直流电动机双闭环调速系统的动态特性研究与仿真本科毕业设计论文

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毕业设计论文

直流电动机双闭环调速系统的动态特性研究与仿真

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摘 要

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。而用MATLAB软件对直流调速系统进行虚拟环境下的仿真研究，不仅使用方便，也大大降低了研究成本。

本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理，介绍了直流电动机开环和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设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，电流调节器，转速调节器，计算机仿真

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Simulation Research on Speed Regulation System of Double

Closed Loop of DC Motor

Abstract

Key words: Speed control of DC-drivers，Double-closed-loop，Current regulator，Speed regulator，Computer simulation

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目 录

1． 绪论 ............................................................................................................................... 1

1.1 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 2． 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 直流电动机的起动与调速 .............................................................................................. 6

2.2 转速控制的要求和调速指标 ................................................................................ 7 2.3 开环调速系统及其存在的问题 ............................................................................ 9 2.4 单闭环直流调速系统及动态校正 ...................................................................... 10 2.5 双闭环直流调速系统 .......................................................................................... 10

2.5.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 .................................................................... 10 2.5.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能 ............................................................ 14 2.5.3 双闭环调速系统的工程设计方法 ................................................................................ 15 2.5.4 双闭环调速系统的设计 ................................................................................................ 22

3． 直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究 ............................................................. 33

3.1 MATLAB简介 ...................................................................................................... 33 3.2 双闭环调速系统的仿真 ...................................................................................... 35 3.3 仿真结果分析 ...................................................................................................... 43 结 论 ................................................................................................................................... 44 致 谢 ................................................................................................................................... 45 参 考 文 献 ....................................................................................................................... 46

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1． 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。

对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统，一般不允许对设计好的系统直接进行实验。然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的。因此就必须对其进行模拟实验研究。当然有些情况下可以构造一套物理装置进行实验，但这种方法十分费时而且费用又高，而且在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。近年来随着计算机的迅速发展，采用计算机对控制系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。

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。

由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。

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，

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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，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。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。

自70年代以来，国内外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术(简称V—M调速系统)。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V—M系统的应用量还是占有相当的比重 。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。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。

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，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又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。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制；而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法做到精确控制的。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

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快、抗干扰能力强优点。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用，因此我们采用双闭环调速系统。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。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性能，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。由于全数字直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

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： (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。

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2． 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

图2—1表示是一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分(定子)上，装设了一对用直流励磁的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。电枢铁心上装置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片,换向片之间互相绝缘。由换向片构成的整体称为换向器，固定在转轴上。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1 和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

图2—1 最简单的两极直流电机模型

如果将直流电压直接加到线圈AX上，导体中就有直流电流通过。设导体中的电流为i，载流导体在磁场中将受到电磁力f?bil的作用，线圈上的电磁转矩则为

TXA?bilDa

式中，Da为电枢的外径。

由于电流i为恒定，一周中磁通密度的方向为一正一负，因此电磁转矩TXA将是交变的，无法使电枢持续旋转。然而在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷B1、B2和换向器再加到线圈上，这样情况就不同了。因为电刷

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B1 和B2静止不动，电流i总是从正极性电刷B1 流入，经过处于N极下的导体，再经处于S极下的导体，由负极性电刷B2流出；故当导体轮流交替地处于N极和S极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转。此时换向器起到将外电路的直流，改变为线圈内的交流的“逆变”作用。这就是直流电动机的工作原理。

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，Te，??f?P2?。由于实际运行中Ia较易测得，且Ia随P2的增大而增大，故也可把工作特性表示为n，Te，??f?Ia?。上述条件中，IfN为额定励磁电流，即输出功率达到额定功率PN、转速达到额定转速nN时的励磁电流。

先看转速特性n?f?P2?。从电动势公式Ea?Cen?和电压方程可知

n?EaUR??aIa （2—1） Ce?Ce?Ce?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If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，IaRa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。

并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。若励磁绕组断开，If=0，主磁通将迅速下降到剩磁磁通，使电枢电流迅速增大。此时若负载为轻载，则电动机的转速迅速上升，造成“飞车”；若负载为重载，所产生的电磁转矩克服不了负载转矩，

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则电动机可能停转，使电枢电流增大到起动电流，引起绕组过热而将电机烧毁。这两种情况都是危险的。

机械特性是指U?UN，励磁回路电阻Rf=常值时，电动机的转速与电磁转矩的关系n?f?Te?。

2.1.3 直流电动机的起动与调速

(1) 直流电动机的启动

直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。对电动机起动的基本要求是：① 起动转矩要大；② 起动电流要小；③ 起动设备要简单、经济、可靠。

直流电动机开始起动时，转速n?0，电枢的感应电动势Ea?Cen??0，电枢电阻

Ra又很小，因而起动电流I?URa将达到很大的数值，常须加以限制。另一方面，起动转矩Te?CT?Ia，减小起动电流将使起动转矩随之减小。这是互相矛盾的。通常采用保证足够的起动转矩下尽量减小起动电流的办法，使电动机起动。

直流电动机常用的起动方法有三种：① 直接起动；② 接入变阻器起动；③ 降压起动。

(2) 直流电动机速度的调节

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

n?U?IR Ke?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（?）； ?—励磁磁通（Ｗb）；

Ke—由电机结构决定的电动势常数。

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