直流可逆调速控制系统设计及仿真.docx

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直流可逆调速控制系统设计及仿真

摘要

直流电机调速控制系统因其调速控制方法简单、调速性能良好而广泛地应用于生产实际，实现了共精度的速度控制要求，通过建立直流电机调速控制系统仿真系统，是研究直流电机调速控制系统的稳态和动态特性的一个重要途径。

本毕业设计是在理解直流可逆调速系统的系统结构和调速原理，针对双闭环无静差、双组反并联晶闸管直流可逆系统，建立三种系统控制结构，设计PWM可逆调速系统、α=β配合控制可逆调速系统以与逻辑无环流可逆调速系统控制器，应用Matlab/Simulink,建立他们的仿真模型并且分析他们的运行性能。

本设计的优点很多，例如系统参数修改方便，信息显示全面，可以做性能参数对照显示等。

关键词：

直流电机；MATLAB仿真；可逆调速

ABSTRACT

Inthispaper,DCmotorspeedcontrolsystembecauseofitsspeedcontrolmethodissimple,goodspeedperformanceandwidelyappliedtoactualproduction,toachieveatotalaccuracyrequirementsofspeedcontrol,throughtheestablishmentoftheDCmotorspeedcontrolsystemsimulationsystem,isanimportantwayforthesteadystateanddynamiccharacteristicsoftheDCmotorspeedcontrolsystem.ThisgraduationdesignisinthestructureofthesystemandtheprincipleofspeedregulationunderstandingofDCreversiblespeedcontrolsystem,thedoubleclosedloopwithoutstaticerror,twoantiparallelthyristorDCreversiblesystem,establishesthreekindsofcontrolsystemstructure,designofPWMreversiblespeedcontrolsystem,alpha=βcontrolwithreversiblespeedcontrolsystemandlogicnoncirculatingcurrentreversiblespeedcontrolsystemapplicationofMatlab/Simulink,simulationmodelisestablished,andtheirperformanceanalysisoftheir.Theutilitymodelhastheadvantagesofmany,suchasthesystemeasytomodifyparameters,comprehensiveinformationdisplay,youcancontrolthedisplayperformanceparameters.

Keywords：

DCmotor；MATLABsimulation；Reversiblespeed

1前言

1.1本课题研究的背景与意义

随着科学技术的不断发展，以直流电动机为代表的动力系统在生产生活中发挥着重要作用，电机控制技术在理论和实践中都得到了很深的研究。

电机控制技术是基于电机为控制对象，控制器为核心的技术。

随着电力电子装置的传输结构的实现，在自动控制理论的电力驱动组件的自动控制系统，可调的直流电压的直流电机控制系统，实现移动机械的直流电机速度的运动控制的目的。

直流电动机的起动和制动性能是由于良好的，动态性能在实际生产和生活不可替代的作用，且具有无级调速，在更广泛的范围内能够进行平滑的调速，因此它被广泛应用于电气传动领域。

直流电机调速控制系统因其调速控制方法简单、调速性能良好而广泛地应用于生产实际实现共精度的速度控制要求，通过建立直流电机调速控制系统仿真系统，是研究直流电机调速控制系统的稳态和动态特性的一个重要途径，因此本课题研究具有较大的实用价值和市场前景。

1.2本课题国内外研究的现状

中国的电机控制技术在解放以前，发展起步较为缓慢，但到了改革开放之后发展比较迅速。

直流电机控制技术的应用研究是从改革开放初期开始，然后我们的直流电机的研究已经取得了一些成绩，但水平差异较大的外之间，直到上世纪90年代，中国的大功率电机在很宽的范围内的重工业使用的技术是中国直流电机控制技术发展比较成熟的标志。

目前，直流控制调速技术在我国发展已相当的成熟，未来的发展也将走向主要向着智能化、交流化的发展方向。

总之，随着直流调速技术更加的成熟，未来不可估量，因此今后生产生后的一个阶段,如发电机厂、电动机厂等,直流调速将发挥着不可替代的作用。

1.3本课题主要研究内容

本毕业设计主要通过在理解直流可逆调速原理的基础上，对直流电机采取三种调速方案，实现对直流电机可逆调速控制。

通过建立直流PWM调速系统的模型来实现用占空比来调节可控电压，进而控制电机调速的要求，通过构建α=β配合控制的调速系统的模型用这种方法控制电路的各种环流，通过控制触发结构，来控制电机的速度运行，进而控制电机的调速运行，通过构建逻辑控制的调速系统的仿真系统系统模型，使用逻辑切换环节，彻底切断了环流对直流电机调速控制的影响。

建立这些模型进行设计研究，利用Matlab软件进行建模和仿真，通过调试和修改参数进行调试。

通过这些理论与实践的结合，让我的工程应用能力和动手能力得到全面锻炼。

第一章介绍了直流调速的研究背景与意义，以与国内外发展的基本现状，同时也给出了本论文的主要研究内容。

第二章主要研究直流可逆调速系统原理，从理论上让我明白了通过控制直流电机的电磁转矩来达到控制调速的方法，直流可逆调速系统实现可逆调速关键是使电动机的电磁转矩改变方向，通过改变电磁转矩方向实现电动机的正转电动、正转制动以与反转电动、反转制动等控制要求，即调节电磁转矩来控制转速，实现电动机系统调速控制。

最后，介绍了直流双闭环控制结构，它是速度与电流反馈控制。

第三章主要研究了配合控制可逆调速的原理组成，然后根据原理建立起该可逆调速统的仿真模型，通过建模进行仿真运行和调试，得到了最终希望的结果，较好的实现了该调速系统的可逆调速。

第四章本章主要介绍了逻辑可逆调速的原理与组成，建立其可逆调速的模型，进行仿真模拟，完成速度、电流双闭环反馈的可逆调速，而且该系统具有良好的快速切换的性能。

第五章介绍了直流PWM可逆调速的原理和组成，在理解原理的基础之上建立直流PWM可逆调速的仿真模型，通过建立模型进行仿真和调试，输出可调的可逆的转速、电流曲线，得到想要的结果，较好的实现了直流PWM可逆调速的性能。

2直流可逆拖动控制系统

2.1直流可逆拖动系统的分类

直流电动机应用调压调速可以获得良好的调速性能，调节电枢电压首先要解决的问题是可控直流电源。

大体上可以分为两类，其中一类是直流晶闸管-电动机可逆调速系统，它在二十世纪五六十年代的时候得到了广泛的应用，另一类是直流PWM调速系统，它是由全控型电力电子器件组成的，现在在生产生活中发挥着重要的作用，而越来越受到重视。

2.1.1V-M可逆直流调速系统

V-M可逆直流调速系统的反并联接线线路图2.1所示。

图2.1可控整流装置并联可逆线路图

本设计的控制方法将创建两个V-M直流可逆调速，即α=β无环流可逆调速环流可逆调速控制和逻辑控制，它们使用的触发脉冲信号，整流器将三相交流变成可调的直流电压可逆性，进而控制电机运行。

2.1.2直流PWM可逆调速系统

直流PWM可逆调速系统如图2.2所示，其组成主要有有交流电变成直流电的整流桥，将直流电压变成可控的直流电压的脉冲宽度变换器和动力装置直流电机组成。

三相交流电经过整流装置变成直流电，通过控制PWM的占空比，将直流电压调节成需要的可控电压。

PWM直流可逆调速系统的结构中最重要的脉冲宽度调节器，脉冲变换器的电路有很多种，大体上分为可逆和不可逆两大类，不可逆由于平均电压大于零，且速度不能逆转。

可逆的一般是全控性晶闸管组成的双桥臂的电路。

图2.2直流PWM调速主电路的原理图

2.2直流可逆系统调速原理

直流可逆调速系统实现可逆调速关键是使电动机的电磁转矩改变方向，通过改变电磁转矩方向实现电动机的正转电动、正转制动以与反转电动、反转制动等控制要求，如图2.3所示。

图2.3调速系统的四象限运行

直流电机调速原理是，通过控制电压的极性或变换磁场方向，来控制电磁转矩。

当电磁转矩与转速同号时，则电动机处于正转或反转加速电动状态；当电磁转矩与转速异号时，则电动机处于正转或反转制动状态。

本论文是通过改变电压的极性来控制直流电机电磁转矩，使电机的电磁转矩与负载转矩不平衡，来实现可逆调速。

2.3直流双闭环控制的结构

转速、电流反馈控制的双闭环直流调速组成上是，ACR为内环，ASR为外环的结构，转速、电流控制直流调速原理图如图2.4所示，其组成主要有调节速度的转速调节器、调节电流的电流调节器、提供合适可控电压的电力电子变换器和直流电机。

这样以ACR为核心的内环和以ASR为核心的外环组成了转速、电流反馈控制直流调速控制结构。

图2.4转速、电流控制直流调速原理图

在结构上以电流为内环、转速为外环的双闭环直流调速系统在负载扰动和电网电压扰动上有很好的抑制作用。

2.4本章小结

本章主要研究直流可逆调速系统原理，从理论上让我明白了通过控制直流电机的电磁转矩来达到控制调速的方法，直流可逆调速系统实现可逆调速关键是使电动机的电磁转矩改变方向，通过改变电磁转矩方向实现电动机的正转电动、正转制动以与反转电动、反转制动等控制要求，即调节电磁转矩来控制转速，实现电动机系统调速控制。

最后，介绍了直流双闭环控制结构，它是速度与电流反馈控制。

通过这些理论的学习，让我对后面的工作有了非常有利的基础。

3α=β配合控制的有环流可逆直流调速系统的设计

3.1α=β配合控制的有环流可逆调速系统的组成与原理

普通的晶闸管只能实现单向传导功能，用于直流电机实现可逆调速，则需要使用有多个晶闸管组成的电路来保证，可以采用如图2.1所示的电路，但会产生环流。

图3.1反并联可逆V-M系统中的环流

如图3.2所示，为α=β配合控制的可逆调速原理图，四套平衡电抗器LC1~LC4和更大的电抗器LD，利用电流速度双闭环反馈调速系统，设计控制电路。

测速发电机产生反馈电压极性将直接影响到电机转速改变

该调速系统工作原理是，通过控制正组晶闸管触发器的触发延迟角α和反组晶闸管触发器触发逆变角β，使α=β。

这样保证不会出现较大的平均直流环流，同时四个环流电抗器是为了抑制瞬时脉动环流，平波电抗器是为了让电流续流，保证晶闸管的导通。

当给定信号为锯齿波形的触发电路时，整流装置将交流电整流成相应的直流可控电压，控制直流电机转速，完成相应的调速过程。

图3.2配合控制的调速控制原理图

3.2α=β配合控制的有环流可逆调速系统的建模

该可逆调速系统的模型建立如图3.3所示。

图3.3α=β配合控制调速仿真模型

3.2.1系统主电路的建模

由图3.2可知，电抗器用来消除环流的影响，三相交流电压源用来提供三相交流电压，晶闸管整流装置主要是将三相交流电整流成可控的直流电，直流电机是动力产生的装置。

主电路建立的主电路模型如图3.3所示

图3.4α=β配合控制可逆调速的主电路模型

对于三相对称交流电压源的建模和参数数值，从MATLAB仿真模块中选择好后，在选择接地模块进行连接。

图3.5三相交流电压源参数设置

晶闸管整流桥建模和参数的设置，选择“通用桥”模块的功率电子模块组，双击打开模块的参数设置对话框，如图3.6所示。

将引脚修改为3，电容的数值为0.001，剩下的为默认值。

图3.5“UniversalBridge”模块参数设置

和参数设置四个平衡反应器的建模，首先选择从一组相应的模块“RLC串联分支”模块，然后打开设置对话框，如图3.6所示，电感值取为4e-2H。

图3.6均衡电抗器的建模与参数设置

对于脉冲触发器的建模和参数设置，选择“同步6脉冲发生器”冲触发器和其他相应的简单的模块，如图3.7中的MATLAB仿真模块显示脉冲，然后将该模块封装起来，如图3.8所示。

图3.7同步触发器

图3.8同步脉冲触发器封装后子系统

对于直流电机，选择“从电机系统模块直流机”模块，电励磁绕组直流电机F+——F-恒定直流励磁，励磁电源从直流电压源模块中选择，直流电动机的参数修改的数据如图3.9所示。

图3.9直流电动机参数设置

3.2.2控制电路的建模和参数设置

α=β配合控制的可逆调速系统的控制电路的组成由信号的给定环节用来提供信号，速度调节器ASR用来调节转速、电流调节器ACR用来调节电流、2个偏置电路和3个反相器用来产生控制信号，电流反馈环节和速度反馈环节用来反馈到输入端等。

给定信号由简单信号源组合而成。

控制电路的其他有关参数设置如下：

电流反馈放大系数系数设置为0.1；速度反馈放大系数设设置为1.

调节器的参数设置分别是：

ASR:

Kpn=50;Tn=10,上下限幅值为[25，-25]；

ACR:

Kpi=2、Ti=50、上下限幅为[90，-90]。

其他没有说明的为系统默认的参数。

3.3α=β配合控制的有环流可逆调速系统的仿真与调试

3.3.1α=β配合控制的有环流可逆调速系统仿真参数设置

该调速系统所选择的算法控制为ode23t；

ASR:

Kpn=50;Tn=10,上下限幅值为[25，-25]；

ACR:

Kpi=2、Ti=50、上下限幅为[90，-90]。

其他没有说明的为系统默认的参数。

3.3.2α=β配合控制的有环流可逆调速系统的仿真与分析

当建模和参数设定完成后，开始模拟。

如图3.10是配合控制调速转速曲线和电流曲线。

图3.10α=β配合控制调速的转速变化曲线

图3.10配合控制调速转速变化曲线

从仿真结果可以看出直流电机在开始时的过渡期很小，中间存在着环流的影响，由此可知α=β配合控制的有环流可逆调速较好的实现了可逆调速，完成对系统的要求目标。

3.4本章小结

本章主要研究了该可逆调速的原理组成，然后根据原理建立起该可逆调速统的仿真模型，通过建模进行仿真运行和调试，得到了最终希望的结果，较好的实现了该调速系统的可逆调速。

该调速的缺点，因为有环流的存在，需添加控制它的装置，也就是环流电抗器，在经济上不太划算，另外，晶闸管等元件在有环流时，易老化，寿命会减少。

4逻辑无环流可逆调速系统的设计

4.1逻辑无环流可逆调速系统的组成与原理

在可逆系统的一组晶闸管的工作，如果逻辑控制在完全封闭的状态，另一组使用，以确保两组晶闸管不同时工作，这是控制无环流可逆调速系统的逻辑控制。

如图4.1所示，逻辑无环流可逆调速系统的做成有转速调节器ASR、两个电流调节器1ACR和2ACR、两个触发装置GTF和FTR、两组晶闸管装置VF和VR、零电流检测环节ZC和直流电动机等组成。

图4.1逻辑控制调速的原理图

该调速系统的原理图与α=β配合控制的调速原理图相比，电路都是采用多组反并联连接晶闸管接线，控制系统采用典型的转速、电流双闭环设计，触发脉冲的零点位仍整定在α=β为90度，移相方法采用α与β相等的控制，平波电抗器Ld用来控制电流的续流，这都是与α=β配合控制的有环流可逆调速一样的地方，区别是没有了环流问题的影响，因而不用设置环流电抗器。

逻辑无环流可逆调速系统的工作原理是：

电动机的调速以无环流逻辑控制环节为核心的控制部件，三相交流电经过整流装置整流成可调节的直流电压，而触发装置的触发条件由无环流逻辑控制环节控制，只有当输入电压Ui*和电流为零时，该装置会发出逻辑切换指令，这样使得原来工作的一组晶闸管停止工作，另一组开始工作，实现电动机的可逆调速过程。

如图4.2为逻辑控制切换程序的流程图。

图4.2DLC切换程序的流程图

4.2逻辑无环流可逆调速系统的建模

逻辑无环流直流调速组成的仿真如图4.3所示。

建模分为两部分，即主电路的建模和控制电路的建模。

4.2.1电路的建模和参数设置

由图4.1所示，为逻辑控制调速原理图，在逻辑无环流调速系统中，逻辑切换装置DLC是一个非常重要的结构，它主要是通过控制脉冲触发器而发挥作用的，而同步脉冲触发器是归在主电路讨论的，因此我们也将逻辑切换装置DLC也归到主电路进行建模。

这里主要介绍有关逻辑切换装置的问题，以与反并联二极管整流桥和其子系统的问题。

（1）逻辑切换装置DLC的建模。

在逻辑无环流可逆调速系统中，DLC是非常重要的结构。

图4.3逻辑无环流直流可逆调速的仿真模型

1）电平检测器的建模。

水平检测的功能是把模拟信号转换成数字信号供后续电路，包括扭矩极性判别和零电流鉴别器，它将扭矩信号极性的UI和零电流检测信号的UIO转换成数字量逻辑电路，运算放大器在实际系统中使用继电器的工作状态，并利用MATLAB建模。

2）逻辑判断电路建模。

逻辑判断电路根据可逆系统正反向运行要求，基于可逆系统的正向和反向的操作要求的逻辑电路，逻辑切换指令后的逻辑运算，关闭原组，打开另一组。

其逻辑控制要求如下：

（4.1）

（4.2）

符号的意义如图4.4所示使用Simulink（数学）的数学逻辑模块组（逻辑运算符）模块可以实现的功能。

3）延时电路的建模。

在逻辑判断电路发出切换指令，必须通过封锁，封锁原信道群时延脉冲，通过延时打开另一组脉冲。

在数字电路的DLC装置耦合电容和二极管在NAND门前实现延迟，它利用内部集成电路芯片的特点。

基于数值计算的计算机仿真，而不是通过增加一个二极管和一个电容器来实现延时。

通过分析数字逻辑电路的DLC装置功能的发现：

当输出的超滤逻辑电路（UR）由“0”到“1”，延时电路应该延迟；当由“1”变成“0”或状态不变，无延迟。

在Simulink组离散模块（单元延迟）工具箱延迟模块，可以连接到满足时延系统的仿真模型，根据功能要求，如图4.4所示。

将DLC模块封装起来如图4.5所示。

4）链保护电路建模。

DLC装置的最后一部分是逻辑链保护。

正常时，逻辑电路输出状态

和

总是相反的。

一旦DLC失效，同时为“1”相同，同时会引起两个晶闸管桥开，我们必须避免这样的情况。

利用模块的逻辑操作的Simulink工具箱（逻辑运算符）模块可以实现“1”保护功能。

（2）部分主电路子系统的建模与封装。

将除平波电抗器、直流电动机外的部分主电路按电气原理结构图的关系进行连接，得到图4.6所示的部分主电路子系统，封装后的子系统模块符号如图4.7所示。

为了方便作图，将同步脉冲触发器的输入端子顺序稍作调整，其中“Uct”为脉冲控制端,“ln2”为触发器开关信号控制端。

图4.4DLC仿真模型

图4.5DLC模块封装模型

图4.6环流部分主电路子系统封装模块符号

图4.7逻辑无环流部分主电路模型

（3）建立主电路子系统。

根据主电路之间的连接，并能建立主电路的仿真模型。

带有输出测量装着的整个主电路建模如图4.8所示。

图4.8带有输出测量装置的主电路仿真模型

4.2.2制电路的建模和参数设置

该可逆调速的控制电路组成：

信号的给定环节用来提供信号，速度调节器ASR用来调节转速、电流调节器ACR用来调节电流、2个偏置电路和3个反相器用来产生控制信号，电流反馈环节和速度反馈环节用来反馈到输入端等。

给定信号由简单信号源组合而成。

控制电路与电气原理图非常接近图4.1。

限幅器的限幅设定为[90，0]。

对于默认参数系统没有其他的解释。

ASR:

Kpn=50;Tn=10;上下限幅值为[25，-25]；

ACR：

Kpi=2;Ti=50、上下限幅值为[90，-90]；

ACR1:

Kpi1=2;Ti1=50、上下限幅值为[90，-90]。

4.3逻辑无环流可逆调速系统的仿真与调试

4.3.1逻辑无环流直流可逆调速系统仿真参数设置

该可逆调速系统的所选择算法为ode23t；调节器的参数：

ASR:

Kpn=50;Tn=10;上下限幅值为[25，-25]；

ACR：

Kpi=2;Ti=50、上下限幅值为[90，-90]；

ACR1:

Kpi1=2;Ti1=50、上下限幅值为[90，-90]。

限幅器的限幅设定为[90，0]。

对于默认参数系统没有其他的解释。

4.3.2逻辑无环流直流可逆调速系统的仿真与分析

将设计好的模型进行仿真即得到下面的结果，如图4.9为逻辑无环流可逆调速系统的转速调节曲线和如图4.10为逻辑无环流可逆调速控制的电流变化曲线。

图4.9逻辑无环流可逆调速系统的转速曲线

图4.10逻辑无环流可逆调速的电流变化曲线

如图4.11和图4.12分别为DLC仿真模型输入信号和输出信号的波形

图4.11DLC模型的两个输入端信号

图4.12DLC模型的两个输出端信号

从仿真结果来看，逻辑无环流可逆调速系统的模型较好的实现了可逆调速。

4.4本章小结

本章主要介绍了该可逆调速的原理与组成，建立其可逆调速的模型，进行仿真模拟，完成速度、电流双闭环反馈的可逆调速，而且该系统具有良好的快速切换的性能。

本系统的实现难点是如何构建逻辑切换环节，以与在构建他的过程中需要注意的问题。

该可逆调速采用双电流调节器和双触发控制装置，与前面介绍的控制方案相比，它稳定性较高，但是由于DLC中的延时造成了电流换相的死区，造成该可逆调速的过渡过程比前面介绍的在时间上要差一些。

5直流PWM可逆调速系统的设计

5.1直流PWM可逆调速系统的组成与原理

通过调节占空比的大小来控制直流电压技术，将固定值的直流电压通过晶闸管的开通与关闭来把它调制成大小可以控制，同时它的极性也可以改变的直流电压，进而来控制电机，实现电机的可逆调速，这样的控制技术，就是直流PWM调速。

可逆的PWM调速则需要有双闭桥的电路来实现，如图5.1所示。

图5.1桥式可逆PWM变换器电路

直流脉宽调速系统原理图如图5.2所示。

系统的组成主要有整流桥、滤波电容器、PWM控制器、电动机等组成。

图5.2直流脉宽调速系统原理图

UPW—脉宽调制器GM—调制波发生器DLD—逻辑延时环节

GD—基极驱动电路FA—瞬时动作的限流保护

5.2直流直流PWM可逆调速系统的建模

直流脉宽调速的建模也是分为两部分，即主电路的建模和控制电路的建模。

5.2.1主电路的建模和模型参数的设置

（1）主电路的建模和参数设置

如图5.3所示，主电路，交流电压源整流器，滤波电容，IGBT逆变桥，直流电机等组成。

图5.3直流脉宽调速的仿真模型

对于三相对称交流电压源的建模和参数数值，从MATLAB仿真模块中选择好后，在选择接地模块进行连接。

双击电压模块的参数设置对话框，A相交流电源参数设置如图5.4