晶闸管-直流电动机开环调速系统仿真
课程设计题 目 晶闸管-直流电动机开环调速系统仿真 院 系 专 业 小组姓名 指导教师_直流电动机开环调速系统仿真【摘要】本文分析了直流电动机开环调速系统的控制器与被控对象的控制现象，以及开环控制系统对被控对象的控制的问题。同时给出解决减小扰动的控制方案。本文针对开环控制直流调速系统中的应用，给出了实验结果，并和闭环控制直流调速系统进行比较，使学生认识到采用开环控制方案对最基本的控制方案有一定的了解，并对闭环控制的优点有一定的认识。【关键词】直流电动机开环调速；调速；Matlab仿真1引言 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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。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(伺服系统)、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。在现代生产过程中，许多电机要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。而直流电动机开环调速系统具有良好的启动，制动性能，适宜在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到广泛的应用。从控制角度来看，直流调速还是交流拖动的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍的电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着模拟技术的逐渐成熟使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能够 达到更高的性能，还能节省人力资源和降低系统成本，从而有效提高工作效率。事实上由于电机的容量较大，又要求电流的脉动较小，故采用三相全控桥式整流电路供电方案。为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波电动势的不良影响，应采用/Y接法。2直流电动机开环调速系统原理 2.1原理直流开环调速系统的电气原理如图1所示。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2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电。图1 直流开环调速系统电气原理3仿真过程 3.1仿真原理图 图2 直流电动机开环调速系统的仿真模型根据实验原理图在Matlab软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。1、 具体步骤a、点击图标，打开Matlab软件，点击里的newmodel，创建一个文件头为的新文件。b、点击工具栏的，打开元器件库查找新的元器件。如果不知在哪里找到元器件，可以在里输入元器件的名称，键入ENTER即可查找。2、 所用元器件及其参数设置三相交流电源A、B、C 首先从Simpowersystes 中的Electrical sources 电源模块组中选取一个交流电压源模块AC Voltage Source，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块用 Format(格式设定)菜单中Rotate block(Ctrl +R)将模块水平放置，并点击模块标题名称，将模块标签分别改为“Ua”、“ Ub”、Uc”，然后从连接器模块 Connectors 中选取“Ground（output）元件，按下图进行连接。（1） Ua(2) Ub(3) Uc 设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。a)6-Pulse Generator同步脉冲触发器包括同步电源和6 脉冲触发器两部分。6 脉冲触发器从Simpowersystes中选取ExtraLibray 中的Contral Blocks 中取获得。6 脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。 c）Universal Bridge三相整流桥起改变输出直流电压的作用。d) DC Machine（直流电动机）直流电动机的励磁绕组“F+F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为220V，点数绕组“A+A-”经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出，电动机经TL 端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速、点数电流、励磁电流、电磁转矩，通过“示波器”模块观察仿真输出图形。修改参数电枢电阻和电（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（Field-armature mutual inductance）为0.84，转动惯量（Total inertia）为0.57，粘滞摩擦系数（Viscous friction coefficient）为0.5，库仑摩擦转矩（Coulomb friction torque）为0，初始角速度(initial speed)为0。 e)直流电源 f）放大器，设置放大系数g）阶跃信号系统在阶跃函数输入作用下的工作条件是比较严峻的，同时比较具有代表性。如果系统在阶跃函数作用下的性能够满足要求，则在其他形式作用下也能满足要求。Step提供在指定时间处在两个可定义的水平间的阶跃，当仿真时间小于Step time则输出Initial value当仿真时间大于或等于Step time 不能为0。4. 仿真结果当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真，在MATLAB 模型窗口单击工具栏的按钮或打开“Simulation”菜单命令后，单击“start”，系统开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。单击“示波器”观察仿真输出图形。观察仿真时间1s时得到的电动机转速、电动机电枢电流及电磁转矩曲线。由于直流电机的调速基于整流电路的输出电压，因此改变constant值即可对电机转速进行调节。当控制电压为30，仿真时间为1s时的仿真波形为：A、 电机转速nB 电枢电流IaC 转枢Te（2） 当控制电压为60，仿真时间为1s时的仿真波形为：A电机转速nB 电枢电流IaC 转枢Te(3) 当控制电压为50，仿真时间为1s时的仿真波形为：A电机转速nB 电枢电流IaC 转枢Te5总结 一开始拿到题目的时候自己就完全不知道如何下手，看到要求用matlab这个软件进行仿真分析，一下子就蒙了，似乎熟悉，似乎有模糊，熟悉是因为上学期，学习电力电子的时候用过，模糊的是现在大多数已经忘记怎么用了。不过，经过一轮摸索过后找到了以前的感觉，因此画起来就轻松多了。图是画起了，但是运行起来后，输出的波形总是不对。因为要对元件进行准确的参数设置，才能输出需要的的波形效果。而这也是我们感到最不容易的，必须要一一进行分析计算，最后再将得到的参数填写在相应的元件中去。通过本次的课程设计，不仅让自己学习到了专业知识，而且也对matlab这个软件有了进一步的熟悉，可以说是受益匪浅吧。在今后的学习中还需要进一步的努力，弥补不足之处！ 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.
