原理电路
运动控制仿真实验报告
——晶闸管三相全控桥式整流仿真实验
——实用 Buck 变换仿真实验
晶闸管三相全控桥式整流仿真实验
（大电感负载）
运动控制仿真实验报告
指令同步脉冲发生器ug1...ug6idVT1VT3VT3电压相位相序检测iaabudVT6VT2Luaub~~220Vc~ucVT4R1R2晶闸管三相可控整流仿真实验2原理电路框图
输入三相交流电，额定电压 380 伏（相电压 220 伏） ，额定频率 50Hz，星型联接。输入变压器可省略。
为便于理解电路原理，要求用 6 只晶闸管搭建全控桥。
实验内容
1、 根据原理框图构建 Matlab 仿真模型。所需元件参考下表： 仿真元件库：Simulink Library Browser 示波器 Simulink/sink/Scope
要观察到整个仿真时间段的结果波形必须取消对输出数据的 5000 点限制。 要观察波形的 FFT 结果时，使能保存数据到工作站。仿真结束后即可点击仿真模型左上方
powergui 打开 FFT 窗口，设定相关参数：开始时间、分析波形的周期数、基波频率、最大频率等后，点 Display 即可看到结果。
交流电源 SimPowerSystems/Electrical Sources/AC Voltage Source 设定频率、幅值、相角 ，相位依次滞后 120 度。 晶闸管 SimPowerSystems/Power Electronics/Thyristor
6 脉冲触发器 SimPowerSystems/Extra Library/Control Blocks/Synchronized 6-Pulse Generator
设定为 50Hz，双脉冲
利用电压检测构造线电压输入。Block 端输入常数 0. 输出通过信号分离器分为 6 路信号加到晶闸管门极， 分离器输出脉冲自动会按顺序从 1 到 6
排列，注意按号分配给主电路对应晶闸管。
电阻、电容、电感 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch 设定参数
负载切换开关 SimPowerSystems/Elements/Breaker 设定动作时间
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信号合成、分离 Simulink/Signal Routing/Demux,Mux
电流傅立叶分解 SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements/Discrete Fourier
设定输出为 50Hz，基波
有效值 SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements/Discrete RMS value 设定为 50Hz
位移功率因数计算 Simulink/User-Difined Functions/Fcn 将度转换为弧度后计算余弦 常数 Simulink/Sources/Constant 增益 Simulink/Math Operations/Gain 乘除运算 Simulink/Math/Divide 显示 Simulink/sinks/Display
电压检测 SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement 电流检测 SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement
2、 带阻感负载， 电感 0.1H, 设定触发角为 30 度： 起动时基本负载 20 欧， 0.3 秒后并联一个 2 欧姆电阻。
仿真设定：Configuration Parameters/Solver options Type Variable-step Solver Ode23s
Max step size 1e-6 Relative tolerance 1e-5，其它不变 仿真时间 0.6 秒。 仿真电路图为：
分析下列波形：
1） 输入相电压、相电流；
a相的电流ia和电压ua波形如下：
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b、c相电流电压波形依次滞后1200
2） 输出电流（滤波前、后；突加负载前后） 、输出电压； 输出电流id波形：
输出电压ud波形
3） 1 号晶闸管电压、电流；
4） 输入电流的有效值、输入电流基波幅值、相角和输入功率因数。可以利用仿真库中相应检测元件自动检测、计算。
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5） 输出电压平均值在轻载和重载下的稳态值。 输出电压轻载重载下的平均值为443V
6） 将功率因数、输出电压平均值与教材公式计算的理论值比较。 理论值：Ud=2.3U2COSα=445.8V 由于电感不可能无穷大，电感上存在压降，所以实际输出电压小于理论电压
3、 改变触发角大于 60 度，重复以上实验，分析实验结果。 将触发角改为75°时， 输出电压波形
输出电压平均值变小。由于电感的作用，出现了负的部分
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输出电流id波形
触发角变化造成电流不连续，开始出现断流 1 号晶闸管电压、电流；
输入电流的有效值、输入电流基波幅值、相角和输入功率因数由系统检测元件检测如下：
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输出电压轻载重载下的平均值为131.3 理论值Ud=2.34U2COSα=133.24 原因与上述实验相同 4、 将电感减小到 1mH,重复上述实验，分析与大电感时的异同。（触发角30°） 输出电压ud波形
输出电流加载前后变化：
由于电感太小，无法使负载电流连续。
1 号晶闸管电压、电流；
输入电流的有效值、输入电流基波幅值、相角和输入功率因数由系统检测元件检测如下：
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输出电压平均值为443V
理论计算值Ud=2.34U2COSα=445.8 原因与上面实验一致。
实验总结： 本实验仿真了晶闸管三相全控桥式整流电路在大电感负载下的相关信号波形，通过改变触发角，负载电阻大小以及电感大小，对电路的影响也都不相同，通过仿真波形可以看出，实验结果与理论结果一致。
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DCDC变换仿真实验
－实用 Buck 变换仿真实验
原理电路
实验内容：
1、 依照原理电路搭建仿真模型。VT 采用场效应管。选择开关频率为 50Hz，输入直流电压 200V，电感 0.2mH,电容 100uF,负载基本电阻 20 欧姆，加载并联电阻 2 欧姆。 根据原理框图构建 Matlab 仿真模型。所需元件参考下表： 仿真元件库：Simulink Library Browser 示波器 Simulink/sink/Scope
要观察到整个仿真时间段的结果波形必须取消对输出数据的 5000 点限制。 要观察波形的 FFT 结果时，使能保存数据到工作站。仿真结束后即可点击仿真 模型左上方 powergui 打开 FFT 窗口，设定相关参数：开始时间、分析波形的周期数、基波
频率、最大频率等后，点 Display 即可看到结果。
直流电源 SimPowerSystems/Electrical Sources/DC Voltage Source 设定电压。
场效应管 SimPowerSystems/Power Electronics/Mosfet 取消检测输出口
调制波（三角波）发生器 Simulink/Sources/Repeating Sequence 设定为 50kHz， Time values=[0 5e-6 10e-6 15e-6 20e-6] , Output values=[0 1 0 -1 0] 常数 Simulink/Sources/Constant
设定范围可在（－1，1）区间变化，初始设定值＝－0.5 ，对应占空比 0.25 加法器 Simulink/Math/add 设定为-+。
过零比较器 Simulink/Logic and Bit operations/Compare To Zero 电阻、电容、电感 SimPowerSystems/Elements/Series RLC Branch 设定参数
负载切换开关 SimPowerSystems/Elements/Breaker 设定动作时间
增益 Simulink/Math Operations/Gain
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显示 Simulink/sinks/Display
电压检测 SimPowerSystems/Measurements/Voltage Measurement 电流检测 SimPowerSystems/Measurements/Current Measurement
平均值 SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Measurements/Mean value
仿真设定：Configuration Parameters/Solver options Type Variable-step Solver Ode23s
Max step size 1e-6 Relative tolerance 1e-5，其它不变 仿真时间 0.1 秒。加载时间 0.07 秒。 仿真电路图如下图：
2、 实验结果分析: 场效应管的稳态工作电流、二极管电流、电感电流、电感电压、输出电流、输出电压；
七个波形依次为：三角波与直流电压经过比较器后产生的PWM信号，输出电压Uo，场效应管的稳态工作电流，输出电流Io，二极管电流，电感电压UL，电感电流iL
完整波形：
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加载前波形：
加载后波形：
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加载时间附近的波形：
各个波形：
场效应管的稳态工作电流iFET波形：
第一个为幅值为1V，占空比为0.25的PWM波。
第二个为MOSFET的稳态工作电流波形，当MOSFET导通时，直流电源对电感L和电容C进行充电，所以MOSFET工作时的稳态工作电流是一个倾斜向上的波形，而关断后电流为0
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二极管电流波形：
当MOSFET导通时，流过二极管的电流为0，而当二极管关断后，电感L和电容C放电，通过二极管续流，故关断时刻波形为斜率为-U0/L的倾斜向下的直线
电感电流、电感电压波形：
输出电流、输出电压：
3、 分析加载前后输出电压电流的变化。对输出电压的平均值与理论计算值的误差进行讨论。
加载前后电压变化：
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加载前后电流变化：
加载前后，输出电压的大小基本不变，输出电压平均值为U0=48.71V，输出电流从2.5A增大到26.6A，增大了10.6倍。
由U0=αE=0.25*200V=50V。实际输出出电压大于理论输出电压。
原因：电感L并不可能无穷大，所以在电感L上存在压降，因此输出电压U0的实际值只有48.71V
4、 增加检测观察场效应管和二极管在开关过程中的工作电压； 增加后电路原理图为：
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场效应管和二极管在开关过程中的工作电压波形为：
由上面波形可以得知，导通时，场效应管的工作电压为0V，而二极管的工作电压为200V；而断开后，电感L和电容C通过二极管续流，此时二极管的工作电压就为0V，而场效应管的工作电压为200V。
5、 改变占空比到 50%（对应常数 0）重复上述实验，分析实验结果；
如图为占空比变为50%的加载前的各信号波形。由图得出，输出电压和输出电流都相应的变为了原来的2倍，电感电压UL关于U = 0V对称。符合理论分析的结果。 其他结果和占空比为25%时一致。
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增加检测观察场效应管和二极管在开关过程中的工作电压：
场效应管和二极管在开关过程中的工作电压波形除了占空比的变化以外，其他均与上述占空比25%时一致。
6、 设计电压闭环，采用 pi 调节器通过闭环自动控制使输出电压平均值在负载变化前后自
动保持为 50 伏电压输出。
提示：去掉常数指令，改为调节器输出与三角波比较。电压反馈采用瞬时检测输出值。
PI 调节器采用 SimPowerSystems/Extra Library/Discrete Control Blocks/ Discrete PI controller
调节器 pi 参数实验整定。输出限幅为[－0.95 +0.95] 通过仿真验证闭环控制效果。 电路原理图为：
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先调节P到P=0.08时，输出电压为U0=50.1V，调节Ki=5.5时，加载前后的输出电压基本保持50V不变，如下图
结论：
Kp的影响： 当Kp加大时，系统动作灵敏，速度加快，在系统稳定的前提下，系统的稳态误差将减小，却不能完全消除系统的稳态误差。Kp偏大时，系统的震荡次数增多，调节时间增长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。
Ki的影响： 积分作用能够消除稳态误差，提高控制精度，但会使系统的稳定性下降，Ki太大时系统将不稳定，Ki偏大时系统的震荡次数较多。
实验总结
本仿真实验仿真了buck电路在三角波与直流电压经过比较器后产生的PWM信号下的的输出电压Uo，场效应管的稳态工作电流，输出电流Io，二极管电流，电感电压UL，电感电流iL 的波形，以及这些信号与负载大小的关系，与理论算式结果进行比较，符合理论运算值。同时也设计了PI控制器，通过闭环反馈，减小在加载过程的稳态误差，其中Kp与Ki对电路的不同影响是调整的关键。
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