直流晶闸管调速系统闭环设计与仿真毕业设计论文.doc

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学校代码：

11059

学号：

0906013010

HefeiUniversity

毕业设计（论文）

BACHELORDISSERTATION

论文题目：

直流电机晶闸管调速系统的设计与分析

学位类别：

工学学士

学科专业：

机械设计制造及其自动化

作者姓名：

杨先

导师姓名：

夏小虎

完成时间：

2013年06月

直流电机晶闸管调速系统的设计与分析

摘要

运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。

自动调速系统主要包括直流调速系统和交流调速系统。

在高性能的拖动技术领域中，相当长时间内基本采用直流电力拖动系统。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，已满足工作机械的要求。

从机械特性上看就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和负载机械特性的的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。

本文以直流电动机为对象，先是分析晶闸管电动机调速系统的开环工作机械特性，然后分析单闭环有静差和无静差工作的系统静特性，以及着重对转速、电流双闭环的机械特性设计与分析，并应用MATLAB软件对系统模型进行了仿真研究。

关键词：

直流电机调速；晶闸管；单闭环；双闭环；MATLAB仿真

ThedesignandanalysisofThyristorDCmotorspeedcontrolsystem

ABSTRACT

Applicationinmotioncontrolsystemisthemostcommonformofautomaticspeedcontrolsystem.AutomaticspeedcontrolsystemincludesACvariablespeedDCdrivesystemandthesystem.Draginthehigh-performancetechnology,therelativelylongperiodoftimealmostalltheDCelectricdrivesystem.Inaddition,basedonfeedbackcontroltheorybasedontheprincipleofDCSpeedControlSpeedControlisthebasisoftheexchange.DCconverterisartificiallyorautomaticallychangethespeedofDCmotorhastosatisfytherequirementsofmechanicalwork.Judgingfromthemechanicalcharacteristicsofthemotorisbychangingtheappliedvoltageandotherparametersormethodstochangethemotor'smechanicalproperties,therebychangingthemotorcharacteristicandloadmechanicalcharacteristicsoftheintersection,thestableoperationofthemotorspeedchange.

ThispaperfocusesontheSCRmotorspeedcontrolsystemofopen-loopmechanicalpropertiesofthework,singleloopwithstaticerrorandpoorworkingsystemwithnostaticstaticproperties,mechanicalpropertiesandthedoubleclosed-loopsystemclosed-loopcontrolcharacteristicsweretested.AndapplytheMATLABsoftwaresystemmodelwassimulated.

Keywords:

DCmotorspeed;thyristor；openloop;doubleloop;MATLABsimulation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

目录 III

第1章绪论 1

1.1直流调速系统的概述 1

1.2课题的提出及研究意义 1

1.3课题分析与论文主要内容 2

第2章晶闸管直流调速系统 3

2.1晶闸管整流技术 3

2.2直流晶闸管调速系统 4

2.3.直流调速系统的控制要求和调速指标 4

第3章转速负反馈单闭环直流调速系统的分析 6

3.1单闭环控制的直流调速系统的组成 6

3.2转速单闭环直流电机调速系统的静特性 7

3.3反馈控制闭环直流调速系统的动态分析 8

3.4单闭环无静差直流调速系统 9

3.4.1PI调节器 10

第4章转速、电流双闭环调速系统及特性和设计 11

4.1双闭环直流电机调速系统的问题的提出 11

4.2双闭环直流调速系统的组成与工作原理 12

4.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 14

4.4双闭环直流调速系统的数学模型与动态分析 15

4.5双闭环直流调速系统的起动过程分析 17

4.6直流调速系统的理论设计 19

4.6.1直流调速系统组成及要求 19

4.6.2电流环的设计 19

4.6.3速度环的设计 21

第五章基于MATLAB/SIMULINK直流调速系统的仿真设计 22

5.1Matlab/Simulink简单介绍 22

5.2双闭环系统的建模与参数设置 23

5.3系统仿真结果的输出及结果分析 25

结论 27

参考文献 28

致谢 29

32

第1章绪论

1.1直流调速系统的概述

三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。

首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。

同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。

直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。

从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

1.2课题的提出及研究意义

电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。

这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。

有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。

按照传动电动机的类型来分，电气传动油直流传动和交流传动两大类。

尽管目前各种交流调速系统得到了普遍的重视和较快的发展，但因为直流电机具有较大的启动转矩，良好的启动、制动性能，以及易于在宽范围内实现平滑调速，所以直流调速系统至今仍然是自动调速系统的一种主要形式。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。

双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。

用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。

大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。

若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。

这样，就有了建立工程设计方法的可能性。

1.3课题分析与论文主要内容

本课题以直流电动机为对象，第一部分说明晶闸管的整流技术，直流调速系统的主要问题和V-M系统开环特性。

为后面研究直流调速系统单闭环，双闭环特性做基础。

第二部分为单闭环控制直流调速系统部分，研究单闭环（转速负反馈）有静差和无静差工作的系统静特性并进行相关分析。

第三部分为双闭环直流调速系统部分，完成双闭环直流调速系统的机械特性和闭环控制特性研究，并进行相关设计分析。

第四部分为软件仿真部分，用MATLAB软件对系统性能进行仿真研究，对仿真结果分析、研究，验证控制方案的合理性。

第2章晶闸管直流调速系统

2.1晶闸管整流技术

晶闸管是PNPN四层三端器件,分别命名为p1、n1、p2、n2四个区，共有三个PN结。

晶闸管外形、结构及图形符号如下图2-1所示。

图2-1晶闸管外形、结构及图形符号

当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。

当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。

只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。

但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。

整流是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电供给直流用电设备。

整流电路可以分为不可控、半控、全控三种。

本论文主要以三相全控整流电路作为可控直流电源供给直流电动机。

三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。

习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一