直流电动机双闭环调速系统的动态特性研究与仿真毕业论文设计
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TGnASRACRU *n +- U n U iU*i+-U cTAVM+-U dI dUPL-M T 双闭环直流调速系统的设计与仿真1、实验目的1.熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本原理。
2.掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。
3.掌握调节器的工程设计及仿真方法。
2、实验内容1.调节器的工程设计 2.仿真模型建立 3.系统仿真分析3、实验要求用电机参数建立相应仿真模型进行仿真4、双闭环直流调速系统组成及工作原理晶闸管直流调速系统由三相调压器,晶闸管整流调速装置,平波电抗器,电动机-发电机组等组成。
本实验中,整流装置的主电路为三相桥式电路,控制回路可直接由给定电压U ct 作为触发器的移相控制电压,改变U ct 的大小即可改变控制角,从而获得可调的直流电压和转速,以满足实验要求.为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈,二者之间实行嵌套联接,如图4。
1。
把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流的输出去控制电力电子变换器UPE 。
在结构上,电流环作为内环,转速环作为外环,形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态特性,转速和电流两个调节器采用PI 调节器。
图4.1 转速、电流双闭环调速系统5、电机参数及设计要求5。
双闭环直流调速系统的设计与仿真分析摘要:本文简要介绍了双闭环直流调速系统的组成与基本工作原理,并对双闭环转速、直流调速系统设计展开分析论述,阐明了双闭环直流调速系统的模型仿真。
关键词:双闭环;直流调速系统;仿真直流电动机因易于控制,起、制动、运行方便等特征在生活中的应用范围较广。
近年来,经济的增长推动了该调速系统在我国经济市场中的进一步发展,很多高性能高调速设备均需使用该系统(包括直流电力推进、海洋钻机、金属切割机床、纺织、造纸、轧钢、高层电梯、矿山采掘等),设备运行时,对调速系统的性能要求均较高,需弄清双闭环直流调速系统的基本工作原理,并对其进行仿真分析,使其更好为现代经济的发展服务。
1.双闭环直流调速系统组成与工作原理双闭环直流调速系统中有两个调节器,即电流ACR调节器与转速ASR调节器,两种调节器可对系统的电流与设备转速造成影响,若二者串联,且均带输出限幅电路,限幅值依次可为Usim与Ucm。
因调速系统的关键性被控量为转速,因而需将转速负反馈组成的环视作外环,这可让电动机转速无误的跟随给定电压,再将电流负反馈生成的环视作内环,以让设备在最大电流节约下,使得整个转速过渡过程得到最佳控制。
整个双闭环直流调速系统工作原理图如下所示:图1双闭环直流调速系统工作原理从上图中双闭环直流调速系统工作原理图可知,电动机的转速与给定电压之间的关系紧密,且受给定电压影响,调速系统的速度调节器ASR的输入偏差电压即△usr=usn-ufn,ASR的输出电压usi可视作整个调节系统的给定信号,电流调节器的输入偏差电压计算公式即为△ucr=-usi+ufi,ACR的输出电压Uc可视作直流调速系统的控制电压。
在系统运行过程中,若控制电压Uc改变,就可直接影响触发器控制角α与系统运行时的输出电压Udo,进而改变和控制电动机的转速,可自由调节、改变其运行速度[1]。
2.双闭环转速、直流调速系统设计在调速系统中,若要保证转速与电流负反馈均各自发挥相应作用,就应在系统的正确位置处安装两个调节器,用以快速调节转速与电流,并将二者串联。
1 绪论当今社会电机是非常重要的。
因为它与人们日常发电和用电是密切相关的,它实现了机械能与电能之间的相互转换,国内各方面都不可缺少的重要设备。
通过研究电机转速控制方面的技术,不但能满足工业生产需要、而且可以提升能源的利用率,对国家的经济发展有着很大的作用。
1.1 电机调速系统控制及其分类电机可以分为两大类:直流电机和交流电机。
直流电机在电机的运行和控制方面的优势比较突出,所以直流调速系统在很多方面一直有着无可代替的位置。
特别是高性能的调速系统在很多工业领域都占据着重要的位置。
而且直流调速系统也是其他调速系统的基础,想要开发新的调速系统必须先发展直流调速系统。
如现在的智能调速系统,也是先以直流调速系统为基础来进行研究的。
直流调速系统的应用是相当广泛的,特别是在数字采集与计算机的控制方面的应用是无可厚非的,因为其控制算法对于控制系统起着非常重要的作用。
虽然直流电机在调速方面是比较优秀的,但是它也是存有弊端的,那就是换向器的存在。
因为这样会使直流电机的使用时间减少,而且需要经常的去维护电机,这样造成的麻烦也是相当多的,所以这也是直流调速系统的不足之处。
而交流电机其构造比较紧凑,而且安装与维护都是比较简单的,没有直流电机那么繁琐,所以正因为具有这些优点,所以这些年来许多大型企业都开始向交流电机调速系统方面研究。
在当今社会竞争是相当激烈的,所以只有质量可靠才能得到消费者的信赖。
所以由于消费者的需求不断提升,随之给工业的生产也带来了很大的困扰。
因为生产的过程在不断的复杂化,所以生产系统也不可避免的会遇到非线性情况。
虽然在很多时候我们都可以用线性代替非线性,这样的话只需研究线性模型就比较简单了。
然而在很多情况下线性模型是不能够代替非线性模型的,人们需要系统的真实非线性模型,所以我们需要去建立和研究非线性模型,当然这比线性模型会繁琐很多。
1.1.1 调速控制系统的发展现状及其应用由于直流调速系统自身的特点,即调速的性能优越、起动时的转矩比较大。
本科生课程论文课程名称运动控制系统学院机自学院专业电气工程及其自动化毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:日期:年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:日期:年月日导师签名:日期:年月日注意事项1.设计(论文)的内容包括:1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)2)原创性声明3)中文摘要(300字左右)、关键词4)外文摘要、关键词5)目次页(附件不统一编入)6)论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论7)参考文献8)致谢9)附录(对论文支持必要时)2.论文字数要求:理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
毕业设计论文直流电动机双闭环调速系统的动态特性研究与仿真摘要直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟,是研究其它调速系统的基础。
而用MATLAB软件对直流调速系统进行虚拟环境下的仿真研究,不仅使用方便,也大大降低了研究成本。
本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理,介绍了直流电动机开环和双闭环调速系统的组成及静、动态特性,并且根据直流电动机的基本方程建设立了调速系统的数学模型,给出了动态结构框图,用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。
最后,用MATLAB仿真软件搭建了仿真模型,对调速系统进行了仿真研究。
通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真,可以清楚地看到,直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态性能,可以在给定调速范围内,实现无静差平滑调速,这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。
关键词:直流调速,双闭环系统,电流调节器,转速调节器,计算机仿真Simulation Research on Speed Regulation System of DoubleClosed Loop of DC MotorAbstractKey words: Speed control of DC-drivers,Double-closed-loop,Current regulator,Speed regulator,Computer simulation目录1.绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2课题研究的目的和意义 (2)1.3论文的主要内容 (3)2.直流电动机调速系统 (4)2.1 直流电动机简介 (4)2.1.1 直流电动机的工作原理 (4)2.1.2 直流电动机的运行特性 (5)2.1.3 直流电动机的起动与调速 (6)2.2 转速控制的要求和调速指标 (7)2.3 开环调速系统及其存在的问题 (9)2.4 单闭环直流调速系统及动态校正 (10)2.5 双闭环直流调速系统 (10)2.5.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 (10)2.5.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能 (14)2.5.3 双闭环调速系统的工程设计方法 (15)2.5.4 双闭环调速系统的设计 (22)3.直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究 (33)3.1 MATLAB简介 (33)3.2 双闭环调速系统的仿真 (35)3.3 仿真结果分析 (43)结论 (44)致谢 (45)参考文献 (46)1.绪论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。
直流电动机双闭环限制系统的设计仿真毕业设计通过整理的直流电动机双闭环限制系统的设计仿真毕业设计相关文档,渴望对大家有所扶植,感谢观看!摘要传统的直流电机始终在电机驱动系统中占据主导地位,但由于其本身固有的机械换向器和电刷导致电机容量有限、噪音大和牢靠性不高,因而迫使人们探究低噪音、高效率并且大容量的驱动电机。
随着电力电子技术和微限制技术的迅猛发展成熟起来的直流无刷电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且牢靠性高的特点,从而使其极有渴望代替传统的直流电机成为电机驱动系统的主流。
首先,从电机本体和限制角度动身,阐述了直流无刷电机在实际应用中须要解决的关键性问题:电磁转矩脉动。
具体分析了电磁转矩脉动产生的各种缘由,特殊是分析了相电流换向所产生的纹波转矩脉动。
其次,本文对无刷直流电动机的工作原理进行了详尽的分析,建立了三相无刷直流电动机的数学模型。
并利用MATLAB /SIMULINK软件建立了三相无刷直流电动机的限制系统仿真模型。
仿真模型采样的是电机限制系统中常用的双环系统(转速一电流双闭环限制)。
为了提高系统的静动态特性,转速外环接受PI调整器,电流内环接受PI调整器。
转子位置通过直流无刷电机感应电势检溺,仿真结果表明白该仿真模型限制系统与理论分析完全吻合,从而证明白模型的有效性。
然后,初步设计了伺服系统的原理图。
以PID限制器作为整个限制电路的核心,一台40w的直流无刷电机作为被控对象,完成了伺服系统的转速限制。
最终,对将来的工作赐予了展望,并对全文的内容进行了总结。
关键词:无刷直流电动机;转矩脉动;PID限制器Abstract Conventional DC motor always takes up dominant position in driving system,butits inherent mechanical commutator and brush bring on limited capability,low reliability and big noise.These shortcoming necessitate US to develope lower noise,high efficiency and big capability driving motor.With the development of the power electronicsand micro—control technique,permanent—magnet brushless DC motor possesses small volume,light weight,high efficiency,low noise,big capability and reliability,so it is hopeful to become main motor in drive system.Fuzzy controller has the advantage of robust trait and strong anti-jamming merit.First,from the point of view of motor and control,the paper expounds all kinds of cause of brushless dc motor’s ripple toque.Especially,analyzes the cause of commutation ripple torque.Second,mathematical model is presented based on the the operating principle of BLDCM,which is analyzed in detail.This paper introduces software matlab/simulink and how to use it.Simulation model of three—phase BLDCM is set up and performed.The controlsystem is virtually a dual closed—loop system with current controller’s inner loop and speed controller as outer loop.speed controller adopts fuzzy。
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录第1章绪论 (1)第2章课程设计的方案 (2)2.1 概述 (2)2.2方案选择 (2)2.3系统组成总体结构 (4)第3章硬件设计 (5)3.1单片机控制器 (5)3.2 接口电路 (5)3.3 D/A转换电路 (6)3.4 触发电路 (6)3.5 电流检测电路 (7)3.6 A/D转换电路 (8)3.7 转速检测电路 (8)3.8键盘显示电路 (9)第4章软件设计 (10)4.1设计要求 (10)4.2 电流环的设计 (10)4.3 转速环的设计 (11)4.4闭环动态结构框图设计 (11)4.5程序设计 (12)第五章系统测试与分析/实验数据及分析 (14)第6章课程设计总结 (16)参考文献 (17)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第1章绪论三十多年来,直流电机调速控制经历了重大的变革。
传统的控制系统采用模拟元件,虽在一定程度上满足生产要求,但是因为元件容易老化,在使用中易受外界干扰影响,并且线路复杂、通用性差,控制效果受器件性能、温度等因素的影响,故系统的运行可靠性及标准性得不到保证,甚至出现事故。
而如今首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
大功率直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电,从而控制电动机的转速。
同时,控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。
直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验一、引言1.直流电机调速系统概述直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。
直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能,易于在大范围内平滑调速,且调速后的效率很高。
直流电动机有三种调速方法,分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢电压方式为最好,调压调速是调速系统的主要调速方式。
直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机,随着电力电子的迅速发展,直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管,将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。
本实验的题目是双闭环直流电机调速系统设计。
采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管—电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。
由于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要求则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。
如果对系统的动态性能要求较高,则单闭环系统就难以满足需要。
而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差;构成的滞后校正,可以保证稳态精度;虽快速性的限制来换取系统稳定的,但是电路较简单。
所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。
转速、电流双闭环控制直流调速系统根据晶闸管的特性,通过调节控制角α大小来调节电压。
基于实验题目,直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。
本实验的重点是设计直流电动机调速控制器电路,实验采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈,二者之间实行嵌套联接。
从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称做外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
双闭环直流调速系统设计摘要直流电机由于具有速度控制容易,启、制动性能良好,且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。
但在很多系统中对电机起制动要快、突加负载动态速降要小等要求,传统的单闭环控制系统很难达到要求。
采用双闭环(电流环、转速环)调速系统便可以解决这些问题,双闭环调速系统因其具有动态响应快、抗干扰能力强等优点而广泛应用于当前的电力传动系统中。
其反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
本文对该系统进行了比较系统分析,并用matlab对其进行仿真,根据波形对该系统调试,使流苏系统趋于合理与完善。
关键字:双闭环调速;matlab仿真;直流电机1.引言采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无差。
但如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降较小等,单闭环系统就难以满足要求。
在单闭环系统中,只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。
但它只是在超过临界电流值以后,强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想的控制电流的动态波形。
在实际工作中,我们希望在电机最大电流限制的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过度过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动,达到稳定转速后,又让电流立即降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。
这时,启动电流成方波形,而转速是线性增长的。
这是在最大电流转矩条件下调速系统所能得到的最快启动过程。
因此,采用具有转速反馈和电流反馈的双闭环直流调速系统就能获得良好的起制动效果。
双闭环直流调速系统具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点,在拖动领域中发挥着极其重要的作用。
由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础,直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设计两个调节器。
调节器的设计一般包括两个方面:第一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度. 第二选择调节器的参数,以满足动态性能指标。
毕业设计论文直流电动机双闭环调速系统的动态特性研究与仿真摘要直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟,是研究其它调速系统的基础。
而用MATLAB软件对直流调速系统进行虚拟环境下的仿真研究,不仅使用方便,也大大降低了研究成本。
本文叙述了直流电动机的基本原理和调速原理,介绍了直流电动机开环和双闭环调速系统的组成及静、动态特性,并且根据直流电动机的基本方程建设立了调速系统的数学模型,给出了动态结构框图,用工程设计方法设计了直流电动机双闭环调速系统。
最后,用MATLAB仿真软件搭建了仿真模型,对调速系统进行了仿真研究。
通过对直流电动机双闭环调速系统动态特性的研究与仿真,可以清楚地看到,直流电动机双闭环调速系统具有较好的动态性能,可以在给定调速范围内,实现无静差平滑调速,这为直流电动机调速系统的硬件实验提供了理论依据。
关键词:直流调速,双闭环系统,电流调节器,转速调节器,计算机仿真Simulation Research on Speed Regulation System of DoubleClosed Loop of DC MotorAbstractKey words: Speed control of DC-drivers,Double-closed-loop,Current regulator,Speed regulator,Computer simulation目录1.绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2课题研究的目的和意义 (2)1.3论文的主要内容 (3)2.直流电动机调速系统 (4)2.1 直流电动机简介 (4)2.1.1 直流电动机的工作原理 (4)2.1.2 直流电动机的运行特性 (5)2.1.3 直流电动机的起动与调速 (6)2.2 转速控制的要求和调速指标 (7)2.3 开环调速系统及其存在的问题 (9)2.4 单闭环直流调速系统及动态校正 (10)2.5 双闭环直流调速系统 (10)2.5.1 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 (10)2.5.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能 (14)2.5.3 双闭环调速系统的工程设计方法 (15)2.5.4 双闭环调速系统的设计 (22)3.直流电动机双闭环调速系统的仿真与研究 (33)3.1 MATLAB简介 (33)3.2 双闭环调速系统的仿真 (35)3.3 仿真结果分析 (43)结论 (44)致谢 (45)参考文献 (46)1.绪论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。
对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统,一般不允许对设计好的系统直接进行实验。
然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产实际中去的。
因此就必须对其进行模拟实验研究。
当然有些情况下可以构造一套物理装置进行实验,但这种方法十分费时而且费用又高,而且在有的情况下物理模拟几乎是不可能的。
近年来随着计算机的迅速发展,采用计算机对控制系统进行数学仿真的方法已被人们采纳。
但是长期以来,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。
自70年代以来,国内外在电气传动领域内,大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术(简称V—M调速系统)。
尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展,但在工业生产中V—M系统的应用量还是占有相当的比重。
在工程设计与理论学习过程中,会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。
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课题研究的目的和意义直流电动机具有良好的起制动性能,易于在广泛范围内平滑调速,在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。
直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础,所以首先应该掌握好直流系统。
从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动自动控制系统有调速系统,位置随动系统,张力控制系统,多电动机同步控制系统等多种类型,而各种系统往往都通过控制转速来实现的,因而调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流调速的电枢和励磁不是耦合的,是分开的,对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制;而交流调速,电枢电流和励磁电流是耦合的,是无法做到精确控制的。
因此在轧机、造纸等对力矩要求很高行业,直流调速还是具有广泛性直流调速器具有动态响应快、抗干扰能力强优点。
我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
由于主电路电感的作用,电流不能突跳,为了实现在允许条件下最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程,按照反馈控制规律,电流负反馈就能得到近似的恒流过程。
问题是希望在启动过程中只有电流负反馈,而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,又希望只要转速负反馈,不让电流负反馈发挥作用,因此我们采用双闭环调速系统。
直流调速系统在理论上和实践上都比较成热,从控制技术的角度来看,它又是交流调速系统的基础,因此,直流调速系统的应用研究有实际意义。
在工程实践中,有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。
由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性能,尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易,但长期以来,直流调速系统一直占据垄断地位。
由于全数字直流调速系统的出现,目前,直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
1.3论文的主要内容本课题以直流电动机为对象,用工程设计方法设计直流电动机转速、电流双闭环调速系统,基于直流电动机的基本方程给出动态结构图,建立双闭环调速系统的数学模型,并应用MATLAB进行仿真,对仿真结果分析、研究,验证控制方案的合理性。
主要完成如下工作:(1)数学模型的建立认真学习相关资料,根据直流电动机基本方程,建立双闭环调速系统的数学模型并给出动态结构框图。
(2)系统方案设计通过国内外中英文资料介绍,了解直流电动机双闭环调速系统的最佳工程设计方法,并进行调速系统的设计。
(3)仿真的进行和结果的分析与探究深入学习和掌握MATLAB下的Simulink和Power System系统模型的搭建方法,进行模型搭建和仿真,对结果进行分析与探究。
2. 直流电动机调速系统2.1 直流电动机简介2.1.1 直流电动机的工作原理图2—1表示是一台最简单的两极直流电机模型,它的固定部分(定子)上,装设了一对用直流励磁的主磁极N 和S ,在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。
定子与转子之间有一气隙。
电枢铁心上装置了由A 和X 两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片,换向片之间互相绝缘。
由换向片构成的整体称为换向器,固定在转轴上。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B 1 和B 2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
图2—1 最简单的两极直流电机模型如果将直流电压直接加到线圈AX 上,导体中就有直流电流通过。
设导体中的电流为i ,载流导体在磁场中将受到电磁力bil f =的作用,线圈上的电磁转矩则为a XA bilD T =式中,D a 为电枢的外径。
由于电流i 为恒定,一周中磁通密度的方向为一正一负,因此电磁转矩T XA 将是交变的,无法使电枢持续旋转。
然而在直流电动机中,外加电压并非直接加于线圈,而是通过电刷B 1、B 2和换向器再加到线圈上,这样情况就不同了。
因为电刷B 1 和B 2静止不动,电流i 总是从正极性电刷B 1 流入,经过处于N 极下的导体,再经处于S 极下的导体,由负极性电刷B 2流出;故当导体轮流交替地处于N 极和S 极下时,导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向,从而使电磁转矩的方向始终保持不变,并使电动机持续旋转。
此时换向器起到将外电路的直流,改变为线圈内的交流的“逆变”作用。
这就是直流电动机的工作原理。
2.1.2 直流电动机的运行特性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。