開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)11頁

1、一、緒論直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。在20世紀(jì)60年代，隨著晶閘管的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力電子和控制理論、計(jì)算機(jī)的結(jié)合促進(jìn)了電力傳動(dòng)控制技術(shù)研究和應(yīng)用的繁榮。晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為現(xiàn)代工業(yè)提供了高效、高性能的動(dòng)力。盡管目前交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術(shù)越趨成熟，以及交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎(chǔ)。現(xiàn)在的直流和交流調(diào)速裝置都是數(shù)字化的，使用的芯片和軟件各有特點(diǎn)，但基本控制原理有其共性。 長期以來，仿真領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是仿真模型

2、的建立這一環(huán)節(jié)上，即在系統(tǒng)模型建立以后要設(shè)計(jì)一種算法。以使系統(tǒng)模型等為計(jì)算機(jī)所接受，然后再編制成計(jì)算機(jī)程序，并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。因此產(chǎn)生了各種仿真算法和仿真軟件。MATLAB提供動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，則是眾多仿真軟件中最強(qiáng)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(shù)中的問題。在Simulink中，對系統(tǒng)進(jìn)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(jié)果。另外，使用MATLAB中的各種分析工具，還可以對仿真結(jié)果進(jìn)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(xiàn)實(shí)的非線性問題的模型， Simulink會(huì)使

3、你的計(jì)算機(jī)成為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，用它可對各種現(xiàn)實(shí)中存在的、不存在的、甚至是相反的系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。 傳統(tǒng)的研究方法主要有解析法，實(shí)驗(yàn)法與仿真實(shí)驗(yàn)，其中前兩種方法在具有各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著不同的局限性。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的：由最早的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)、磁放大器控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制

4、電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)快速性、可控性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。 二、開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成及原理2.1直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速: n轉(zhuǎn)速（r/min）； U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻(）； Ce 電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢系數(shù)。調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻。自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。工作條件： 保持勵(lì)磁 F = FN ； 保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程：改變電壓 UN ® U ¯；U ¯

5、; ®n ¯； n0 ¯ 調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移，見圖1。圖1 調(diào)壓調(diào)速特性曲線2.2晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成及原理圖2給出了晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（VM系統(tǒng)）的原理圖，圖中VT是晶閘管可控整流器，GT是觸發(fā)器，L是平波電抗器，M是直流電動(dòng)機(jī)，給定信號Uc能控制GT觸發(fā)器的觸發(fā)角度，從而控制整流器VT的整流輸出電壓值，達(dá)到控制電機(jī)調(diào)速的目的。圖2 晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖2.3直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真的原理直流電動(dòng)機(jī)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(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓

6、實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖3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(fā)同步使用同一交流電源，直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁由直流電源直接供。圖3 直流開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。例如，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之間的范圍，是有級調(diào)速還是無級調(diào)速，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)允許轉(zhuǎn)速波動(dòng)的大小，從正轉(zhuǎn)運(yùn)行變到反轉(zhuǎn)運(yùn)行的時(shí)間間隔，突加或突減負(fù)載時(shí)允許的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，運(yùn)行停止時(shí)要求的定位精度等等。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：(1) 調(diào)速。在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。(2) 穩(wěn)

7、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大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。(3) 加、減速。頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。這兩個(gè)指標(biāo)合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。(1) 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，和一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(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。(2) 靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空

8、載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率S，即顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率與機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般變壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。在調(diào)速過程中，若額定速降相同，則轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。如果低速時(shí)的靜差率能滿足設(shè)計(jì)要求，則高速時(shí)的靜差率就更能滿足要求了。因此，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速進(jìn)所

9、能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。(3) 直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為而調(diào)速范圍為將上面的式代入，得上式表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，值一定，由上式可見，如果對靜差率要求越嚴(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。三、 數(shù)學(xué)模型建立與動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.1晶閘管傳遞函數(shù)若用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)器與整流器的輸入輸出關(guān)系為利用拉氏變換的位移定理，可求出

10、晶閘管觸發(fā)器與整流器的傳遞函數(shù)為 由于上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。 為了簡化，將該指數(shù)函數(shù)按泰勒（Taylor）級數(shù)展開，則變成 考慮到很小，因而可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成為一階線性環(huán)節(jié)。3.2 直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路如圖5所示。圖4 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為：電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程：額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為： 包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量，電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)。在零初始條件下，取

11、拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)為電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)為 +E (s)-(a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 (b)電流電動(dòng)勢間的結(jié)構(gòu)框圖+E (s)-(c）直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖5 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 直流電動(dòng)機(jī)的輸入量：施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制量。3.3 V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。+-圖6 V-M開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖四、 電路仿真4.1 仿真原理圖圖4.1 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖4.2全壓啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩和電流的變化情況圖4.2 全壓啟動(dòng)轉(zhuǎn)速變化情況圖4.3 全壓啟動(dòng)電流變化情況圖4.4 全

12、壓啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化情況4.3全壓啟動(dòng)后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流的變化情況圖4.5 全壓啟動(dòng)后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化情況圖4.6 全壓啟動(dòng)后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流變化情況圖4.7 全壓啟動(dòng)后加額定負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化情況五、總結(jié) 本課程的課程設(shè)計(jì)是在學(xué)習(xí)完電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程后，進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，其目的在于加深對電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)理論知識的理解和對這些理論的實(shí)際應(yīng)用能力，提高對實(shí)際問題的分析和解決能力，以達(dá)到理論學(xué)習(xí)的目的,培養(yǎng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和撰寫設(shè)計(jì)說明書的能力。熟悉電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本知識及Matlab仿真軟件。 我通過這次的鍛煉學(xué)到了很多的東西, 不

13、僅鍛煉了自己的思考能力、計(jì)算能力、繪圖能力，還鍛煉了綜合運(yùn)用知識的能力，不僅了解電動(dòng)機(jī)如何調(diào)速，而且也會(huì)運(yùn)用計(jì)算，直到如何選用適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)。同時(shí)，我也是在這次課程設(shè)計(jì)中看到了自己的不足，我還有許多未知的知識要學(xué)，直到學(xué)海無涯，知道了今后需要更加努力，使自我能夠不斷更加完善。通過這次的課程設(shè)計(jì)的鍛煉，我學(xué)到了很多的東西，可以說是收益非淺。知識就是力量，我會(huì)不斷充實(shí)自我，用知識武裝自我，做個(gè)有用的人！六、參考文獻(xiàn)1 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008 2 馮信康，楊興瑤. 電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)原理與應(yīng)用. 北京：水利水電出版社，1985 3 周德澤. 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989 4 林瑞光. 電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ). 杭州：浙江大學(xué)出版社，2007 5 李華德. 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng) . 北京：電子工業(yè)出版社，2006 6 閻治安，崔新藝，蘇少平. 電機(jī)學(xué). 西安：西安交通大學(xué)出版社，2006 7 孫亮，楊鵬. 自動(dòng)控制原理. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006 8 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20049目錄一、緒論1二、開環(huán)直流調(diào)