基于Matlab的单闭环直流电机调速系统的设计

摘要

运动控制系统中应用最广泛的是自动调速系统，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，并且要求有良好的稳态、动态性能。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、测速反馈系统组成。晶闸管调速系统以其良好的调速性能而广泛应用于生产生活中。闭环控制对电动机的稳定性有很好的保障。对于晶闸管直流电动机系统的研究要从两个方面进行，一是在带电动机负载时整流电路的工作情况；二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本文介绍了晶闸管直流电机调速系统，运用M a t l a b 进行了仿真，并对晶闸管直流调速系统参数和环节特性进行了分析和测定。

关键词：晶闸管，整流，直流调速，M a t l a b，闭环控制

目录

第一章概述 (3)

第二章调速控制系统的性能指标 (4)

2.1 直流电动机工作原理 (4)

2.2 电动机调速指标 (4)

2.3 直流电动机的调速 (5)

2.4直流电机的机械特性 (6)

第三章单闭环直流电动机系统 (7)

3.1 三相桥式全控整流电路 (7)

3.1.1带电阻负载时的工作情况 (7)

3.1.2 三相桥式全控整流电路计算公式 (9)

3.2 单闭环直流调速 (9)

第四章电路设计和仿真 (10)

4.1 电路原理 (10)

4.2 参数设定及Matlab的仿真 (11)

4.2.1 系统仿真图 (11)

4.2.2 系统的建模和参数的设定 (11)

4.3 仿真结果 (13)

第五章总结 (15)

参考文献 (16)

第一章概述

电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。

目前调速系统分为交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐渐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。

单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越来越被大众接受。

单闭环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、闭环控制系统组成。我们可以通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。本文并运用M a t l a b对设计电路进行了仿真。

第二章调速控制系统的性能指标

2.1 直流电动机工作原理

一、直流电机的构成

（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；

（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴

（3）气隙

二、直流电机的励磁方式

按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电动机四种。图2.1给出了这四种励磁方式的电路图。

图2.1直流电机分类

在直流电机中，为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流，这一过程称为电流的换向。所用的称为换向器。

在电磁转矩的作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的方向旋转时，电机向负载输出机械功率。

2.2 电动机调速指标

稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。

动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。

（1）调速范围

生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速Nmax

与最低转速Nmin 之比称为调速范围，用D 表示。即

（2）静差率

调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增

加到规定负载时，所对应的转速降落Δn 与理想转速n0

之比，用s 表示。即：

（3）调速方向

调速方向指调速后比原来的额定转速高还是低，有上调，和下调之分。

（4）调速的平滑性

调速的平滑性由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。调速可分为有级调速和无级调速。

2.3 直流电动机的调速

本文以他励直流电动机为例说明直流电机的调速。他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电。在励磁电压U f 的作用下，励磁绕组中通过励磁电流I f ，从而产生主磁通Φ。在电枢电压U a 的作用下，电枢绕组中通过电枢电流I a 。

他励直流电动机的转速公式：

式中：U 为他励电动的电枢电压；

I 为电枢电流；

E 为电枢电动势；

R 为电枢回路的总电阻；

n 为电机的转速；

Φ为励磁磁通；

C E 为由电机结构决定的电动势系数。

由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量min max n n D =%100%100000−=∆=n n n n n s −==E E IR U E n

的弱磁调速。

由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速。

2.4直流电机的机械特性

他励直流电动机中转速和转矩之间的关系为：

T n n n C C R C U n T E a E a γ−=∆−=Φ

−Φ=002 式中，n 0 是电动机的理想空载转速其值为： Φ=

E a C U n 0γ是机械特性的斜率，Δn 是转速差。 他励直流电机的固有特性曲线如图2.2所示

图2.2 他励电动机固有特性曲线