直流电机综合性能仿真毕业设计

毕 业 设 计 (论 文 ) 直流电机综合性能仿真学 号：姓 名：专 业： 电气工程及其自动化系 别： 机械与电气工程系指导教师： XXXX 讲师XXX 副教授二一七年六月摘 要直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择，而仿真对于控制系统的分析、设计和验证具有重要的意义，使用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱可以进行控制系统的仿真。作者借助于 MATLAB 70 软件，对一些典型的直流电机控制系统进行了仿真研究，实现了不同模型的动态仿真，对系统作了稳态和动态性能指标分析。对直流电机调速系统，采取纯电气原理图结构搭建混合模块的系统模型仿真。对数字 PID 控制算法进行了设计，包括简单的数字 PID 控制算法，同时在该调速系统中引入直流电机脉冲宽度调制（PWM）调速方法。研究了利用仿真手段整定计算机控制直流电机系统的采样周期和 PID 参数的方法，以获得优良的系统调速性能。关键词：MATLAB：仿真；直流电机；调速；PIDiABSTRACTThe simulation is of great significance to analyze，design and validate the control systemThe simulation of control system can be camed out through using MATLAB programming language and MATLABSimulink toolboxThe study on a couple of typical DC control systems with MATLAB 70 has bean carried out by the author,and the system simulation based on difierent MATt,AB modds has been realized，including the simulation oftbe system model which is purely constructed by the transfer function blocks， the simulation of the system model which is made up of hybrid Simulink blocks and the simulation ofthe system model coming from MATLAB programming,and the features ofthe above ways are illustrated。The analyze of dynamic and stable performance and index of these DC machine control systems is also done in this study . Moreover,the simulation study on digital PID controlled DC control systems is also done in this research，including the simulation of simple digital PID control algorithm and the simulation of partial differential and integral separation,two kinds of improved digilal PID control algorithmsThe method of tuning by simulation the sampling time and the PID control parameters 0f digital DC control system is studied to obtain good speed regulation performance。KEYWORDS：MATLAB ；simulation；DE machine；speed regulation；PIDii目 录摘 要 .iABSTRACT .ii目 录 .iii1 绪论 .11.1 直流调速系统的简介 .11.2 本课题国内外研究现状 .11.3 计算机仿真研究背景和发展状况 .21.4 本设计的主要内容 .32 直流电机调速系统 .42.1 调速的性能指标 .42.1.1 调速范围 .42.1.2 调速平滑性 .42.1.3 调速的相对稳定性 .42.2 直流电动机的基本调速方法 .52.2.1 电枢回路串电阻调速 .52.2.2 减弱磁通调速 .52.2.3 降低电枢电压调速 .62.2.4 直流电机的制动 .72.3 直流调速系统的供电方式 .82.3.1 旋转变流机组 .82.3.2 静止可控整流器 .92.3.3 直流斩波器或脉宽调速 .92.4 闭环系统 .102.4.1 单闭环调速系统 .102.4.2 .112.4.3 双闭环调速系统 .112.5 PWM 直流调速系统供电的基本原理 .16.172.5.1 不可逆 PWM 变换器 .17iii2.6 直流电动机的基本方程式 .172.6.1 电压平衡方程式 .172.6.2 转矩平衡方程式 .182.6.3 功率平衡方程式 .183 双闭环直流调速系统的 MATLAB 设计及仿真 .193.1 直流调速系统供电方案的选择及设计 .193.1.1 直流调速系统供电方案的选择 .193.1.2 PWM-M 系统 H 型主电路的设计仿真 .193.2 参数计算 .213.2.1 电动机参数计算 .213.2.2 电流环参数计算及校验 .223.2.3 转速调节器的参数计算及校验 .233.3 仿真原件的选取及参数设定 .243.3.1 直流电动机仿真原件的选取及参数设定 .243.3.2 电流、转速调节器器件的选择及参数设置 .263.3.3 其他相关仿真原件的介绍 .273.4 系统建立及仿真 .283.4.1 仿真系统的建立 .283.4.2 系统仿真曲线及仿真曲线的输出 .28结论 .32致 谢 .33参考文献 .33附录 一 .35附录 二 .36北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）01 绪论1.1直流调速系统的简介直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。早在 20 世纪 90 年代前的大约 50 年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。从控制技术的角度来看，又是近年发展迅速的交流调速系统的基础。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。1.2本课题国内外研究现状直流调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20 世纪 40 年代采用的是发电机电动机系统，又称放大机控制的发电机电动机组系统。这种系统在 40 年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50 年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50 年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）1的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。1.3 计算机仿真研究背景和发展状况计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的技术与方法。目前主要采用的是现代计算机仿真，特征是采用先进的微型计算机，使用专用的仿真软件和仿真语言来实现，其数值计算功能强大，易学易用。他是 20 世纪 80 年代发展起来的，是当前主流的仿真技术与方法。计算机仿真应用：计算机仿真在目前有着广泛的应用。而且应用的深度和广度也越来越大，主要应用在航空与航天工业、电子与电力工业、原子能工业和非工程领域如医学、经济学等方面。计算机仿真技术的应用意义：计算机仿真技术具有重要的意义，主要体现在以下几个方面：(1) 经济。大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，而采用仿真实验成本很低，而且设备可以重复使用。(2) 安全。采用仿真实验可以可以有效地降低对某些系统进行直接实验的危险程度，对系统的研究起到保障作用。(3) 快捷。提高设计效率，如电路设计，服装设计等。(4) 具有优化设计和预测的特殊功能。对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能；而且通过仿真技术与方法的应用可以获得对系统的某种超前认识。本次毕业设计选用的仿真软件为 MATLAB 7.0。MATLAB 是 Malhworks 公司于 1984 年推出的数学软件，是一种用于科学工程计算的高效率的高级语言。MATL AB 的含义是“矩阵实验室”(Marix Laboratory)，主要向用户提供一套非常完善的矩阵运算命令。随着数值运算的演变，它逐渐发展成为各种系统仿真、数字信号处理、科学可视化的通用标准语言。由于 MATLAB 软件完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在 MATLAB 的主要应用方向一一科学计算、建模仿真及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。MATLAB 软件由于其强大的功能，早已被广泛运用于控制系统的计算、分析和设计当中，成为一种必需的工具。使用 MATLAB 软件对各种直流调速系统进行仿真分析和设计，可以大大缩短控制系统的算法设计开发周期。近年周渊深博士 H 依据 MATLABSimulink 工具箱中的各种仿真模块，首次提出一种叫做北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）2面向电气原理图结构的构建调速系统模型的方法，以此进行各种交直流调速系统的仿真。该方法由于使用了 SimulinkPower System 工具箱中的电力模块，所以搭建的仿真模型正如其名称，与系统的电气原理图结构相似，很直观。1.4 本设计的主要内容本次毕业设计主要简述电机的基本原理，对直流电机的工作原理、运行特性和其电力拖动基础进行相关分析说明，在此基础上采用电气原理图结构的构建调速系统模型的方法，设计基于PWM调速的系统，对直流电机的性能进行仿真分析。以直流电机参数为110V，2.9A，2400r/min，电枢电阻为 3.4欧，电枢电感为60.4mH，转动惯量为0.014Kgm2，励磁电压为110V，励磁电流为0.5A ，仿真该电机在额定负载是的工作情况为例进行研究。北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）32 直流电机调速系统2.1调速的性能指标电动机调速性能的好坏，常用调速范围、调速平滑性、调速的相对稳定性和调速的经济性来衡量。2.1.1 调速范围调速范围是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比，通常用 表示，既D(2-3)maxinD要扩大调速范围，必须尽可能提高电动机的最高转速和降低最低转速。电动机最高转速受到电机的机械强、换向条件、电压等级等方面的限制，而最低转速则受到低速运行的相对稳定性等方面的限制。2.1.2 调速平滑性在一定的调速范围内，调速级数越多，就认为调速越平滑。相邻两个调速级的转速 与 之比称为平滑系数，用 表示，即in1i K(2-3)1in值越接近 1，调速平滑性越好。无级调速即转速可以联系调节。调速不连K续时，级数有限称为有级调速。2.1.3 调速的相对稳定性调速的相对稳定性是指负载转矩发生变化时，电动机转速随之变化的程度。常用静差率来衡量调速的相对稳定性，它是指电机电动机在某一机械特性曲线上运转时，在额定负载下的转速降对理想空载转速 的百分比，即0n(2-3)01%Nns北京交通大学海滨学院毕业设计（论文）4静差率和机械特性的硬度有关，电动机的机械特性越硬，转速变化率越小，静差率越小，相对稳定性越高。但机械硬度相等，静差率可能不相等。调速的经济性主要指调速设备的初投资，运行效率和维护费用等。2.2直流电动机的基本调速方法由电机学基本理论可知，直流电动机稳态运行时，直流电机方程式为：电枢电动式方程： (2-4)neCE电磁转矩方程： (2-5)ITme电压平衡方程式： (2-6)RU由公式(2-4)、(2-5)、(2-6)可得机械特性