生成的spwm波形送入这个逆变环节，然后送入电动机模型，而不必考虑驱动电路，因为仿真过程中没有电压，电流的概念，而是纯粹的数字来体现的电压和电流。Ud是经过整流，滤波后的直流电，在仿真中用一个常数代替。

5）电机参数：

额定功率2200VA，额定电压（线电压）380V，额定频率50Hz,转速1500r/min,定子电阻Ra=0.435欧，转子电阻Rr=0.816欧，定子电感Ls=0.004H，转子电感Lr=0.002H，定、转子互感Lm=0.06931，极对数np=2，转动惯量J=0.089kgm2，摩擦系数F=0，仿真类型选用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真时长1s，由于电机控制数据量较大，Scope中的记录点数限制取消。

6）要求空载启动后，在0.3s时对系统突加10Nm负载，0.5s时负载突变为20Nm，0.7s时负载又突减为5Nm,记录下整个过程的相关波形图，除了图示示波器，等腰三角形子模块的波形也需要显示，所有波形图中需要标出是那种曲线。

7）给出子系统的仿真图。

（1）

设计思路：

①正弦调制仿真模型的搭建：调制波是三相正弦调制波，其中

图2-1

正弦调制仿真模型结构图

图2-2

正弦调制仿真波形

②等腰三角载波仿真模型:等腰三角波可用脉冲发生器（幅值设为4，周期设为1

/1980,占空比设为50%）和一个常数2比较，得到新的脉冲，再经过积分环节，得到等腰三角形波，再经过一个增益模块（1980*2）得到。

图2-3等腰三角载波仿真模型

图2-4等腰三角载波仿真波形

③SPWM仿真模型的搭建：

将以上两个模块组合到一起，正弦和三角信号比较后经延时（MATLAB/Simulink中的Relay模块）进行大于“0”还是小于“0”的判断，这样得到了所要的正负半周都有的脉冲波形。正半周驱动六相桥的上桥臂，负半周用来驱动下桥臂。

图2-5SPWM仿真模型

图2-6SPWM仿真波形

④逆变器的仿真模型：

逆变器的仿真模块我们用3个switch模块构成等效的逆变桥，又前面生成的spwm波形送入这个逆变环节，然后送入电动机模型，而不必考虑驱动电路，因为仿真过程中没有电压，电流的概念，而是纯粹的数字来体现的电压和电流。Ud是经过整流，滤波后的直流电，在仿真中用一个常数代替。

图2-7逆变器的仿真模型

（2）

参数计算过程：

额定功率2200VA，额定电压（线电压）380V，额定频率50Hz,转速1500r/min,定子电阻Ra=0.435欧，转子电阻Rr=0.816欧，定子电感Ls=0.004H，转子电感Lr=0.002H，定、转子互感Lm=0.06931，极对数np=2，转动惯量J=0.089kgm2，摩擦系数F=0，仿真类型选用Continurous，Variable-step，算法采用ode23s（stiff/Mod.Rosenbrock）,仿真时长1s，由于电机控制数据量较大，Scope中的记录点数限制取消。输入逆变器的整流电压取：Ud＝V。

电机参数设置：

（3）

仿真模型与波形图（注：图要有图标）：

仿真模型：

图2-8转速开环SPWM控制调速系统仿真模型

仿真波形：

图2-9负载变化曲线

图2-10转速n波形

图2-11电磁转矩Te波形

图2-12转子电流Ir波形

图2-13定子电流Is波形

（4）

对结果进行分析：

空载起动，电磁转矩较大但存在一定波动，转速快速上升，大约经过0.15s达到稳定1500r/min，转子电流正负变化趋近于0，定子电流稳定后为三相对称电流；在0.3s时对系统突加10Nm负载，转速下降，电磁转矩上升；0.5s时负载突变为20Nm，转速下降，电磁转矩上升；0.7s时负载又突减为5Nm，转速上升，电磁转矩下降。可见，开环控制转速有静差。

三、课程设计总结

短短的一周matalab课程设计，让我得到最大的心得和体会是：有时候一件挺简单的事，想象起来应该是挺容易办到的，但是实际操作起来因为自身缺乏的知识太多而遭到处处碰壁，在此次课程设计中，我真真切切感觉到matalab强大的功能，第一次让我感觉到什么叫做学以致用，以及让我体会到理论与实际直接的结合，让我掌握了matalab环境下传递函数建模和Power

System模块建模的方法，我觉得matalab真的是一门很强大的工具，我想在以后的学习以及工作中将受益无穷。

江SU大学