运动控制(1)大作业-单闭环直流调速系统仿真 直流电机Z4-132-1

目 录
本科生课程论文 ........................................................................... 错误!未定义书签。 一、仿真题目................................................................................................................ 2 单闭环直流调速系统仿真.................................................................................... 2 二、仿真过程................................................................................................................ 2 2.1 仿真总图......................................................................................................... 2 2.2 PWM 模块 ......................................ห้องสมุดไป่ตู้................................................................ 3 2.3 电机模块......................................................................................................... 3 2.4 仿真结果......................................................................................................... 4 三、心得体会.............................................................................................................. 10
一、仿真题目
单闭环直流调速系统仿真
直流电动机：型号为 Z4-132-1，额定电压U N 400 V，额定电流 I dN 52.2 A，额定转速为 2610 r/min，反电动势系数 Ce =0.1459 V min/r，允许过载倍数 =1.5；PWM 变换器开关频率：8KHz，放大系数： K s =107.5；(538/5=107.5)，直 流母线电压为 538V。 电枢回路总电阻： R 0.368 ； 时间常数：电枢回路电磁时间常数 Tl =0.0144s，电力拖动系统机电时间常数
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分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。
图 8 比例积分调节时空载启动电流、转速波形
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图 9 比例积分调节时空载启动电枢电压波形 由上图可知，启动电流最大值超过 1000A。这是因为在转速反馈控制直流调 速系统上突加给定电压时，由于惯性的作用，转速不能立即建立起来，反馈电压 为零，相当于偏差电压∆Un=Un*，调节器的输出是 Kp*Un*。这时，由于放大器 和变换器的惯性都很小，电枢电压 Ud 立即达到它的最高值，对电动机来说，相 当于全压起动，所以会造成电动机过电流。 要解决过电流问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节，故可引入电流 截止负反馈，当电流大到一定程度时出现电流负反馈，使其不超过允许值。
或者再添加两个非门
2.搭建完成仿真电路后，产生许多错误，无法运行，查阅资料后得知没有添加 powergui，powergui 可用于对搭建的模块进行统一以及协调以及对相应量的初始 化。
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3.搭建电路时不可想当然，在自控原理中我们比较熟悉负反馈，常用相减的节点 来表示负反馈。 此电路中的比例积分调节器是采用比例与积分调节器相加，因此 节点不应想当然使用减号。这样的错误还不容易被发现，导致仿真时花了许多不 必要的精力排查。
Tm =0.18s；转速反馈系数 0.00383V min/ s ( 10V / n N )；
* 对应额定转速时的给定电压 U n 10V 。

在 matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。其中 PWM 变换器利用给 出的 PWM 控制器模块和 simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭 建，不能直接利用传递函数建模。比例积分调节器进行积分和输出限幅，输 出限幅值为+5 和-5。
由图可知，稳定后转速 n=2610 r/min，等于额定转速，为无静差系统。这是 由于比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状， 而积分调节器的输出包含了 输入偏差量的全部历史，因此积分控制可以实现无静差调速。由上表可知，相较 于比例， 比例积分的稳态性能好， 动态性能稍差。 比例部分能迅速响应控制作用， 积分部分则最终消除稳态误差但会在一定程度上影响动态性能。 （3） 给出采用比例积分调节器时 （ K p 7 ，1 10 ） 的转速、 电流、 电枢电压波形，
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图 6 比例调节时空载启动转速波形
下图展示了使用比例积分调节器时，空载起动到额定转速的转速波形，分别 是 10s 时与 0.5s 时的波形。
图 7 比例积分调节时空载启动转速波形
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将二者比较 表 1 比例与比例积分空载启动时稳态静差和动态性能进行对比 稳态转速 （r/min） 比例 比例积分 2480 2610 稳态静差 （r/min） 130 0 峰值时间 （s） 0.253 0.264 调整时间 （s） 0.320 超调量 （%） 1.2 -
（4）在 4s 突加 40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器 输出） ，并加载过程中波形变化加以分析，比较加载前后稳态转速，说明原因。 在 step(2)处加入负载扰动，4s 时作用，如下图：
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图 10 负载扰动参数设置
图 11 转速、电流、转速调节器输出（启动时）
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图 12 转速、电流、转速调节器输出（扰动时） 在 4s 时加负载后电流波形出现一个波动，调整后电流增大，并且逐渐进入 一个新的稳态（有负载，不为零） ；同时转速也有一个波动，减小后进入新的转 速稳态； 转速调节器输出波形的波动显示了转速调节器起作用。由于机械特性较 硬，加入负载扰动后，转速、电流、转速调节器的输出稍有变化，经过一个小的 波动后进入新的稳态。
（2）给出采用比例调节器（ K p 7 ） 、比例积分调节器时（ K p 7 ， 1 10 ）空载起
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动到额定转速的转速波形， 并就稳态静差和动态性能进行对比， 分析说明原因。 使用比例调节器时，只需将积分一路断开、负载置零即可。
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下图展示了使用比例调节器时， 空载起动到额定转速的转速波形， 分别是 10s 时与 0.5s 时的波形。
4.电路运行后，使用 repeating sequence 未能得到既定波形，查阅资料、修改仿真 步长都未能解决，最后使用一个三角波发生器和一个放大器代替。
我认为最让我有收获的是在设计过程中，加深了对转速闭环负反馈控制的理 解， 构建仿真图让我有了对系统框图有了更加深刻的理解。 在仿真中遇到的问题， 在很大程度上也培养了我动手解决问题的能力，非常具有实践意义。
二、仿真过程
2.1 仿真总图
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图 1 仿真总图
2.2 PWM 模块
图 2 PWM 模块仿真图 PWM 变换器利用给出的 PWM 控制器模块和 simulink/Powersystem 工具包中 的功率封装模块搭建。
2.3 电机模块
图 3 比例积分控制的直流调速系统的仿真图
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根据上图和已知数据确定参数，搭建仿真图如下：
图 4 电机模块仿真图
2.4 仿真结果
（1）在 matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。利用给出的 PWM 控 制器模块和 simulink/Powersystem 工具包中的功率封装模块搭建 PWM 变换器。 比例积分调节器进行积分和输出限幅，输出限幅值为+5 和-5。
图 5 输出限幅设置
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三、心得体会
本次仿真作业是初学 Simulink 工具箱，碰到了一些问题并且已经解决。 1.数据类型不正确 初次仿真时产生 error：Input port 1 of 'untitled2/PWM/NOT' is not connected.
原因在于直接使用逻辑非门，输入前数据类型为 double，输出后数据类型为 boolean，无法仿真，因此转换数据类型即可，如下图：

给出采用比例调节器（ K p 7 ） 、比例积分调节器时（ K p 7 ， 1 10 ）空载起动
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到额定转速的转速波形， 并就稳态静差和动态性能进行对比， 分析说明原因。 给出采用比例积分调节器时（ K p 7 ，1 10 ）的转速、电流、电枢电压波形，
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分析空载起动过程中电流过流原因，请给出解决过流问题的方法。 在 4s 突加 40%额定负载，给出仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输 出） ， 并加载过程中波形变化加以分析， 比较加载前后稳态转速， 说明原因。