直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真(參考程序)匯總

1、直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真一、開環(huán)直流速系統(tǒng)的仿真開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖 1所示。直流電動機的電樞由三相品閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L供電，通過改變觸發(fā)器移相控制信號 Uc調(diào)節(jié)品閘管的控制角a ,從而改變整流器的輸出電壓，實現(xiàn)直流電動機的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真 模型如圖2所示。圖1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖圖2直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型18為了減小整流器諧波對同步信號的影響，宜設(shè)三相交流電源電感L = 0,直流電動機勵磁由直流電源直接供電。觸發(fā)器（6-Pulse）的控制角（alpha_de。由移相控制信號Uc決定，移相特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 在本模型中取a min =30，Ucmax=10V

2、,所以a=90-6Uc。在直流電動機的負(fù)載 轉(zhuǎn)矩輸入端Tl用Step模塊設(shè)定加載時刻和加載轉(zhuǎn)矩。90 -1.二.=90minU cmaxUc仿真算例1已知一臺四極直流電動機額定參數(shù)為 Un=220V, In=136A, nN =1460r/min , Ra =0.2Q , GD2 =22.5N，m2。勵磁電壓 Uf =220V ,勵磁電 流If =1.5A 。采用三相橋式整流電路，設(shè)整流器內(nèi)阻Rec =0.9 。平波電抗器Ld =20mH。仿真該晶閘管-直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，觀察電動機在全壓起動和起動后加額定負(fù)載時的電機轉(zhuǎn)速 n、電磁轉(zhuǎn)矩Te、電樞電流id及電樞電壓山的變化情況。UN =22

3、0V仿真步驟：1）繪制系統(tǒng)的仿真模型（圖2）2）設(shè)置模塊參數(shù)（表1）供電電源電壓Un RrecIN2.34COS 1,所220 0.3 1362.34 cos30：130(V)電動機參數(shù)勵磁電阻:Rf =Uf220=-0 = 146.7(c)1.5勵磁電感在恒定磁場控制時可取“ 0， 電樞電阻：Ra = 0.2.1電樞電感由下式估算：L-19.19.1 2 廠146：0136 。.。訓(xùn)電樞繞組和勵磁繞組間的互感Laf :KeUn -RJnnN220 -0.2 1361460：0.132(V min/r)電機轉(zhuǎn)動慣量額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩6060Kt = =0.132 1.26 2冗2冗L =KT =比=

4、0.84(H)If1.5 GD2J 二4g22.54 9.812：0.57(kg m2)TL =KTIN =1.26x136 比 171.4(N m)表1開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要模型參數(shù)模塊參數(shù)名參數(shù)三相電源(Three-Phase Source)Phase-to-pahse rms voltage/V130*sqrt(3)Phase angle of phase A/degrees0Frequency/Hz50Internal connectionYgSource resistance/Q0.001Source inductance/H0直流電動機(DC Machine )電樞電阻Ra/C0.2

5、0電樞電感La/H0.0021勵磁電阻Rf /Q146.7勵磁電感Lf /H0電樞繞組與勵磁繞組間互感Laf / H0.84轉(zhuǎn)動慣量J / kg m20.57平波電抗器（Inductance）電感Ld / H0.023）設(shè)置仿真參數(shù)：仿真算法odel5s,仿真時間5.0s,直流電動機空載起動, 起動2.5s后加額定負(fù)載TL =171.4N m。4）進行仿真并觀察、分析結(jié)果（圖3）0（可以用語句plot（tout,yout）進行示波器的曲線處理。）tt(s)500400300mN 200100100 00.511.52t(s)t圖3開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果二、轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真帶轉(zhuǎn)速負(fù)

6、反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖 4所示，系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)U；、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR （放大器人）、移相觸發(fā)器GT、晶閘管整流器UCR np和直流電動機M和測速發(fā)電機TG等組成。L圖5轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖 5所示，模型在圖2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了轉(zhuǎn)速給定 U；,轉(zhuǎn)速反饋n-feed、放大器Gain和反映放大器輸出限幅的飽和特性模塊 Saturation,飽和限幅模塊的輸出是移相觸發(fā)器的控制電壓Uc, c轉(zhuǎn)速反饋直接取自電動機的轉(zhuǎn)速輸出，沒有另加測速發(fā)電機，取轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)*Kn=Um 。nN仿真算例2在算例1的基礎(chǔ)上觀察轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)

7、在不同放大器放大倍數(shù)時對轉(zhuǎn)速變化的影響。仿真步驟：1）繪制系統(tǒng)的仿真模型（圖5）。2）設(shè)置模塊參數(shù)（表2）。3）設(shè)置仿真參數(shù)：仿真算法odel5s,仿真時間1.5s,直流電動機空載起動,起動0.5s后加額定負(fù)載TL =171.4N .m。4）進行仿真并觀察、分析結(jié)果（圖6）:（用語句 plot（tout1,yout1,tout2,yout2,tout3,yout3）進行示波器的曲線處理。）t(s)表2轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要模型參數(shù)模塊參數(shù)名參數(shù)三相電源(Three-Phase Source)同表1直流電動機（DC Machine ）同表1平波電抗器（Inductance）電感Ld / H0.

8、02轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（n-feed）Kn0.00667放大器（Gain）Kp10 （可調(diào)整）飽和限幅(Saturation)Upper limit10Lower limit-10圖6轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果三、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖 7所示，由于晶閘管整流器不 能通過反向電流，因此不能產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩而使電動機快速制動。圖7轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真可以依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖（圖8a）進行，也可以用SIMULINK的Power System模塊來組建。兩種仿真的不同在于主電路， 前者晶閘管和電動機用傳遞函數(shù)來

9、表示， 后者晶閘管和電動機使用Power System 模塊，而控制部分則是相同的。下面對這兩種方法分別進行介紹。8b所示，它與圖8a的不同之處1.基于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié)。這 是因為電流檢測信號中常含有交流分量， 為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加 低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)Toi可按需要選定，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時， 濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用， 為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上 加入一個同

10、等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希?從而帶來設(shè)計上 的方便。同樣，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓信號含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù)用 Ton表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時間常數(shù)為Ton的給定濾波環(huán)節(jié)。a)電流環(huán)b)圖8轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的仿真模型如圖 9所示，仿真模型與系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的 各個環(huán)節(jié)基本上是對應(yīng)的。需要指出的是，雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器 都是有飽和特性和帶輸出限幅的 PI調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和和限幅非線性 影響下調(diào)速

11、系統(tǒng)的工作情況，需要構(gòu)建考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，過程如下：線性PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為Wpi（s） =kp =kp1-s s式中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，時間常數(shù)E = kp/ki。上述PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用 SIMULINK中的傳遞函數(shù)或零極點 模塊，而考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器模型如圖10所示。模型中比例和積分 環(huán)節(jié)分為兩個通道，其中積分模塊Integrate的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而 調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊 Saturation設(shè)定。n-lMd圖9轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖10帶飽和和輸出限幅的 PI調(diào)節(jié)器仿真算例3以算例1的晶閘管-直流

12、電動機系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計一個轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速超調(diào)量On%W10%,電流超調(diào)量仃i%M10%,過載倍數(shù)兒=1.5,取電流反饋濾波時間常數(shù) 兀=0.002s,轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton =0.01s,取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V,輸出限幅值為10V。額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速給定電壓U：m=10V。通過仿真觀察系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流響應(yīng)，以及參數(shù)變化 仿真步驟：（主要是調(diào)節(jié)器參數(shù)）對系統(tǒng)響應(yīng)的影響1）構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型（圖9）。2）設(shè)置模塊參數(shù)（調(diào)節(jié)器參數(shù)計算和設(shè)定）機電時間常數(shù)：Tm= 0.161s電磁時間常數(shù)：Ti = 0.076s三相晶閘管整流電路平均失控時間：Ts =

13、 0.0017s 電流調(diào)節(jié)器ACR參數(shù)的計算*電流反饋系數(shù)：Ki =，m = 0.05(V/A) IN 1.5 136電流環(huán)時間常數(shù)之和 Ti -Ts Toi =0.0017 0.002 -0.0037(s)11 - s 一ACR 的傳遞函數(shù)為 WAcr (s) = Kpi + Kii = Kpi -,其中 sis時間常數(shù)Ti =T = 0.076s比例系數(shù)kpiiR0.076 0.5 2.572T、Ki2 0.0037 40 0.05積分系數(shù)kiikpi2.57” c匕=33.8i 0.076轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)的計算*轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：Kn*U nm10小 1500:0.00667(V min

14、/r)電流環(huán)等效時間常數(shù)2T-；-2 0.0037 = 0.0074(s)轉(zhuǎn)速環(huán)時間常數(shù)之和Tn =2Ty+T0n =2父0.0037 + 0.01 = 0.0174(s)。ASR的傳遞函數(shù)為11nsWasR (s) = kpn + kpi = kpn -，其中 sns時間常數(shù)n =hT工=5 0.0174= 0.087(s)比例系數(shù)KpnS-6 0.05 OF O1:. 10.992hKnRT訝2 5 0.00667 0.5 0.0174積分系數(shù)kinkpn10.99126.3n 0.087(選擇中頻段寬度h=5)模型各環(huán)節(jié)參數(shù)如圖9所示，其中調(diào)節(jié)器參數(shù)見表3,調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)限幅值為12V

15、,調(diào)節(jié)器輸出限幅值為10V。表3轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要模型參數(shù)模塊參數(shù)名參數(shù)三相電源(Three-Phase Source)同表1直流電動機（DC Machine ）同表1 （電樞回路總電阻 R = 0.5C ）平波電抗器（Inductance）電感Ld / H0.02機電時間常數(shù)Tm/s0.161電磁時間常數(shù)T /s0.076UCR失控時間Ts/s0.0017轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）kpn =10.99, kin =126.3電流調(diào)節(jié)器（ACR）kpi=2.57, kii =33.83）設(shè)置仿真參數(shù)：仿真算法odel5s,仿真時間2.0s,電動機空載起動，起動0.8s后突加額定負(fù)載（此=

16、In =136A ）。4）進行仿真并觀察、分析結(jié)果（圖11）:a)b)圖11基于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果2.基于Power System模塊的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真采用SIMULINK的Power System模塊組成的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 的仿真模型如圖12所示，模型由晶閘管-直流電動機組成的主電路和轉(zhuǎn)速、電流 調(diào)節(jié)器組成的控制電路兩部分構(gòu)成。其中的主電路部分，交流電源、品閘管整流器、觸發(fā)器、移相控制和電動機等環(huán)節(jié)使用Power System模型庫中的模塊?？刂齐娐返闹黧w是轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器，以及反饋濾波環(huán)節(jié)，這部分與前述基于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真相同。將這兩部分拼

17、接起來即組成晶閘管-電動機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。模型中轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋均直接取自電機測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端， 這樣減少了測速和電流檢測環(huán)節(jié)，但并不影響仿真的真實性。電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出端接移相特性模塊(Shifter)的輸入端，而ACR的輸出限幅值就決定了 控制角的 amin (30)和 amax (150)。n-F-wd口s5p-*d-*CD Dull*CD圖12基于Power System的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型應(yīng)該注意，圖12與圖9仿真模型的不同在于以晶閘管整流器和電動機模型 取代了動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的晶閘管整流器和電動機傳遞函數(shù)，由于動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中的晶閘管整流器和電動機傳動函數(shù)是線性的，其電流可以反向（ 如圖11b）,因此轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)過程要快一些，而實際的晶閘管整流器不能通