電氣工程與自動化專業(yè)課程設計論文-直流電動機開環(huán)調速系統(tǒng)仿真

1、<p><b>　　電子電氣工程學院</b></p><p><b>　　專業(yè)課程設計論文</b></p><p>　　題 目 直流電動機開環(huán)調速系統(tǒng)仿真 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程與自動化 </p><p><b>　　姓

2、 名 </b></p><p><b>　　班 級</b></p><p><b>　　學 號 </b></p><p>　　2011年 6 月 10日</p><p>　　直流電動機開環(huán)調速系統(tǒng)仿真</p><p>　　摘 要：MATLAB仿真

3、在科學研究中的地位越來越高，如何利用MATLAB仿真出理想的結果，關鍵在于如何準確的選擇MATLAB的仿真。本文就簡單的開環(huán)直流調速系統(tǒng)的MATLAB仿真這個例子，通過對MATLAB的仿真，得到不同的仿真結果。通過仿真結果的對比，對MATLAB的仿真進行研究。從而總結出如何在仿真過程中對MATLAB的仿真做到最優(yōu)選擇。 </p><p>　　詳細介紹了用MATLAB語言對《電機與拖動》中直流電動機調速仿真實驗的仿

4、真方法和模型建立。其仿真結果與理論分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分實物實驗．然后討論了MATLAB在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)教學中的應用。首先在分析直流調速系統(tǒng)原理的基礎上, 介紹了基于數學模型的仿真, 在仿真中可靈活調節(jié)相關參數, 優(yōu)化參數設計。其次完成了基于電氣原理圖仿真, 并分析了調速系統(tǒng)的抗干擾能力。采用工程設計方法對雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行設計,選擇調節(jié)器結構,進行參數的計算和校驗；給出系統(tǒng)動態(tài)結構圖,建立起動、抗負載擾動的M

5、ATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系統(tǒng)起動的轉速和電流的仿真波形,并進行調試,使雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)趨于合理與完善</p><p>　　關鍵詞：直流電動機開環(huán)調速系統(tǒng)仿真;階躍信號；調節(jié)器；MATLAB仿真</p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　直流調速是現代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。在2

6、0世紀60年代，隨著晶閘管的出現，現代電力電子和控制理論、計算機的結合促進了電力傳動控制技術研究和應用的繁榮。晶閘管-直流電動機調速系統(tǒng)為現代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調速的迅速發(fā)展，交流調速技術越趨成熟，以及交流電動機的經濟性和易維護性，使交流調速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調速原理也是交流調速控制的基礎?，F在的直流和交流調速裝置都是數字

7、化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。</p><p>　　長期以來，仿真領域的研究重點是仿真模型的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產生了各種仿真算法和仿真軟件。</p><p>　　由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結果的分析也必須依賴有關專

8、家，而對決策者缺乏直接的指導，這樣就大大阻礙了仿真技術的推廣應用。</p><p>　　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中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進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，并且立即可以得到修改后的結果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結果

9、進行分析和可視化。</p><p>　　Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現實的非線性問題的模型，如現實世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現象；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，可以是機械的、電子的等現實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可對各

10、種現實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。</p><p>　　傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產技術的發(fā)展，對電氣傳動在啟制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調速系統(tǒng)。由于直流電機的調速性能和轉矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程

11、是這樣的：由最早的旋轉變流機組控制發(fā)展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現直流調速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現數字化的直流調速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經濟性不斷提高。調速性能的不斷提高，使直流調速系統(tǒng)的應用非常廣泛。</p><p>　　1.2直流電動機開環(huán)調速系統(tǒng)仿真的原理</p><p><b>　　1.2.1

12、仿真原理</b></p><p>　　直流電動機電樞由三相晶閘管整流電路經平波電抗器L 供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc 調節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實現直流電動機的調速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖1-1 所示。在仿真中為了簡化模型，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，直流電動機勵磁由直流電源直接供。</p><p>　　任何一臺需要

13、控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。例如，最高轉速與最低轉速之間的范圍，是有級調速還是無級調速，在穩(wěn)態(tài)運行時允許轉速波動的大小，從正轉運行變到反轉運行的時間間隔，突加或突減負載時允許的轉速波動，運行停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調速系統(tǒng)轉速控制的要求有以下三個方面：</p><p>　　(1) 調速。在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地（有級）或平滑地（無級）調節(jié)轉速。</p&

14、gt;<p>　　(2) 穩(wěn)速。以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量。</p><p>　　(3) 加、減速。頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。</p><p>　　為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調速指標，叫做“調速范圍”和“靜差率”。這兩個指標

15、合稱調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。</p><p><b>　　(1) 調速范圍</b></p><p>　　生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即</p><p><b>　　（2—2）</b></p><p>　　其中，和一般都指電動機額定負載時的最高和最低轉速，

16、對于少數負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉速。</p><p><b>　　(2) 靜差率</b></p><p>　　當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率s，即</p><p><b>　?。?—3）</b></p>

17、<p><b>　　或用百分數表示</b></p><p>　　顯然，靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化時轉速的穩(wěn)定度的。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。</p><p>　　然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的

18、相對穩(wěn)定度也就越差。</p><p>　　由此可見，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調速過程中，若額定速降相同，則轉速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設計要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。因此，調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速進所能達到的數值為準。</p><p>　　(3) 直流變壓調速系統(tǒng)中調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系</

19、p><p>　　在直流電動機變壓調速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉速作為最高轉速，若額定負載下的轉速降落為，則按照上面分析的結果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即</p><p><b>　　于是，最低轉速為</b></p><p><b>　　而調速范圍為</b></p><p><b&g

20、t;　　將上面的式代入，得</b></p><p><b>　?。?—4）</b></p><p>　　式（2—4）表示變壓調速系統(tǒng)的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統(tǒng)，值一定，由式（2—4）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。</p><p>　　圖1-1 直流

21、開環(huán)調速系統(tǒng)電氣原理</p><p><b>　　1.3仿真過程</b></p><p>　　1.3.1仿真原理圖</p><p>　　圖1-2 直流電動機開環(huán)調速系統(tǒng)結構圖</p><p>　　根據實驗原理圖在MATLAB軟件環(huán)境下查找器件、連線，接成入上圖所示的線路圖。</p><p><

22、;b>　　仿真具體步驟</b></p><p>　　a、點擊圖標，打開MATLAB軟件，在工具欄里根據提示點擊，點擊MATLAB ，打開一個對話框，點擊里的newmodel，創(chuàng)建一個新文件。</p><p>　　b、點擊工具欄的，打開元器件庫查找新的元器件。</p><p>　　C、原件庫如下圖所示</p><p><

23、b>　　圖1-3 原件庫</b></p><p>　　所用元器件及其參數設置</p><p>　　三相交流電源A、B、C</p><p>　　圖1-4 三相電源參數設置</p><p>　　設置三相電壓都為220V，兩兩之間相位差為120，分別為0、-120、-240。</p><p>　　6-Pul

24、se Generator</p><p><b>　　圖1-5 </b></p><p>　　c）Universal Bridge</p><p>　　普通的橋電路起著過載保護作用，防止電流過大燒壞電機。</p><p><b>　　圖1-6 </b></p><p>　　d

25、) DC Machine（直流電動機）</p><p>　　直流電動機的運行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機械特性，即轉速-轉矩特性。分析表明，運行性能因勵磁方式不同而有很大差異。</p><p>　　F+和F-是直流電機勵磁繞組的連接端，A+和A-是電機電樞繞組的聯結端，TL是電機負載轉矩的輸入端。m端用于輸出電機的內部變量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機轉速、電樞電流、勵磁電流和

26、電磁轉矩四項參數。</p><p>　　修改參數電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為[0.210.0021]，勵磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為[146.70]，勵磁和電樞互感（Field-armature mutual inductance）為0.84，轉動慣量（Total inertia）為0.572，粘滯

27、摩擦系數（Viscous friction coefficient）為0.01，庫侖摩擦轉矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(initial speed)為0.1。</p><p><b>　　圖1-7 直流電機</b></p><p><b>　　e)參數設置</b></p><p>

28、;<b>　　圖1-8</b></p><p><b>　　f) 鎮(zhèn)流橋設置</b></p><p><b>　　圖1-9</b></p><p><b>　　g)直流電源</b></p><p><b>　　圖1-10 </b>&l

29、t;/p><p>　　n）放大器，設置放大系數。</p><p><b>　　圖1-11</b></p><p><b>　　O）階躍信號</b></p><p><b>　　圖1-12</b></p><p><b>　　2.1仿真結果</

30、b></p><p>　　由以上原理圖繪制，參數設置，以及波形調試得出以下仿真結果，其波形圖如下所示：</p><p>　　以下波形分別為轉速n，電樞電流Ia，勵磁電流If，轉矩T</p><p><b>　　a）轉速n</b></p><p><b>　　b）電樞電流Ia</b></p

31、><p>　　C）勵磁電流If </p><p><b>　　d）輸出電壓ud</b></p><p>　　e）RSM輸出電壓ud1</p><p><b>　　f）轉矩T</b></p><p><b>　　3.1仿真分析</b&

32、gt;</p><p>　　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。</p><p>　　晶閘管-電動機系統(tǒng)就是開環(huán)調速系統(tǒng)，調節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉速。如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調速系統(tǒng)都能實現一定范圍內的無級調速。但是，許多需要調速的生產機械常常對靜差率有一定的要求。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時負載大小常有波動，但是，

33、為了保證工件的加工精度和加工后的表面光潔度，加工過程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說，靜差率不能太大，一般要求，調速范圍D=20～40，靜差率s≤5%。又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內連續(xù)軋制，要求各機架出口線速度保持嚴格的比例關系，使被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據工藝要求，須使調速范圍D=3～10時，保證靜差率s≤0.2%～0.5%。在這些情況下，開環(huán)調速系統(tǒng)往往不能滿足要求。&

34、lt;/p><p><b>　　4.1總結</b></p><p>　　這次用MATLAB軟件進行仿真，相對來說實驗現象觀看的沒有那么形象，但是調節(jié)起來比較方便，沒有很大麻煩。但是對于參數計算，我不是很了解，抽象的沒有具體的好把握一點，但是工作效率提高了。</p><p>　　這次仿真結束，我又學習了一種課題的實驗方法，用兩種不同的形式解決了同一個

35、問題，讓我了解了學習的多元性，增加了學習的樂趣，引起了我的探知性。</p><p>　　謝謝我的同學，在我進行仿真的時候給我以指導和幫助！</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　　[1] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)第3版[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2007. [2] 王兆安, 黃俊. 電力電