基于simulink直流电机调速系统开题报告剖析.docx

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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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xxx

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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

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。

（3）以电压负反馈加电流补偿控制代替转速负反馈的单闭环直流调速系统电压负反馈代替转速负反馈的单闭环直流调速系统的调速性能不如转速负反馈的单闭环直流调速系统的性能，若采取一些措施，如增加电流正反馈补偿控制，可以使该系统调速性能接近转速负反馈的单闭环直流调速系统的性能。

图2转速负反馈的单闭环调速系统原理图

3、转速、电流双闭环调速系统

系统原理图如图3所示。

直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在*电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。

在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图3转速、电流双闭环调速系统

4、三环调速系统

在双闭环调速系统的基础上，在电流环内再加电流变化率内环或电压内环构成两种三环调速系统。

增加了电流变化率内环，提高了电流环的响应速度，使起动过程的转速和电流更接近理想波形，进一步改善了电机的起动性能。

5、晶闸管电动机系统的可逆线路

前面的调速系统均未考虑电机可逆运转问题。

考虑可逆问题使晶闸管电动机系统进一步完善。

电动机可逆运转的实现方法有两种：

电枢反接可逆线路和励磁反接可逆线路。

其中，电枢反接可逆线路有如下三种实现方法：

用接触器切换的可逆线路、用晶闸管开关切换的可逆线路、两组晶闸管装置反并联可逆线路。

励磁反接可逆线路也有三种实现的方法：

用接触器切换的可逆线路、用晶闸管开关切换的可逆线路、两组晶闸管装置反并联可逆线路。

用接触器切换的可逆线路的优点是结构简单、经济，缺点是如果接触起频繁切换，其动作噪声大，寿命短；动作时间长（几秒），适应于不经常正反转的机械。

用晶闸管开关切换的可逆线路的优点是线路简单，可靠性较高。

缺点是需要四个耐压和容量都较高的开关晶闸管，并不经济，常用于中小容量的拖动系统。

两组晶闸管装置反并联可逆线路的优点是可靠性高、切换迅速，缺点是两组晶闸管不能同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此该系统对控制电路提出了严格要求，适用于要求经常正反转的生产机械。

三相桥式可逆线路在反向过程的性能和环流方面存在问题。

反向过程主要在于制动过程和反向起动过程。

环流在于存在直流平均环流、瞬时脉动环流。

为了解决上述两方面的问题，产生了多种控制系统结构，总的来说可以分为两种：

有环流可逆调速系统、无环流可逆调速系统。

6、有环流可逆调速系统

（1）有环流可逆调速系统之一用正反组配合工作制消除直流平均环流；用环流电抗器减小瞬时脉动环流；用剩余的少许脉动环流改善低速机械性能，防止电流断续。

（2）有环流可逆调速系统之二当主回路电流断续时采用正组控制角小于反组逆变角的控制方式；当主回路电流连续时采用正组控制角大于反组逆变角的控制方式。

7、无环流可逆调速系统

（1）无环流可逆调速系统之一：

逻辑控制无环流可逆调速系统这种系统的优点是省掉了四个环流电抗器；既无直流平均环流又无瞬时脉动环流，可靠性高，它的缺点是反向过程慢、电流不平滑。

常应用于反向过程平滑性不高，可靠性要求高的大型系统。

（2）无环流可逆调速系统之二：

逻辑选触无环流可逆调速系统利用电子模拟开关进行选触的无环流可逆系统。

该系统的优点是节省了一套控制器和触发装置。

从简化系统结构、提高系统性能出发，人们采取了一些措施，得到了其他形式的控制方式。

（3）无环流可逆调速系统之三:

错位控制无环流可逆调速系统该系统的原理是借助于两组触发脉冲的错位来实现无环流。

正组控制角+反组逆变角=360度或300度，初始相位整定在180度或150度。

系统原理如图4所示。

图4错位控制无环流可逆调速系统原理图

由以上发展过程可知，首先直流调速系统的发展过程是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。

发展过程如图5所示。

不仅存在从单一调速方式向多种调速方式的纵向发展过程，而且每一种调速系统本身也都在发展完善之中。

如开环闭环、单闭环、双闭环、三环、有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统都在不断的完善和发展之中。

单闭环不仅是转速闭环一种，根据应用要求不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。

有环流可逆调速系统目前有两种，无环流可逆调速系统目前有三种，它们都在不断完善和发展之中。

其次，直流调速系统的产生与发展都与其他学科存在紧密联系。

第一它与电机学有紧密地联系，因为对于调速来说，电机是控制对象，对控制对象的研究越深入控制效果才会越好。

第二与半导体变流技术的发展密不可分，电力电子技术元器件的性能越好可供选择的种类越多，调速系统的性能才会越好。

微型计算机的发展，尤其是微控制器的发展为直流调速系统的进一步发展插上了翅膀。

微控制器在这里的应用，改变了控制系统的结构，改变了传感元件的检测技术，并且使各种先进控制算法得以实现。

任何设计都不是终极设计，都在随着其他科技的发展而不断完善。

图5直流调速方法分类图

三、研究的主要内容及实验方法

论文首先研究直流无刷电动机的工作原理及控制系统的脉宽调速控制原理，对三相绕组直流无刷电动机主回路的控制方案分析对比后，确定本课题所采用的控制方案。

通过对直流无刷电动机的理论分析，建立了直流无刷电动机的数学模型，在转速和电流双闭环调速的基础上对控制系统进行研究，结合直流无刷电动机的特点系统采用双闭环控制，速度环为PI控制，电流环采用滞环电流控制，对无刷直流电动机及其控制系统进行了研究，并且基于simulink建立了仿真模型，通过仿真结果对三环控制系统的调速性能进行验证。

四、主要特点及工作进度安排

4.1主要特点

本文在分析无刷直流电机数学模型的基础之上,基于Matlab的强大仿真功能,在Simulink环境下利用SimPowersystemToolbox中的功能元件,对通常的运动控制系统仿真模型进行了改进,提出了一种新型的建立无刷直流电机系统仿真模型的新方法。

可容易用仿真结果表明系统具有良好的静、动态特性。

4.2工作进度安排

（1）.查阅相关资料，外文资料翻译（6000字符以上），撰写开题报告，4周

（2）.建立直流电机的数学模型和本体模块，并仿真，4周

（3）.建立电流滞环控制模块、调速模块，并仿真，2周

（4）.建立电机系统的仿真模型，并仿真，2周

（5）.撰写毕业论文，1周

（6）.毕业设计审查、毕业答辩，2周

五、主要参考文献