直流晶闸管调速系统闭环设计与仿真本科毕业设计(论文)

1、 毕毕业业设设计计 (论论文文) bachelor dissertation 论文题目：直流电机晶闸管调速系统的设计与分析 学位类别： 工学学士 学科专业： 机械设计制造及其自动化 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导 下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地 方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过 贡献的个人或集体，均已在文中作了明确

2、的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规 定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权 保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校 可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前 提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何

3、其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 直流电

4、机晶闸管调速系统的设计与分析直流电机晶闸管调速系统的设计与分析 摘摘 要要 运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。自动调速系统主要包括直流调速系统和 交流调速系统。在高性能的拖动技术领域中，相当长时间内基本采用直流电力拖动系统。直 流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，已满足工作机械的要求。从机械特性上 看就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机 机械特性和负载机械特性的的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。 本文以直流电动机为对象，先是分析晶闸管电动机调速系统的开环工作机械特性，然后 分析单闭环有静差和无静差工作的系统静特性，以及着重对转速

5、、电流双闭环的机械特性设 计与分析，并应用 matlab 软件对系统模型进行了仿真研究。 关键词：直流电机调速；晶闸管；单闭环；双闭环；关键词：直流电机调速；晶闸管；单闭环；双闭环；matlab 仿真仿真 the design and analysis of thyristor dc motor speed control system abstract application in motion control system is the most common form of automatic speed control system. automatic speed control s

6、ystem includes ac variable speed dc drive system and the system. drag in the high-performance technology, the relatively long period of time almost all the dc electric drive system. in addition, based on feedback control theory based on the principle of dc speed control speed control is the basis of

7、 the exchange. dc converter is artificially or automatically change the speed of dc motor has to satisfy the requirements of mechanical work. judging from the mechanical characteristics of the motor is by changing the applied voltage and other parameters or methods to change the motors mechanical pr

8、operties, thereby changing the motor characteristic and load mechanical characteristics of the intersection, the stable operation of the motor speed change. this paper focuses on the scr motor speed control system of open-loop mechanical properties of the work, single loop with static error and poor

9、 working system with no static static properties, mechanical properties and the double closed-loop system closed-loop control characteristics were tested. and apply the matlab software system model was simulated. keywords: dc motor speed; thyristor；open loop; double loop; matlab simulation 目录目录 摘 要.

10、i abstract .ii 目录.iii 第 1 章 绪 论.1 1.1 直流调速系统的概述.1 1.2 课题的提出及研究意义.1 1.3 课题分析与论文主要内容.2 第 2 章 晶闸管直流调速系统.3 2.1 晶闸管整流技术.3 2.2 直流晶闸管调速系统.4 2.3.直流调速系统的控制要求和调速指标.4 第 3 章 转速负反馈单闭环直流调速系统的分析.6 3.1 单闭环控制的直流调速系统的组成.6 3.2 转速单闭环直流电机调速系统的静特性.7 3.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析.8 3.4 单闭环无静差直流调速系统.9 3.4.1 pi 调节器 .10 第 4 章 转速、电流双

11、闭环调速系统及特性和设计.11 4.1 双闭环直流电机调速系统的问题的提出.11 4.2 双闭环直流调速系统的组成与工作原理.12 4.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性.14 4.4 双闭环直流调速系统的数学模型与动态分析.15 4.5 双闭环直流调速系统的起动过程分析.17 4.6 直流调速系统的理论设计.19 4.6.1 直流调速系统组成及要求.19 4.6.2 电流环的设计.19 4.6.3 速度环的设计.21 第五章 基于 matlab/simulink 直流调速系统的仿真设计 .22 5.1 matlab/simulink简单介绍.22 5.2 双闭环系统的建模与参数设置.

12、23 5.3 系统仿真结果的输出及结果分析.25 结 论.27 参考文献.28 致 谢.29 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 直流调速系统的概述直流调速系统的概述 三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以 晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完 成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以 上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术 不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动 领域中仍然难以替代。直流调速是指人

13、为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作 机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电 动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运 转速度发生变化。 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷 扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动 的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在 理论上和实践上都比较成熟，并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，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

14、 1.2 课题的提出及研究课题的提出及研究意义意义 电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。 这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机，提高其运行性能， 对国民经济具有十分重要的现实意义。 按照传动电动机的类型来分，电气传动油直流传动和交流传动两大类。尽管目前各种交 流调速系统得到了普遍的重视和较快的发展，但因为直流电机具有较大的启动转矩，良好的 启动、制动性能，以及易于在宽范围内实现平滑调速，所以直流调速系统至今仍然是自动调 速系统的一种主要形式。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电 电压的方式为最好。改变电阻只

15、能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大， 往往只是配合调压方案，在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控 制的直流调速系统往往以调压调速为主。 在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的 延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流 内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈 回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比 单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各 方面相互有矛盾的

16、静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而 初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统 均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校 正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设 计方法的可能性。 1.3 课题分析与课题分析与论文主要内容论文主要内容 本课题以直流电动机为对象，第一部分说明晶闸管的整流技术，直流调速系统的主要问 题和 v-m 系统开环特性。为后面研究直流调速系统单闭环，双闭环特性做基础。第二部分 为单闭环控制直流调速系统部分，研究单闭环(转速负反馈

17、)有静差和无静差工作的系统静特 性并进行相关分析。第三部分为双闭环直流调速系统部分，完成双闭环直流调速系统的机械 特性和闭环控制特性研究，并进行相关设计分析。第四部分为软件仿真部分，用 matlab 软件对系统性能进行仿真研究，对仿真结果分析、研究，验证控制方案的合理性。 第第 2 章章 晶闸管直流调速系统晶闸管直流调速系统 2.1 晶闸管整流技术晶闸管整流技术 晶闸管是 pnpn 四层三端器件,分别命名为 p1、n1、p2、n2 四个区，共有三个 pn 结。 晶闸管外形、结构及图形符号如下图 2-1 所示。 图 2-1 晶闸管外形、结构及图形符号 当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时

18、不管控制极的信号情况如何，晶闸管 都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压 或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在 控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电 压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。 整流是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电供给直流用 电设备。整流电路可以分为不可控、半控、全控三种。本论文主要以三相全控整流电路作为 可控直流电源供给直流电动机。 三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控

19、整流 电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为 vt1、vt3 和 vt5，共阳极的一组为 vt2、vt4 和 vt6。其电路如图 2-2 所示 图 2-2 三相桥式全控整流电路原理图 2.2 直流晶闸管调速系统直流晶闸管调速系统的调速原理及开环特性的调速原理及开环特性 晶闸管-电动机调速系统(简称 v-m 系统) 整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗 器、电动机-发电机组等组成，在图 2-3 所示的 v-m 系统中，只通过改变触发或驱动电路的 控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开 环控制的调速系统，称为开环调速系统。

20、图中 vt 是相控整流器，通过触发器装置 gt 的控制 电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出整流电压，从而实现直流电动 * n u d u 机的平滑调速。 图 2-3 直流电机调速系统(v-m 系统)的原理图 1，系统的组成及调节原理 系统的组成图如 2.5，调节改变移相角 改变 udn 改变 * n u 2，触发脉冲的相位控制 调节触发装置 gt 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 vt 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 ud 的数值。如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是 其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 ud

21、0 来表示，瞬时电压平衡方程： （2.2） dt di lrieu d dd 0 式中 e 为电动机反电动势；id为整流电流瞬时值；l 为主电路总电感；r 主电路等效电 阻； 对 ud0 进行积分，即得理想空载整流电压平均值 ud0 。用触发脉冲的相位角 控制整 流电压的平均值 ud0 是晶闸管整流器的特点。ud0 与触发脉冲相位角 的关系因整流电路 的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，ud0 = f () 可用下式表示： （2.3）a m u m u md cossin 0 式中 a 为从自然换相点算起的触发脉冲控制角；um为 = 0 时的整流电压波形峰值； m 为交流电源

22、一周内的整流电压脉波数；对于三相全波整流电路，其中 u2 是整流变压器二 次侧额定相电压的有效值，um=，m=6，。 2 6uauudcos34 . 2 20 当 0 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流 侧； 当 /2 max 时， ud0 0，整理后得 k ttt slm 1 )( k tt sm 1k ttt slm 1 k ，所以满足近似条件。 1 11 196.1 33 0.0017 s s t ci 2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：， lm ci tt 1 3 现在=27.1，满足近似条件。 lmt t 1 3 ci 3）校验小时间常数的近似处

23、理是否满足条件：， 11 3 ci soi t t 现在,满足近似条件。 1 1111 180.78 330.00170.002 soi s tt ci 按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。 4.6.3 速度环的设计 1：确定时间常数。 （1）电流环等效时间常数为；（2）电流滤波时间常数st i 0074 . 0 2 根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数按小时间常数 on tston01 . 0 n t 近似处理，取。sttt onin 0174 . 0 2 2：确定将转速环设计成何种典型系统 由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计

24、要求，应 按典型 ii 型系统设计转速环。 3：转速调节器的结构选择。 转速调节器选用比例积分调节器（pi）,其传递函数为： 。 s s ksw n n nasr 1 )( 4：选择转速调节器参数 按照跟随和抗扰性能都较好的原则取 h=5，则转速调节器的超前时间常数为 ，转速开环增益为sht nn 087 . 0 2 22 4 . 396 2 1 s th h k n n 所以转速调节器的比例系数为 48.10 2 ) 1( n me n rth tch k 0083 . 0 ln n n k k 5：校验近似条件 转速环截止频率 1 5 .34/ sk nncn 1）校验电流环传递函数简化条

25、件是否满足，由于，满足简化条件； icn t cni t 1 .54 5 1 2）校验小时间常数近似处理是否满足条件：， ioncn tt 2/1 3 1 由于，满足近似条件。 cniont t 75.382/1 3 1 第五章第五章 基于基于 matlab/simulink 直流调速系统的仿真设计直流调速系统的仿真设计 5.1 matlab/simulink 简单介绍简单介绍 利用 matlab 下的 simulink 软件和电力系统模块库(simpowersystems)进行系统仿 真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过 simulink 环境中的菜单

26、直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握 了强大的 simulink 工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。利用 simulink 软件仿真 对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观的得到系统的仿真结果，从而加深对工 程设计方法的理解 使用 matlab 对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递 函数为基础，使用 matlab 的 simulink 工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向 控制系统电气原理结构图，使用 power system 工具箱进行调速系统仿真的新方法。下面就 使用 power system 工具箱进行双闭环调速系统仿真

27、 5.2 双闭环系统的建模与参数设置双闭环系统的建模与参数设置 采用 power system 模型组装成的转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图 5-1 所示。 模型有晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速调节器组成的控制电路两部分组成。其中主 电路部分，主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、移相控制环节和直流电动机 等部分组成。控制回路的主题是转速和回路两个调节器，以及反馈滤波环节，讲两部分拼接 起来及组成转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型。 参数设置； ；vun220ain136rpmvce/132 . 0 5 . 1 85 . 2 r 85 . 2 r ；stl076 . 0

28、 05 . 0 0067 . 0 ston01 . 0 st n 0174 . 0 st i 0074 . 0 2 ；sht nn 087 . 0 st i 0037 . 0 48.10 n k0083 . 0 ln k 图 5-1 转速电流双闭环控制直流调控系统仿真模型 5.3 系统仿真结果的输出及结果分析系统仿真结果的输出及结果分析 当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。 a) b) 图 5-2 晶闸管-电机模型双闭环系统仿真结果 a)转速响应 b)电流响应 下面分析一下仿真结果：启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，asr 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，

29、接近其最大值。第二阶段，asr 饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本 上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后，转速调节 器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超 调。转速超调后，asr 输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段， 使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。 如图 5-2，在 0.2s 启动过程结束，电枢电流下降到零，转速上升到最高且已经超调，电 流给定“”，本系统为不可逆系统，晶闸管整流装置不能产生反向电流，这时电枢电流为零， 电动机的电磁转

30、矩也为零，没有反向制动转矩，有因为是理想空载启动状态，所以电动机保 持在最高转速状态，0.5s 后加上负载，电动机转速下降，asr 开始推出饱和，电流环发挥作 用，是电动机稳定在给定转速上。在 0.6s 是突然加 1/2 额定负载后电动机电流上升转速下降， 经过 0.2s 左右时间的调节转速恢复到给定值。 结结 论论 通过这次设计，我基本上掌握了直流晶闸管调控系统以及双闭环调速系统的设计与仿真 分析。晶闸管-电动机开环系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速，但开环调速系统 不能满足对稳定性要求好。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行 控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会

31、自动产生纠正偏差的作用。系统中采用比例调节 器调节时是有差系统，采用比例积分调节器时是无差系统。用转速负反馈和 pi 调节的单闭 环调速系统可以实现转速的无静差。为了解决单闭环调速系统存在的问题，就需采用转速电 流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。所以双闭环直流调速系统 是当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。 本文对直流晶闸管调速系统在开环控制和单闭环控制的分析，以及双闭环控制，进行了 深入的分析研究，并用计算机仿真工具 matlab 的 simulink 工具箱，建立了双闭环系统的 仿真模型。由仿真计算结果表明，利用 matlab 的 simulink 对直流调速系统进行仿真设计, 可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及 校正变得更简单方便，大大缩短了系统的调试周期，提高了开发系统的效率。对于调速系统 的研究，matlab 的 simulink 确实是