電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文-直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、<p><b>　　電子電氣工程學(xué)院</b></p><p><b>　　專業(yè)課程設(shè)計(jì)論文</b></p><p>　　題 目 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 </p><p><b>　　姓

2、 名 </b></p><p><b>　　班 級(jí)</b></p><p><b>　　學(xué) 號(hào) </b></p><p>　　2011年 6 月 10日</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真</p><p>　　摘 要：MATLAB仿真

3、在科學(xué)研究中的地位越來(lái)越高，如何利用MATLAB仿真出理想的結(jié)果，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確的選擇MATLAB的仿真。本文就簡(jiǎn)單的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真這個(gè)例子，通過(guò)對(duì)MATLAB的仿真，得到不同的仿真結(jié)果。通過(guò)仿真結(jié)果的對(duì)比，對(duì)MATLAB的仿真進(jìn)行研究。從而總結(jié)出如何在仿真過(guò)程中對(duì)MATLAB的仿真做到最優(yōu)選擇。 </p><p>　　詳細(xì)介紹了用MATLAB語(yǔ)言對(duì)《電機(jī)與拖動(dòng)》中直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速仿真實(shí)驗(yàn)的仿

4、真方法和模型建立。其仿真結(jié)果與理論分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分實(shí)物實(shí)驗(yàn)．然后討論了MATLAB在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用。首先在分析直流調(diào)速系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上, 介紹了基于數(shù)學(xué)模型的仿真, 在仿真中可靈活調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù), 優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)。其次完成了基于電氣原理圖仿真, 并分析了調(diào)速系統(tǒng)的抗干擾能力。采用工程設(shè)計(jì)方法對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),進(jìn)行參數(shù)的計(jì)算和校驗(yàn)；給出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,建立起動(dòng)、抗負(fù)載擾動(dòng)的M

5、ATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系統(tǒng)起動(dòng)的轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形,并進(jìn)行調(diào)試,使雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)趨于合理與完善</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真;階躍信號(hào)；調(diào)節(jié)器；MATLAB仿真</p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在2

6、0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)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)?，F(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字

7、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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

8、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。</p><p>　　MATLAB提供動(dòng)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(wèn)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(guò)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

9、進(jìn)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(xiàn)實(shí)的非線性問(wèn)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)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

10、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。</p><p>　　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(guò)程

11、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)，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。</p><p>　　1.2直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)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(dòng)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(guò)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。</p><p>　　任何一臺(tái)需要

13、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，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：</p><p>　　(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。</p&

14、gt;<p>　　(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(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。</p><p>　　(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)。</p><p>　　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”。這兩個(gè)指標(biāo)

15、合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。</p><p><b>　　(1) 調(diào)速范圍</b></p><p>　　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</p><p><b>　　（2—2）</b></p><p>　　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，

16、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。</p><p><b>　　(2) 靜差率</b></p><p>　　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</p><p><b>　?。?—3）</b></p>

17、<p><b>　　或用百分?jǐn)?shù)表示</b></p><p>　　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。</p><p>　　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(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

18、相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。</p><p>　　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(guò)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)。</p><p>　　(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</

19、p><p>　　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</p><p><b>　　于是，最低轉(zhuǎn)速為</b></p><p><b>　　而調(diào)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(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（2—4）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。</p><p>　　圖1-1 直流

21、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理</p><p><b>　　1.3仿真過(guò)程</b></p><p>　　1.3.1仿真原理圖</p><p>　　圖1-2 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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。</p><p><

22、;b>　　仿真具體步驟</b></p><p>　　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，點(diǎn)擊MATLAB ，打開一個(gè)對(duì)話框，點(diǎn)擊里的newmodel，創(chuàng)建一個(gè)新文件。</p><p>　　b、點(diǎn)擊工具欄的，打開元器件庫(kù)查找新的元器件。</p><p>　　C、原件庫(kù)如下圖所示</p><p><

23、b>　　圖1-3 原件庫(kù)</b></p><p>　　所用元器件及其參數(shù)設(shè)置</p><p>　　三相交流電源A、B、C</p><p>　　圖1-4 三相電源參數(shù)設(shè)置</p><p>　　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。</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(guò)載保護(hù)作用，防止電流過(guò)大燒壞電機(jī)。</p><p><b>　　圖1-6 </b></p><p>　　d

25、) DC Machine（直流電動(dòng)機(jī)）</p><p>　　直流電動(dòng)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(lì)磁方式不同而有很大差異。</p><p>　　F+和F-是直流電機(jī)勵(lì)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)部變量和狀態(tài)，在該端可以輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流和

26、電磁轉(zhuǎn)矩四項(xiàng)參數(shù)。</p><p>　　修改參數(shù)電樞電阻和電感（Armature resistance and inductance）為[0.210.0021]，勵(lì)磁電阻和電感（Field resistance and inductance）為[146.70]，勵(lì)磁和電樞互感（Field-armature mutual inductance）為0.84，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Total inertia）為0.572，粘滯

27、摩擦系數(shù)（Viscous friction coefficient）為0.01，庫(kù)侖摩擦轉(zhuǎn)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(jī)</b></p><p><b>　　e)參數(shù)設(shè)置</b></p><p>

28、;<b>　　圖1-8</b></p><p><b>　　f) 鎮(zhèn)流橋設(shè)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(shè)置放大系數(shù)。</p><p><b>　　圖1-11</b></p><p><b>　　O）階躍信號(hào)</b></p><p><b>　　圖1-12</b></p><p><b>　　2.1仿真結(jié)果</

30、b></p><p>　　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：</p><p>　　以下波形分別為轉(zhuǎn)速n，電樞電流Ia，勵(lì)磁電流If，轉(zhuǎn)矩T</p><p><b>　　a）轉(zhuǎn)速n</b></p><p><b>　　b）電樞電流Ia</b></p

31、><p>　　C）勵(lì)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(zhuǎn)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)就是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(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。例如龍門刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工時(shí)負(fù)載大小常有波動(dòng)，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(guò)程中的速度卻必須基本穩(wěn)定，也就是說(shuō)，靜差率不能太大，一般要求，調(diào)速范圍D=20～40，靜差率s≤5%。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)連續(xù)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)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(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍D=3～10時(shí)，保證靜差率s≤0.2%～0.5%。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。&

34、lt;/p><p><b>　　4.1總結(jié)</b></p><p>　　這次用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，相對(duì)來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀看的沒有那么形象，但是調(diào)節(jié)起來(lái)比較方便，沒有很大麻煩。但是對(duì)于參數(shù)計(jì)算，我不是很了解，抽象的沒有具體的好把握一點(diǎn)，但是工作效率提高了。</p><p>　　這次仿真結(jié)束，我又學(xué)習(xí)了一種課題的實(shí)驗(yàn)方法，用兩種不同的形式解決了同一個(gè)

35、問(wèn)題，讓我了解了學(xué)習(xí)的多元性，增加了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，引起了我的探知性。</p><p>　　謝謝我的同學(xué)，在我進(jìn)行仿真的時(shí)候給我以指導(dǎo)和幫助！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)—運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第3版[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2007. [2] 王兆安, 黃俊. 電力電