【正文】 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 編號(hào) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 題目 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 二級(jí)學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué)生姓 名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 職稱(chēng) 時(shí) 間 ???K eIRUn ??? KeIRUn 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )格式規(guī)范化要求及裝訂順序 一、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）裝訂要求（必須按以下順序，用計(jì)算機(jī)打印）： 目錄。 附錄。 工程設(shè)計(jì)類(lèi)題目的圖紙應(yīng)全部用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙均應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 四、文獻(xiàn)翻譯 外文翻譯可用鋼筆書(shū)寫(xiě)，也可用計(jì)算機(jī)打印。 隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門(mén)極可關(guān)斷晶體管 GTO、全控電力晶體管 GTR、 PMOSFET、絕緣柵晶體管 IGBT 等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調(diào)寬型開(kāi)關(guān)放大器（ Pulse Width Modulated）已逐步發(fā)展成熟，用途越來(lái)越廣。文章重點(diǎn)介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和 PWM 發(fā)生器、直流電機(jī)模塊互感等參數(shù)的設(shè)置 。 Double Close Loop。如今，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多行業(yè)的規(guī)模越來(lái)越大，直流電機(jī)仍然有著不可替代的作用，如鐵路直流機(jī)車(chē)直流牽引電機(jī)、地鐵機(jī)車(chē)直流牽引電機(jī)、機(jī)車(chē)直流輔助電機(jī)、礦用機(jī)車(chē)直 流牽引電機(jī)、船用直流電機(jī)、軋鋼電機(jī)等等 。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在 各種 需要 2 2 2 高性能可控電力拖動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用歷史悠久。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律 、 性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 本課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 雙閉環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)在上世紀(jì)七十年代在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家興起，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展已經(jīng)成熟，在二十一世紀(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化與智能化。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用的先進(jìn)電氣調(diào)速系統(tǒng)幾乎完全實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類(lèi)儀器儀表，機(jī)械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中。 我國(guó)從 20 世紀(jì) 60 年代初試制成功第一只硅晶閘管以來(lái)，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。因此我國(guó)直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（ pulse width modulation,簡(jiǎn)稱(chēng) PWM）方向發(fā)展。并通過(guò) MATLAB 進(jìn)行系統(tǒng)的 建模和 仿真，分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。 從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類(lèi)型。因此，該方法適于小功率直流電機(jī)、開(kāi)環(huán)控制且僅能有級(jí)調(diào)速。 (3) 改變電樞電壓調(diào)速 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用， 在 額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。 （ 2） 穩(wěn)速：以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量 。 調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D表示，即 其中 maxn 和 mixn 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的 最高和最低 轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的 最高和最低 轉(zhuǎn)速。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)， Nn? 值一定，由上式可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 S值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 （ 2）開(kāi)關(guān)頻率比較高，電機(jī)損耗及發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。 （ 6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。不可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。 圖 21 是 H 型雙極性可逆 PWM 變換器原理圖。 13 13 13 圖 21 H型雙極性可逆 PWM 變換器 （ 1）正向運(yùn)行： ???K eIRUn 14 14 14 第 1 階段 ， 在 0 ≤ t ≤ ton 期間， Ug Ug4為正， VT VT4 導(dǎo)通 ， Ug2 、 Ug3為負(fù)， VT VT3 截止，電流 id 沿回路 1 流通，電動(dòng)機(jī) M 兩端電壓 UAB = +Us； 第 2 階段，在 ton ≤ t ≤ T 期間， Ug Ug4為負(fù)， VT VT4 截止， VD VD3續(xù)流，并鉗位使 VT2 、 VT3 保持截止，電流 id 沿回路 2 流通，電動(dòng)機(jī) M 兩端電壓 UAB = –Us ； （ 2）反向運(yùn)行： 第 1 階段，在 0 ≤ t ≤ ton 期間， Ug Ug3為負(fù)， VT VT3 截止， VD VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT VT4 截止，電流 –id 沿回路 4 流通，電動(dòng)機(jī) M兩端電壓 UAB = +Us ； 第 2 階段，在 ton ≤ t ≤ T 期間， Ug Ug3 為正 ， VT VT3 導(dǎo)通， Ug Ug4為負(fù)，使 VT VT4 保持截止，電流 – id 沿回路 3 流通，電動(dòng)機(jī) M 兩端電壓 UAB = – Us ； 當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)工作時(shí)，在每一個(gè) PWM 周期的正脈沖區(qū)間， VT VT4 導(dǎo)通， VT VT3 截止。但它只是在超過(guò)臨界電流 dcrI 值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形如圖 上圖 （ b）所示， 這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線(xiàn)性增長(zhǎng)的。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔?在 不同的階段。 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能， 該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器 ASR 和 ACR 一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器 [9]。一般存在兩種狀況：飽和 ——輸出達(dá)到限幅值；不飽和——輸出未達(dá)到限幅值。因此，對(duì)靜特性來(lái) 21 21 21 說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。 （ 2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， ASR 輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 26 所示。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 三個(gè)階段。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快???KeIRUn???KeIRUn???KeIRUn 25 25 25 增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸入偏差電壓 的數(shù)值仍比較大，輸出電壓保持限幅值，強(qiáng)迫電樞電流 Id 迅速上升。 從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，這是啟動(dòng)過(guò)程的主要階段 。 第 Ⅲ 階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。超調(diào)后 ， ASR 輸入偏差電壓變負(fù) ，使 它開(kāi)始 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR 的給定電壓）才從限幅值降下來(lái)，但是，由于 Id 仍大于負(fù)載電流 dLI ，在開(kāi)始一段時(shí)間??? K e IRUn 26 26 26 內(nèi)轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)一定有超調(diào)，只有在超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí) ASR 發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中表現(xiàn)為無(wú)靜差調(diào)速。轉(zhuǎn)速略 27 27 27 有超調(diào)一般是容許的，對(duì)于完全不允許超調(diào)的情況，應(yīng)采用其他控制方法來(lái)抑制超調(diào)。 28 28 28 29 29 29 3 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串級(jí)連 接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 裝置。 31 31 31 建立調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法所遵循的原則是： （ 1） 概念清楚、易懂； （ 2） 計(jì)算公式簡(jiǎn)明、好記； （ 3） 不僅給出參數(shù)計(jì)算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； （ 4） 能考慮飽和非線(xiàn)性控制的情況，同樣給出簡(jiǎn)明的計(jì)算公式； （ 5） 適用于各 種可以簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)要求： ① 靜態(tài)指標(biāo) :無(wú)靜差； ② 動(dòng)態(tài)指標(biāo)： 電流超調(diào)量 %5%?i? ，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速超調(diào)量 %10%?n? [3]。 因?yàn)????? 13 1 sT ci?，所以滿(mǎn)足近似條件。 ???KeIRUn 35 35 35 現(xiàn)在 ???? 131131 ois TT ci?，滿(mǎn)足近似條件。 現(xiàn)在i sT ????? ?? 15 1，所以滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件。 4 MATLAB 仿真設(shè)計(jì) MATLAB 仿真軟件介紹 38 38 38 MATLAB 是 ―矩陣實(shí)驗(yàn)室 ‖（ Matrix Laboratory）的縮寫(xiě) ,它是以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的，集數(shù)學(xué)計(jì)算、結(jié)果可視化和編程于一身，能方便地進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和大量工程運(yùn)算及數(shù)值分析的功能十分強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在 20 世紀(jì) 80 年代初期，由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合作成立了 Math Work 公司，采用 C 語(yǔ)言改寫(xiě)了 MATLAB 的內(nèi)核，并將其正式推向市場(chǎng)。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部 39 39 39 門(mén)， MATLAB 被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問(wèn)題 [12]。 (3) 具有非常友好的人機(jī)界面。 (5) 具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真 與分析，可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來(lái)調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。對(duì)于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過(guò)圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡(jiǎn)單，它與用微分方程和差分方 41 41 41 程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)中需要用到的電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)仿真就是在 MATLAB/Simulink 環(huán)境下，主要使用電力系統(tǒng)模塊庫(kù) SimPower System和 Simulink 進(jìn)行的。 43 43 43