【正文】 中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 I 頁 共 I頁 目 錄 1 緒論 ................................................................................................................................. 1 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的介紹 ....................................................................................... 1 直流電機調(diào)速的應用 ............................................................................................ 1 常見的直流調(diào)速系統(tǒng) ............................................................................................ 2 MATLAB 與 SIMULINK 介紹 .............................................................................. 10 MATLAB 介紹 .................................................................................................... 10 2 總體方案設計 .............................................................................................................. 16 設計原理 ................................................................................................................... 17 3 參數(shù)設計 .................................................................................................................... 18 靜態(tài)參數(shù)計算 ......................................................................................................... 19 動態(tài)參數(shù)計算 ......................................................................................................... 20 4 穩(wěn)定性分析 ................................................................................................................ 21 基于 經(jīng)典控制理論的穩(wěn)態(tài)分析 ............................................................................. 21 利用 MATLAB 輔助分析 ...................................................................................... 21 5 系統(tǒng)校正設計 ............................................................................................................... 26 相關知識： ............................................................................................................... 26 調(diào)節(jié)器的設計 ........................................................................................................... 28 校正后的系統(tǒng)仿真 ................................................................................................. 31 結 論 ............................................................................................................................ 36 參 考 文 獻 .................................................................................................................... 37 致 謝 .............................................................................................................................. 39 中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 1 頁 共 36頁 1 緒論 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的介紹 直流電機調(diào)速的應用 電氣傳動主要分為直流電氣傳動和交流電氣傳動兩大類，它們分別采用直流、交流電動機為動力的傳動。直流電動機雖不如交流電動機結構簡單、制 造方便、維護容易、價格便宜等，但是由于直流電動機具有良好的起動、制動性能和調(diào)速性能，可以方便地在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、大型起重機、金屬切削機床、造紙機等調(diào)速性能要求較高的電力拖動領域中得到了廣泛應用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，而直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎。所以掌握好直流調(diào)速系統(tǒng)是很重要的。 ⑴ 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方法 直流他勵電動機的轉速公式可用下式表示 ?e ddd K RIUn ?? （ ） 式中 n—— 轉速； Ud—— 電樞電壓； Id—— 電樞電流； Rd—— 電樞回路電阻； φ —— 勵磁磁通； Ke—— 由電動機結構決定的電動勢系數(shù)。 由此可見，直流電動機的調(diào)速方法有三種： （ 1）改變電樞電壓 —— 調(diào)壓調(diào)速。 （ 2）改變電樞回路電阻 —— 串電阻調(diào)速。 （ 3）改變勵磁磁通 —— 弱磁調(diào)速。 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)采用的主要調(diào)速方式。 ⑵ 直流調(diào) 速系統(tǒng)的供電方式 中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 2 頁 共 36頁 調(diào)節(jié)電動機的電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。早在 20 世紀 4年代，采用電動機 — 發(fā)電機機組（又稱放大機控制的發(fā)電機 — 電動機組系統(tǒng)）向直流電動機供電。但它的缺點是占地大，效率低，運行費用昂貴，維護不方便等。為了克服這些缺點， 50 年代開始使用水銀整流器作為作為可控變流裝置。其主要缺點是污染環(huán)境，危害人體健康。 60 年代初，大功率晶閘管投入使用，采用晶閘管可控整流器向直流電動機供電，隨著晶閘管變流技術的日漸成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。目前，用晶閘管變流器控制的他勵直流電動機，是工業(yè)應用最廣泛的 電動機傳動系統(tǒng)。 ⑶ 對直流調(diào)速系統(tǒng)的要求 各類不同的生產(chǎn)機械，由于其具體的生產(chǎn)工藝過程不同，對控制系統(tǒng)的性能要求也是不同的。但歸納起來有以下三個方面。 （ 1） 調(diào)速 在一定的范圍內(nèi)實現(xiàn)有級或無級地調(diào)節(jié)轉速。調(diào)速系統(tǒng)的轉向若要求正、反轉，則為可逆調(diào)速系統(tǒng)，若只要求單向運轉，則為不可逆調(diào)速系統(tǒng)。 （ 2） 穩(wěn)速 以一定的精度在要求的轉速上穩(wěn)定運行，盡可能不受外部或內(nèi)部擾動的影響，以確保產(chǎn)品質量。 （ 3） 良好的起、制動性能 對于頻繁起、制動的設備要求盡可能快地加、減速，以提高生產(chǎn)效率。不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡可能 地平穩(wěn)。 常見的直流調(diào)速系統(tǒng) ①開環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 圖 11為由晶閘管可控整流器向直流電動機供電的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 圖 11 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 3 頁 共 36頁 1．系統(tǒng)的組成 1）直流電動機 直流電動機有兩個獨立的電路，一個是電樞回路，另一個是勵磁回路。直流電動機各物理量間的基本關系式如下： nKedtdnJTTiKTedtdiLRiueGLedTedaddd????????? 當電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時， did/dt=0， dn/dt=0，上式可寫成 nKEdtdnJTTICTERIUeGLedaTeddd???????? 或 ?? e ddde K RIUKEn ??? 2）晶閘管整流電路 作用：把不變的交流電變換成可控的直流電。 形式：單相整流電路和三相整流電路。 晶閘管有很多優(yōu)點，但使用不當也會出現(xiàn)故障，甚至損壞元件，應加適當?shù)谋Ｗo電路。 3）晶閘管觸發(fā)脈沖電路 晶閘管觸發(fā)脈沖控制是晶閘管變流器常用的控制方式，改變觸發(fā)裝置的控制電壓 Uc的大小，即可移動觸發(fā)器的脈沖相位，實現(xiàn)對整流器輸出電壓的調(diào)節(jié)。晶閘管觸發(fā)脈沖電路主要形式有單結晶體管觸發(fā)電路、正弦波觸發(fā)電路、鋸齒波觸發(fā)電路等。 2． 基本工作原理 圖 11是最簡單的晶閘管 — 直流電動機開 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。其中， UC是系統(tǒng)的給定輸入信號，經(jīng)過觸發(fā)電路控制晶閘管整流電路，使外界交流電源整流出直流電壓Udo 供給直流電動機，使電動機以一定的速度旋轉。改變控制電壓 UC 就可觸發(fā)器的中北大學 2021 屆畢業(yè)論文 第 4 頁 共 36頁 脈沖控制角及整流電壓 Udo，相應改變電動機的轉速，從而達到調(diào)速的目的。 這時電動機的機械特性為： nnC RIUCKC RIUKC RIUn oedce tre dctre ddo ????????? ??? ???? （ ） 其中 ?edCRIn ??? —— 系統(tǒng)的開環(huán)穩(wěn)態(tài)速降。 開環(huán)系統(tǒng)當給定輸入信號一定時，經(jīng)過觸發(fā)電路控制晶閘管整流電路，使交流電源整流出直流電 壓 Udo 也是恒定的，電動機就以恒定的速度旋轉。但當外界有擾動（例如負載波動）時，轉速就有較大的波動，而開環(huán)系統(tǒng)不能自動進行補償。為了滿足技術指標要求，這時應考慮采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。 ①轉速負反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 基本原理 圖 12為轉速負反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)。它在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)圖 11 的基礎上增加了轉速檢測環(huán)節(jié)（測速發(fā)電機 TG 和反饋電位器 RP2）和放大環(huán)節(jié)。測速發(fā)電機TG 和電動機同軸連接， TG 檢測到電動機轉速，并變換成與之成正比的電壓，再經(jīng)電位器衰減為反饋電壓 Ufn，引至放大器的輸入端與轉速給定電壓