运动控制MATLAB仿真

大作业: 直流双闭环调速MATLAB仿真

运动控制技术课程名称：

名：姓电气学院院：学

自动化业：专

号：学

孟濬指导教师：

2012年6月2日

------------------------------------- -------------学浙大江

李超

一、Matlab仿真截图及模块功能描述

Matlab仿真截图如下，使用Matlab自带的直流电机模型：

模块功能描述：

⑴电机模块（Discrete DC_Machine）：模拟直流电机

⑵负载转矩给定（Load Torque）：为直流电机添加负载转矩

⑶Demux：将向量信号分离出输出信号

⑷转速给定（Speed Reference）：给定转速

⑸转速PI调节（Speed Controller）：转速PI调节器，对输入给定信号与实际信号

的差值进行比例和积分运算，得到的输出值作为电流给定信号。改变比例和积分运算系数可以得到不同的PI控制效果。

⑹电流采样环节（1/z）：对电流进行采样，并保持一个采样周期

⑺电流滞环调节（Current Controller）：规定一个滞环宽度，将电流采样值与给定值进行对比，若：采样值＞给定值+0.5*滞环宽度，则输出0；

若：采样值＜给定值—0.5*滞环宽度，则输出1；

若：给定值—0.5*滞环宽度＜采样值＜给定值+0.5*滞环宽度，则输出不变

输出值作为移相电压输入晶闸管斩波器控制晶闸管触发角

：根据输入电压改变晶闸管触发角，从而改变电机端电压。GTO⑻晶闸管斩波．⑼续流二极管D1：在晶闸管关断时为电机续流。

⑽电压传感器Vd：测量电机端电压

⑾示波器scope：观察电压、电流、转速波形

系统功能概括如下：直流电源通过带GTO的斩波器对直流电机进行供电，输出量电枢电流ia和转速wm通过电流环和转速环对GTO的通断进行控制，从而达到对整个电机较为精确的控制。

下面对各个部分的功能加以详细说明：

（1）直流电机

双击电动机模块，察看其参数：

为了了解电机的内部结构，右键、点击Look Under Mask，如下图所示：

（2）负载

该模型采用了两种类型的负载可供选择，即恒转矩负载与阶跃转矩负载，（Torque

Step）

（3）速度控制环

速度控制主要是通过速度控制器实现的。速度控制器的输出为Iref，是下一

级的电流控制器的参考输入。wm和wref是速度控制器的两个输入，其中wm表示电机转速；wref是参考转速输入，通过一个选择开关将两个速度参考输入接入：Ref .Speed和Speed Step。

双击Speed Step，得到其详细情况：

用示波器观察如下所示：

在速度控制器（Speed Control）上右键、点击Look Under Mask后，得到具体结

构如下所示：

由此可见，速度控制器实际上是一个比例积分环节PI：

Iref=(wref-wm)*(Kp+)

相应的，双击速度控制器，得Kp=1.6，Ki=16，限流值30A，即：

Iref=(wref-wm)*(1.6+)

（4）电流控制环

Iref和Ia是电流控制器的两个输入，只是Ia先经过了滤波器Filter。双击Filter 以了解其详情：

电流控制器的输出信号接入GTO的门极以实现其开关。在电流控制器上右键>Look Under Mask后，具体结构如下所示：

这是个滞环比较结构。当Iref大于Ia时，输出为1，当Iref小于Ia时，输出为0。

（5）开关管GTO

GTO的门极驱动信号为电流控制器的输出，当输出为1时，GTO开通，当输出为0时，关断GTO，电枢回路通过电感Ls和而二极管D1续流。其参数如图所

示：

（6）示波器

Scope是示波器，双击之，得其图像。

这个主要是用来观察在给定信号后电动机各个量的变化情况。

二、仿真结果及分析

当转速改变、转矩改变下电机运行性能会发生很大的改变，下面分别予以仿真分析。

（1）首先看当转矩选择恒转距5Nm、转速参考量选择常量120rad/s时和转矩转速均为阶跃信号的结果。

上图是电机的起动过程：速度控制器的参考端突加给定120rad/s，电机开始启动。初始转速为0，速度控制器的输出饱和30A。当电流从0开始增长时，电流控制器的输出为1，GTO导通，电流很快达到饱和值30A左右，GTO关断。随着电机转速逐渐上升，反电动势将增大，电枢电流减少，当下降到30A以下时，GTO 重新开通，电流上升；如此电流在30A附近不断变化。最后，电流基本稳定在30A左右，但是此时转速尚未上升到给定值。

一旦转速超过120rad/s时，速度控制器将退出饱和，GTO关断，电枢电流将会慢慢下降，随之电机的输出转矩下降；电机转矩小于负载转矩时，点击开始减速，逐渐回到速度给定值，此时电枢电流也达到稳定。

最终，电流和转速都逐渐趋于稳定

值。．

进一步放大得到更精确的图像

与预测结果基本一致。．（2）突加转矩的情况

结果如下图所示：

放大后如下图所示：

可以看出，在1.2s突加转矩之前的图像与上一种情况完全一样。在突加转矩之后，由于阻力矩的变大，转速不能突变，但是仍然出现了波动而变小。同时为了提供相应的转矩，电流明显增大。这是因为随着转速的下降，电机的反电动势将减小，由此电枢电流立即增大，同时电机转速上升，当超过一定值时，GTO关断，电流逐渐下降；最终达到新的稳定值，而电机转速恢复原来的值。

（3）突加转矩、转速的情况