1、學 號 某某大學 運動控制系統(tǒng)課程設計 設計說明書轉速閉環(huán)控制的直流電動機有靜差調速系統(tǒng)仿真起止日期： 2015 年 1 月 15日 至 2015 年 1 月 22 日學生姓名班級成績指導教師(簽字)控制與機械工程學院2015年 1 月 22 日附表2天津城建大學課程設計任務書2014 2015學年第 1學期 控制與機械工程 學院 電氣工程及其自動化 專業(yè)11電氣1 班級課程設計名稱：運動控制系統(tǒng)課程設計 設計題目： 轉速閉環(huán)控制的直流電動機有靜差調速系統(tǒng) 完成期限：自 2015 年 1 月 16 日至 2015 年 1 月 22 日共 1 周設計依據(jù)、要求及主要內容（可另加附頁）：一、 設計

2、題目：轉速閉環(huán)控制的直流電動機有靜差調速系統(tǒng)仿真（，Kp=50）二、 已知條件及控制對象的基本參數(shù)： 已知直流電動機額定參數(shù)為，4極，。勵磁電壓，勵磁電流。采用三相橋式整流電路，整流器內阻。平波電抗器。，Kp=50三、 設計要求（1）分析系統(tǒng)結構、原理（2）利用matlab/simulink繪制系統(tǒng)的仿真模型并對模塊參數(shù)進行設置。（3）設計反饋系數(shù)（4）對該調速系統(tǒng)進行仿真，并觀察電動機在全壓啟動和啟動后加額定負載時電動機的轉速、轉矩和電流的變化情況。指導教師（簽字）： 系（教研室）主任（簽字）： 批準日期： 2015 年 1 月 22 日目錄緒論1第一章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的原理2第二

3、章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的靜特性分析3第三章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)分析33.1 電壓比較環(huán)節(jié)33.2 放大器環(huán)節(jié)33.3 電力電子變換器環(huán)節(jié)33.4 測速反饋環(huán)節(jié)43.5 額定勵磁下的直流電動機等效環(huán)節(jié)43.6 反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖5第四章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的參數(shù)確定64.1 已知條件及控制對象的基本參數(shù)64.2 電力電子變換環(huán)節(jié)參數(shù)確定64.3 直流電動機環(huán)節(jié)的參數(shù)確定64.4 轉速反饋系數(shù)確定6第五章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)仿真7第六章 總結10第七章 參考文獻10緒論直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術。在20世紀60年代，隨著晶閘

4、管的出現(xiàn)，現(xiàn)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(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動力。盡管目前交流調速的迅速發(fā)展，交流調速技術越趨成熟，以及交流電動機的經(jīng)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(tǒng)以其優(yōu)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(xiàn)在的直流和交流調速裝置都是數(shù)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的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設計一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計算機所接受，然后

5、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。由于對模型建立和仿真實驗研究較少，因此建模通常需要很長時間，同時仿真結果的分析也必須依賴有關專家，而對決策者缺乏直接的指導，這樣就大大阻礙了仿真技術的推廣應用。MATLAB提供動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強大、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中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)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(shù)，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

6、越理想的線性模型去探索更為現(xiàn)實的非線性問題的模型，如現(xiàn)實世界中的摩擦、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象的類型廣泛，可以是機械的、電子的等現(xiàn)實存在的實體，也可以是理想的系統(tǒng)，可仿真動態(tài)系統(tǒng)的復雜性可大可小，可以是連續(xù)的、離散的或混合型的。Simulink會使你的計算機成為一個實驗室，用它可對各種現(xiàn)實中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進行建模與仿真。傳統(tǒng)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(yōu)點的同時也存在著不同的局限性。隨著生產技術的發(fā)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(tài)特性、動態(tài)響

7、應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調速系統(tǒng)。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(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉變流機組控制發(fā)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(xiàn)直流調速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實現(xiàn)數(shù)字化的直流調速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟性不斷提高。調速性能的不斷提高，使直流調速系統(tǒng)的應用非常廣泛。第一章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的原理直流電動機電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc調節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實

8、現(xiàn)直流電動機的調速。在仿真中為了簡化模型，忽略了各種非線性因素以及控制電源和電位器內阻。帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)的結構如圖1所示。系統(tǒng)由轉速給定環(huán)節(jié)Un*，放大倍數(shù)為Kp的放大器，移相觸發(fā)器CF，晶閘管整流器和直流電動機M,測速發(fā)電機TG等組成。該系統(tǒng)在電機負載增加時，轉速將下降，轉速反饋Un減小，而轉速的偏差將增大，同時放大器輸出Uc增加，并經(jīng)移相觸發(fā)器使整流輸出電壓Ud增加，電樞電流Id增加，從而使電動機電磁轉矩增加，轉速也隨之升高，補償了負載增加造成的轉速降。帶轉速負反饋的直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)定特性方程為 閉環(huán)轉速降落為 圖1帶轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)原理框圖從穩(wěn)定特性方程可以

9、看到，如果適當增加放大器放大倍數(shù)Kp，電機的轉速降將減小，電動機將有更硬的機械特性，也就是說在負載變化時，電動機的轉速變化將減小，電動機有更好的保持速度穩(wěn)定的性能。如果放大倍速過大，也可能造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定。第二章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的靜特性分析（1）閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬的多。（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率（空載轉速相同時）比開環(huán)系統(tǒng)小得多。（3）如果所要求靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。（4）要取得上述三相優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。圖2 轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖第三章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)分析3.1電壓比較環(huán)節(jié)圖3.1 電壓比較環(huán)

10、節(jié)動態(tài)結構框圖3.2放大器環(huán)節(jié)圖3.2 放大器環(huán)節(jié)動態(tài)結構框圖3.3電力電子變換器環(huán)節(jié)圖3.3 電力電子變換器環(huán)節(jié)動態(tài)結構框圖3.4測速反饋環(huán)節(jié)圖3.4 測速環(huán)節(jié)動態(tài)結構框圖3.5額定勵磁下的直流電動機等效環(huán)節(jié)(1）假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為 (2)忽略粘性摩擦和彈性轉矩，電動機軸上的動力學方程為 (3)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（Nm）-飛輪慣量（Nm）-額定勵磁下的電動機轉矩系數(shù)，-電磁時間常數(shù)，-機電時間常數(shù)，-負載電流，根據(jù)上述公式，在零初始條件下經(jīng)變形以及拉氏變換得電壓與電流的傳遞函數(shù)為a)電流與電動勢的傳遞函數(shù)為b)額定勵磁下

11、的直流電動機的動態(tài)結構框圖c)圖3.5 直流電動機的動態(tài)結構框圖3.6反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖圖3.6 反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖第四章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)的參數(shù)確定4.1已知條件及控制對象的基本參數(shù)已知直流電動機額定參數(shù)為, ，4極，,。勵磁電壓，勵磁電流。采用三相橋式整流電路，整流器內阻。平波電抗器。測速發(fā)電機參數(shù)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為，, ,，直流穩(wěn)壓電源, ，Kp=50。4.2電力電子變換環(huán)節(jié)參數(shù)確定采用三相橋式整流電路Ks=44,Ts=0.00167。因此，可以確定電力電子變換環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為4.3直流電動機環(huán)節(jié)的參數(shù)確定（1）電動機的電動勢系數(shù)及轉矩系

12、數(shù)（2）電樞回路總電阻（3）電磁時間常數(shù)電樞回路總電感量（4）機電時間常數(shù)4.4轉速反饋系數(shù)確定（1）反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件帶入相關計算參數(shù)得（2）轉速反饋系數(shù)選擇根據(jù)公式得取，帶入相關計算參數(shù)得第五章 轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)仿真（1）轉速單閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)仿真框圖圖5.1 反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真結構框圖（2）全壓啟動電動機的轉速、轉矩和電流的變化情況圖5.2 全壓啟動轉速變化情況圖5.3 全壓啟動電流變化情況圖5.4 全壓啟動轉矩變化情況（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況圖5.5 全壓啟動后加額定負載時電動機的轉速變化情況圖5.6 全壓啟動

13、后加額定負載時電動機的電流變化情況圖5.7 全壓啟動后加額定負載時電動機的轉矩變化情況第六章 總結緊張的一周，奮戰(zhàn)的一周，供配電課程設計終于完成了。通過這一周的課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。這一周的課程設計，使我在以后的學習和生活上都受益匪淺。總得說來：這次課程設計是一次所學知識與實踐相結合的體驗，也進一步鞏固了這學期的學習的有關知識，同時也為以后的工作打下扎實的基礎。感謝老師對我們的諄諄教誨，我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這