电机与拖动控制综合实验

1、电机与拖动控制综合实验一、 课程简介本课程是在电机学、电力拖动、电力电子技术、单片机、微机原理等课程和电机常规实验课的基础上，独立设立的一门综合实验课程。课程的主要目的是培养学生文献检索，综合分析问题、发现问题、解决问题能力，提高学生自主学习、分工协作以及课程设计报告撰写水平。二、课程实验要求 综合设计过程中的具体要求如下：1、四人一组，每组成员自己分工协作，根据自身特长，选择适合自己的工作；报告完成后，须经过答辩环节。2、通过图书馆和Internet广泛检索文献资料基础上，经过剖析、提炼，确定适应自己团队的题目，题目难度和工作量要适应在一周时间内完成。3、具体电路方案的选择必须要有论证说明，

2、要说明其有哪些特点。4、选题“硬件电路设计“方向的，须完成所设计的系统主电路、控制电路的设计，包括主电路的分析说明、主电路元器件的计算和选型以及控制电路选型，报告最后要给出所设计的主电路和控制电路标准电路图（用电气专业Proteus软件绘制仿真）。5、选题“系统仿真”方向的，须给出系统原理图，根据系统原理图建立Matlab仿真模型，设置仿真参数及最终给出仿真结果图。6、报告最后要一定要给出问题分析、设计过程、选型、电路图以及结果图等，并且结合设计过程给出自己的研究体会。组与组之间不能出现雷同！7、报告用纸和格式统一：1）A4纸打印（页边距：上下左右各留1.8cm）；2）封面上注明课程名称（电机

3、与拖动控制综合实验报告）以及你选题名称，姓名，指导老师，日期等；3）每一团队给出一份报告即可，但要在报告中注明每个同学的分工；4）正文中大标题：3号字，小标题：4号字；正文：5号字；5）要求图表规范，文字通顺，逻辑性强，并给出设计过程中所查阅的参考文献。8、课程最后给分会根据选题难度、报告规范性以及原创性等综合考虑。同一团队不同成员得分根据分工难易度以及答辩情况给出合理分数。三、选题方向1、 硬件电路设计方向课题一：基于单片机/PLC的直流电动机（异步电动机）速度控制课题二：基于单片机/PLC的直流电动机（异步电动机）正反转控制课题三：基于单片机/PLC的步进电机控制2、 系统仿真方向课题一：

4、晶闸管-直流电动机开环调速系统仿真课题二：带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真课题三：转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真课题四：恒压频比控制的异步电动机变频调速系统的仿真课题五：异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真拖动控制系统的MATLAB仿真拖动控制系统是以直流电动机与交流电动机为原动机，电力电子器件为控制电路的电路系统。在拖动控制系统中，应用最普遍的是自动调速系统，包括直流调速系统和交流调速系统。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拖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

5、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。自20世纪80年代以来，交流调速发展迅速，交流电动机具有维护简单，价格便宜等特点，随着电力电子交流调压、变频和控制技术的发展，交流调速在应用中越来越普遍。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，本章主要通过仿真研究直流调速的基本原理和调速性能，研究具有典型意义的直流调速系统、基于稳态模型

6、的异步电动机恒压频比调速控制以及基于动态模型的异步电动机矢量控制系统。晶闸管-直流电动机开环调速现代工业生产中大都通过晶闸管控制向直流电动机供电，典型的晶闸管-直流电动机开环调速系统主要由脉冲触发器、晶闸管可控整流装置、平波电抗器及直流电动机等部分组成，由于是开环调速，无需考虑反馈，其电气原理图如图14-1所示。图14-1 开环调速系统电气原理图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调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。1、建立仿真模型图14-2是根据上述原理所构建的直流电动机开环调速系统仿真模型，模型由脉冲发生器、可关断

7、晶闸管、续流二极管、直流电源、直流电动机、电感及测量模块组成。脉冲发生器通过占空比控制输出电压的大小，改变占空比即可改变输出电压；续流二极管起到续流作用，当晶闸管截止期间，电动机可以通过续流二极管构成导通回路。图14-2 晶闸管-直流电动机开环调速系统仿真模型带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真带转速负反馈的有静差直流调速系统的电气原理结构图如图14-5所示。该系统由转速给定环节，放大器、移相触发器、晶闸管整流器和直流电动机、测速发电机等组成。图14-5 带转速负反馈的有静差直流调速系统的电气原理结构图在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速

8、成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 DUn ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。1、建立仿真模型转速负反馈有静差调速系统的仿真模型如图14-6所示，模型在图14-2所示的开环调速系统的基础上增加了转速给定、转速反馈、放大器和反映放大器输出限幅的饱和特性模块，饱和限幅模块的输出是移相触发器的输入，其中转速负反馈直接取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数。图14-6带转速负反馈的有静差直流调速系统仿真模型转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，

9、其原理结构如图？所示。双闭环控制的直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机的电枢电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制

10、动。在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。图14-？ 转速电流双闭环控制的直流调速系统原理图1、 建立仿真模型转速电流双闭环控制的直流调速系统的仿真模型如图14-？所示，模型由交流电源、晶闸管整流电路、移相控制环节和直流电动机等环节组成。图14-？ 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型 恒压频比控制的异步电动机变频调速系统的仿真变频调速具有调速范围宽、平滑性好等特点，是异步电动机调速最有发展前途的一种方法。随着电力电子技术的发展，许多简单可靠、性能优异、价格便宜的变频调速装置已得到广泛应用。恒压频比控制是交流异步电机变频调速最基本的控制

11、方式，其实质为变压变频调速，同时改变电压和频率，保持调速过程中电动机气隙磁通基本恒定。恒压频比控制变频调速时，由于最大转矩和最大转矩所对应的转速降均为常数，所以电动机有较硬的机械特性；但是在频率变到很低时，定子阻抗压降所占比重较大，此时最大转矩将随频率下降而减小。为保持低频时电动机有足够大的转矩，可以人为地使定子电压抬高一些，近似地补偿一些定子压降。恒压频比调速系统的基本原理如图14-？所示，系统由升降速时间设定、U/f曲线、SPWM调制和驱动等环节组成。其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，起软起动控制的作用。U/f曲线用于根据频率确定相应的电压

12、，以保持压频比不变，并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，控制逆变器以实现电动机的变压变频调速。图14-？ 恒压频比调速系统原理图1、 建立仿真模型根据电气原理图建立恒压频比变频调速系统，如图14-？所示，仿真模型由逆变器、异步电动机、PWM生成器等主要模块组成。Subsystem为升速频率生成子系统，见图14-？。在升速频率生成后面是一个取整环节，使频率为整数。取整环节后面是与U-f曲线（见图14-？）对应的函数发生器，其函数表达式为：为电动机额定电压，为电动机额定频率，为补偿的初始电压值。电压U、频率f、时间t经汇总为一维矢量u(

13、1),u(2),u(3)，函数模块ua、ub、uc分别用于产生三相调制信号，即根据三相调制信号，由PWM Generator发生器产生逆变器驱动脉冲，经逆变器得到频率和幅值可调的三相电压，使异步电动机按照给定要求起动和运行。图14-？ 恒压频比异步电动机变频调速系统仿真模型图14-？ Subsystem频率生成子模块异步电动机矢量控制变频调速系统的仿真矢量控制也称为磁场定向控制，是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。转子磁场定向实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，转子磁链仅由定子电流励磁分量id产生，与转矩分量无关。当转子磁链达到稳态并保持不变时，电磁转矩只由定子电流转矩分量决定，此

14、时，磁链与转矩分别由id与iq独立控制。分别控制由定子电流分解得到的励磁电流（id）和转矩电流（iq），并且同时控制它们的相位和幅值，称之为矢量控制。交流电机矢量控制的基础是矢量变换，矢量控制中需要用到的坐标变换主要包含如下两种：三相静止坐标系（abc）到两相旋转坐标系（dq）的变换表达式为： 两相到三相变换模块 Simulink仿真如图4.2：1、建立仿真模型图14-？是异步电动机矢量控制调速系统的结构框图，主要由速度控制器、矢量控制器、电流比较脉冲产生器、逆变器、异步电动机和信号测量等组成。根据结构原理图，建立仿真模型，如图14-？所示。在该模型中，异步电动机、逆变器、测量等模块为SimPowerSystem自带的。转速控制子模块作用是根据电机实际反馈转速与参考转速的差值，采用PI控制器产生转矩。其原理公式为：仿真电路如下：电流比较脉冲产生器子模块作用是把矢量控制环节输出的三相电流与反馈电流进行比较，并整形处理产生六相脉冲信号，用来控制逆变器。其仿真电路如图？所示。矢量控制器子模块比较复杂，其内部结构如图？所示，主要由励磁电流计算、转矩电流计算、转子磁链位置角计算、磁链计算、坐标变换等