直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 摘 要 本文分析了直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制器與被控對象的控制現(xiàn)象，以及開環(huán)控制系統(tǒng)對被控對象的控制的問題。同時給出解決減小擾動的控制方案。本文針對開環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并和閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行比較，使學(xué)生認(rèn)識到采用開環(huán)控制方案對最基本的控制方案有一定的了解，并對閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)有一定的認(rèn)識。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

2、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。 目 錄一 課題背景 1二 直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真原理 1 2.1 仿真原理 1 2.2 參數(shù)的理論計(jì)算值 3三 仿真過程 3 3.1 仿真原理圖 4 3.2 仿真結(jié)果

3、13四 仿真分析16五 總結(jié)16六 參考文獻(xiàn)16一、 課題背景 直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，高性能交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，交流調(diào)速系統(tǒng)有逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)的趨勢。然而，直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，許多電機(jī)要求在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并且要求有良好的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。而直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的啟動，制動性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正

4、反向的電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。從控制角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動的基礎(chǔ)。早期直流電動機(jī)的控制均以模擬電路為基礎(chǔ)，采用運(yùn)算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件非常復(fù)雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試?yán)щy，阻礙的電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣。隨著模擬技術(shù)的逐漸成熟使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機(jī)的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能夠達(dá)到更高的性能，還能節(jié)省人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效提高工作效率。二、直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真原理 2.1 仿真原理 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理如圖1所示。直流電動機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平

5、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)現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖2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(jī)勵磁由直流電源直接供電。任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：(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）或平滑地（無級）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，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。(3) 加、減速。頻繁起、制動的設(shè)

6、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、制動盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項(xiàng)要求定義兩個調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個指標(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，和一般都指電動機(jī)額定負(fù)載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。(2) 靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即。顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時轉(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

7、。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)械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(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，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時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)系在直流電動機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機(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，調(diào)速范圍為，表示變壓調(diào)

8、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。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由可見，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 圖1 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理2.2 參數(shù)的理論計(jì)算值 Generator的同步電壓連接。觸發(fā)器的控制角（alphadeg端）通過了移相控制環(huán)節(jié)（shifter），移相控制模塊的輸入是移相控制信號Uc（圖2中Uc），輸出是控制角，移相控制信號Uc由常數(shù)模塊設(shè)定。移相特性如圖3所示。移相特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為在本模型中取，所以。在電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入端TL接入了斜坡（Ramp）和飽和(Satutration)兩個串聯(lián)模塊，斜坡模塊用于設(shè)置負(fù)載

9、轉(zhuǎn)矩上升速度和加載的時刻，飽和模塊用于限制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值。三、仿真過程3.1仿真原理圖 圖2 直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型根據(jù)實(shí)驗(yàn)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。1、 具體仿真步驟a、點(diǎn)擊圖標(biāo)，打開Matlab軟件，在工具欄里根據(jù)提示點(diǎn)擊，再點(diǎn)擊matlab help，打開一個對話框，點(diǎn)擊里的newmodel，創(chuàng)建一個文件頭為的新文件。b、點(diǎn)擊工具欄的，打開元器件庫查找新的元器件。c、原件庫如下圖所示如果不知在哪里找到元器件，可以在里輸入元器件的名稱，鍵入ENTER即可查找。2、所用元器件及其參數(shù)設(shè)置 a)Three-Phase Source（三相交

10、流電源A、B、C） 三相電源參數(shù)設(shè)置設(shè)置三相電壓都為220V，兩兩之間相位差為120，分別為0、-120、-240。 b）Universal Bridge(三相整流橋）普通的橋電路起著過載保護(hù)作用，防止電流過大燒壞電機(jī)。 c)Synchronized 6-Pluse Generator(同步脈沖觸發(fā)器） d) DC Machine（直流電動機(jī)）直流電動機(jī)的運(yùn)行特性主要有兩條:一條是工作特性，另一條是機(jī)械特性，即轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性。分析表明，運(yùn)行性能因勵磁方式不同而有很大差異。F+和F-是直流電機(jī)勵磁繞組的連接端，A+和A-是電機(jī)電樞繞組的聯(lián)結(jié)端，TL是電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的輸入端。m端用于輸出電機(jī)的內(nèi)部變

11、量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩四項(xiàng)參數(shù)。修改參數(shù)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(zhuǎn)動慣量（Total inertia）為0.572，粘滯摩擦系數(shù)（Viscous friction coefficient）為0.01，庫侖摩擦轉(zhuǎn)矩（Coulomb friction torque）為1.9，初始角速度(

12、initial speed)為0.1。 e).Voltage Measurement f)Constant g)Fcn h)Senies RLC Branch i) Mean Value j)Scope k)Gain l)Saturation m)Ramp n)Demuxo)DC Voltage Sourcep)XY Graph13.2 仿真結(jié)果由以上原理圖繪制，參數(shù)設(shè)置，以及波形調(diào)試得出以下仿真結(jié)果，其波形圖如下所示： a. 整流器輸出電壓b.電樞兩端電壓c.電動機(jī)轉(zhuǎn)速d.電樞電流e.電動機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線 f、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性四、仿真分析 仿真的結(jié)果如圖上圖a,b,c,d,e,f所示。其中圖a所示為

13、整流器輸出端的電壓波形（局部），圖b 所示為經(jīng)平波電抗器后電動機(jī)電樞兩端電壓波形，該波形較整流器輸出端的電壓波形脈動減少了許多，電壓平均值在225V左右符合設(shè)計(jì)要求。圖c 所示為轉(zhuǎn)速變化過程，在全壓直接起動情況下，起動電流很大，在2.5s左右起動電流下降為零（空載起動），起動過程結(jié)束，這時電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到最高值。在起動0.5s后加額定負(fù)載，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，電流增加。圖e所示為電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化曲線，轉(zhuǎn)矩曲線與電流曲線成比例。圖f給出了工作過程中電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線。通過仿真反映了開環(huán)晶閘管-直流電動機(jī)系統(tǒng)的空載起動和加載工作情況。五、總結(jié) 一開始拿到題目的時候自己就完全不知道如何下手，看到要求用matlab這個軟件進(jìn)行仿真分析，一下子就蒙了，似乎熟悉，似乎有模糊，熟悉是因?yàn)樯蠈W(xué)期，學(xué)習(xí)電力電子的時候用過，模糊的是現(xiàn)在大多數(shù)已經(jīng)忘記怎么用了。不過，經(jīng)過一輪摸索過后找到了以前的感覺，因此畫起來就輕松多了。圖是畫起了，但是運(yùn)行起來后，輸出的波形總是不對。因?yàn)橐獙υM(jìn)行準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置，才能輸出需要的的波形效果。而這也是我們感到最不容易的，必須要一一進(jìn)行分析計(jì)算，最后再將得到的參數(shù)填寫在相應(yīng)的元件中去。通過本次的課程設(shè)計(jì)，不僅讓自己學(xué)習(xí)到了專業(yè)知識，而且也對matlab這個軟件有了