運(yùn)動(dòng)控制直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、天津城建大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書控制與機(jī)械工程 學(xué)院 電氣工程及其自動(dòng)化 課程設(shè)計(jì)名稱： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真 完成期限設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容：一、已知條件及控制對(duì)象的基本參數(shù)： 已知直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為，4極，。勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流。采用三相橋式整流電路，整流器內(nèi)阻。平波電抗器。二、 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(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。（3）對(duì)該晶閘管-整流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并觀察電動(dòng)機(jī)在全壓?jiǎn)?dòng)和啟動(dòng)后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的變化情況。三、 參考文獻(xiàn) 1.王兆安，等.電.力

2、電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.2.張廣溢，等.電機(jī)學(xué)M。重慶:重慶大學(xué)出版社，2002.3.王軍.自動(dòng)控制原理M。重慶:重慶大學(xué)出版社，2008.4.周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與Flat 1 ab仿真M.儼比京:中國(guó)電力出版社，2004.5.陳伯時(shí)，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)(第2版)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.20056.陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)一一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第3版)機(jī)械工業(yè)出版社 指導(dǎo)教師（簽字）： 系（教研室）主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 2015年 1 月19 日目錄一、 緒論1二、 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理12.1晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成及原理12.2直流電動(dòng)機(jī)開

3、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理2三、 數(shù)學(xué)模型建立與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖43.1晶閘管傳遞函數(shù)43.2 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型53.3直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖53.4 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳函53.5參數(shù)的選擇6四、系統(tǒng)仿真64.1仿真原理圖64.2 仿真結(jié)果74.3 仿真結(jié)果分析8五、總結(jié)8參考文獻(xiàn)：91、 緒論在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(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(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速?gòu)V泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)

4、調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，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)。現(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(zhǎng)期以來(lái)，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(duì)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(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)仿真結(jié)果的分析也必須依賴有關(guān)專家，而對(duì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simuli

5、nk，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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模將變的非常簡(jiǎn)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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析和可視化。Simulink可以超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(duì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性可大可小，可以是連續(xù)

6、的、離散的或混合型的。Simulink會(huì)使你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對(duì)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(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(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(lái)，

7、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。2、 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理2.1晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成及原理 晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱VM系統(tǒng)），其簡(jiǎn)單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。優(yōu)點(diǎn)：通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：1由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。2元件對(duì)過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/

8、dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)有足夠的余量。圖1 VM系統(tǒng)2.2直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理直流電動(dòng)機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號(hào)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)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖1-1 所示。在仿真中為了簡(jiǎn)化模型，省略了整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源直接供。任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍

9、，是有級(jí)調(diào)速還是無(wú)級(jí)調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來(lái)，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：(1) 調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。(2) 穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。(3) 加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。

10、這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。(1) 調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中，和一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。(2) 靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即 （23）或用百分?jǐn)?shù)表示顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是

11、互相平行的，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。(3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 于是，最低轉(zhuǎn)速為 而調(diào)速范圍為 將上面

12、的式代入，得 （24） 式（24）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由式（24）可見，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。圖2 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理3、 數(shù)學(xué)模型建立與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.1晶閘管傳遞函數(shù)若用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)器與整流器的輸入輸出關(guān)系為利用拉氏變換的位移定理，可求出晶閘管觸發(fā)器與整流器的傳遞函數(shù)為 由于上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。 為了簡(jiǎn)化，將該指數(shù)函數(shù)按泰勒（Taylor）級(jí)數(shù)展開，則變成 考慮到很小，因而可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便

13、近似成為一階線性環(huán)節(jié)。3.2 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路如圖3所示。圖3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為：電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程：額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為： 包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量，電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)為3.3直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖4 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.4 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳函該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖5 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖5可以得到該系統(tǒng)的傳

14、遞函數(shù)為（不考慮擾動(dòng)）：其中：為時(shí)間滯后常數(shù)，Tl為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，Ce為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，Ks為裝置的放大系數(shù)，Tm電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。3.5參數(shù)的選擇（1） 放大器系數(shù):（2） 電力電子變化器的等效傳函：由給定條件可知且晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)所以（3）電動(dòng)機(jī)參數(shù)：主電路等效電阻 機(jī)電時(shí)間常數(shù) 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) 四、系統(tǒng)仿真4.1仿真原理圖圖6 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真原理圖4.2 仿真結(jié)果由圖6的仿真原理圖可以得到如下的仿真結(jié)果：（1） 電動(dòng)機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩圖7 仿真結(jié)果1（2） 轉(zhuǎn)速n圖8 仿真結(jié)果24.3 仿真結(jié)果分析從上圖仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理論分析的波形。晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)就是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，改變放大器的放大系數(shù)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。五、總結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)，使我更加熟練的使用MATLAB和visio等畫圖軟件，并且對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制這門科目有了更深的了解。通過查閱相關(guān)資料掌握了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理及應(yīng)用。這次仿真結(jié)束，我又學(xué)習(xí)了