直流调速系统设计与仿真论文草案

摘要
自动调速系统主要包括直流调速系统和交流调速系统。

在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。

此外，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。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，已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负载机械特性的的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。

运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。

直流调速系统的控制方式包括，开环控制-按给定值操纵，开环控制—按干扰补偿，闭环控制系统—按偏差调节，复合控制系统。

本文着重对晶闸管电动机调速系统的开环工作机械特性，单闭环有静差和无静差工作的系统静特性，双闭环机械特性和该系统闭环控制特性进行试验研究。

并应用MATLAB软件对系统模型进行了仿真研究。

关键词：直流电机调速；开环；单闭环；双闭环；MATLAB仿真
Abstract
Automatic speed control system includes AC variable speed DC drive system and the system. Drag in the high-performance technology, the relatively long period of time almost all the DC electric drive system. In addition, based on feedback control theory based on the principle of DC Speed Control Speed Control is the basis of the exchange. DC converter is artificially or automatically change the speed of DC motor has to satisfy the requirements of mechanical work. Judging from the mechanical characteristics of the motor is by changing the applied voltage and other parameters or methods to change the motor's mechanical properties, thereby changing the motor characteristic and load mechanical characteristics of the intersection, the stable operation of the motor speed change.
Control System is the most common is the automatic speed control system. DC speed control system of control methods including, open loop control: control by a given value, open loop control: according to disturbance compensation, closed-loop control system: by bias adjustment, complex control systems. This paper focuses on the SCR motor speed control system of open-loop mechanical properties of the work, single loop with static error and poor working system with no static static properties, mechanical properties and the double closed-loop system closed-loop control characteristics were tested. And apply the MATLAB software system model was simulated. ,
Keywords: DC motor speed; open loop; single loop; double loop; MATLAB simulation
目录
第1章绪论 (5)
1.1直流调速系统的形成及发展概况 (5)
1.2课题的提出及研究意义 (6)
1.3课题分析与研究计划 (8)
1.4社会经济效益 (8)
第2章晶闸管直流调速系统开环特性 (10)
2.1直流调速系统的动态指标 (10)
2.2晶闸管电动机直流调速系统存在的问题 (12)
2.3晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性 (13)
第3章转速负反馈单闭环直流调速系统的分析 (17)
3.1转速负反馈单闭环直流调速系统的问题的提出 (17)
3.2闭环调速的特性 (19)
3.3开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系 (20)
3.4转速负反馈控制的规律 (22)
3.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析 (24)
3.6反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件 (25)
3.7关于PI调节器 (25)
3.8无静差直流调速系统及其稳态参数计算 (28)
第4章转速、电流双闭环调速系统及特性 (31)
4.1转速、电流双闭环调速系统的工作原理 (31)
4.2双闭环直流调速系统的组成 (33)
4.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 (34)
4.4双闭环直流调速系统的数学模型 (35)
4.5双闭环直流调速系统的起动过程分析 (36)
4.6双闭环直流调速系统的动态性能分析 (38)
4.7双闭环直流调速系统两个调节器的作用 (39)
第5章硬件实验部分 (40)
5.1不可逆单闭环直流调速系统静特性实验 (40)
5.1.1实验前的准备 (40)
5.2双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验 (42)
5.2.1实验前的准备 (42)
5.2.2实验的操作 (43)
第6章直流调速系统的软件仿真部分 (47)
6.1晶闸管开环直流调速系统仿真 (47)
6.1.1 系统的建模和参数设置 (47)
6.1.2系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 (52)
6.1.3 仿真的结论 (55)
6.2转速负反馈单闭环直流调速系统的仿真 (55)
6.2.1 转速负反馈有差直流调速系统仿真 (55)
6.2.2 转速负反馈无静差单闭环直流调速系统仿真 (60)
6.3转速、电流双闭环直流调速系统仿真 (62)
6.3.1 系统的建模与仿真参数的设置 (62)
6.3.2 系统的仿真与结果分析 (63)
结论 (65)
参考文献 (66)
致谢 (67)
附录Ⅰ单闭环晶闸管不可逆直流调速实验接线图 (68)
附录Ⅱ双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验接线图 (69)
第1章绪论
1.1 直流调速系统的形成及发展概况
1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河。

后来出现了水银整流器，它把水银封于管内，利用对其蒸汽的电弧可对大电流进行控制，其性能和晶闸管相似。

在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。

广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机传动，甚至用于直流输电。

这一时期，整流电路的理论已经发展成熟并广为应用。

在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式。

在这一时期，把交流变为直流的方法除水银整流器外，还有更早的电动机-直流发电机组，即变流机组。

和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始而沿用至今。

1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的革命。

最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。

晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转交流机组，并且其应用范围也迅速扩大。

电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。

电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。

晶闸管是通过对门极的控制能够将其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件。

对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。

机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。

为了克服这些缺点，在60年代以后开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。

采用晶闸管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的
直流调速系统。

它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价较高，维护麻烦，万一水银泄漏，将会污染环境，危害人身健康。

1957年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称“可控硅”）问世，到了20世纪60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，逐步取代了旋转变流机组和离子拖动变流装置，使变流技术产生了根本性的变革。

通过调节触发装置GT的控制电压U c来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压U d，从而实现平滑调速。

和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 以上，其门极电流可以直接用电子控制，不再象直流发电机那样需要较大功率的放大器。

在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。

1.2 课题的提出及研究意义
按照传动电动机的类型来分，电气传动油直流传动和交流传动两大类。

尽管目前各种交流调速系统得到了普遍的重视和较快的发展，但因为直流电机具有较大的启动转矩，良好的启动、制动性能，以及易于在宽范围内实现平滑调速，所以直流调速系统至今仍然是自动调速系统的一种主要形式。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。

常用的可控直流电源有以下三种：
1，旋转变流机组。

用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。

2，静止式可控整流器。

用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。

3，直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。

由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M
供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。

这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。

为了给G和M提供励磁电源，通常专设一台直流励磁发电机GE，可装在变流机组同轴上，也可另外单用一台交流电动机拖动。

对系统的调速性能要求不高时，i f可直接由励磁电源供电；要求较高的闭环调速系统一般都应通过放大装置进行控制，如交磁放大机、磁放大器、晶体管电子放大器等。

改变i f的方向时，U的极性和n的转向都跟着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。

无论正转减速还是反转减速时都能够实现回馈制动，因此G-M系统是可以在允许转矩范围之内四象限运行的系统。

机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。

为了克服这些缺点，在20世纪60年代以后开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。

晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图1.1VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT 的控制电压U c来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压U d ，从而实现平滑调速。

与G-M系统相比较：晶闸管整流装置不仅在经济和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。

晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。

在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。

正是因为晶闸管-电动机系统的先进性所以才显现出研究此系统的意义。

本文着重对晶闸管电动机直流调速系统的开环工作机械特性，在此基础上进一步分析单闭环晶闸管电动机直流调速有静差和无静差工作的系统静特性，以及双闭环晶闸管电动机直流调速系统的机械特性和该系统闭环控制特性的实验研究。

用计算机仿真工具MATLAB及其SIMULINK工具箱建立串级调速系统的仿真模型，并且用MATLAB对串级调速系统进行仿真研究，进一步分析直流调速系统的开环，单闭环，双闭环静、动特性，论证仿真模型的正确以及利用MATLAB/SIMULINK 进行系统建模与仿真的有效性和可行性，为今后深入研究提供有效手段，具有重要
的理论意义和实用价值。

图1.1晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）
1.3 课题分析与研究计划
本文内容主要分为五部分。

第一部分说明晶闸管的整流技术，调速系统的性能指标及直流调速系统的主要问题，V-M系统开环机械特性与动态特性。

研究晶闸管电动机系统的开环特性，逐一介绍自动控制系统的控制方式，研究直流调速系统的关键因素，为后面研究直流调速系统单闭环，双闭环特性做基础。

第二部分为单闭环控制直流调速系统部分，研究单闭环（转速负反馈）有静差和无静差工作的系统静特性并进行相关分析。

第三部分为双闭环直流调速系统部分，完成双闭环直流调速系统的机械特性和闭环控制特性研究，并进行相关分析。

第四部为硬件实验部分，测量实际硬件数据；第五部分为软件仿真部分，用MATLAB软件对系统性能进行仿真研究，并与实际理论值进行比较分析。

1.4 社会经济效益
电气传动系统由电动机、控制装置及被拖动的生产机械所组成。

电气传动是国民经济中充满活力的基础技术和高新技术，它的发展和进步已成为更经济地使用材料和能源、提高劳动生产率的合理手段，成为促进国民经济不断发展的重要因素，成为国家现代化的重要标志。

从传动系统来讲，虽然近几年交流电动机调速技术迅猛发展，在许多方面正向直流技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍
然是交流传动的基础。

对于直流传动系统来说，它也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装置已成功地用于生产。

以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断处理等多功能电气传动系统正在形成和不断地完善。

由于直流电动机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、启动、制动和正反转等、目前在传动领域中仍占主要地位。

现急需在以下几个方面提高我国直流电气传动装置的水平。

1，提高传动的单机容量。

我国现有容量为7000KW，国外则早已制成14500KW的传动装置。

2，提高电力电子器件的生产水平，增加品种
3，控制单元水平急需提高。

目前国内的传动装置仍有小规模集成运算放大器和组件，触发装置甚至还是分离元件，国外的装置已实现完全数字化，采用16位或32位单片机，实现数字触发、数字调节、故障自诊断、参数自寻优、状态监视、保护及自复原等各种功能，
4，应形成标准模块化的结构和一些列控制单元，便于工程设计人员选用
第2章晶闸管直流调速系统开环特性
2.1 直流调速系统的动态指标
对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。

这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。

动态指标代表了系统发生过渡过程时的性能，动态指标分跟随指标和抗扰动指标。

（1）跟随指标：系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量σ，超调时间t s和震荡次数N三个指标来衡量，图2.1是突加给定作用下的动态响应曲线。

最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。

不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。

一般调速系统σ可允许10%~35%；轧钢机中的初轧机要求小于10%，连轧机则要求小于2%~5%，；而在张力控制的卷曲机系统（造纸机），则不允许有超调量。

调整时间t s 反映了系统的快速性。

例如，连轧机t s为0.2s~0.5s，造纸机为0.3s。

振荡次数也反映了系统的稳定性。

例如，磨床等普通机床允许震荡3次，龙门刨与轧机则允许振荡1次，而造纸机不允许有振荡。

图2.1突加给定作用下的动态响应曲线
（2）抗扰指标：对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。

一般用最大动态速降Δn max，恢复时间t f和振荡次数N三个指标来衡量。

用图2.2是突加负载时的动态响应曲线。

最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性。

由于最大动态速降与扰动量的大小是有关的，因此必须同时注明扰动量的大小。

恢复时间反映了系统的抗扰动能力和快速性。

振荡次数N 同样代表系统的稳定性与抗扰动能力
图2.2突加负载时的动态响应曲线
跟随指标与抗扰指标都表征系统过渡过程的性能，之所以要分别列出，时由于对同一个调速系统，其跟随指标和抗扰动指标并不相同，不同的生产机械对这两类指标的要求也是不一样的。

此外，当系统过渡过程结束后，稳态误差反映了系统的准确性。

一般来说，总是希望最大超调和最大动态速降小一点，振荡次数少一些，调整时间及恢复时间短一点，稳态误差小一点，即希望能达到稳，快，准。

事实上，这些指标要求，在同一系统中往往是相互矛盾的，因此需要具体对象所提出的要求，首先满足主要方面的性能指标要求，而适当降低其他方面的指标。

3，直流调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系：在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速n N 作为最高转速，若额定负载下的转速降落为Δn N ，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
s n s n s n n N N N ∆-=∆-∆=)1(min （式2.1）
于是，最低转速为：
N N N
n n n n n s ∆+∆=∆=min min 0（式2.2）
而调速范围为：
min min max
n n n n D N ==（式2.3）
将上面的min n 代入上式中，得
)1(s n s
n D N N -∆∆=（式2.4）
式（2.4）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。

对于同一个调速系统， 值一定，由式（2.4）可见，如果对静差率要求越严，即要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。

一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。

2.2 晶闸管电动机直流调速系统存在的问题
图2.3 V-M 系统的运行范围
晶闸管整流器也有它的缺点。

首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

由半控整流电路构成的V-M 系统只允许单象限运行（图2.3a ），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图2.3b ）。

必须进行四象限运行时（图2.3c ），只好采用正、反两组全控整流电路，所用变流设备要增加一倍。

晶闸管的另一个问题是对过电压、过电流和过高的 dt du 与dt di 都十分敏感，其
中任一指标超过允许值都可能在很短的时间内损坏器件，因此必须有可靠的保护电
路和符合要求的散热条件，而且在选择器件时还应留有适当的余量。

现代的晶闸管应用技术已经成熟，只要器件质量过关，装置设计合理，保护电路齐备，晶闸管装置的运行是十分可靠的。

最后，谐波与无功功率造成的“电力公害”是晶闸管可控整流装置进一步普及的障碍。

当系统处于深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，这就是所谓的“电力公害”。

在这种情况下，必须添置无功补偿和谐波滤波装置。

2.3 晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性
图2.4晶闸管直流调速系统电气原理图
图2.5闸管触发与整流装置动态结构图
晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。

在本系统中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压U g 作为触发器的移相控制电压U ct ，改变U g 的大小即可改变控制角α，从而获得可调电压，以实现直流电动机的调速。

系统原理如图2.4。

1，系统的组成及调节原理：
系统的组成图如2.5，调节*n U →改变移相角α→改变U d →n 改变
2，触发脉冲的相位控制
调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 u d 的波形，以及输出平均电压 U d 的数值。

如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 u d0 和平均值 U d0 来表示，瞬时电压平衡方程：
dt di L R i E u d d d ++=0（式2.5）
式中E 为电动机反电动势；i d 为整流电流瞬时值；L 为主电路总电感；R 主电路等效电阻；
对u d0进行积分，即得理想空载整流电压平均值U d0 。

用触发脉冲的相位角α 控制整流电压的平均值U d0是晶闸管整流器的特点。

U d0与触发脉冲相位角 α 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，U d0 = f (α) 可用下式表示：
a m U m U m d cos sin 0ππ=（式2.6）
式中a 为从自然换相点算起的触发脉冲控制角；U m 为 α = 0 时的整流电压波形峰值；m 为交流电源一周内的整流电压脉波数；对于三相全波整流电路，其中U 2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值，U m =26U ，m=6，a U U d cos 34.220=。

当 0 < α < π/2 时，U d0 > 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 π/2 < α < αmax 时， U d0 < 0 ，装置处于有源逆变状态，电功率反向传送。

为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。

3，晶闸管-电动机系统的机械特性：
当电流连续时，V-M 系统的机械特性方程式为 n=Ce 1
(U d0-I d R)= Ce 1(πm U m -sin πm
cosa- I d R)（式2.7）
式中C e = K e ΦN —电机在额定磁通下的电动势系数。

式（2.7） 等号右边 U d0 表达式的适用范围如触发脉冲相位控制中所述。

（1）电流连续情况：改变控制角α，得一组平行直线，这和G-M 系统的特性很相似，如图2.6所示。

图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式（2.7）已经不适用了。

上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。

图2.6电流连续时V-M 系统的机械特性
（2）电流断续情况：当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。

以三相半波整流电路构成的V-M 系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示： n=)1(])6sin(
)6[sin(cos 2cot cot 2ϕθϕθϕπϕθπϕ----+--++e C e a a U e （式2.8）
I d =R 2232πU [cos(a +6π)-cos(a +6π+θ)- 22U C e
θn （式2.9）
式中 ψ=arctan R l
ω；θ 为一个电流脉波的导通角。

（3）电流断续机械特性计算：当阻抗角ϕ 值已知时，对于不同的控制角 α，可用数值解法求出一组电流断续时的机械特性。

对于每一条特性，求解过程都计算到 θ = 2π/3为止，因为θ 角再大时，电流便连续了。

对应于 θ = 2π/3 的曲线是电
流断续区与连续区的分界线。

图2.7 完整的V-M 系统的机械特性图 图2.8断续段特性的近似计算
（4）V-M 系统机械特性的特点：图2.7绘出了完整的V-M 系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。

由图可见：当电流连续时，特性还比较硬；断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。

机械特性的近似处理方法：在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n 0作为理想空载转速。

在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。

或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。

一般可近似的只考虑连续段。

n=e C 1
（U do -I d R ）=n 0-Δn （式2.10）
其中：Δn 为转速降，Δn 越小，机械特性的硬度越大。

Δn= I d R/Ce ，Δn 取决于电枢回路电阻R 及所加的负载大小。

图2.9断续段特性的近似计算。