直流调速系统仿真姓名：朱龙胜班级：电气1102 学号：11291065 日期： 2014年6月15日指导老师：郭希铮北京交通大学直流调速系统仿真——计算机仿真技术大作业一、系统建模永磁直流电机参数如下：电枢电阻0.6Ω，电枢电感5mH，电动势系数0.2V/rpm，转动惯量0.003kg•m2。

仿真中其余电机参数设置为0。

电机负载情况如下：0~1.5s 电机空载，负载转矩为01.5s~3s 电机负载，负载转矩为10N∙m将直流电机类型设置为永磁直流电动机Figure 1将直流电机类型设置为永磁直流电动机Figure 2电枢电阻0.6Ω，电枢电感5mH，电动势系数0.2V/rpm，转动惯量0.003kg•m2。

仿真中其余电机参数设置为0Figure 3 设置电机在1.5s 带负载，负载转矩为10N ∙m二、 电机开环特性(一) 、模型建立电机电枢联接300V 直流电源。

画出转速n 的波形，根据仿真结果求出空载和负载时的转速n 以及静差率s 。

静差率s =n nnnnnn −n nnnnnnn nnnnnn×100%建立仿真模型如下图A-dcTLDC MachineStep SpeedContinuowerguispeedTo WorkspacTo Workspace(二) 、仿真结果Figure 5 (a)开环仿真转速n 波形图;(b)开环仿真静差率s 波形图(三) 、计算分析：空载时转速n n =1500rpm ，静差率为0，负载时转速n 2=1350rpm 负载载时静差率：s 2=n n −n 2n n×100%=10%三、 转速闭环控制(一) 、模型建立为了改善电机调速性能，对该直流电机加入转速闭环控制。

将电机电枢连接至受控电压源。

转速控制器使用比例-积分控制器，转速指令为1000rpm 。

调节控制器的比例和积分环节参数以实现较好的动、静态性能。

画出转速n 的波形，测量超调量、动态响应时间。

由R n =0.6Ω, L n =0.005H,J =0.003kg ∙m 2,C e =0.2V/rpm ,得电枢电阻R a =0.6Ω，电枢电路时间常数T l =0.00833，电机机械时间常数T m =0.045，电势系数Ce =0.2。

可以建立如下模型time/s S p e e d /r p mSpeedtime/sS l i pSlip(a)(b)当I d=0时，系统闭环传递函数为nnn=PT m T n�s+I P��s+1T n�m n2m一个零点和两个极点分别为Z1=−120.0480，P1=−90.6042，P2=−29.4438采用零极点对消法，使s=−I P对消P1=−90.6042，得PI调节器的参数为P=11.0153,I=20.3852加入PI调节器之后仿真模型如下图所示，左图是系统模型图，右图是PI调节器子系统模型图(a) (b)Figure 6 (a)转速闭环控制模型图;(b)PI调节器子系统图利用系统的PID模块，利用PID Tuner 工具进行参数整定选择PI调节器参数：K P=11.0153,K I=20.3852Figure 7 设置PI调节器K P和K IPID环节的阶跃响应曲线测出上升时间为0.00621s.调节时间0.0203s，超调量9.08% (二)、仿真结果Figure 8 闭环控制转速n 波形图转速超调量为零,动态响应时间t r =0.2s 画出电机电枢电流波形。

Figure 9 闭环控制电机电枢电流波形time/sS p e e d /r p mSpeed00.511.522.53time/sI a /AArmature Current(三)、计算分析由电枢电流波形可知，电机起动时电枢电流冲击很大四、改善电机起动特性(一)、模型建立电机起动时有很大的冲击电流。

通过将转速指令值用斜坡函数给定的方法，限制电机的起动电流。

画出转速n和电枢电流的波形。

系统模型图，斜坡函数设置如下Figure 10 采用斜坡函数的系统模型图Figure 11 斜坡函数参数设置(二) 、仿真结果转速n 和电枢电流I a 波形如下图Figure 12 (a)加入斜坡函数后n 波形图;(b)加入斜坡函数后电枢电流I a 波形图(三) 、计算分析从电枢电流I a 波形可以看出，加入斜坡函数后，电枢电流的冲击减小为原来的8%五、 采用H 桥直流可逆PWM 变换电路(一) 、理论分析实际工程应用中，并不存在理想的受控电压源。

用H 桥直流可逆PWM 变换电路代替受控电压源。

其中H 桥直流可逆PWM 变换电路采用Universal Bridge 作为开关器件，开关频率10kHz ，输入电压500V ，通过改变IGBT 导通占空比而改变输出电压（即PWM 方式工作）。

1） 研究H 桥直流可逆PWM 变换电路脉宽调制方式，给出具体脉宽调制方案，通过仿真验证给定调制比与输出电压是否相符。

四象限DC-DC 全桥变换器有两个桥臂构成，每个桥臂由两个开关管和与其反并联的二极管构成，每一桥臂上在同一时刻只有一个开关管处于导通状态，另个开关管处于关断状态，同一桥臂上的两个开关管不能同时处于关断状态。

四象限DC-DC 全桥变换器PWM 脉宽调制方式有两种方式：(1)双极性电压比较方式，(2)单极性电压比较方式 (1) 双极性电压比较方式：开关信号由频率为开关频率的三角波v tri 和控制电压v control 比较产生 当v cnncrnn >v crt 时，T A+和T B−导通，当v cnncrnn <v crt 时，T B+和T A−导通，Time/s S p e e d /r p mSpeedTime/sI a /AArmature CurrentT A+和T B−的占空比为D 1，T B+和T A−的占空比为D 2D 1=t nn s =1�1+v cnncrnn crt�,其中t nn 为T A+和T B−导通的时间，T s 为开关周期， D 2=1−D 1输出电压：V n =V AA −V BA =(2D 1−1)V n =V nv crt v cnncrnn(2) 单极性电压比较方式开关信号由频率为开关频率的三角波v tri 和控制电压+v control 和-v control 比较产生当v cnncrnn >v crt 时，T A+导通，当−v cnncrnn >v crt 时，T B+导通，T A+和T B−的占空比为D 1，T B+和T A−的占空比为D 2D 1=t nn T s =12�1+v cnncrnn v crt�,其中t nn 为T A+和T B−导通的时间，T s 为开关周期， D 2=1−D 1输出电压：V n =V AA −V BA =(2D 1−1)V n =V ncrt v cnncrnn根据定义调制比为n nv ccncccc cctFigure 13 (a) H 桥直流可逆PWM 变换电路;(b)采用Universal Bridge 模块搭建的H 桥直流可逆PWM 变换电路(二) 、模型建立下面仿真验证双极性电压比较方式dV 四象限直流-直流变换电路B D +B D −iFigure 14采用H桥直流可逆PWM变换电路系统仿真模型图三角载波参数设置如下Figure 15 三角载波参数设置信号比较器参数设置如下Figure 16 信号比较器参数设置IGBT/Diode参数设置如下Figure 17 IGBT/Diode参数设置H桥直流可逆PWM变换电路Figure 18 H桥直流可逆PWM变换电路IGBT触发脉冲产生电路Figure 19(a) IGBT触发脉冲产生电路Figure 19(b)使用Universal Bridge搭建的H桥PWM直流变换电路2）采用H桥直流可逆PWM变换电路做系统闭环仿真，画出转速n和电枢电流的波形，并与使用理想受控电源的情况进行比较仿真结果是否相同，如有不同，分析下原因。

(三)、仿真结果下图是触发脉冲和输出直流电压波形Figure 20 触发脉冲和输出直流电压波形下图是直流输出电压的有效值此时调制比为n n =v cnncrnnv crt=0.4，输出电压：V n =V AA −V BA=(2D 1−1)V n=V n v crt v cnncrnn=200V 仿真结果与理论计算相符合 下图是转速和电枢电流波形Time/sP u l s eT2/T3 Control signalTime/s P u l s eT1/T4 Control signalTime/sV d/VOutput VoltageFigure 21 转速和电枢电流波形(四)、计算分析与理想受控电压源相比，输出电枢电流的脉动更大，这是由于利用H 桥直流可逆PWM 变换电路获得直流电压由于开关管不是理想开关，导致输出直流电压存在纹波，所以电枢电流波形会出现明显的脉动 (五)、解决方案下面提出一种稳定电机转速的闭环反馈控制方案，思路是将电机转速取出来，经过一个增益环节，增益数值为电势系数Ce =0.2，即将转速变为电机反电势E (s ), 然后再与参考电压200V 进行比较，产生误差信号送入PI 调节器，选择合适的PI 参数，使PI 调节器输出范围在0~1V ，PI 输出与三角载波进行比较，产生H 桥PWM 直流变换电路所需的控制信号，下图是仿真模型Time/s S p e e d /r p mSpeedTime/sI a /AArmature CurrentFigure 22 加入闭环反馈环节的仿真模型下图是仿真转速和电枢电流的波形Figure 23 转速和电枢电流波形由上图可知，加入转速的反馈环节之后，电机起动时电枢电流的冲击明显减小了，但是电枢电流的脉动却更加明显了。

下图是仿真触发脉冲和输出直流电压的波形Time/s S p e e d /r p mSpeedTime/sI a /AArmature CurrentFigure 24 触发脉冲和输出直流电压波形六、存在的问题本次仿真我在做PI 调节器的参数设置时，我遇到的问题是不知道如何根据电机的参数来确定合适的K P 和K I ，后来经过咨询老师之后，我重新从自控原理的角度对永磁直流直流进行系统建模，计算出相应参数，然后再利用PID Tuner 计算出PI 参数。

在做H 桥直流可逆PWM 变换电路的搭建时，自己搭建了一个H 桥直流可逆PWM 变换电路，给该电路触发脉冲，结果输出就是有效值可调的直流电压，输出直流电压的有效值和输入直流电压满足如下关系式输出电压：V n =V AA −V BA =(2D 1−1)V n =V ncrt v cnncrnn这与电力电子课本上的公式完全符合。