运动控制第二篇之闭环控制直流电机调速系统仿真

前言

本文主要参考文献为：

• 阮毅，杨影，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统

构建调速系统仿真平台的基本思想是得到系统各个环节的传递函数。使用的主要工具是MATLAB/Simulink平台。对于电力电子变换器主电路可以利用Simulink中Powesystem工具包实现。
控制系统的具体参数为：
型号为：z4-132-1，额定电压${\mathrm{U}}_{\mathrm{N}}=400\mathrm{V}$，额定电流为${\mathrm{I}}_{\mathrm{d}}\mathrm{N}=52.2\mathrm{A}$，额定转速为：$2610\mathrm{r}/\mathrm{m}$，允许过载倍数$\lambda =1.5$。反电动势系数${\mathrm{C}}_{\mathrm{e}}=0.1459\mathrm{V}\cdot \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}/\mathrm{r}$。PWM变换器开关频率为8kHz。放大系数为${\mathrm{K}}_{\mathrm{s}}=538/5=107.6$电枢回路的总电阻为：0.368 Ω。电枢电路电磁时间常数为：${\mathrm{T}}_{\mathrm{l}}=0.0144\mathrm{s}$。电力拖动系统时间常数${\mathrm{T}}_{\mathrm{m}}=0.18\mathrm{s}$。转速反馈系数为：$\alpha =0.00383\mathrm{V}\cdot \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}/\mathrm{r}={\mathrm{U}}_{\mathrm{N}}^{\ast }/{\mathrm{n}}_{\mathrm{N}}$。给定额定输入电压为${\mathrm{U}}_{\mathrm{N}}^{\ast }=10\mathrm{V}$。

系统总体实现

系统共分成五个部分：

• 转速给定
• 速度调节器
• PWM模块
• H桥驱动电路
• 电动机

其中直流电动机的建模可以参阅博客(运动控制第一篇之直流电动机建模)。
总体模型如下图所示

电压给定是在0时刻触发的阶跃信号，阶跃信号的幅值为10。具体参数如下图：

PI控制器

控制器和控制器中的积分器都有限幅，限幅值为5。控制器的参数还可以根据实际情况继续优化。图中显示的参数只是一个参考值。

PWM模块

Repeating Sequence是一个周期为8kHz的三角波，其变化范围为-5到+5。
Relay是继电器模块。即当其输入值小于等于0时，其输出为0。当其输入值大于0，其输出值为1。
Data Type Conversion 是一个类型转换模块，将继电器输出转换为boolean型。
这样就产生了一个PWM波。并将PWM信号转换成4路信号，用于控制H桥的4个开关。

H桥模块

上图，全桥电路的原理图如下所示：

电动机模块

实验结果