运动控制仿真实验报告

运动控制仿真实验报告
实验11，晶闸管单相交流调压仿真实验
一，实验原理
1.1原理图
该实验是通过晶闸管的调压触发控制电路来控制晶闸管导通，以此来实现不同导通角时，输出电压不同。

该实验的原理电路如图1所示。

图1
通过两个触发脉冲来触发VT1与VT2，触发电路的原理框图如图2所示。

图2
该触发电路两个触发脉冲相差180°，以此来实现正半周和负半周都进行调压，而且调压的脉冲角是相同。

1.2 仿真模型
1.3 脉冲发生器子模块参考模型
其中斜率限制器上升斜率＝1；下降斜率＝－inf；放大器增益＝1000；Relay 使能过0 检测。

Fcn=10*u(1)/180 完成指令角度到比较电压的转换。

指令通过常数按触发角设定。

二．实验内容
根据原理框图构建 Matlab 仿真模型。

所需元件参考下表：
仿真元件库：Simulink Library Browser
示波器 Simulink/sink/Scope
交流电源 SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage Source
设定电压＝220*1.414V
晶闸管 SimPowerSystems/Power Electronics/ Thyristor
Fcn Simulink/User-Defined Functions/Fcn
设定为10*u(1)/180
Relay Simulink/Discontinuities/Relay
Rate Limiter Simulink/Discontinuities/ Rate Limiter
Subsystem Simulink/Commonly Used Block/Subsystem
电阻、电容、电感 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch
设定参数
负载电阻2 欧姆、串联电感2mH。

电流傅立叶分解 SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements/Discrete Fourier
设定输出为50Hz，基波
显示 Simulink/sinks/Display
电压检测SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement
电流检测SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement
仿真设定：Configuration Parameters/Solver options
Type Variable-step Solver Ode23s
Relative tolerance 1e-5
其它不变
仿真时间0.1 秒。

触发角60 度。

三．实验结果及分析
3.1 实验波形分析
1）输入交流电压与电流；
2）输出电压与电流；输出电压的有效值，并与教材中阐述的理论值进行比较验证。

输入与输出波形如下图所示
从上图可以知道，该电路的输出电路和电压波形是断续的，可以知道，是由于阻抗角小于触发角，使得在触发以前，电流就变为零了，晶闸管关闭，电压也因此变为了零。

从模型中可以得出此时的电压的有效值为197.2V.
可以计算得负载的阻抗角为φ=1/(tan(ωL/R))= 1/(tan(100π×2×10−3/2))=17.44°
在理论上有sin (π
3+θ−
17.44180
×π)=sin (π3
−17.44/180×π)e
−
θ
tan (17.44/180×π)
因此可以计算得θ=137.4°。

则可以计算输出电压的有效值为：
[])22sin(2sin 21
)()sin 2(1
1
21o θααπ
πθωωπ
θ
αα
+-+
==
⎰+U t d t U U =220×√2.398π
+
12π
×[sin (
2π3
−sin (
2π3
+2×2.398))] =198.04V
理论值比实际值稍微偏大，可以认定该模型比较准确，误差可能来源于晶闸管。

3） 输入电流的基波有效值、总谐波失真度和功率因数。

通过仿真模型可以得出，输入电流的有效值为90.2A 输入电流的基波有效值为87.52A 总谐波失真度（THD ）=
√90.22−87.522
87.52
=24.94%
功率因素为0.8236，畸变因子DPF=0.8488。

4） 此负载下电路的失控触发角为多少？通过实验加以验证。

负载的阻抗角为17.44°，因此，该电路的失控阻抗角为17.44° 将阻抗角设为17.44，观察输出波形，如下图所示：
可以得到当触发角为17.44°时，电路在失控的临界角。

3.2，将负载改为纯电阻负载，电阻阻值不变，重复上述实验。

改为纯阻性负载后，得到的波形如下图所示：
可知，当负载为纯阻性时，输出电流与电压同步。

此时的电压有效值为196.6V 。

此时的阻抗角为0°，电压的有效值理论为
π
α
παπωωπ
π
α
-+
==
⎰2sin 21)()sin 2(1
1
21o U t d t U U
=220×√1
2π×sin2π
3
+2
3
=197.33V
理论值和仿真值很接近，误差可能是由于晶闸管。

可以得出输入电流有效值为98.3A，输入电流基波有效值为91.98A 总谐波失真度（THD）=√98.32−91.982
91.98
=37.70%
功率因素为0.8972，畸变功率因子DPF=0.9589
3.3将电感增大10倍,重复上述实验，比较实验结果的异同。

如上图所示，由于电感增大10倍后，阻抗角大于60°，因此电路是连续的。

输出电压的有效值为219.7V.
输入电流有效值与输入电流的基波有效值都为33.33A，无谐波失真，功率因数为0.3064，畸变功率因子DPF=0.3063.
四，总结
通过这一次实验，我明白了matlab仿真的重要性，对于电力电子的实验，由于存在强电，有时候很难进行实验，因此，我明白了仿真的重要性，以后一定努力学习仿真和matlab 知识，用于实践之中。

DCDC 变换仿真实验1
－实用Buck 变换仿真实验
一．实验原理
1.1实验原理图
该实验为BUCK电路的仿真，通过仿真得到BUCK电路在不同占空比下的电压。

当VT开通时，电源向负载供电，当VT关断时，由续流二极管和电感为负载续流。

1.2仿真图如下所示:
二、实验内容
2.1 依照原理电路搭建仿真模型。

VT 采用场效应管。

选择开关频率为50Hz，输入直流电压200V，电感 0.2mH,电容 100uF,负载基本电阻20欧姆，加载并联电阻2欧姆。

2.2 根据原理框图构建 Matlab 仿真模型。

所需元件参考下表：
仿真元件库：Simulink Library Browser
示波器Simulink/sink/Scope
要观察到整个仿真时间段的结果波形必须取消对输出数据的5000点限制。

要观察波形的FFT 结果时，使能保存数据到工作站。

仿真结束后即可点击仿真
模型左上方 powergui 打开 FFT 窗口，设定相关参数：开始时间、分析波形的周期数、基波频率、最大频率等后，点 Display 即可看到结果。

直流电源 SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source，设定电压。

场效应管 SimPowerSystems/Power Electronics/Mosfet，取消检测输出口
调制波（三角波）发生器 Simulink/Sources/Repeating Sequence
设定为 50kHz,Time values=[0 5e-6 10e-6 15e-6 20e-6], Output values=[0 1 0 -1 0]
常数 Simulink/Sources/Constant
设定范围可在（－1，1）区间变化，初始设定值＝-0.5，对应占空比0.25
加法器Simulink/Math/add 设定为-+。

过零比较器 Simulink/Logic and Bit operations/Compare To Zero
电阻、电容、电感 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch
设定参数
负载切换开关 SimPowerSystems/Elements/Breaker
设定动作时间
增益 Simulink/Math Operations/Gain
显示 Simulink/sinks/Display
电压检测 SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement
电流检测 SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement
平均值SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements/Mean value
2.3 仿真设定：Configuration Parameters/Solver options
Type Variable-step Solver Ode23s
Max step size 1e-6 Relative tolerance 1e-5，其它不变
仿真时间 0.1 秒。

加载时间 0.07 秒。

三. 实验结果与分析
3.1、场效应管的稳态工作电流、二极管电流、电感电流、电感电压、输出电流、输出电压；经过仿真的下所示波形，从上至下分别是三角波与直流电压经过比较器后产生的PWM信号，输出电压uo，场效应管的稳态工作电流iFET，输出电流io，二极管电流iD，电感电压uL，电感电流iL。

由题意可知0.07S时是加载点，在加载点以前波形如下：
加载点时的波形如下：
可加载后，有了输出电流，电路开始工作。

电路恒定后的波形如下所示，
可知，输入电压基本为恒定，FET的电流在开通时为上升的，因为向电感和电容充电，电感上电流基本稳定在一个值。

3.2分析加载前后输出电压电流的变化。

对输出电压的平均值与理论计算值的误差进行讨论。

用示波器观察输出的电流和电压波形如下图所示：
可知在加载前后，输出电压基本不变，加载前为49.3V，加载后为48.7V。

输出电流在加载前为从2.5A，加载后为 26.7A。

实际电压比理论电压小，误差来源可能是由于MOSFET上消耗的电压和电感的非理想性。

3.3增加检测观察场效应管和二极管在开关过程中的工作电压；
以PWM为参考，观察二极管电压与三极管电压，如下图所示：
当VT导通时，场效应管漏源极直接的工作电压接近0V，而二极管的承受的工作电压为-200V；当VT关断后，电感L和电容C通过二极管续流，此时二极管的工作电压接近0V，而场效应管的工作电压为200V。

3.4改变占空比到 50%（对应常数0）重复上述实验，分析实验结果；
仿真结果如下所示
加载前的波形：
加载后的波形：
可知该波形与前几问的波形相似，但是L的波形在0V左右波动。

输出电压电流波形如下：
可知电压加载前99V，加载后97V，电流加载前5A，加载后53A。

二极管与三级管的电压波形如下：
可知该波形与前面波形相同。

3.5、设计电压闭环，采用pi调节器通过闭环自动控制使输出电压平均值在负载变化前后自动保持为50伏电压输出。

建立pi控制器如下所示:
输出波形如下所示：
可知输出波形在50左右一直振荡，满足要求。

四，总结
通过这个实验，我明白了用matlab能够做出一些没有条件进行的实验。

通过matlab仿真得出来的结果与实际结果相差无几，能够帮助了解各种电路的特性，得出好的方案，以后一定要好好学习matlab，并且应用matlab去帮助建立模型，获得好的结果。