1、一、緒論直流調速是現代電力拖動自動控制系統中發展較早的技術。在20世紀60年代，隨著晶閘管的出現，現代電力電子和控制理論、計算機的結合促進了電力傳動控制技術研究和應用的繁榮。晶閘管-直流電動機調速系統為現代工業提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調速的迅速發展，交流調速技術越趨成熟，以及交流電動機的經濟性和易維護性，使交流調速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調速系統以其優良的調速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調速原理也是交流調速控制的基礎。現在的直流和交流調速裝置都是數字化的，使用的芯片和軟件各有特點，但基本控制原理有其共性。 長期以來，仿真領域的研究重點是仿真模型

2、的建立這一環節上，即在系統模型建立以后要設計一種算法。以使系統模型等為計算機所接受，然后再編制成計算機程序，并在計算機上運行。因此產生了各種仿真算法和仿真軟件。MATLAB提供動態系統仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、最優秀、最容易使用的一種。它有效的解決了以上仿真技術中的問題。在Simulink中，對系統進行建模將變的非常簡單，而且仿真過程是交互的，因此可以很隨意的改變仿真參數，并且立即可以得到修改后的結果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結果進行分析和可視化。Simulink可以超越理想的線性模型去探索更為現實的非線性問題的模型， Simulink會使

3、你的計算機成為一個實驗室，用它可對各種現實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統進行建模與仿真。 傳統的研究方法主要有解析法，實驗法與仿真實驗，其中前兩種方法在具有各自優點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產技術的發展，對電氣傳動在啟制動、正反轉以及調速精度、調速范圍、靜態特性、動態響應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調速系統。由于直流電機的調速性能和轉矩控制性能好，從20世紀30年代起，就開始使用直流調速系統。它的發展過程是這樣的：由最早的旋轉變流機組控制發展為放大機、磁放大器控制；再進一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實現直流調速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制

4、電路實現數字化的直流調速，使系統快速性、可控性、經濟性不斷提高。調速性能的不斷提高，使直流調速系統的應用非常廣泛。 二、開環直流調速控制系統組成及原理2.1直流電機調壓調速原理直流電動機的穩態轉速: n轉速（r/min）； U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻(）； Ce 電動機在額定磁通下的電動勢系數。調節直流電動機轉速的方法有：（1）調節電樞供電電壓；（2）減弱勵磁磁通；（3）改變電樞回路電阻。自動控制的直流調速系統往往以變壓調速為主。工作條件： 保持勵磁 F = FN ； 保持電阻 R = Ra 調節過程：改變電壓 UN U ；U n ； n0 調速特性：轉速下降，機

5、械特性曲線平行下移，見圖1。圖1 調壓調速特性曲線2.2晶閘管整流器-電動機系統組成及原理圖2給出了晶閘管電動機調速系統（VM系統）的原理圖，圖中VT是晶閘管可控整流器，GT是觸發器，L是平波電抗器，M是直流電動機，給定信號Uc能控制GT觸發器的觸發角度，從而控制整流器VT的整流輸出電壓值，達到控制電機調速的目的。圖2 晶閘管電動機調速系統電氣原理圖2.3直流電動機開環調速系統仿真的原理直流電動機電樞由三相晶閘管整流電路經平波電抗器L供電，并通過改變觸發器移相控制信號Uc 調節晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實現直流電動機的調速。該系統的仿真模型如圖3所示。在仿真中為了簡化模型，省略了

6、整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發同步使用同一交流電源，直流電動機勵磁由直流電源直接供。圖3 直流開環調速系統電氣原理任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。例如，最高轉速與最低轉速之間的范圍，是有級調速還是無級調速，在穩態運行時允許轉速波動的大小，從正轉運行變到反轉運行的時間間隔，突加或突減負載時允許的轉速波動，運行停止時要求的定位精度等等。歸納起來，對于調速系統轉速控制的要求有以下三個方面：(1) 調速。在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地（有級）或平滑地（無級）調節轉速。(2) 穩速。以一定的精度在所需轉速上穩定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確

7、保產品質量。(3) 加、減速。頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩。為了進行定量的分析，可以針對前兩項要求定義兩個調速指標，叫做“調速范圍”和“靜差率”。這兩個指標合稱調速系統的穩態性能指標。(1) 調速范圍生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即其中，和一般都指電動機額定負載時的最高和最低轉速，對于少數負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉速。(2) 靜差率當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率S，即顯然，靜

8、差率是用來衡量調速系統在負載變化時轉速的穩定度的。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定度就越高。然而靜差率與機械特性硬度又是有區別的。一般變壓調速系統在不同轉速下的機械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩定度也就越差。由此可見，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。在調速過程中，若額定速降相同，則轉速越低時，靜差率越大。如果低速時的靜差率能滿足設計要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。因此，調速系統的靜差率指標應以最低速進所能達到的數值為準。(3) 直流變壓調速系統中調速范圍、靜差率和額定速降之間的關

9、系在直流電動機變壓調速系統中，一般以電動機的額定轉速作為最高轉速，若額定負載下的轉速降落為，則按照上面分析的結果，該系統的靜差率應該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉速為而調速范圍為將上面的式代入，得上式表示變壓調速系統的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統，值一定，由上式可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求S值越小時，系統能夠允許的調速范圍也越小。三、 數學模型建立與動態結構圖3.1晶閘管傳遞函數若用單位階躍函數表示滯后，則晶閘管觸發器與整流器的輸入輸出關系為利用拉氏變換的位移定理，可求出晶閘管觸發器與整流器的傳遞函數為 由于上式中包含指數函數，它使系統成為非最小相

10、位系統，分析和設計都比較麻煩。 為了簡化，將該指數函數按泰勒（Taylor）級數展開，則變成 考慮到很小，因而可忽略高次項，則傳遞函數便近似成為一階線性環節。3.2 直流電動機數學模型他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路如圖5所示。圖4 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路假定主電路電流連續，動態電壓方程為：電動機軸上的動力學方程：額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為： 包括電動機空載轉矩在內的負載轉矩，電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量，電動機額定勵磁下的轉矩系數，電力拖動系統機電時間常數。在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數為電流與電動勢間的傳遞函數為 +E (s)-

11、(a)電壓電流間的結構框圖 (b)電流電動勢間的結構框圖+E (s)-(c）直流電動機的動態結構框圖圖5 額定勵磁下直流電動機的動態結構框圖 直流電動機的輸入量：施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制量。3.3 V-M開環調速系統的動態結構圖V-M開環調速系統的動態結構圖如圖6所示。+-圖6 V-M開環調速系統的動態結構圖四、 電路仿真4.1 仿真原理圖圖4.1 直流電動機開環調速系統仿真結構框圖4.2全壓啟動電動機的轉速，轉矩和電流的變化情況圖4.2 全壓啟動轉速變化情況圖4.3 全壓啟動電流變化情況圖4.4 全壓啟動轉矩變化情況4.3全壓啟動后加額定負載時電動機的轉速、轉矩和電流的變化情

12、況圖4.5 全壓啟動后加額定負載時電動機的轉速變化情況圖4.6 全壓啟動后加額定負載時電動機的電流變化情況圖4.7 全壓啟動后加額定負載時電動機的轉矩變化情況五、總結 本課程的課程設計是在學習完電力拖動自動控制系統課程后，進行的一次全面的綜合訓練，其目的在于加深對電力拖動自動控制系統理論知識的理解和對這些理論的實際應用能力，提高對實際問題的分析和解決能力，以達到理論學習的目的,培養應用計算機輔助設計和撰寫設計說明書的能力。熟悉電力拖動自動控制系統基本知識及Matlab仿真軟件。 我通過這次的鍛煉學到了很多的東西, 不僅鍛煉了自己的思考能力、計算能力、繪圖能力，還鍛煉了綜合運用知識的能力，不僅了

13、解電動機如何調速，而且也會運用計算，直到如何選用適當的電動機。同時，我也是在這次課程設計中看到了自己的不足，我還有許多未知的知識要學，直到學海無涯，知道了今后需要更加努力，使自我能夠不斷更加完善。通過這次的課程設計的鍛煉，我學到了很多的東西，可以說是收益非淺。知識就是力量，我會不斷充實自我，用知識武裝自我，做個有用的人！六、參考文獻1 陳伯時. 電力拖動自動控制. 北京：機械工業出版社，2008 2 馮信康，楊興瑤. 電力傳動控制系統原理與應用. 北京：水利水電出版社，1985 3 周德澤. 電氣傳動控制系統的設計. 北京：機械工業出版社，1989 4 林瑞光. 電機與拖動基礎. 杭州：浙江大學出版社，2007 5 李華德. 電力拖動控制系統 . 北京：電子工業出版社，2006 6 閻治安，崔新藝，蘇少平. 電機學. 西安：西安交通大學出版社，2006 7 孫亮，楊鵬. 自動控制原理. 北京：北京工業大學出版社，2006 8 王兆安，黃俊. 電力電子技術. 北京：機械工業出版社，2004目錄一、緒論1二、開環直流調速控