電氣工程方向?qū)I(yè)設(shè)計電壓負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真

1、西南科技大學(xué)專業(yè)方向設(shè)計報告課程名稱： 電氣工程方向?qū)I(yè)設(shè)計 設(shè)計名稱： 電壓負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 姓 名： 學(xué) 號: 班 級： 指導(dǎo)教師： 起止日期： 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制16方 向 設(shè) 計 任 務(wù) 書學(xué)生班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 設(shè)計名稱： 電壓負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 起止日期： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計要求：1、 原理圖設(shè)計2、 選擇元器件3、 運用matlab軟件畫出仿真圖4、 設(shè)置各元器件的參數(shù)5、 仿真出系統(tǒng)的波形圖方 向 設(shè) 計 學(xué) 生 日 志時間設(shè)計內(nèi)容11.1011.12審題，分析設(shè)計入手方向11.1311.15查看資料，復(fù)習(xí)運動控制相關(guān)知識11.1611.17畫出電壓

2、負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖11.1811.22學(xué)習(xí)matlab應(yīng)用技術(shù)，并分析如何實現(xiàn)仿真11.23查看電力電子技術(shù)相關(guān)知識，并開始初步布置仿真圖11.24完成仿真圖，初步設(shè)置參數(shù)11.2511.29調(diào)試各器件的參數(shù)，仿真出理想的波形11.3012.04撰寫設(shè)計報告12.05準備答辯電壓負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 一、 摘要電壓負反饋調(diào)速是比轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速更簡單和容易實現(xiàn)的一種調(diào)速方式。在電動機轉(zhuǎn)速不很低時，電樞電阻壓降比電樞端電壓要小得多，因而可以認為，直流電動機的反電動勢與端電壓近似相等，或者說，電機轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比。在這種情況下，就可以通過檢測電壓、反饋電壓來進行調(diào)速。電壓負反饋調(diào)速

3、系統(tǒng)實際上只是一個自動調(diào)壓系統(tǒng)，只有被反饋環(huán)所包圍的電力電子裝置內(nèi)阻引起的穩(wěn)態(tài)速降被減小了，而對反饋環(huán)外的電樞電阻速降無能為力。為了分析電壓負反饋在電機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，我特地對電壓負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真。二、 設(shè)計目的和意義1）了解電壓負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及其組成；2）掌握電壓負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法和調(diào)試技術(shù)；3）加深了解電壓負反饋在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用；4）了解matlab在電氣工程與自動化專業(yè)中的應(yīng)用；5）學(xué)會應(yīng)用matlab仿真技術(shù)解決一些問題；6）通過此設(shè)計培養(yǎng)實際動手能力和解決問題的能力。三、 設(shè)計原理1、晶閘管 a b c 圖1 晶閘管 a 晶閘管模型 b晶閘管

4、模型分解方法 c晶閘管工作原理 晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖1所示。如在器件上取一傾斜的截面，則晶閘管可以看成由兩個晶體管v1、v2構(gòu)成，如圖1b所示。如果外電路向門極注入電流ig，也就是注入驅(qū)動電流，則晶閘管導(dǎo)通。此時如果撤掉外電路注入門極的ig，晶閘管由于內(nèi)部已形成了強烈的正反饋會仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若要使晶閘管關(guān)斷，必須去掉陽極所加的電壓，或者給陽極施加反電壓，或者設(shè)法使流過晶閘管的電流降低至接近于零的某一數(shù)值以下，晶閘管才能關(guān)斷2、vm系統(tǒng) 圖2 晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖2為晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)（vm系統(tǒng)）原理圖。圖中vt是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置g

5、t的控制電壓uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變平均整流電壓ud，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。在vm系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免和減輕這種影響，需采用抑制電流脈動的措施。在這次仿真中，我采用的方法是設(shè)置平波電抗器。另外，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。 3、pi調(diào)節(jié)器。 圖3 pi調(diào)節(jié)器線路圖 pi調(diào)節(jié)即是指比例積分調(diào)節(jié)。圖3為pi調(diào)節(jié)器的線路圖。工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pid控制，又稱pid調(diào)節(jié)。pid控制，實際中也有pi和pd控制。pid控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積

6、分、微分計算出控制量進行控制的。 （1）比例（p）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 （2）積分（i）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（system with steady-state error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差

7、進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(pi)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 4、電壓負反饋直流調(diào)速。調(diào)速系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，必須采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓負反饋單環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種常用的形式。圖4為電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 圖4 電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 圖中做為反饋檢測元件的只是一個起分壓作用的電位器（或是其他電壓檢測裝置）。從電壓檢測裝置中引出的電壓負反饋信號uu=ud（為電壓反饋系數(shù)），uu與給定電壓un*比較后得到偏差電壓u，u經(jīng)過放大器，產(chǎn)生電力電子變換器upe所需的控制電壓uc，用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。圖中，upe

8、是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單項）交流電源，輸出為可控的直流電壓ud。根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按照被調(diào)亮的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。由于在電機轉(zhuǎn)速不很低時，可以看做電機轉(zhuǎn)速和端電壓成正比，所以可以通過直接調(diào)節(jié)電機端電壓來實現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。當電機端電壓變化時，系統(tǒng)會自動糾正此偏差，從而達到調(diào)速的目的。圖5為比例控制電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。利用結(jié)構(gòu)圖運算規(guī)則，可以分別求出只有給定輸入或者擾動輸入部分的輸入輸出關(guān)系，疊加起來，即得電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 n= kpk sun */ ce (1+k)rpe

9、id/ ce (1+k)raid/ce （1）式中 k=kpks （2）由穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性方程式可以看出，因為電壓負反饋系統(tǒng)實際上只是一個自動調(diào)壓系統(tǒng)，所以只有被包圍的電力電子裝置內(nèi)阻引起的穩(wěn)態(tài)速降被減小到1/（1+k），而電樞電阻速降raid/ce處于反饋環(huán)之外，其大小仍然和開環(huán)系統(tǒng)一樣。顯然，電壓負反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能比帶同樣放大器的轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)要差一些。在實際情況中，為了盡量減小靜態(tài)速降，電壓負反饋信號的引出線應(yīng)該盡量地靠近直流電動機的電樞兩端。 圖5 比例控制電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖需要指出的是，電力電子變換器的輸出電壓除了直流分量ud外，還含有交流分量。把交流分量引入運

10、算放大器，非但起不到調(diào)節(jié)作用，反而會產(chǎn)生干擾，嚴重時會造成放大器局部飽和，從而破壞了它的正常工作。為此，電壓反饋信號必須經(jīng)過濾波。四、 詳細設(shè)計步驟1、根據(jù)原理圖分析如何實現(xiàn)仿真。根據(jù)自動控制原理，一個電壓負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以簡單地以圖5表示。 圖6 閉環(huán)系統(tǒng)方框圖 圖6中，調(diào)節(jié)器如果采用p（比例）調(diào)節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除上述誤差，則應(yīng)該選用pi（比例積分）調(diào)節(jié)。對比圖4和圖5可見，電壓負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)由電壓比較環(huán)節(jié)、放大器、晶閘管整流器與觸發(fā)裝置、直流電動機和電壓檢測裝置等部分組成。在仿真中，給定和負載可以用constant模塊實現(xiàn)，比較環(huán)節(jié)可以用加法器sum實現(xiàn)，放大環(huán)節(jié)由

11、pi調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)裝置用脈沖觸發(fā)器模塊實現(xiàn)，晶閘管和電動機組成一個v-m系統(tǒng)。2、根據(jù)分析結(jié)果在matlab中畫出仿真圖。（1）、打開matlab軟件，運行simulink，彈出simulink library browser對話框；（2）、在simpowersystems庫的electrical子庫中選取3個ac voltage source作為三相交流電壓源，從elements子庫中選取3個ground分別與交流電壓源的負極相接；（3）、將power electronics子庫中的晶閘管整流器universal bridge拖到仿真頁面，將3個交流電壓源的正極分別接到晶閘管整流器

12、的a、b、c端；（4）、從elements子庫中選取一個series rlc branch作為平波電抗器，從machines中選取直流電動機dc machine，從electrical sources子庫中選取直流電源dc voltage source作為電動機的勵磁電源。將選取的器件連接好；（5）、從simullink庫的commonly used blocks子庫中選取示波器scope連接到電動機的輸出端，以便觀察輸出波形；（6）、從電動機輸入端引出反饋環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)用到器件gain、電壓表voltage measurement、加法器sum，這些器件都能在simpowersystems庫

13、和simulink庫的commonly used blocks子庫中找到；（7）、在以上兩個庫中找到并選取constant作為給定和負載、pi調(diào)節(jié)器discrete pi controller、限幅器saturation并連接；（8）、設(shè)置脈沖觸發(fā)器subsystem。其設(shè)置如下： 圖7 同步脈沖觸發(fā)器和封裝后的子系統(tǒng)模塊 （9）、將給定和比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)、限幅器與脈沖觸發(fā)器依次連接，并將脈沖觸發(fā)器連接到晶閘管整流器的g級。其中脈沖觸發(fā)器還要和三相交流電源相連接； （10）、從電動機的輸入端引出示波器，以便觀察端電壓。最后連接好的仿真圖如圖8： 圖8 電壓負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖3、 設(shè)定

14、參數(shù)。1） 、直流電動機參數(shù)設(shè)置如下圖所示。選用30hp 240v 1750rpm field:300v的電機進行模擬實驗，起始轉(zhuǎn)速設(shè)置為0。 圖9 直流電動機參數(shù)設(shè)置 2）、pi調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。 圖10 pi調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置 3）、平波電抗器參數(shù)設(shè)置。選用rl模塊，具體參數(shù)為r=0.03，l=0.15h。 圖11 平波電抗器參數(shù)設(shè)置 4）、三相電壓源設(shè)置。三相電壓源的相位互相相差120，其中a相的設(shè)置如下圖。 圖12 a相電壓源設(shè)置界面5）、晶閘管參數(shù)設(shè)置。 圖13 晶閘管參數(shù)設(shè)置界面4、 調(diào)試和記錄結(jié)果。設(shè)置好參數(shù)后，檢查是否有所疏漏。然后點擊裝載圖標，若沒有提示錯誤，則證明仿真圖可行，點擊

15、示波器查看波形。若波形圖不理想，則調(diào)節(jié)pi調(diào)節(jié)器參數(shù)和平波電抗器的參數(shù)，直到得到理想波形為止。若在裝載時有提示錯誤，點擊open，打開錯誤，則在仿真圖中的有錯誤模塊會有提示，改正錯誤后重新裝載，直到無錯誤提示為止。分析并記錄結(jié)果，比較各種參數(shù)下的波形圖，分析原因。五、 設(shè)計結(jié)果及分析當給定電壓為50v，負載為100k時，電動機的轉(zhuǎn)速wm、電動機電流ia、勵磁電流if、轉(zhuǎn)矩te的波形如圖14所示。由圖可以看出，當負載過大時，在仿真圖里的轉(zhuǎn)速一開始是負的，即電機是先反轉(zhuǎn)再正轉(zhuǎn)，這在實際生產(chǎn)中是不允許的，減輕負載可以避免這個情況。如圖15為給定電壓為50v，負載為30k時的波形圖，從中可以看出，當負

16、載減輕時，電機轉(zhuǎn)速從0開始逐漸上升，當上升到最大值時，又開始下降，達到平衡后穩(wěn)速運行。電機負載過大時為什么會反轉(zhuǎn)啟動呢？我分析認為，在電機沒有啟動的時候，我們可以把電機看成已經(jīng)處于一個平衡狀態(tài)，電機啟動的瞬間，由于負載過大，而電機的轉(zhuǎn)矩和電流都還很低，電機在慣性作用下被負載帶動反轉(zhuǎn)，當一段時間后，電機轉(zhuǎn)矩和電流都增大到一定程度，可以拉動負載，從而使電機正轉(zhuǎn)，最后達到平衡狀態(tài)，電機穩(wěn)速運行。 圖14 負載過大時的波形圖 圖15 負載減輕后的波形圖圖16為電機輸出在示波器中分屏顯示和同屏顯示的波形圖。在4s時人為地改變負載，將負載從原來的30k歐姆改為60k歐姆，我們可以從圖15中看出，在負載改變

17、時，電機的轉(zhuǎn)速n、電樞電流ia、轉(zhuǎn)矩te均發(fā)生了改變。負載變大時，轉(zhuǎn)速下降，電機電流和轉(zhuǎn)矩都上升，勵磁電流不受負載的影響。但相對于開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來說，閉環(huán)調(diào)速的轉(zhuǎn)速變化并不是很大。這就是閉環(huán)調(diào)速相對于開環(huán)調(diào)速的優(yōu)勢。圖16 4s時改變電機負載后的n、if、ia、te波形圖另外，從電機輸入端引出的電壓反饋信號波形如下圖。 圖17 反饋電壓信號波形 圖18和圖19分別是系統(tǒng)穩(wěn)定后的波形圖和系統(tǒng)整個仿真過程波形圖。 圖18 系統(tǒng)穩(wěn)定后的波形圖 圖19 系統(tǒng)整個仿真過程波形圖從圖中可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)速是一個恒定值，電機電流和轉(zhuǎn)矩在一定范圍內(nèi)震蕩。六、 總結(jié) 電壓負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相對于轉(zhuǎn)速負反饋

18、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來說，其穩(wěn)態(tài)性能要差一些。但是，要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測裝置，例如測速發(fā)動機，以及電磁脈沖測速器等等，其安裝和維護都比較麻煩，常常是系統(tǒng)裝置中可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。因此，對于調(diào)速指標要求不高的系統(tǒng)來說，電壓負反饋是一個不錯的選擇?？傊趯嶋H生產(chǎn)中，電壓負反饋比之轉(zhuǎn)速負反饋更容易實現(xiàn)，對經(jīng)濟條件的要求不高，更適用于低精度要求的生產(chǎn)系統(tǒng)中。七、 體會 從本次設(shè)計中，我學(xué)到了simulink仿真的一些方法，更加深入的了解了matlab這款非常優(yōu)秀的數(shù)學(xué)軟件。仿真過程可以說是很令人煩惱的。無數(shù)的參數(shù)需要設(shè)置，各種元件的搭建，都是對我平時所學(xué)知識的檢驗。由于以前并沒有使用過simulink仿真，所以在實驗的時候也出現(xiàn)了很多問題，主要體現(xiàn)在元件不熟悉，參數(shù)設(shè)置等方面。雖然這次的實驗基本完成，但其中也存在著許多不