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08064102何洋

专业课程设计论文

题目直流电动机开环调速系统仿真

专业电气工程与自动化

姓名何洋

班级20010级二班

学号201008064102

直流电动机开环调速系统仿真

摘要：

直流电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。

研究直流电机的控制和调速方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。

MATLAB仿真在科学研究中得到广泛应用，如何利用MATLAB仿真出理想的结果，关键在于如何准确的选择MATLAB的仿真。

本文就简单的开环直流调速系统的MATLAB仿真这个例子，通过对MATLAB的仿真，得到不同的仿真结果。

关键词：

直流电动机调速；开环调速系统；MATLAB/SIMULINK仿真；

1引言

在现代生产过程中，许多电机要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。

而直流电动机开环调速系统具有良好的启动，制动性能，适宜在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛的应用。

从控制角度来看，直流调速还是交流拖动的基础。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍的电动机控制技术的发展和应用范围的推广。

随着模拟技术的逐渐成熟使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能够达到更高的性能，还能节省人力资源和降低系统成本，从而有效提高工作效率。

事实上由于电机的容量较大，又要求电流的脉动较小，故采用三相全控桥式整流电路供电方案。

为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波电动势的不良影响，应采用△/Y接法。

调压调速系统是在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。

只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且实现可逆运行。

转速、电流截止负反馈闭环系统既兼顾了启动时的电流的动态过程，又保证稳态后速度的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。

达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。

在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：

直流调速系统和交流调速系统。

交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。

相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。

直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。

其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。

电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。

目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。

功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。

脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。

进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。

PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。

通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。

在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。

2直流电动机开环调速系统原理

2.1原理

直流开环调速系统的电气原理如图1所示。

直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。

该系统的仿真模型如图2所示。

在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供电。

图1直流开环调速系统电气原理

图3移相特性

2．2个参数的理论计算值

Generator）的同步电压连接。

触发器的控制角（alpha—deg端）通过了移相控制环节（shifter），移相控制模块的输入是移相控制信号Uc（图2中Uc），输出是控制角，移相控制信号Uc由常数模块设定。

移相特性如图3所示。

移相特性的数学表达式为

在本模型中取

，

，所以

。

在电动机的负载转矩输入端TL接入了斜坡（Ramp）和饱和（Satutration）两个串联模块，斜坡模块用于设置负载转矩上升速度和加载的时刻，饱和模块用于限制负载转矩的

3仿真过程

3.1仿真原理如图2

根据实验原理图在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。

图2直流电动机开环调速系统的仿真模型

1、具体步骤

a、点击桌面Matlab图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击

，再点击matlabhelp，打开一个对话框，点击

里的new

model，创建一个文件头为

的新文件。

b、点击View，LibraryBrowser，打开元器件库查找新的元器件。

如果不知在哪里找到元器件，可以在

里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。

2、所用元器件及其参数设置

a.ThreePhaseSource

Synchronized6-Pulse

b.XYGraph

f.Gain1

e.DCMachine

g.SeniesRLCBranch

h.UniversalBridge

i.MeanValue

j.block

l.Saturation

j.Ranp

k.Fcn

m.Uct

l.ud1

3.3仿真结果

根据上面的步骤查找器件，连线，可画出原理图，运行之后，得到如下波形。

a.整流输出电压

b.电枢两端电压

c.电动机转速

d.转矩转速特性

e.电动机转矩曲线

4仿真分析

仿真的结果如图上图a,b,c,d,e所示。

其中图中所示为整流器输出端的电压波形（局部），图4所示为经平波电抗器后电动机电枢两端电压波形，该波形较整流器输出端的电压波形脉动减少了许多，电压平均值在225V左右符合设计要求。

图d所示为转速变化过程，在全压直接起动情况下，起动电流很大，在2.5s左右起动电流下降为零（空载起动），起动过程结束，这时电动机转速上升到最高值。

在起动0.5s后加额定负载，电动机的转速下降，电流增加。

图e所示为电动机的转矩变化曲线，转矩曲线与电流曲线成比例。

图d给出了工作过程中电动机的转矩-转速特性曲线。

通过仿真反映了开环晶闸管-直流电动机系统的空载起动和加载工作情况。

5总结

这次做的是直流电动机开环调速系统仿真，在之前学习自动控制原理和ProtelDXP课程时使用过Matlab软件，所以说这次使用相对来说比之前容易点。

这次用Matlab软件进行仿真时，实验现象没之前那么容易观察到，但是波形图调节起来比较方便，没有太大的问题。

但是对于元件参数的设置和计算，我不太熟悉，但是我在以后的练习中一定会注重提高自己在这方面的能力。

在本次试验过程中，我学到了很多东西，专业课题设计是我们第一次接触到，我觉得还有很多东西值得去探索。

参考文献：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M].北京：

机械工业出版社,2007.

[2]王兆安,黄俊.电力电子技术第4版[M].北京：

机械工业出版社,2000.

[3]任彦硕.自动控制原理[M].北京：

机械工业出版社,2006.

[4]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京：

机械工业出版社,2006.