基于simulink直流電機調(diào)速系統(tǒng)開題報告

Xxxx大學(xué)本科畢業(yè)論文開題報告基于Simulink的直流電機轉(zhuǎn)速控制仿真研究學(xué)號：xxx姓名：導(dǎo)師：學(xué)院：專業(yè)：日期：目錄一、選題依據(jù)、目的和意義二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展趨勢三、研究的主要內(nèi)容及實驗方法四、目標(biāo)，主要特色及工作進度五、主要參考文獻一、選題依據(jù)、目的和意義直流電機分為有刷和無刷兩種，無刷直流電機〔BLDCM〕是在有刷直流電動機的根底上開展來的，但它的驅(qū)動電流是不折不扣的交流；無刷直流電機又可以分為無刷速率電機和無刷力矩電機。一般地，無刷電機的驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波〔一般是“方波〞〕，另一種是正弦波。有時候把前一種叫直流無刷電機，后一種叫交流伺服電機，確切地講是交流伺服電動機的一種。無刷直流電機在重量和體積上要比有刷直流電機小的多，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量可以減少40％—50％左右。由于永磁材料的加工問題，致使無刷直流電機一般的容量都在100kW以下。這種電動機的機械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，調(diào)速范圍廣，壽命長，維護方便噪聲小，不存在因電刷而引起的一系列問題，所以這種電動機在控制系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。1.1選題依據(jù)無刷直流電動機因卓越的性能和不可替代的技術(shù)優(yōu)勢倍受人們的關(guān)注,特別是自70年代后期以來伴隨著永磁材料技術(shù)、計算機及控制技術(shù)等支撐技術(shù)的快速開展及微電機制造工藝水平的不斷提高,無刷直流電動機在高性能中、小伺服驅(qū)動領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用并日趨占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大,要求控制系統(tǒng)設(shè)計簡易、本錢低廉、控制算法合理。建立無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型,可以有效的節(jié)省控制系統(tǒng)設(shè)計時間,及時驗證系統(tǒng)的控制算法,同時可以充分利用計算機仿真的優(yōu)越性,很方便的改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),參加不同的擾動和參數(shù)變化,可以更好的考察系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)和不同工況下的靜、動特性。因此如何建立無刷直流電機控制系統(tǒng)的仿真模型成為迫切需要解決的關(guān)鍵問題。1.2目的和意義無刷直流電動機具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和控制精度高、無滑動接觸和換相火花、可靠性高、使用壽命長及噪聲低等優(yōu)點，在航空航天、伺服控制、數(shù)控機床、機器人、電動汽車、計算機外圍設(shè)備和家用電器等方面都獲得了廣泛應(yīng)用。隨著無刷直流電機應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，要求控制系統(tǒng)設(shè)計簡易、本錢低廉、控制算法合理、開發(fā)周期短。通過建立有效的無刷直流電動機系統(tǒng)仿真模型，可以節(jié)省控制系統(tǒng)的設(shè)計時間，及時驗證施加于系統(tǒng)的控制算法，觀察系統(tǒng)的控制輸出，具有十分重要的意義。二、無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及開展趨勢由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、價格廉價、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當(dāng)然，近年來，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的開展，交流調(diào)速系統(tǒng)開展快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但是就目前來看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比擬成熟，從控制技術(shù)角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的根底。因此加強對直流調(diào)速系統(tǒng)的開展有利于更進一步開展交流調(diào)速系統(tǒng)，促進調(diào)速系統(tǒng)的進一步完善。根據(jù)直流電機的工作根本原理，由直流電機的機械特性方程可知直流調(diào)速方法有三種：〔1〕改變電樞回路電阻。該方法的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；缺點是效率低。因此，該方法適于小功率直流電機、開環(huán)控制且僅能有級調(diào)速。一般應(yīng)用于電動玩具中?！?〕改變電動機主磁通Φ。該方法的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速；缺點是調(diào)速范圍小而且通常是配合調(diào)壓調(diào)速在基速以上作小范圍的升速?，F(xiàn)已很少單獨使用，通常以非獨立控制勵磁的方式出現(xiàn)。〔3〕調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好?？烧{(diào)的直流電源有以下三種：①旋轉(zhuǎn)變流機組：用交流電動和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)的流電源。這種方法的優(yōu)點是可以在許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運行，缺點設(shè)備多、體積大、費用高、效率低安裝須打地基、運行有噪聲、維護方便，50年代廣泛使用，今天很少用。②靜止式可控整流器：用靜止可控整流器，如晶閘管可控整流器以獲得可控直流電壓。③直流斬波器和脈寬調(diào)制變器：以恒定直流電源供電，用直流波器和脈寬調(diào)制變換器獲得可控的平電壓。比擬上面三種直流調(diào)速方法可看出，改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少使用，僅在一些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，做額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。因此自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速配合使用。下面具體列舉幾種當(dāng)今正在使用和不斷開展的直流電機的主流調(diào)速方法—晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)。1、開環(huán)晶閘管電動機系統(tǒng)原理如圖1所示。速度指令電位器發(fā)出的指令，經(jīng)過脈沖觸發(fā)生成電路產(chǎn)生晶閘管整流器的調(diào)相信號，改變直流電機電樞端電壓，到達調(diào)節(jié)電機速度的目的。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是不能同時滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求，機械特性軟，調(diào)速范圍窄。應(yīng)用于靜差率要求不高的無級調(diào)速場合。圖1開環(huán)晶閘管電動機系統(tǒng)原理圖2、轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2所示。轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓與轉(zhuǎn)速指令電壓相比擬形成偏差電壓，偏差電壓經(jīng)放大作為晶閘管觸發(fā)脈沖生成電路的輸入信號，后與開換電路相同。該方法的優(yōu)點是：與開環(huán)系統(tǒng)相比，機械特性較硬、靜差率較小、一定靜差率的調(diào)速范圍提高了；缺點是起動和堵轉(zhuǎn)電流過大，對電機換向不利、對晶閘管不利。改良提高措施：加偏差調(diào)節(jié)器或限流措施。目前，有三種改良措施：增加電流截止負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)電壓負(fù)反應(yīng)代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、以電壓負(fù)反應(yīng)加電流補償控制代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)?！?〕兩種電流截止負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)〔2〕電壓負(fù)反應(yīng)代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為什么用電壓負(fù)反應(yīng)代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)？因為轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)需要測速發(fā)電機，而測速發(fā)電機的安裝維護比擬困難，另外反應(yīng)信號中含有交流成分，會給調(diào)試和運行帶來麻煩。對調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)，可以考慮電壓負(fù)反應(yīng)代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)。〔3〕以電壓負(fù)反應(yīng)加電流補償控制代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電壓負(fù)反應(yīng)代替轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能不如轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能，假設(shè)采取一些措施，如增加電流正反應(yīng)補償控制，可以使該系統(tǒng)調(diào)速性能接近轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能。圖2轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖3、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。直流電機雙閉環(huán)〔電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)〕調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強優(yōu)點。我們知道反應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反應(yīng)環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負(fù)反應(yīng)作用限制電流得沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中,我們希望在電機最大電流受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流〔轉(zhuǎn)矩〕為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流〔轉(zhuǎn)矩〕首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過程，按照反應(yīng)控制規(guī)律，電流負(fù)反應(yīng)就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反應(yīng)，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)，不在*電流負(fù)反應(yīng)發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)作用又能使它們作用不同的階段。在設(shè)計過程中，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反應(yīng)分別起作用，需要設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)4、三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的根底上，在電流環(huán)內(nèi)再加電流變化率內(nèi)環(huán)或電壓內(nèi)環(huán)構(gòu)成兩種三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。增加了電流變化率內(nèi)環(huán)，提高了電流環(huán)的響應(yīng)速度，使起動過程的轉(zhuǎn)速和電流更接近理想波形，進一步改善了電機的起動性能。5、晶閘管電動機系統(tǒng)的可逆線路前面的調(diào)速系統(tǒng)均未考慮電機可逆運轉(zhuǎn)問題?？紤]可逆問題使晶閘管電動機系統(tǒng)進一步完善。電動機可逆運轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法有兩種：電樞反接可逆線路和勵磁反接可逆線路。其中，電樞反接可逆線路有如下三種實現(xiàn)方法：用接觸器切換的可逆線路、用晶閘管開關(guān)切換的可逆線路、兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。勵磁反接可逆線路也有三種實現(xiàn)的方法：用接觸器切換的可逆線路、用晶閘管開關(guān)切換的可逆線路、兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。用接觸器切換的可逆線路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟，缺點是如果接觸起頻繁切換，其動作噪聲大，壽命短；動作時間長〔幾秒〕，適應(yīng)于不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的機械。用晶閘管開關(guān)切換的可逆線路的優(yōu)點是線路簡單，可靠性較高。缺點是需要四個耐壓和容量都較高的開關(guān)晶閘管，并不經(jīng)濟，常用于中小容量的拖動系統(tǒng)。兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的優(yōu)點是可靠性高、切換迅速，缺點是兩組晶閘管不能同時處于整流狀態(tài)，否那么將造成電源短路，因此該系統(tǒng)對控制電路提出了嚴(yán)格要求，適用于要求經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械。三相橋式可逆線路在反向過程的性能和環(huán)流方面存在問題。反向過程主要在于制動過程和反向起動過程。環(huán)流在于存在直流平均環(huán)流、瞬時脈動環(huán)流。為了解決上述兩方面的問題，產(chǎn)生了多種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總的來說可以分為兩種：有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)、無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。6、有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)〔1〕有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)之一用正反組配合工作制消除直流平均環(huán)流；用環(huán)流電抗器減小瞬時脈動環(huán)流；用剩余的少許脈動環(huán)流改善低速機械性能，防止電流斷續(xù)?！?〕有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)之二當(dāng)主回路電流斷續(xù)時采用正組控制角小于反組逆變角的控制方式；當(dāng)主回路電流連續(xù)時采用正組控制角大于反組逆變角的控制方式。7、無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)〔1〕無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)之一：邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)這種系統(tǒng)的優(yōu)點是省掉了四個環(huán)流電抗器；既無直流平均環(huán)流又無瞬時脈動環(huán)流，可靠性高，它的缺點是反向過程慢、電流不平滑。常應(yīng)用于反向過程平滑性不高，可靠性要求高的大型系統(tǒng)?！?〕無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)之二：邏輯選觸無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)利用電子模擬開關(guān)進行選觸的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是節(jié)省了一套控制器和觸發(fā)裝置。從簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)性能出發(fā)，人們采取了一些措施，得到了其他形式的控制方式。〔3〕無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)之三:錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)的原理是借助于兩組觸發(fā)脈沖的錯位來實現(xiàn)無環(huán)流。正組控制角+反組逆變角=360度或300度，初始相位整定在180度或150度。系統(tǒng)原理如圖4所示。圖4錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理圖由以上開展過程可知，首先直流調(diào)速系統(tǒng)的開展過程是一個從簡單到復(fù)雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調(diào)速到可逆調(diào)速的不斷豐富完善的過程。開展過程如圖5所示。不僅存在從單一調(diào)速方式向多種調(diào)速方式的縱向開展過程，而且每一種調(diào)速系統(tǒng)本身也都在開展完善之中。如開環(huán)閉環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、三環(huán)、有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)和無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)都在不斷的完善和開展之中。單閉環(huán)不僅是轉(zhuǎn)速閉環(huán)一種，根據(jù)應(yīng)用要求不同可以采用電壓負(fù)反應(yīng)、電流補償?shù)忍娲胧Ｓ协h(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有兩種，無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有三種，它們都在不斷完善和開展之中。其次，直流調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生與開展都與其他學(xué)科存在緊密聯(lián)系。第一它與電機學(xué)有緊密地聯(lián)系，因為對于調(diào)速來說，電機是控制對象，對控制對象的研究越深入控制效果才會越好。第二與半導(dǎo)體變流技術(shù)的開展密不可分，電力電子技術(shù)元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調(diào)速系統(tǒng)的性能才會越好。微型計算機的開展，尤其是微控制器的開展為直流調(diào)速系統(tǒng)的進一步開展插上了翅膀。微控制器在這里的應(yīng)用，改變了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改變了傳感元件的檢測技術(shù)，并且使各種先進控制算法得以實現(xiàn)。任何設(shè)計都不是終極設(shè)計，都在隨著其他科技的開展而不斷完善。圖5直流調(diào)速方法分類圖三、研究的主要內(nèi)容及實驗方法論文首先研究直流無刷電動機的工作原理及控制系統(tǒng)的脈寬調(diào)速控制原理，對三相繞組直流無刷電動機主回路的控制方案分析比照后，確定本課題所采用的控制方案。通過對直流無刷電動機的理論分析，建立了直流無刷電動機的數(shù)學(xué)模型，在轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速的根底上對控制系統(tǒng)進行研究，結(jié)合直流無刷電動機的特點系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，速度環(huán)為PI控制，電流環(huán)采用滯環(huán)電流控制，對無刷直流電動機及其控制系統(tǒng)進行了研究，并且基于simulink建立了仿真模型，通過仿真結(jié)果對三環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)速性能進行驗證。四、主要特點及工作進度安排4.1主要特點本文在分析無刷直流電機數(shù)學(xué)模型