直流电动机开环调速系统仿真
电子电气工程学院
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
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2011年 6 月 10日
直流电动机开环调速系统仿真
直流电动机开环调速系统仿真
摘要：MATLAB仿真在科学研究中的地位越来越高，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。通过仿真结果的对比，对MATLAB的仿真进行研究。从而总结出如何在仿真过程中对MATLAB的仿真做到最优选择。
详细介绍了用MATLAB语言对《电机与拖动》中直流电动机调速仿真实验的仿真方法和模型建立。其仿真结果与理论分析一致，表明仿真是可信的，可以替代部分实物实验．然后讨论了MATLAB在双闭环直流调速系统教学中的应用。首先在分析直流调速系统原理的基础上, 介绍了基于数学模型的仿真, 在仿真中可灵活调节相关参数, 优化参数设计。其次完成了基于电气原理图仿真, 并分析了调速系统的抗干扰能力。采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善
关键词：直流电动机开环调速系统仿真;阶跃信号；调节器；MATLAB仿真
II
2008级电气工程与自动化专业课程设计论文
1.1课题背景
直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。
长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。
由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。
MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink 中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。
Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。
传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从
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直流电动机开环调速系统仿真
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20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM 控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛。
1.2直流电动机开环调速系统仿真的原理
1.2.1仿真原理
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1-1 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。
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：
(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。
(2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。
(3) 加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
(1) 调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速max n 和最低转速m in n 之比叫做调速范围，用字母D 表示，即
min
max n n D （2—2） 其中，max n 和m in n 一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载
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- 3 - 很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。
(2) 静差率
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落N n ?，与理想空载转速0n 之比，称作静差率s ，即
n n s N ?= （2—3） 或用百分数表示
%1000
??=n n s N 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。
(3) 直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速N n 作为最高转速，若额定负载下的转速降落为N n ?，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
N
N N n n n n n s ?+?=?=m in m in 0 于是，最低转速为
()s
n s n s n n N N N ?-=?-?=1m in 而调速范围为
min min max n n n n D N == 将上面的m in n 式代入，得
()
s n s n D N N -?=1 （2—4） 式（2—4）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关
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- 4 - 系。对于同一个调速系统，N n 值一定，由式（2—4）可见，如果对静差率要求越严，即要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。
图1-1 直流开环调速系统电气原理
1.3仿真过程
1.3.1仿真原理图
图1-2 直流电动机开环调速系统结构图
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
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- 5 - 线路图。
1）仿真具体步骤
a 、点击图标，打开MATLAB 软件，在工具栏里根据提示点击
，点击MATLAB ，打开一个对话框，点击
里的new model ，创建一个新文件。 b 、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。
C 、原件库如下图所示
图1-3 原件库
2）所用元器件及其参数设置
a) 三相交流电源A 、B 、C
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图1-4 三相电源参数设置
设置三相电压都为220V ，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。 b) 6-Pulse Generator
图1-5
c ）Universal Bridge
普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。
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图1-6
d) DC Machine （直流电动机）
直流电动机的运行特性主要有两条:一条是工作特性，另一条是机械特性，即转速-转矩特性。分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异。
F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL 是电机负载转矩的输入端。m 端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。
修改参数电枢电阻和电感（Armature resistance and inductance ）为[0.21 0.0021]，励磁电阻和电感（Field resistance and inductance ）为[146.7 0]，励磁和电枢互感（Field-armature mutual inductance ）为0.84，转动惯量（Total inertia ）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient ）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque ）为1.9，初始角速度(initial speed)为0.1。
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图1-7 直流电机e)参数设置
图1-8
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2008级电气工程与自动化专业课程设计论文f) 镇流桥设置
图1-9
g)直流电源
图1-10
n）放大器，设置放大系数。
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图1-11
O）阶跃信号
图1-12
2.1仿真结果
由以上原理图绘制，参数设置，以及波形调试得出以下仿真结果，其波形图如下所示：
以下波形分别为转速n，电枢电流Ia，励磁电流If，转矩T
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- 11 - a ）转速n
b ）电枢电流
Ia
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C ）励磁电流
If
d ）输出电压
ud
e ）RSM 输出电压ud1
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f ）转矩
T
3.1仿真分析
从上图仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理论分析的波形。
晶闸管-电动机系统就是开环调速系统，调节控制电压c U 就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速。但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波
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动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20～40，静差率s≤5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3～10时，保证静差率s≤0.2%～0.5%。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。
4.1总结
这次用MATLAB软件进行仿真，相对来说实验现象观看的没有那么形象，但是调节起来比较方便，没有很大麻烦。但是对于参数计算，我不是很了解，抽象的没有具体的好把握一点，但是工作效率提高了。
这次仿真结束，我又学习了一种课题的实验方法，用两种不同的形式解决了同一个问题，让我了解了学习的多元性，增加了学习的乐趣，引起了我的探知性。
谢谢我的同学，在我进行仿真的时候给我以指导和帮助！
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.
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