基于simulink直流电机调速系统开题报告剖析

Xxxx大学

本科毕业论文开题报告

基于Simulink的直流电机转速控制仿真研究

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目录

一、选题依据、目的和意义

二、国内外研究现状及发展趋势

三、研究的主要内容及实验方法

四、目标，主要特色及工作进度

五、主要参考文献

一、选题依据、目的和意义

直流电机分为有刷和无刷两种，无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。

无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40％—50％左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。

1.1选题依据

无刷直流电动机因卓越的性能和不可替代的技术优势倍受人们的关注,特别是自70年代后期以来伴随着永磁材料技术、计算机及控制技术等支撑技术的快速发展及微电机制造工艺水平的不断提高,无刷直流电动机在高性能中、小伺服驱动领域获得广泛应用并日趋占据主导地位。随着无刷直流电机应用领域的不断扩大,要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理。建立无刷直流电机控制系统的仿真模型,可以有效的节省控制系统设计时间,及时验证系统的控制算法,同时可以充分利用计算机仿真的优越性,很方便的改变系统的结构,加入不同的扰动和参数变化,可以更好的考察系统在不同结构和不同工况下的静、动特性。因此如何建立无刷直流电机控制系统的仿真模型成为迫切需要解决的关键问题。

1.2目的和意义

无刷直流电动机具有体积小、重量轻、效率高、惯量小和控制精度高、无滑动接触和换相火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，在航空航天、伺服控制、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。随着无刷直流电机应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。通过建立有效的无刷直流电动机系统仿真模型，可以

节省控制系统的设计时间，及时验证施加于系统的控制算法，观察系统的控制输出，具有十分重要的意义。

二、无刷直流电机调速系统研究现状及发展趋势

由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，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，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。

根据直流电机的工作基本原理，由直流电机的机械特性方程

T U

K K R K t

e a e Φ-Φ=n 可知直流调速方法有三种： （1）改变电枢回路电阻。该方法的优点是系统结构简单；缺点是效率低。因此，该方法适于小功率直流电机、开环控制且仅能有级调速。一般应用于电动玩具中。

（2）改变电动机主磁通Φ。该方法的优点是能够实现平滑调速；缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在基速以上作小范围的升速。现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现。

（3）调节电枢供电电压U 。改变电枢电压主要从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定向下变速，属于恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。可调的直流电源有以下三种：①旋转变流机组：用交流电动和直流发电机组成机组以获得可调的流电源。这种方法的优点是可以在许的转矩范围内四象限运行，缺点设备多、体积大、费用高、效率低安装须打地基、运行有噪声、维护方便，50年代广泛使用，今天很少用。②静止式可控整流器：用静止可控整流器，如晶闸管可控整流器以获得可控直流电压。③直流斩波器和脉宽调制变器：以恒定直流电源供电，用直流波器和脉宽调制变换器获得可控的平电压。

比较上面三种直流调速方法可看出，改变电阻调速缺点很多，目前很少使用，

仅在一些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，做额定转速以上作小范围升速。因此自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速配合使用。

下面具体列举几种当今正在使用和不断发展的直流电机的主流调速方法—晶闸管电动机调速系统。

1、开环晶闸管电动机系统

原理如图1所示。速度指令电位器发出的指令，经过脉冲触发生成电路产生晶闸管整流器的调相信号，改变直流电机电枢端电压，达到调节电机速度的目的。优点是结构简单，缺点是不能同时满足调速范围和静差率的要求，机械特性软，调速范围窄。应用于静差率要求不高的无级调速场合。

图1 开环晶闸管电动机系统原理图

2、转速负反馈的单闭环调速系统

原理如图2所示。转速反馈电压与转速指令电压相比较形成偏差电压，偏差电压经放大作为晶闸管触发脉冲生成电路的输入信号，后与开换电路相同。该方法的优点是：与开环系统相比，机械特性较硬、静差率较小、一定静差率的调速范围提高了；缺点是起动和堵转电流过大，对电机换向不利、对晶闸管不利。改进提高措施：加偏差调节器或限流措施。目前，有三种改进措施：增加电流截止负反馈环节电压负反馈代替转速负反馈的单闭环直流调速系统、以电压负反馈加电流补偿控制代替转速负反馈。

（1）两种电流截止负反馈环节

（2）电压负反馈代替转速负反馈的单闭环直流调速系统

为什么用电压负反馈代替转速负反馈？因为转速负反馈需要测速发电机，而测速发电机的安装维护比较困难，另外反馈信号中含有交流成分，会给调试和运行带来麻烦。对调速指标要求不高的系统，可以考虑电压负反馈代替转速负反馈。