直流电机双闭环调速系统仿真分析

直流电机双闭环调速系统仿真分析姓名：学号：班级：指导老师：时间:直流电机双闭环调速系统仿真分析直流电动机的双闭环调速系统以他励直流电机为控制对象，并采用电枢电流和转速双闭环负反馈控制，其中内环为电流调节环，外环为转速调节环。电流环和转速环均采用PI调节器调节，系数分别为（Kp_n,Ki_n）与（Kp_i,Ki_i）。由于电机在运转过程中的电压和电流都有上限值，则对电流和电压的输出都有一个限幅环节。其中直流电机参数在讲义第30页，利用matlab/Simulink仿真平台建立直流电机双闭环调速系统仿真模型，并进行下述仿真研究和分析。图1.1直流电机双闭环调速系统仿真模型图1.2转速环调节器内部封装图图1.3电流环调节器内部封装图1.直流电机带负载30Nm，转速从500rpm阶跃至1000rpm，然后再从1000rpm阶跃至300rpm，仿真研究该过程下直流电机速度控制系统的静态和动态特性。由于给定输入使用的是step元件，因此需要一步一步的实现恒转矩下的两次阶跃过程。通过一系列仿真可以分析电流环PI调节器参数对系统运行性能的影响。保持Kp_n=100，Ki_n=5，Ki_i=3000不变，调节电流环比例系数Kp_i，通过比例系数从小到大的顺序开始调节，最终确定Kp_i=25。仿真结果第一次转速由500rpm阶跃至1000rpm如下：图2.1第二次转速由1000rpm阶跃至300rpm如下;图2.2由上述仿真结果得，恒转矩情况下调速，从500rpm到1000rpm，再到300rpm，整个过程中超调量极小，属于实验正常范围。第一次调速的调节时间比较小，约为0.3s等于上升时间。第二次调速的调节时间较大，约为2.5s。由于速度环和电流环的双重作用，在电机启动和转速发生变化时，电枢电流均能迅速到达饱和值100A左右，并产生最大的电磁转矩让电机以最快的转速增大或减小，在最短时间内让电机达到给定转速。但是由于电流环的积分系数较大的原因，电枢电流和转矩均有轻微的超调现象。2.直流电机转速固定在500rpm以及1000rpm，仿真研究负载从0Nm突加为30Nm以及从从30Nm突减为0Nm时的系统动态运行特性。当转速固定在500rpm时仿真结果如下：图3.1图3.2当转速固定在1000rpm时仿真结果如下：图3.3图3.4由仿真结果显示得，在转速保持恒定时，负载转矩由0阶跃至30Nm时，转速略有下降，在转速外环负反馈以及电流内环的作用下，电枢电流迅速增加，使得电磁转矩迅速增加到30Nm以平衡负载转矩的突然增加。负载转矩由30Nm阶跃至0的时候，转速略有下降并迅速阶跃上升至空载给定的转速，能很好的保持给定转速且运行稳定，转速纹波极小。因此，此电机调速系统在调节的稳定和准确性上很好的满足要求。3.针对1和2，分别研究速度环和电流环参数改变时对系统静态和动态运行性能的影响。在这一部分研究中，首先确定采用恒转矩还是恒转速，然后确定四个参数中的一个作为变量，其余三个作为定量进行分组实验，一共进行8组相关实验。首先研究的是速度环参数对系统静态和动态运行性能的影响。在转速环部分，当比例系数Kp_n增加时，电枢电流参考值达到平衡负载转矩电流值时间更短，但是比例系数kp_n过大会引起电枢电流参考值出现超调，甚至引起震荡，造成系统的不稳定，容易损坏器件，若比例系数kp_n太小，电机的转矩将在转速未达到要求时便衰减。对于电机转速而言，比例系数kp_n的增加让转速的稳态误差得以减小，同时达到给定转速的时间更短；当积分系数过大则电枢电流进入饱和的时间会过长，不仅会造成正转速稳态误差，而且超调比较严重，而积分系数过小则电枢电流进入饱和时间会过短，会造成转速负稳态误差。当转速出现较大偏差时，其输出限幅决定允许最大电流，以获得较快的动态响应。然后研究的是电流环参数对系统静态和动态运行性能的影响。在电流环部分，当比例系数Kp_i增加时，转速静态误差逐渐降低，电磁转矩静态误差和纹波系数也逐渐降低，响应速度基本相同。比例系数Kp_i逐渐增加的过程中，超调量逐渐减小，若比例系数过小冲击量将会很大，同时可能引起震荡，导致系统不稳定；当积分系数Ki_i增加时，电流环上的静态误差随着积分系数的增加而减小，电磁转矩和电枢电流的超调量和调节时间却随着积分系数Ki_i的增加而变大，所以若是积分系数Ki_i过大，超调就会很严重，容易造成设备损坏。电机起动时，保证获得最大电流，启动时间短，使系统具有较好的动态特性。4.直流电机转速设定为1000rpm，负载为30Nm，研究直流斩波器载波频率分别为500Hz和2000Hz时系统的稳态运行特性。利用斩波器仿真模块替换理想受控电压源，可建立斩波器驱动的直流电机双闭环控制系统仿真模型。其中电流环与速度环PI参数根据仿真分析确定为：Kp_i=25；Ki_i=3000；Kp_n=100；Ki_n=5。模型如图所示：图4.1斩波器驱动直流电机双闭环调速系统仿真模型图4.2斩波器仿真模块图4.3算法控制部分直流载波频率为500Hz时，稳态转速，电枢电流，电磁转矩的仿真结果：图4.4500Hz时稳态仿真分析结果直流载波频率为2000Hz时，稳态转速，电枢电流，电磁转矩的仿真结果：图4.52000Hz时稳态仿真分析结果由以上仿真结果得出，斩波器的引入对系统本身造成了一定的谐波影响。斩波器会引起斩波频率及其倍频的一系列谐波，并且斩波频率越低，谐波幅值越大。而这些谐波又会引起系统振动，噪声，以及损耗增加和效率降低。为抑制由斩波器引起的高次谐波对系统的影响，一方面应增大斩波频率降低谐波幅值，另外还可以设置滤波器，适当减小PI调节器的系数。