转速闭环控制的直流电动机有静差调速系

1、学 号 某某大学 运动控制系统课程设计 设计说明书转速闭环控制的直流电动机有静差调速系统仿真起止日期： 2015 年 1 月 15日 至 2015 年 1 月 22 日学生姓名班级成绩指导教师(签字)控制与机械工程学院2015年 1 月 22 日附表2天津城建大学课程设计任务书2014 2015学年第 1学期 控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化 专业11电气1 班级课程设计名称：运动控制系统课程设计 设计题目： 转速闭环控制的直流电动机有静差调速系统 完成期限：自 2015 年 1 月 16 日至 2015 年 1 月 22 日共 1 周设计依据、要求及主要内容（可另加附页）：一、 设计

2、题目：转速闭环控制的直流电动机有静差调速系统仿真（，Kp=50）二、 已知条件及控制对象的基本参数： 已知直流电动机额定参数为，4极，。励磁电压，励磁电流。采用三相桥式整流电路，整流器内阻。平波电抗器。，Kp=50三、 设计要求（1）分析系统结构、原理（2）利用matlab/simulink绘制系统的仿真模型并对模块参数进行设置。（3）设计反馈系数（4）对该调速系统进行仿真，并观察电动机在全压启动和启动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变化情况。指导教师（签字）： 系（教研室）主任（签字）： 批准日期： 2015 年 1 月 22 日目录绪论1第一章 转速单闭环有静差调速系统的原理2第二

3、章 转速单闭环有静差调速系统的静特性分析3第三章 转速单闭环有静差调速系统的动态分析33.1 电压比较环节33.2 放大器环节33.3 电力电子变换器环节33.4 测速反馈环节43.5 额定励磁下的直流电动机等效环节43.6 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图5第四章 转速单闭环有静差调速系统的参数确定64.1 已知条件及控制对象的基本参数64.2 电力电子变换环节参数确定64.3 直流电动机环节的参数确定64.4 转速反馈系数确定6第五章 转速单闭环有静差调速系统仿真7第六章 总结10第七章 参考文献10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

4、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

5、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，还可以对仿真结果进行分析和可视化。Simulink可以超

6、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。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

7、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。第一章 转速单闭环有静差调速系统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

8、现直流电动机的调速。在仿真中为了简化模型，忽略了各种非线性因素以及控制电源和电位器内阻。带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构如图1所示。系统由转速给定环节Un*，放大倍数为Kp的放大器，移相触发器CF，晶闸管整流器和直流电动机M,测速发电机TG等组成。该系统在电机负载增加时，转速将下降，转速反馈Un减小，而转速的偏差将增大，同时放大器输出Uc增加，并经移相触发器使整流输出电压Ud增加，电枢电流Id增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负载增加造成的转速降。带转速负反馈的直流调速系统的稳定特性方程为 闭环转速降落为 图1带转速负反馈的有静差直流调速系统原理框图从稳定特性方程可以

9、看到，如果适当增加放大器放大倍数Kp，电机的转速降将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍速过大，也可能造成系统运行的不稳定。第二章 转速单闭环有静差调速系统的静特性分析（1）闭环系统的静特性可以比开环系统的机械特性硬的多。（2）闭环系统的静差率（空载转速相同时）比开环系统小得多。（3）如果所要求静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。（4）要取得上述三相优势，闭环系统必须设置放大器。图2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图第三章 转速单闭环有静差调速系统的动态分析3.1电压比较环节图3.1 电压比较环

10、节动态结构框图3.2放大器环节图3.2 放大器环节动态结构框图3.3电力电子变换器环节图3.3 电力电子变换器环节动态结构框图3.4测速反馈环节图3.4 测速环节动态结构框图3.5额定励磁下的直流电动机等效环节(1）假定主电路电流连续，则动态电压方程为 (2)忽略粘性摩擦和弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为 (3)额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 包括电动机空载转矩在内的负载转矩（Nm）-飞轮惯量（Nm）-额定励磁下的电动机转矩系数，-电磁时间常数，-机电时间常数，-负载电流，根据上述公式，在零初始条件下经变形以及拉氏变换得电压与电流的传递函数为a)电流与电动势的传递函数为b)额定励磁下

11、的直流电动机的动态结构框图c)图3.5 直流电动机的动态结构框图3.6反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图图3.6 反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图第四章 转速单闭环有静差调速系统的参数确定4.1已知条件及控制对象的基本参数已知直流电动机额定参数为, ，4极，,。励磁电压，励磁电流。采用三相桥式整流电路，整流器内阻。平波电抗器。测速发电机参数：永磁式，额定数据为，, ,，直流稳压电源, ，Kp=50。4.2电力电子变换环节参数确定采用三相桥式整流电路Ks=44,Ts=0.00167。因此，可以确定电力电子变换环节的传递函数为4.3直流电动机环节的参数确定（1）电动机的电动势系数及转矩系

12、数（2）电枢回路总电阻（3）电磁时间常数电枢回路总电感量（4）机电时间常数4.4转速反馈系数确定（1）反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件带入相关计算参数得（2）转速反馈系数选择根据公式得取，带入相关计算参数得第五章 转速单闭环有静差调速系统仿真（1）转速单闭环有静差调速系统仿真框图图5.1 反馈控制闭环直流调速系统的仿真结构框图（2）全压启动电动机的转速、转矩和电流的变化情况图5.2 全压启动转速变化情况图5.3 全压启动电流变化情况图5.4 全压启动转矩变化情况（3）全压启动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流的变化情况图5.5 全压启动后加额定负载时电动机的转速变化情况图5.6 全压启动

13、后加额定负载时电动机的电流变化情况图5.7 全压启动后加额定负载时电动机的转矩变化情况第六章 总结紧张的一周，奋战的一周，供配电课程设计终于完成了。通过这一周的课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。这一周的课程设计，使我在以后的学习和生活上都受益匪浅。总得说来：这次课程设计是一次所学知识与实践相结合的体验，也进一步巩固了这学期的学习的有关知识，同时也为以后的工作打下扎实的基础。感谢老师对我们的谆谆教诲，我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这