武汉理工基础强化训练 开环直流调速系统仿真设计论文

目录

绪论................................................................ 2 摘要................................................................ 3 1 设计任务及要求.................................................... 4

1.1初始条件 ................................................... 4 1.2要求完成任务 ............................................... 4 2 开环直流调速控制系统组成及原理.................................... 4

2.1直流电机调压调速原理 ....................................... 4 2.2晶闸管整流器-电动机系统组成及原理 .......................... 5 2.3直流电动机开环调速系统仿真的原理 ........................... 5 3.1 晶闸管触发器整流器数学模型................................. 8 3.1.1 放大系数...................................................... 8 3.1.2 滞后时间...................................................... 8 3.1.3传递函数 ...................................................... 9 3.1.4晶闸管触发器整流器环节动态结构图 .............................. 9

3.2 直流电动机数学模型........................................ 10 3.3平波电抗器数学模型 ........................................ 12 4 电路仿真......................................................... 12

4.1 仿真原理图................................................ 12 4.2 仿真过程.................................................. 13 4.3仿真结果 .................................................. 17 4.4 仿真分析.................................................. 19 5 小结与体会....................................................... 19 6 参考文献......................................................... 20 附录............................................................... 21

绪论

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和应用的繁荣。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。

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，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型， Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。

传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛。

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摘要

本次能力拓展设计的题目是开环直流调速系统仿真设计，直流电动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。具有较强的研究价值。

MATLAB/Simulink仿真在科学研究中的地位越来越高，如何利用其仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，分析了开环控制直流调速系统的控制器与被控对象的控制现象，以及开环控制系统对被控对象的控制的问题。同时给出解决减小扰动的控制方案。

首先，本文介绍了开环直流调速控制系统组成及原理，建立了开环调速系统的数学模型，并画出动态结构图；其次，本次设计基于电器原理图使用Simulink进行仿真，在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。最终得出转速输出曲线等相关指标输出。通过对结果的分析可得仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验。

最后，对本次基础强化训练的经验和教训进行了认真的总结，并列举了本次训练参考的文献资料。

关键词：开环直流调速系统 晶闸管整流器 直流电动机 Simulink仿真

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开环直流调速系统仿真设计

1 设计任务及要求

1.1初始条件：

控制系统包括给定信号，晶闸管触发装置及整流环节、平波电抗器和直流电动机4个环节

Td=0.025s，Ra=0.08，Ce=0.185，Ts=0.0017，ks=23

1.2要求完成任务：

1、开环直流调速控制系统组成及原理； 2、数学模型建立，动态结构图，；

3、基于电气原理图的仿真，仿真参数设置（过程） 4、电动机转速输出曲线，负载扰动情况转速输出曲线仿真。

2 开环直流调速控制系统组成及原理

2.1直流电机调压调速原理

直流电动机的稳态转速

n?U?IRCe式中

n——转速（r/min）； U——电枢电压（V）； I——电枢电流（A）； R——电枢回路总电阻(Ω）； Ce ——电动机在额定磁通下的电动势系数。 调节直流电动机转速的方法有： （1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。

自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。 工作条件：

保持励磁 ? = ?N ；

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保持电阻 R = Ra 调节过程：

改变电压 UN ? U ? U ? ?n ?， n0 ? 调速特性：

转速下降，机械特性曲线平行下移，见图1。

图1 调压调速特性曲线

2.2晶闸管整流器-电动机系统组成及原理

图2给出了晶闸管—电动机调速系统（V—M系统）的原理图，图中VT是晶闸管可控整流器，GT是触发器，L是平波电抗器，M是直流电动机，给定信号Uc能控制GT触发器的触发角度，从而控制整流器VT的整流输出电压值，达到控制电机调速的目的。

图2 晶闸管—电动机调速系统电气原理图

2.3直流电动机开环调速系统仿真的原理

直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc 调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直

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流电动机的调速。该系统的仿真模型如图3所示。在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供。

图3 直流开环调速系统电气原理

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一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：

(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，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，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。

(3) 加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。

(1) 调速范围

生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范

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围，用字母D表示，即

D?nmaxnmin

其中，nmax和nmin一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。

(2) 静差率

当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落?nN，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即

s??nN n0或用百分数表示

s??nN?100% n0显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。

然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。

由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准[2]。

(3) 直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系

在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速nN作为最高转速，若额定负载下的转速降落为?nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即

s??nN?nN? n0minnmin??nN于是，最低转速为

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nmin??1?s??nN ?nN??nN?ssD?nmaxn?N nminnmin而调速范围为

将上面的nmin式代入，得

D?nNs

?nN?1?s?上式表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，?nN值一定，由上式可见，如果对静差率要求越严，即要求s值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。

3 数学模型建立与动态结构图

3.1 晶闸管触发器整流器数学模型

3.1.1 放大系数

在V-M系统中，通常把晶闸管触发器和整流器看成一个环节，当进行闭环调速系统分析和设计时，需要求出这个环节的放大系数和传递函数。

这个环节的输入量是触发器的控制电压Uc，输出量是整流器的输出电压 Ud ，输出量与输入量之间的放大系数 Ks可以通过实测特性或根据装置的参数估算而得到。

当触发器控制电压的调节范围为0~10V时，对应整流器输出电压的变化范围如果是0~220V，则可估算得到Ks?220/10?22，此处 Ks?23。

3.1.2 滞后时间

在动态过程中，可把晶闸管触发器与整流器看成一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间所引起的。

失控时间Ts是随机的，它的大小随Uct发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定

Tsmax?

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1 mf式中，f为交流电源频率（Hz）；m为一周内整流电压的脉波数。 相对于整个系统的响应时间来说，Ts是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值Ts?Tsmax/2。或者按最严重的情况考虑，取Ts?Tsmax。表1列出了不同整流电路的失控时间。

表1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）

整流电路形式 单相半波 单相桥式（全波）

三相半波 三相桥式、六相半波

最大失控时间Tsmax/ms

20 10 6.67 3.33

平均失控时间Ts/ms

10 5 3.33 1.67

此处取Ts=0.0017s。

3.1.3传递函数

若用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发器与整流器的输入—输出关系为

Ud0?KsUct?1(t?Ts)

利用拉氏变换的位移定理，可求出晶闸管触发器与整流器的传递函数为

Ws(s)?Ud0(s)?Kse?Tss Uct(s)由于式(1-16)中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。 为了简化，将该指数函数按泰勒（Taylor）级数展开，则变成

KKs Ws(s)?Kse?Tss?Tsss?122133e1?Tss?Tss?Tss??2!3!考虑到很小，因而可忽略高次项，则传递函数便近似成为一阶线性环节。

Ws(s)?Ks 1?Tss3.1.4晶闸管触发器整流器环节动态结构图

晶闸管触发器与整流器的动态结构图如图4所示。

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图4 晶闸管触发器与整流器的动态结构图

a) 准确的b) 近似的

3.2 直流电动机数学模型

他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如图5所示。

图5 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路

假定主电路电流连续，动态电压方程为：Ud0?RId?LGD2dn电动机轴上的动力学方程：Te?TL?

375dtdId?E dt额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为：

E?Cen Te?CmId

（N·m） TL——包括电动机空载转矩在内的负载转矩，

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——(N·m) 电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量，GD30m/A) Cm?Ce——电动机额定励磁下的转矩系数，(N·

2?L——电枢回路电磁时间常数(s)，即为任务书给定的Td=0.025s。R即R为任务书中的Ra=0.08。

Tl?GD2RTm?——电力拖动系统机电时间常数(s)，此常数任务书中没有给

375CeCm定，一般GD2取几十N·m2，可估算Tm约为0.07s。

在零初始条件下，取拉氏变换，得电压与电流间的传递函数为

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