基于Simulink的直流调速系统的设计与仿真毕业设计论文.docx

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基于Simulink的直流调速系统的设计与仿真毕业设计论文

毕业设计论文

基于Simulink的直流调速系统的设计与仿真

摘要

调速系统做为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统，随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

当前控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。

直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以研究直流调速系统有着十分必要和重要的意义。

本文以直流调速系统为主要研究对象，首先阐明了该课题研究的目的与意义，具体介绍了开环，单闭环和双闭环直流调速系统的设计和建立Matlab/Simulink仿真模型的过程，得出转速及电流的仿真波形并与理想启动的转速及电流波形做对比。

分析并比较开环，单闭环和双闭环的优缺点。

关键词：

直流调速系统；Simulink；开环；单闭环；双闭环

DCSPEEDCONTROLSYSTEMBASEDONSIMULINKDESIGNANDSIMULINK

Abstract

Astoday'selectricdrivespeedcontrolsystemautomaticcontrolsystemofthemostwidelyusedsystem,withtheproductionprocess,andcontinuouslyimproveproductqualityrequirementsandproductiongrowth,makingmoreandmoreproductionmachineryrequiredtoachieveautomaticspeed.Currentcontrolsystemhasenteredthecomputerage,hasbeenachievedinmanyareasofintelligentcontrol.DCdrivesystemwithexcellentspeedcharacteristics,smoothspeed,widerange,highprecision,largeoverloadcapacity,gooddynamicperformance,easytocontrolandgoodstartingandbrakingperformance,etc.,canmeettheproductionprocessautomationsystemeachdifferentkindsofspecificoperationalrequirements,thestudyDCspeedcontrolsystemhasaverynecessaryandimportant.

Inthispaper,DCspeedcontrolsystemasthemainresearchobject,firsttoclarifythepurposeandsignificanceoftheresearch,specificallydescribestheopen-loop,single-loopanddouble-loopDCspeedcontrolsystemdesignandbuildMatlab/Simulinksimulationmodeloftheprocess,toothespeedandcurrentsimulationwaveformandtheidealstartingspeedandcurrentwaveformsdocomparison.Analyzeandcomparetheopen-loop,singleloopanddoubleloopadvantagesanddisadvantages.Experimentalresultsshowthatthesimulationspeedperformancewithconsistenttheoreticalderivation.

Keywords:

DCspeedcontrolsystem;Open-loopsystem;Single-loopsystem;Double-loopsystem

1绪论

1.1课题背景

现代化的工业过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油，化工，冶金，轻工，机械等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用[1]。

由此，调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统[2]。

随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

当前控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制[3]。

对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。

提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。

对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速[4]。

直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用[5]。

所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。

相比于直流电动机，交流电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点[6]。

1.2概述

电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使电机控制技术水平有了突破性的提高。

从20世纪60年代第一代电力电子器件—晶闸管（SCR）发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件—GTR,GTO,MOSFET,第三代复合场控器件—IGBT,MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品—功率集成电路（PIC）。

每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构和工艺不断改进，性能飞速提高，在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。

同时电机控制技术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[7]。

正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十年内发生了天翻地覆的变化。

电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气发展的主要方向之一[8]。

从80年代后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，直流调速已发展到一个很高的技术水平：

功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相，相位控制。

特别是使用微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度，优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。

数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势[9]。

数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。

采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平[10]。

直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动，制动和反转，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求[11]。

1.3论文内容

本文以直流调速系统为研究对象，建立了开环直流调速系统，转速单闭环有静差直流调速系统和转速电流双闭环直流调速系统的模型，应用Simulink仿真软件进行仿真，在建模和仿真过程中设置各个环节的参数，再运行仿真，得出关于电机转速和电枢电流的仿真结果图。

分析结果并与理论推导的调速性能进行比较。

第一章绪论。

本章的内容主要包括直流调速系统研究的课题背景、直流调速系统的概述。

最后给出了本文的主要研究内容。

第二章直流调速系统的理论基础。

本章简单介绍了Matlab/Simulink仿真软件和开环、单闭环、双闭环直流调速系统的详细的电气原理，配合原理图进行说明。

第三章调速系统的建模和仿真。

首先是基于第二章的电气原理结构图，设计了开环、单闭环、双闭环直流调速系统的仿真模型，简要的介绍了建模的步骤和参数的设置。

最后运行仿真，得出仿真图并分析仿真的结果。

第四章结论与展望。

对研究工作进行总结并提出进一步的研究方向与主题。

1.4本章小结

本章主要简要介绍了直流调速系统的课题背景和重要意义，以及直流调速系统的研究现状。

直流调速是一门与国计民生紧密相连的一门应用科学，它的发展与应用于我国的现代化建设联系之密切、影响之深远是不可估量的。

近几年来交流电机调速技术迅猛发展，但是直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。

因此直流调速系统的应用研究还是具有一定实际意义的。

2直流调速系统的理论基础

2.1Matlab/Simulink仿真软件

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在这种环境中，不需要大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时也有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink中。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，它被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，用户可以立即看到系统的仿真结果。

用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义等功能。

2.2直流调速的理论基础

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[10],可知直流调速方法有下列三种：

（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

。

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：

用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调的直流电源。

这种方法的优点是可以

图2-1直流调速方法分类图[12]

在许用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[13]。

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[14]。

直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据着垄断地位。

最近几年来交流调速系统发展迅速，并有望在不久以后取代直流调速系统。

但就目前而言，直流调速依然是自动调速系统的主要形式。

而且，直流调速系统在理论和实践都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础[15]。

直流电动机的调速方法详细见图2-1。

直流调速系统的供电方式：

实现调压调速，首先要有一个平滑的可调的直流电源。

常用的可调直流电源有下列三种：

（1）旋转交流机组：

用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）直流斩波器或者脉宽调制变换器：

用恒定直流电源或者不可控整流电源供电，利用直流斩波器或者脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。

（3）静止可控整流器：

用静止的可控整流器，如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。

本文选取晶闸管可控整流器，以获得可以调节的直流电压。

通过调节触发电路的移相电压Uc，便可调节整流电压Ud，实现平滑调速。

由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管电动机直流调速系统，简称V-M系统。

其原理如图2-2所示。

图中VT是晶闸管变流装置，可以是单向、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。

通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。

用触发脉冲的相位控制整流电压的平均值是晶闸管整流器的主要特点，而且该系统具有调速范围广、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，因此，在工业上得到普遍应用。

图2-2V-M系统

但是晶闸管还存在以下问题：

（1）晶闸管的单向导电性给系统的可逆运行带来一些困难；

（2）脉动电流造成较大的谐波分量，流入电网后对电网不利，同时增加了电机发热。

（3）晶闸管的过载能力较小，要限制过电流和反向过电压，以及电压变化（du/dt）和电流变化率（di/dt），因此必须要有可靠的保护装置和散热条件；

（4）整流电路的脉波数是有限的，比直流电机每对级下换向片的数目要少的多，因此除非主电路电感无穷大，否则V-M系统的电流脉动总比G-M系统更为严重。

脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利。

目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图2-3所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT2、VT4、VT6）称为共阳极组。

此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT2、VT4、VT6

。

这样晶闸管就按照1到6的顺序导通了。

图2-3三相桥式全控整流电路原理图

下面简单介绍一下其工作原理：

6个晶闸管的脉冲按1到6个顺序，相位依次相差60°；共阴极的组的3个晶闸管脉冲依次相差120°，共阳极组的3个晶闸管脉冲也依次相差120°；同一相的上下两个桥壁的晶闸管脉冲相差180°。

每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，一个晶闸管是共阳极组的，一个是共阴极组的，且两个晶闸管不在同一相。

采用双脉冲触发，两个脉冲前沿相差60°，脉宽一般为20°-30°。

当给定某一触发角时，共阴极组中处于通态的晶闸管对应的相电压与共阳极组中处于通态的晶闸管对应的相电压之差，即为输出整流电压，这样通过改变触发角的大小，就可以改变输出整流电压了。

2.3开环系统的电气原理

由于面向电气原理结构图的仿真方法是以调速系统的电气原理结构图为基础的。

按照系统的结构，需要从Simulink和SimPowerSystem模块库中找到对应的模块，按照系统的结构图进行建模。

开环直流调速系统的电气原理图如下2-4图所示。

从图中可以看出，该系统主要由给定环节，脉冲触发器，晶闸管整流桥，平波电抗器，直流电动机组成。

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，通过改变触发器的移相控制信号Uc来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。

图2-4开环系统的电气原理结构图

2.4单闭环系统的电气原理

单闭环有静差转速负反馈调速系统的电气原理图如下图2-5：

图2-5单闭环系统电气原理结构图

在电动机轴上安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量—转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压Un*相比较后，得到偏差电压

，经放大器A，产生触发装置GT的控制电压Uct，用以控制电动机转速。

只要转速出现偏差，该系统就会自动产生纠正偏差的作用。

转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，该系统可大大减少转速降落。

该系统由给定环节、速度调节器、同步脉冲触发器、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节等部分组成。

2.5双闭环系统的电气原理

双闭环直流调速系统工作原理如图2-6所示。

双闭环直流调速系统的特点是电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定。

因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。

当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。

当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。

当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制Idm，实现电动机的加速，使电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动；在不可逆调速系统中，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。

图2-6双闭环调速系统电气原理结构图

2.6本章小结

本章先介绍了本篇论文采用的仿真软件—Matlab/Simulink的主要情况；讨论了直流调速系统的几种调速方法和系统仿真的理论基础；简要介绍了常用的V-M系统及其工作原理；最后列出了本文仿真的开环、单闭环、双闭环直流调速系统的电气原理，以便于下一章节的仿真。

3调速系统的建模与仿真

3.1开环调速系统的建模与仿真

开环直流调速系统是比较简单的调速系统，一般满足不了工业生产队调速系统的要求，通常需要设置反馈环节，以改善系统的机械性能。

3.1.1开环建模过程

在Simulink仿真中为了简化模型，有利于仿真，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（simulink中选取的）直接供电。

触发器连接同步电压，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，输出是控制角。

移相控制信号在仿真中由常数模块设定。

本次建立的开环直流调速系统的仿真图如下所示：

图3-1直流电动机开环调速系统的仿真图

系统由控制电路建模和主电路建模两部分组成。

系统的建模和参数设定简要叙述如下：

（一）主电路的建模和参数设定

开环系统的主电路主要由三相对称交流电压源，晶闸管整流桥，平波电抗器，直流电动机等部分构成。

由于同步脉冲触发器和晶闸管整流桥是不可分割的两个环节，所以通常作为一个整体来讨论，故将触发器归于主电路建模。

三相对称交流电压源的建模和参数设定。

从模块组里选取一个交流电压源模块，为了得到建模需要的三相交流电，可以通过复制得到3个电压源模块，再使三个电压源的一端接地。

双击电压源模块A，可设定参数，如下图3-2所示。

B相和C相的设置不同于A相（电源模块可在旁边编辑其名称，这里编辑为A相、B相、C相）。

图3-2A相电源参数设定

A相的幅值取220V，初相位设置为0，频率为50Hz，其他设定为默认。

B相和C相设定的方法和A相相同，注意将初相位分别设定为120和240。

这样就得到了三相对称交流电源。

晶闸管整流桥的建模和参数设定。

从模块组选取“UniversalBridge”模块，双击打开以设定参数，参数设定如下图3-3。

当采用三相整流桥时，桥臂数取3；电力电子元件选取晶闸管。

如果仿真结果不理想，则要通过仿真实验不断的进行参数优化，最后确定其参数如图3-3所示。

平波电抗器的建模和参数设定。

从模块组中选取“SeriesRLCBranch”模块，双击打开以设置参数。

参数设定要求类型选择电感L就可以得到电抗器。

平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较后得到的优化参数。

直流电动机的建模和设定。

从模块组中选取“DCMachine”模块。

直流电动机的励磁绕组接直流恒定励磁电源；电枢绕组经平波电抗器接晶闸管的输出；电动机经TL端口接恒转矩负载如图3-4所示。

脉冲触发器的建模和参数设定。

在这里将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究。

同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两个部分。

仿真要求6脉冲触发器需用三相线电压同步，所以同步电源的作用是将三相交流电源的相电压转换成线电压。

在仿真图中触发器开关信号Block为“0”时开放触发器；为“1”时封锁触发器。

Block选取的是Constant模块，设置参数为0既可。

图3-3UniversalBridge的参数设置

图3-4直流电动机的参数设定

控制电路的建模和参数设定。

（二）开环系统的控制电路比较简单，只有一个给定环节。

在模块组中选取“Constant”模块，设定参数为150rad/s。

图3-5给定环节的参数设定

实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，可以通过仿真实验，确定给定信号的允许范围。

这里通过实验得出给定信号的允许变化范围在【207110】。

3.1.2开环系统的仿真

在上一节的仿真基础上，可以调试并开始仿真。

上一节的开环系统的仿真图可以在Matlab的模型窗口打开“simulink”菜单，设置“simulinkparameters”的参数，在“configurationparameters”下设置仿真参数。

如图3-6所示。

由于实际系统的多样性，不同的系统采取的算法不尽相同。

可以通过仿真实践的比较选择适合的算法。

仿真的Starttime一般设置为0，stoptime根据需求设置，为方便观察输出结果，一般要求仿真输出完整的波形既可。

在Matlab模型窗口打开“simulink”菜单，点击“Start”命令，系统开始仿真。

仿真结束后可得到仿真结果。

对开环系统的仿真来说，可以通过两种方法来输出仿真图形。

图3-6仿真参数设置对话框和参数设置

（1）采用示波器模块观察输出直接双击“scope”模块既可。

得到的关于转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩的仿真