直流电机调速系统特性的仿真研究.doc

1、 I 毕 业 设 计（论 文） 设计（论文）题目： 直流电机调速系统特性的仿真研究 学 院 名 称： 电子与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 09-2 姓 名： 学 号 09401170207 指 导 教 师： 职 称 高级工程师 定稿日期： 2013 年 5 月 15 日 I 直流电机调速系统特性的仿真研究 摘 要 本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机双闭环调速系统的组成及静、动态特性， 并且根据直流电动机的基本方程建立了调速系统的数学模型，给出了动态结构框图，用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。最后，用 MATLAB 仿真软件搭建了仿真模

2、型，对调速系统进行了仿真研究。 通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真，可以清楚地看到，直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态性能，可以在给定调速范围内，实现无静差平滑调速，这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。 关 键词： 直流调速 ， 双闭环系统 ， MATLAB 仿真 II THE CHARACTERISTICS SIMULATION STUDY OF THE DC MOTOR SPEED CONTROL SYSTEM ABSTRACT This paper describes the basic principle of DC motor and speed co

3、ntrol principle ， introduced the dual-loop speed control system components and the static and dynamic characteristics， and according to the basic equation of DC motor speed control system construction established a mathematical model diagram shows the dynamic structure， designed by engineering desig

4、n of DC Speed Regulation system. Finally，the simulation software MATLAB simulation model built on the speed control system was simulated. By DC Motor Speed Regulation of the dynamic characteristics and simulation， we can see clearly, double-loop DC motor speed control system has good dynamic perform

5、ance， you can within a given speed， a smooth static error-free speed， which for the DC motor speed control system hardware to provide a theoretical basis for experimental. Key Words:speed control of DC-drivers， double-closed-loop， matlab simulation III 目录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目录 . III 第 1章 绪论 . 1 1

6、.1 课题背景 . 1 1.2 课题研究的目的和意义 . 2 1.3 论文的主要内容 . 3 第 2章 直流电动机调速系统 . 4 2.1 直流电动机简介 . 4 2.1.1 直流电动机的工作原理 . 4 2.1.2 直流电动机的运行特性 . 5 2.1.3 直流电动机的调速 . 6 2.2 转速控制的要求和调速指标 . 6 2.3 双闭环直流调速系统 . 8 2.3.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 . 8 2.3.2 直流双闭环调速系统的数学模型和动态性能 . 11 2.3.3 双闭环调速系统的设计 . 13 第 3章 直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究 . 19 3.1 MATL

7、AB 简介 . 19 3.2 双闭环调速系统的仿真 . 20 3.3 仿真结果分析 . 25 第 4章 结 论 . 27 参 考 文 献 . 28 致谢 . 29 宁波工程学院本科毕业设计论文 1 第 1章 绪论 1.1 课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统 中发展较早的技术。在 20 世纪60 年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究 与 应用的繁荣。晶闸管 -直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动

8、机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其 共性。 近年来随着计算机 技术 的 快 速发展， 利 用计算机 系统 对控制系统进行数学仿真已被人们采纳。 但是长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即 要 在模型建立以后设计一种算法。以使模型 能被 计算机接受，然后再 编译 成 为 计算机程序， 并且能在 计算机上运行。因此产生各种仿真算法 与 仿真软件。 因为 对模型建立 与 仿真实验研究 比 较少，因此建 立 模 型往往 需要很

9、长时间，而且 仿真结果的分析也 要 依赖 相 关专家，而 且 对决策者 也 缺乏直接的指导，这就阻碍了 数学 仿真的推广 和 应用。 MATLAB提供 了 系统仿真工具 箱 Simulink，是 各种 仿真软件中最优秀的一种。它 能 有效的解决以上仿真 过程 中的问题。对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程 也 是交互的，因此可以随意的改变仿真 系统的 参数， 而且 可以立即得到修改 参数 后的结果。 Simulink 能 超越理想线性模型 而研究 更为 实用 的非线性的模型，如 实际生活中的摩擦等 各种 自然现象；它 能 仿真和建模的对象的类型 十分 广泛。 Simulink会使你的计算

10、机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是宁波工程学院本科毕业设计论文 2 相反的系统进行建模与仿真 1。 随着生产技术发展，对电气传动在启制动、正反转及调速 精度 、调速范围、静态特 性、动态 响 应等提出了更高 的 要求，这要使用大量调速系统。 因为 直流 电机 转矩控制性能 与 调速 性能 好，从 20 世纪 30 年代起，就开始 应用 直流 电机 调速系统。由最早 使用 旋转变流机组 来 控制发展 成 为磁放大器 来 控制；再进一步， 采用 静止晶闸管变流装置 与 模拟 控制器 来控制 直流调速；再后来， 采 用可控整流 与大功率晶体管组成的 PWM 控制电路 来 实

11、现数字化 控制 直流调速， 从而让 系统快速性、可控性不断提高。不断提高的调速性能， 让 直流调速系统的应用 更加 广泛 2。 1.2 课题研究的目的和意义 直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要 高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟， 并 且从反馈闭环控制的 方面 来看，它 还 是交流拖动控制系统的基础 ，所以首先应该掌握好直流系统。从控制的物理量 方面 来看，电力拖动自动控制系统有张力控制系统，位置随动系统，调速系统，多电动机同步控制系统多种类型，而 这些 系统 大部分 都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本

12、的拖动控制系统。直流调速 系统 的励磁和电枢不是耦合的，是分开的， 从而能 对电枢电流和励磁电流 进行 精确控制 ； 但是 交流调速，励磁电流和电枢电流是耦合的，不能进行 精确控制。 因此在轧机、造纸等对力矩要求很高行业，直流调速还是具有广泛性直流调速器具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道采用 PI调节器 与 转速负反馈的单闭环调速系统 能 在保证系统稳定的 前提 下实现无静差 调速 。由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了 保证 在条件允许下最快启动， 就 要得 到让 电流为最大值 的 恒流过程，电流负反馈 可以获得 近似恒流过程。 我们希望的理想状态 在启动 时 只有电流负反馈，不

13、让它 与 转速负反馈 一起作用 到一个调节器的输入端， 当转速稳定后 ，又只 想 要转速负反馈，不 再需要 电流负反馈， 所以双闭环调速系统 符合要求 。直流调速系统在 理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础 ， 因此，直流调速系统的应用研究有实际意义 。 宁波工程学院本科毕业设计论文 3 1.3 论文的主要内容 本课题以直流电动机为对象，用工程设计方法设计直流电动机转速、电流双闭环调速系统，基于直流电动机的基本方程给出动态结构图，建立双闭环调速系统的数学模型，并应用 MATLAB 进行仿真，对仿真结果分析、研究，验证控制方案的合理性。 主要完成如下工作： (

14、1) 数学模型的建立 认真学习相关资料，根据直流电动机基本方程，建立双闭环调速系统的数学模型并给出动态结构框图。 (2) 系统方案设计 通过国内外中英文资料介绍，了解直流电动机双闭环调速系统的最佳工程设计方法，并进行调速系统的设计。 (3) 仿真的进行和结果的分析与探究 深入学习和掌握 MATLAB 下的 Simulink 和 Power System 系统模型的搭建方法，进行模型搭建和仿真，对结果进行分析与探究。 宁波工程学院本科毕业设计论文 4 第 2章 直流电动机调速系统 2.1 直流电动机简介 2.1.1 直流电动机的工作原理 直流电动机的结果模型如图 2-1 所示。位于磁场中的导体，

15、有效受力线段为ab及 cd两线段。当导体线圈 abcd在图示位置时，根据图中磁场方向和导体中的电流方向，按电磁力定律，用左 手定则判断，导体 ab 段所受的电磁力向左， cd段所受电磁力向右，它们的合力使线圈受到逆时针方向的转矩。这种由电磁力产生转矩称为电磁转矩。在电磁转矩作用下，整个导体线圈将逆时针转动。当导体ab 由 N 磁极下面转到 S 磁极下、导体 cd 由 S 磁极下转到 N 磁极下时，导体中的电流方向不变，但穿过导体的磁力线方向发生变化，导体受力方向改变，整个线圈导体所受到的电磁转矩方向将由逆时针方向变为顺时针方向，直流电动机不能实现连续的旋转运动。 图 2-1 直流电动机的结构模

16、型 为实现直流电动机的旋转，需要保持导体所受电磁转矩的 方向不变，也就是要求有效受力导体段在不同极性的磁极下面通过的电流方向也不同。当导电体 ab、cd 在图示位置时，电流的路径是：直流电源正极 电刷 A ab 段导体 cd 段导体 电刷 B 直流电源负极。有效受力导体 ab、 cd 段所受电磁力方向按左手定则确定，此时电机的电磁转矩方向为逆时针，导电体 ab、 cd 在电磁转矩的作用下逆时针方向旋转。导电体 ab 由 N 极下面转到 S 极下、导电体 cd 由 S 极下面转到 N 极宁波工程学院本科毕业设计论文 5 下时，由于换向器和电刷的配合作用，导电体 abcd 中的电流改变了方向。这样

17、就使固定磁性的磁极下的导体中流过的电流方向固定，保证了 有效导体段所受电磁力方向不变，因此整个电动机线圈的电磁转矩方向不变，从而使直流电动机能够持续向同一方向转动，实现了用连续的旋转运动带动轴上生产机械的使用目标。 2.1.2 直流电动机的运行特性 直流电动机的运行特性主要有两条 :一条是工作特性，另一条是机械特性，即转速 -转矩特性。分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面主要对并励电动机的运行特性加以研究。 工作特性是指电动机的端电压 U=UN，励磁电流 If=IfN 时，电动机的转速 n、电磁转矩 Te和效率 与输出功率的关系， 即 n， eT ， 2Pf 。由于实际运行中 a

18、I较易测得，且 aI 随 2P 的增大而增大，故也可把工作特性表示为 n， eT ， aIf 。上述条件中， fNI 为额定励磁电流，即输出功率达到额定功率 NP 、转速达到额定转速 Nn 时的励磁电流。 先看转速特性 2Pfn 。从电动势公式 nCE ea 和电压方程可知 aeaeea ICRCUCEn (2-1) 上式通常称为电动机的转速公式。此式表示，在端电压 U、励磁电流 fI 均为常值的条件下，影响并励电动机转速的因素有两个： 一是电枢电阻压降；二是电枢反应。当电动机的负载增加时，电枢电流增大， aaRI 使电动机的转速趋于下降；电枢反应有去磁作用时，则使转速趋于上升；这两个因素的影

19、响部分地互相抵消，使并励电动机的转速变化很小。实用上，为 保证并励电动机的稳定运行，常使它具有稍微下降的转速特性。 机械特性是指 NUU ，励磁回路电阻 fR =常值时，电动机的转速与电磁转矩的关系 eTfn 。 宁波工程学院本科毕业设计论文 6 2.1.3 直流电动机的调速 电动机是用以驱动生产机械的，根据负载的需要，常常希望电动机的转速能在一定甚至是宽广的范围内进行调节，且调节的方法要简单、经济。直流电动机在这些方面有其独到的优点。 直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为 eK IRUn(2-2) 式中 n 转速（ r/min）； U 电枢电压（）； I 电枢电流（）； R 电枢回

20、路 的 总电阻（ ）； 励磁磁通（ b）； eK 电动势常数。 在上式中， eK 是常数，电流 I 是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法： 调节电枢电压 U ； 减弱励磁磁通 ； 调节 电枢回路电阻 R 。 对于要求无级平滑调速的系统，以调节电枢电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽 可以实现 平滑调速，但调速范围不大，只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速 3。 2.2 转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工 艺对调速性能都有以下三个方面 的要求 ： (1) 调速。在一定的最低转速 与 最高转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。 (2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在 扰动 下不允许有 太 大的转速波动，以确保 电机的 质量。 (3) 加 速与 减速。 若设备要 频繁起、制动 ，那么 要求加 速与 减速尽量 迅速 ，这样可 以提高生产率； 对于 不 能 经受 快速 速度变化的机械 设备 则要求起 动与 制动