1、天津城建大學課程設計任務書控制與機械工程 學院 電氣工程及其自動化 課程設計名稱： 運動控制系統課程設計 設計題目： 直流電動機開環調速系統仿真 完成期限設計依據、要求及主要內容：一、已知條件及控制對象的基本參數： 已知直流電動機額定參數為，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。二、 設計要求（1）分析系統結構、原理（2）利用matlab/simulink繪制系統的仿真模型并對模塊參數進行設置。（3）對該晶閘管-整流電動機開環調速系統進行仿真，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。三、 參考文獻 1.王兆安，等.電.力

2、電子技術M.北京:機械工業出版社，2000.2.張廣溢，等.電機學M。重慶:重慶大學出版社，2002.3.王軍.自動控制原理M。重慶:重慶大學出版社，2008.4.周淵深.交直流調速系統與Flat 1 ab仿真M.儼比京:中國電力出版社，2004.5.陳伯時，電力拖動自動控制系統(第2版)M.北京:機械工業出版社.20056.陳伯時.電力拖動自動控制系統一一運動控制系統(第3版)機械工業出版社 指導教師（簽字）： 系（教研室）主任（簽字）： 批準日期： 2015年 1 月19 日目錄一、 緒論1二、 直流電動機開環調速系統仿真的原理12.1晶閘管整流器-電動機系統組成及原理12.2直流電動機開

3、環調速系統仿真的原理2三、 數學模型建立與動態結構圖43.1晶閘管傳遞函數43.2 直流電動機數學模型53.3直流開環調速系統穩態結構圖53.4 直流開環調速系統的開環傳函53.5參數的選擇6四、系統仿真64.1仿真原理圖64.2 仿真結果74.3 仿真結果分析8五、總結8參考文獻：91、 緒論在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

4、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。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提供動態系統仿真工具Simuli

5、nk，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，如現實世界中的摩擦、空氣阻力、齒輪嚙合等自然現象；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、電子的等現實存在的實體，也可以是理想的系統，可仿真動態系統的復雜性可大可小，可以是連續

6、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，

7、用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制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。2、 直流電動機開環調速系統仿真的原理2.1晶閘管整流器-電動機系統組成及原理 晶閘管電動機調速系統（簡稱VM系統），其簡單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型。優點：通過調節觸發裝置GT的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現平滑調速。缺點：1由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難。2元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/

8、dt都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件。因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應有足夠的余量。圖1 VM系統2.2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1-1 所示。在仿真中為了簡化模型，省略了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。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

9、，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”。

10、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 （23）或用百分數表示顯然，靜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

11、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

12、的式代入，得 （24） 式（24）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，由式（24）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求值越小時，系統能夠允許的調速范圍也越小。圖2 直流開環調速系統電氣原理3、 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

13、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3所示。圖3 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3.3直流開環調速系統穩態結構圖圖4 直流開環調速系統穩態結構圖3.4 直流開環調速系統的開環傳函該系統的動態結構框圖如下：圖5 開環調速系統的動態結構圖由圖5可以得到該系統的傳

14、遞函數為（不考慮擾動）：其中：為時間滯后常數，Tl為電樞回路電磁時間常數，Ce為電動機電動勢系數，Ks為裝置的放大系數，Tm電力拖動系統機電時間常數。3.5參數的選擇（1） 放大器系數:（2） 電力電子變化器的等效傳函：由給定條件可知且晶閘管裝置的滯后時間常數所以（3）電動機參數：主電路等效電阻 機電時間常數 電樞回路電磁時間常數 四、系統仿真4.1仿真原理圖圖6 開環調速系統仿真原理圖4.2 仿真結果由圖6的仿真原理圖可以得到如下的仿真結果：（1） 電動機電流、轉矩圖7 仿真結果1（2） 轉速n圖8 仿真結果24.3 仿真結果分析從上圖仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理論分析的波形。晶閘管-電動機系統就是開環調速系統，改變放大器的放大系數調節電動機的轉速，如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環調速系統都能實現一定范圍內的無級調速。但是，許多需要調速的生產機械常常對靜差率有一定的要求。五、總結通過本次課程設計，使我更加熟練的使用MATLAB和visio等畫圖軟件，并且對于運動控制這門科目有了更深的了解。通過查閱相關資料掌握了開環調速系統的原理及應用。這次仿真結束，我又學習了