无静差转速负反馈直流调速系统仿真研究讲解.docx
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无静差转速负反馈直流调速系统仿真研究讲解
南京工程学院
课程设计任务书
课
程名
称
电机控制技术
院（
系、部、中心
）
电力工程学院
专
业
电气工程及其自动化
班
级
电气111
起
止日
期
2014，6，3-6，13
指
导教
师
林琳
1．课程设计应达到的目的
《电机控制技术》是电气工程及其自动化专业的专业课程，内容包括交、直流调速和位置控制。
本课程要求学生在掌握基本理论的基础上,逐步培养运用理论去分析解决现场实际问题的能力，而不是机械地仅仅掌握理论而已。
本课程设计正是为达到这一目的而设计的。
2．课程设计题目及要求
：
课设题目
无静差转速负反馈直流调速系统仿真研究
：
课设目的
1）学习掌握单闭环无静差转速负反馈调速系统的工作原理，近似处理方式以及建模。
2）学习掌握MATLAB的应用。
3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕课程设计任务：
（1）审题、选题
（2）系统原理、结构框图的设计
（3）系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序
（4）系统仿真结果分析及结论
（5）完整的设计报告
工作量的要求：
（1）任选一题，要完成3000字左右的报告，包括课程设计的原理和工作过程。
（2）要得出仿真模型及相关波形图。
（3）视选题难度、完成的过程报告、所建模型及方真结果而决定成绩。
4．主要参考文献
1、陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统.北京：
机械工业出版社，
2003.7
2、电机学
3、电机拖动
5．课程设计进度安排
6．成绩考核办法
1、提问答辩
2、报告、程序及波形图
教研室审查意见：
教研室主任签字：
年月日
院（系、部、中心）意见：
主管领导签字：
年月日
：
课设题目
无静差转速负反馈直流调速系统仿真研究
二：
课设目的
（1）学习掌握单闭环无静差转速负反馈调速系统的工作原理，近似处理方式以及建模。
（2）学习掌握MATLAB的应用。
三：
系统概述
直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
直流电动机的稳态转速可表示为
UIRn
Ke
式中n---转速（r/min）;
U---电枢电压（V）；
I---点数电流（A）；
R---电枢回路总电阻（）；---励磁磁通（Wb）；
Ke---由电机结构决定的电动势常数。
由上式可以看出，有三种调节电动机转速的方法：
1）调节电枢供电电压U；
2）减弱励磁磁通；
3）改变电枢回路电阻R。
对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的范式为最好。
四：
参数设定
调速系统的基本数据如下:
晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直
流调速系统,直流电动机:
220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Ω,允许过载倍数λ=1.5;电枢回路总电阻:
R=0.5Ω,电枢回路总电感:
L=15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:
GD2=22.5N·m,晶闸管装置:
放大系数Ks=40,电流反馈系数:
β=0.05V/A,转速反馈系数:
α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:
Toi=0.002s,Ton=0.01s。
五：
数学建模
（1）晶闸管触发与整流装置（V-M）的近似处理用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为
Ud0KsUc1（tTs）
利用拉普拉斯变换的位移定理，则晶闸管装置的传递函数为
将上式按泰勒级数展开，可得
考虑到TS很小，依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置
近似看作一阶惯性环节，则传递函数可表示为
其动态结构框图为
他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如图
其中电枢回路总电阻R和电感L包含电力电子变换器内阻，电枢电阻和电感及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向如图2-20所示。
假定主电路电流连续，动态电压方程为
dId
Ud0RIdLdE
dt
忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为
式中TL---包括电动机空载转矩在内的负载转矩（N·m）
GD2---电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量（N·m2）
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为
ECen
TeCmId
30式中Cm---电动机额定励磁下的转矩系数（N·m/A）,Cm=30Ce
再定义下列时间常数：
Tl---电枢回路电磁时间常数（s），Tl=L;
R
GD2R
Tm---电力拖动系统机电时间常数（s），Tm37G5DCeRCm。
整理以上式子，得
dId
Ud0ER（IdTldtd）
在零初始条件下，取等式两侧的拉普拉斯变换，得到电压与电流间的
传递函数为
电流与电动势间的传递函数为
（3）速度调节器的选取
在采用比例调节器的调速系统中，调节器的输出时电力电子变换器的控制电压UCKpUn。
只要电动机在运行，就必须有控制电压Uc，因而也必须有转速偏差电压Un，这是此类调速系统有静差的根本原因。
如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电压Un的积分，
1t
UcUndt。
当Un是阶跃函数时，Uc按线性规律增长，每一时刻Uc的大
0
小和Un与横轴所包围的面积成正比。
对于闭环系统中的积分调节器，Un不
是阶跃函数，而是随转速不断变化的。
当电动机起动后，随着转速的升高，Un不断减小，但积分作用使Uc仍继续增长，只不过Uc的增长不再是线性的了，每一时刻Uc的大小仍和Un与横轴所包围的面积成正比。
在动态过程中，当Un变化时，只要其极性不变，即只要仍是UnUn，积分调节器的输出Uc便一直增长；只有达到UnUn，Un=0，Uc才停止上升，而达到其终值Ucf。
在这里，值得特别强调的是，当Un=0时，Uc并不是零，而是一个终值Ucf，
如果Un不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控制不同于比例控制的特点。
正因为如此，积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。
上边从无静差的角度突出表明了积分控制优于比例控制的地方，但是从另一方面看，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。
同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐的变化，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该肿么办呢？
只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分（PI）控制。
比例积分控制（PI调节器）的输出由比例和积分两部分叠加而成，其输入-输出关系为
1t
UexKpUinUindt
0
为了使PI调节器的表达式更具有通用性，用Uin表示PI调节器的输入，Uex表示PI调节器的输出。
其传递函数为
WPI（s）Kp1sKpss1
ss
式中Kp---PI调节器的比例放大系数；
---PI调节器的积分时间常数。
（4）比例积分控制的直流调速系统的仿真框图
由以上分析可得比例积分控制的直流调速系统的仿真框图如图所示
六:
参数的计算与整定
三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s，给定Ks=40
CeUd0IdRa0.132Vmin/rn
Cm30Ce1.26Vmin/r
整定PI参数
取Kp0.2513,系统转速性和超调量都满足设计要求
七：
MATLAB仿真
1）仿真模型：
（2）调速
A）改变励磁磁通；
减弱励磁磁通，在仿真模型上即是改变的值
a，=1时，
由图可见：
通过调节磁通来调节转速显然不是十分可行
B）调节电枢供电电压U；
U=3时，
由图可见，调节供电电压时，可以大幅度调节转速，所以调节供电电压在一定条件下最好。
C）改变电枢回路电阻R
想改变电枢回路电阻R，在仿真模型中即是改变
=0.14时
由图可知，改变电阻虽然可以调节转速，但是也可能引起系统的震荡，
随意电阻调节应慎用。
八：
心得体会通过本次试验我更清楚的理解了单闭环无静差转速负反馈调速系统的各个环节的等效，系统的建模以及PI调节器所起的作用，掌握了PI参数的整定和平衡，同时熟悉了office与matlab的应用。
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