直流电动机开环调速系统仿真

直流电动机开环调速系统仿真

摘要：本文分析了开环控制直流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、全控整流、调速、Matlab仿真

1引言

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。

调压调速系统是在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以得到的调速范围可以达到很宽，而且实现可逆运行。转速、电流截止负反馈闭环系统既兼顾了启动时的电流的动态过程，又保证稳态后速度的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用很好地满足了生产需要。

在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。

直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。

1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。

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U c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

图3 移相特性

2．2个参数的理论计算值

Generator)的同步电压连接。触发器的控制角（alpha —deg 端）通过了移相控制环节（shifter ），移相控制模块的输入是移相控制信号Uc （图2中Uc ），输出是控制角，移相控制信号Uc 由常数模块设定。移相特性如图3所示。移相特性的数学表达式为

Uc Uc a a max

min 9090-︒+︒= 在本模型中取︒=30min a ，V Ucm 10±=，所以Uc a 690+︒=。在电动机的负载转矩输入端TL 接入了斜坡（Ramp ）和饱和(Satutration)两个串联模块，斜坡模块用于设置负载转矩上升速度和加载的时刻，饱和模块用于限制负载转矩的

3仿真过程

3.1仿真原理如图2

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。

图2 直流电动机开环调速系统的仿真模型

1、具体步骤

a、点击桌面Matlab图标，打开Matlab软件，在工具栏里根据提示点击，再点击matlab help，打开一个对话框，点击里的new model，创建一个文件头为的新文件。

b、点击View，Library Browser，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

a.Three Phase Source

b.Synchronized 6-Pulse