轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流電動機(jī)有靜差調(diào)速系

1、學(xué) 號 某某大學(xué) 運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說明書轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流電動機(jī)有靜差調(diào)速系統(tǒng)仿真起止日期： 2015 年 1 月 15日 至 2015 年 1 月 22 日學(xué)生姓名班級成績指導(dǎo)教師(簽字)控制與機(jī)械工程學(xué)院2015年 1 月 22 日附表2天津城建大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2014 2015學(xué)年第 1學(xué)期 控制與機(jī)械工程 學(xué)院 電氣工程及其自動化 專業(yè)11電氣1 班級課程設(shè)計(jì)名稱：運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流電動機(jī)有靜差調(diào)速系統(tǒng) 完成期限：自 2015 年 1 月 16 日至 2015 年 1 月 22 日共 1 周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容（可另加附頁）：一、 設(shè)計(jì)

2、題目：轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流電動機(jī)有靜差調(diào)速系統(tǒng)仿真（，Kp=50）二、 已知條件及控制對象的基本參數(shù)： 已知直流電動機(jī)額定參數(shù)為，4極，。勵磁電壓，勵磁電流。采用三相橋式整流電路，整流器內(nèi)阻。平波電抗器。，Kp=50三、 設(shè)計(jì)要求（1）分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理（2）利用matlab/simulink繪制系統(tǒng)的仿真模型并對模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。（3）設(shè)計(jì)反饋系數(shù)（4）對該調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并觀察電動機(jī)在全壓啟動和啟動后加額定負(fù)載時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的變化情況。指導(dǎo)教師（簽字）： 系（教研室）主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 2015 年 1 月 22 日目錄緒論1第一章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的原理2第二

3、章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析3第三章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析33.1 電壓比較環(huán)節(jié)33.2 放大器環(huán)節(jié)33.3 電力電子變換器環(huán)節(jié)33.4 測速反饋環(huán)節(jié)43.5 額定勵磁下的直流電動機(jī)等效環(huán)節(jié)43.6 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖5第四章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)確定64.1 已知條件及控制對象的基本參數(shù)64.2 電力電子變換環(huán)節(jié)參數(shù)確定64.3 直流電動機(jī)環(huán)節(jié)的參數(shù)確定64.4 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)確定6第五章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)仿真7第六章 總結(jié)10第七章 參考文獻(xiàn)10緒論直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘

4、管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。 長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后

5、再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。由于對模型建立和仿真實(shí)驗(yàn)研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對決策者缺乏直接的指導(dǎo)，這樣就大大阻礙了仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)大、最優(yōu)秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術(shù)中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數(shù)，并且立即可以得到修改后的結(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。Simulink可以超

6、越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實(shí)的非線性問題的模型，如現(xiàn)實(shí)世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現(xiàn)象；它可以仿真到宏觀的星體，至微觀的分子原子，它可以建模和仿真的對象的類型廣泛，可以是機(jī)械的、電子的等現(xiàn)實(shí)存在的實(shí)體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計(jì)算機(jī)成為一個實(shí)驗(yàn)室，用它可對各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響

7、應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。第一章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的原理直流電動機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc調(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實(shí)

8、現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。在仿真中為了簡化模型，忽略了各種非線性因素以及控制電源和電位器內(nèi)阻。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)Un*，放大倍數(shù)為Kp的放大器，移相觸發(fā)器CF，晶閘管整流器和直流電動機(jī)M,測速發(fā)電機(jī)TG等組成。該系統(tǒng)在電機(jī)負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)速將下降，轉(zhuǎn)速反饋Un減小，而轉(zhuǎn)速的偏差將增大，同時放大器輸出Uc增加，并經(jīng)移相觸發(fā)器使整流輸出電壓Ud增加，電樞電流Id增加，從而使電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速也隨之升高，補(bǔ)償了負(fù)載增加造成的轉(zhuǎn)速降。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定特性方程為 閉環(huán)轉(zhuǎn)速降落為 圖1帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖從穩(wěn)定特性方程可以

9、看到，如果適當(dāng)增加放大器放大倍數(shù)Kp，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降將減小，電動機(jī)將有更硬的機(jī)械特性，也就是說在負(fù)載變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化將減小，電動機(jī)有更好的保持速度穩(wěn)定的性能。如果放大倍速過大，也可能造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。第二章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析（1）閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性硬的多。（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（空載轉(zhuǎn)速相同時）比開環(huán)系統(tǒng)小得多。（3）如果所要求靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。（4）要取得上述三相優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。圖2 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖第三章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析3.1電壓比較環(huán)節(jié)圖3.1 電壓比較環(huán)

10、節(jié)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.2放大器環(huán)節(jié)圖3.2 放大器環(huán)節(jié)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.3電力電子變換器環(huán)節(jié)圖3.3 電力電子變換器環(huán)節(jié)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.4測速反饋環(huán)節(jié)圖3.4 測速環(huán)節(jié)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.5額定勵磁下的直流電動機(jī)等效環(huán)節(jié)(1）假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為 (2)忽略粘性摩擦和彈性轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)軸上的動力學(xué)方程為 (3)額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 包括電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）-飛輪慣量（Nm）-額定勵磁下的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)，-電磁時間常數(shù)，-機(jī)電時間常數(shù)，-負(fù)載電流，根據(jù)上述公式，在零初始條件下經(jīng)變形以及拉氏變換得電壓與電流的傳遞函數(shù)為a)電流與電動勢的傳遞函數(shù)為b)額定勵磁下

11、的直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖c)圖3.5 直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.6反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖3.6 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖第四章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)確定4.1已知條件及控制對象的基本參數(shù)已知直流電動機(jī)額定參數(shù)為, ，4極，,。勵磁電壓，勵磁電流。采用三相橋式整流電路，整流器內(nèi)阻。平波電抗器。測速發(fā)電機(jī)參數(shù)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為，, ,，直流穩(wěn)壓電源, ，Kp=50。4.2電力電子變換環(huán)節(jié)參數(shù)確定采用三相橋式整流電路Ks=44,Ts=0.00167。因此，可以確定電力電子變換環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為4.3直流電動機(jī)環(huán)節(jié)的參數(shù)確定（1）電動機(jī)的電動勢系數(shù)及轉(zhuǎn)矩系

12、數(shù)（2）電樞回路總電阻（3）電磁時間常數(shù)電樞回路總電感量（4）機(jī)電時間常數(shù)4.4轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)確定（1）反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件帶入相關(guān)計(jì)算參數(shù)得（2）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)選擇根據(jù)公式得取，帶入相關(guān)計(jì)算參數(shù)得第五章 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)仿真（1）轉(zhuǎn)速單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖圖5.1 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)框圖（2）全壓啟動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的變化情況圖5.2 全壓啟動轉(zhuǎn)速變化情況圖5.3 全壓啟動電流變化情況圖5.4 全壓啟動轉(zhuǎn)矩變化情況（3）全壓啟動后加額定負(fù)載時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的變化情況圖5.5 全壓啟動后加額定負(fù)載時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況圖5.6 全壓啟動

13、后加額定負(fù)載時電動機(jī)的電流變化情況圖5.7 全壓啟動后加額定負(fù)載時電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化情況第六章 總結(jié)緊張的一周，奮戰(zhàn)的一周，供配電課程設(shè)計(jì)終于完成了。通過這一周的課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這一周的課程設(shè)計(jì)，使我在以后的學(xué)習(xí)和生活上都受益匪淺?？偟谜f來：這次課程設(shè)計(jì)是一次所學(xué)知識與實(shí)踐相結(jié)合的體驗(yàn)，也進(jìn)一步鞏固了這學(xué)期的學(xué)習(xí)的有關(guān)知識，同時也為以后的工作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。感謝老師對我們的諄諄教誨，我們每一個人永遠(yuǎn)不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財(cái)富，經(jīng)歷是一份擁有。這