双闭环直流调速系统仿真(2009级)剖析

采用α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统设计及调速性能matlab仿真1. 设计任务与设计要求1.1 设计任务①、不可逆的生产设备，采用双闭环直流调速系统，主电路采用三相桥式整流电路，系统的基本数据如下：直流电动机参数为：P N=5.5kw，U N=220V，I N=28A，n N=A，电枢回路电阻R=0.8Ω,允许电流过载倍数λ=1.8，电磁时间常数T L=0.048s，机电时间常数Tm=0.185s，触发整流环节的放大倍数Ks=B，整流电装置内阻R res=1.3Ω，平均失控时间常数T s=0.0017s,最大输入、输出电压均为10V，电流反馈滤波时间常数T oi=0.002s，转速反馈滤波时间常数T on=0.015s。

第一组： A=1200 r/min、B=25；第二组： A=1300 r/min、B=25；第三组： A=1300 r/min、B=35；第四组： A=1490 r/min、B=35；②、设计一个双闭环直流电动机调速系统，整流装置采用三相桥式电路，电动机参数：U N=220V,I dN=136A,n N=1460r/min,Ce=0.132V.min/r, 过载倍数λ，整流装置放大系数Ks＝40，电枢回路总电阻R＝0.5欧，时间常数T L=0.03s,T m=0.18s，转速反馈系数α，取电流反馈滤波时间常数T oi＝0.0017s,转速反馈滤波时间常数T on＝0.01s,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。

第五组：λ＝1.3、α＝0.005V.min/r；第六组：λ＝1.4、α＝0.006V.min/r；第七组：λ＝1.5、α＝0.007V.min/r；第八组：λ＝1.6、α＝0.01V.min/r；第九组：λ＝1.7、α＝0.008V.min/r；③、第二章习题 2-14（电磁时间常数、机电时间常数作如下更改）第十组：T L=0.012s，T m=0.12s；第十一组：T L=0.02s，T m=0.12s；第十二组：T L=0.03s，T m=0.18s；第十三组：T L=0.03s，T m=0.25s；第十四组：T L=0.025s，T m=0.18s；第十五组：T L=0.018s，T m=0.20s；1.2 分组安排做仿真课设的每四人一组，共十二组，1.2 设计要求（1）在负载和电网电压的扰动下稳态无静差；（2）动态指标：电流超调量σi≤5%，转速超调量σn≤10%。

（3）首先按工程设计法设计ASR、ACR。

（4）利用matlab对双闭环调速系统电路仿真，观察系统的转速、电流响应和设定参数变化（负载、磁场等扰动量）对系统响应的影响。

（5）做直流电机四象限运行仿真，包括正向启动→正向稳态运行→正向制动→反向启动→反向稳态运行→反向制动→停车等过程的电流、转速、电枢电压的波形。

参考资料如下：双闭环直流调速系统仿真利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。

掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。

在教材第三章中，对工程实践中用得最多的典型Ⅰ型系统和典型II型系统的设计方法进行了详细的分析，在此基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对工程设计方法的理解。

下面就以例题3－1，3－2设计的转速、电流反馈控制的直流调速系统为例，学习SIMULINK软件的运动控制系统仿真方法。

1．仿真模型的建立进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，或直接键入SIMULINK 命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口，如图1所示。

由于版本的不同，各个版本的模块浏览器的表示形式略有不同，但不影响基本功能的使用。

图1 SIMULINK模块浏览器窗口(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择File→New →Model菜单项实现。

(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。

在本例中，需要打开SimPowerSystems模块库，从Electrical Source组选中AC Voltage Source和 DC Voltage Source模块拖入模型编辑窗口，从Elements组选中Series RLC Branch和 Three-Phase Transfomer模块拖入模型编辑窗口，从Machines组选中DC Machine模块拖入模型编辑窗口，从Power Electronics组选中Universal Bridge模块拖入模型编辑窗口，从Measurements组选中Voltage Measurement模块拖入模型编辑窗口，从Connectors组选中Ground和 T Connector模块拖入模型编辑窗口需要从Simulink模块库中把Source组中的Step模块拖入模型编辑窗口；把Math组中的Sum和Gain模块拖入模型编辑窗口；把Continuous组中的Transfer Fcn模块拖入模型编辑窗口；把Sinks组中的Scope模块拖入模型编辑窗口；把Signal Rounting组中的Demux模块拖入模型编辑窗口；此外，我们还需要ASR、ACR和Pulse Generator三个子系统模块。

至此，我们已经把转速电流双闭环直流调速系统的仿真结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。

如图2所示。

图2 模型编辑窗口(3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。

在本例中，双击加法器模块Sum，打开如图3所示的对话框，在List of Signs栏目描述加法器三路输入的符号，其中|表示该路没有信号，所以用|+-取代原来的符号，得到动态结构框图中所需的减法器模块了。

图3 加法器模块对话框双击传递函数模块（Transfer Fcn），则将打开如图4所示的对话框，只需在其分子Numerator和分母Denominator栏目分别填写系统的分子多项式和分母多项式系数，例如0.002s+1是用向量[0.002 1]来表示的。

在这里我们用它可以构建转速、电流反馈滤波器和给定滤波器。

图4 传递函数模块对话框双击阶跃输入模块(Step)可以把阶跃时刻(Step time)参数从默认的1改到0，把阶跃值(Final value) 从默认的1改到10。

图5 阶跃输入模块对话框双击交流电压源(AC Voltage Source)得到下图6，修改峰值（Peak amplitude）默认的参数100为200*sqrt(2)，修改频率（Frequency）默认参数为50。

为了形成三相交流电源，三个AC Voltage Source的Phase项依次填入0、-120、-240，分别对应uA、uB、uC。

（标注uA、uB、uC，可以通过单击AC Voltage Source进行修改。

）图6 交流电压源模块对话框双击直流电压源模块（DC Voltage Source）得到下图7，修改Amplitude即改变了电压源的幅值。

这里此模块用作直流电动机的励磁电源，幅值为220V。

图7 直流电压源模块对话框双击三相变压器模块出现下图8对话框。

修改额定功率和频率项（Nominal power and frequency）为[2e6，50]。

对于提供电机电源的变压器，选择其ABC原边绕组联结（Winding 1(ABC) connection）为Delta(D11)（三角形，电压相位领先Y联结30°），修改绕组参数（Winding parameters）为380（相电压 V1 Ph-Ph）；选择abc副边绕组联结（Winding 2 (abc) connection）为Y(星形，无中线)，修改绕组参数(Winding parameters)为213（相电压 V2 Ph-Ph）。

对于提供同步脉冲电源的变压器，选择其ABC原边绕组联结为Delta(D11)，修改绕组参数为380；选择abc副边绕组联结为Y，修改绕组参数为15；修改其磁阻（Rm）为500，励磁电感（Lm）为500。

图8 变压器模块对话框三相桥式可控整流电路模块（6-pulse thyristor bridge）的A、B、C三个输入端连接三相电源或三相变压器的二次侧；它的两个输出端K和A，则输出整流后的直流电压，其中K端为“+”，A端为“-”。

模型的脉冲输入端pulse用于接入晶闸管的触发信号。

双击模块弹出对话框图9。

四个参数分别是导通电阻（Thyristor on-state resitance）、导通电感(Thyristor on-state inductance)、缓冲电阻(Snubber resistance)、缓冲电容(Snubber capacitance)。

图9 三相可控整流电路模块对话框直流电机模块（DC Machine），F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。

m端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。

双击模块打开对话框图10。

修改参数电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance）为[0.21 0.0021]，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance）为[146.7 0]，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance）为0.84，转动惯量（Total inertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为1.9，初始角速度(initial speed)为0.1。

图10 直流电机模块对话框双击Gain可修改增益。

图11 增益模块对话框双击Series RLC Branch,可依次修改电阻、电感和电容。

图12 RLC串联电路模块对话框双击示波器出现图13，点击，即可打开图14(a)所示对话框。

改变Number of axes 就可改变接入信号的个数。

还可以右击选择Axes proporties得到图14(b)，通过修改Title 来设置所显示参量的名字。