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直流电机论文xin
1、绪论
1.1课题背景
直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。
直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。
该法只适用在一些小功率且调速范围要求不的场合。
30年代末期，发电机、电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。
这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。
但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。
近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机、电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机、电动机调速系统。
特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。
电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。
长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法，以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。
因此，各种仿真算法和仿真软件相继诞生了。
由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。
MATLAB提供的动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。
它有效的解决了以上仿真技术中的问题。
在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。
另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。
Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真大到宏观的星体，小至微观的分子原子。
它可以建模和仿真的对象的类型广泛，既可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统。
它可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。
Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。
传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。
随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。
它的发展过程是这样的：
由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制。
再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速。
再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。
调速性能的不断提高使直流调速系统的应用越来越广泛。
1.2课题意义
随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调节精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。
因此人们对直流调速系统的研究将会更加深入。
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，效率高，优异的动态性能，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。
因此研究直流电机的调速控制，有着非常重要的意义。
2系统设计原理及要求
2.1设计原理
直流电动机的电枢电压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Uc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1-1为晶闸管—直流电动机调速系统原理图，图中VT是晶闸管可控整流器，通过调整触发装置的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。
图1-1直流开环调速系统原理图
2.2设计要求
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。
例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。
归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：
（1）调速。
在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。
（2）稳速。
以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。
（3）加、减速。
频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。
这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
（1）调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速
和最低转速
之比叫做调速范围，用字母D表示，即
（2—1）
其中，
和
一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。
（2）静差率
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落
，与理想空载转速
之比，称作静差率s，即
（2—2）
或用百分数表示
显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。
它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。
一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。
在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。
如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。
因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。
（3）直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速
作为最高转速，若额定负载下的转速降落为
，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
于是，最低转速为
而调速范围为
将上面的
式代入，得
（2—3）
式（2—3）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。
对于同一个调速系统，
值一定，由式（2—3）可见，如果对静差率要求越严，即要求
值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。
3、主电路设计
3.1仿真原理图
V-M调速系统仿真图如图3-1所示：
图3-1直流电动机开环调速系统仿真图
3.2触发电路设计
根据直流电机控制原理，我们可知调节控制电压Uc可以移动触发装置脉冲的相位，即可方便的改变可控整流器的输出的瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。
触发器的控制角由移相控制信号Uc决定，移相特性的数学表达式为：
在本模型中取
，
，
所以
。
移相特性如图3-2所示：
图3-2：
移相特性曲线
在本系统中，我们选择Uc=10V，所以触发延时角
。
本系统采用三相桥式整流电路，所以采用同步六脉冲发生器用于产生晶闸管的触发脉冲，一个周期中，它产生6个触发信号，每个触发信号的间隔是60°。
六脉冲发生模块有5个输入端，一个输出端。
输入端alpha-deg用于给定移相控制角的大小，这里为
。
输入端AB、BC、CA用于接入同步信号，同步的作用是使触发其产生的触发信号与整流主电路晶闸管所需要被触发的时刻相一致，并且要保证三相桥6个晶闸管主电路按规定的顺序依次触发，因此同步信号要与晶闸管主电路的三相电源保持一定的相位关系。
输入端Block用于控制触发脉冲的输出，在该端置“0”，则有脉冲输出。
触发电路具体参数值设计如下：
模块
参数名
参数
同步6脉冲触发器
（6-PulseGenerator）
Frequencyofsynchronisationvoltage
50
Pulsewidth
10
Doublepulsing
3.3电压源设计
在仿真过程中，为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和同步触发装置使用同一个交流电源，为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感Ls=0。
由于设计要求中有告知考虑整流装置内阻R，为此，再计算供电电源电压的时候，我们要考虑整流装置电阻的影响。
在分析V-M系统的主电路时，如果把整流装置内阻
等效到装置外边，看成是其负载电路的电阻的一部分，那么整流电压便可以用理想空载瞬时值ud和平均值Ud来表示，其等效原理图如图3-3所示：
图3-3：
三相桥式全控整流电路主电路等效原理图
基于上述分析，并采用三相全桥整流电路，最终我们能够确定系统的供电电压为：
三相电源具体参数值设计如下：
模块
参数名
参数
三相电源
（Three-PhaseSource）
Phase-to-phasermsvoltage/V
197*sqrt（3）
PhaseangleofphaseA/degrees
0
Frequency/Hz
50
Internalconnection
Yg
Sourceresistance/Ω
0.001
Sourceinductance/H
0
3.4整流装置设计
根据设计要求这里我们选用三相桥式全控整流装置，已知电机的电枢绕组
，整流装置装置内阻
。
这里我们在系统主电路中用电阻等效系统整流装置器的内阻值。
三相桥式全控整流装置具体参数值设计如下：
模块
参数名
参数
整流装置
（SCR）
Numberofbridgearms
3
SnubberresistanceRs（Ohms）
1e5
SnubbercapacitanceCs（F）
inf
Ron（Ohms）
1e-3
Lon（H）
0
ForwardvoltageVf（V）
0
3.5直流电动机设计
直流电动机的运行特性主要有两条:
一条是工作特性曲线，另一条是机械特性曲线，即转速-转矩特性曲线。
分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异。
在直流电动机模型中，F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是直流电动机电枢绕组的联结端，TL是电动机负载转矩的输入端。
m端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。
根据课程设计要求，一台四极直流电动机额定参数为
，
，
，
，
。
励磁电压
，励磁电流
。
下面具体计算直流电动机的各项参数：
励磁电阻：
励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
电枢电阻：
电枢电感由下式估算：
电枢绕组和励磁绕组间的互感
：
电机转动惯量
直流电动机具体参数值设计如下：
模块
参数名
参数
直流电动机
（DCMachine）
电枢电阻
0.21
电枢电感
0.0021
励磁电阻
146.7
励磁电感
0
电枢绕组与励磁绕组间互感
0.84
转动惯量
0.57
此外，直流电动机的励磁电压我们选择电动机额定电压U=220V。
3.6平波电抗器的选择设计
对于可控整流系统的输出，由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。
在V-M系统中，脉动电流会增加电动机的发热，同时也会产生脉动转矩，这都对生产机械不利。
此外，电流波形的断续给用平均值描述的整流电压带来了一种非线性的因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。
因此，需采用抑制电流脉动的措施，就是要增加平波电抗器。
若果在系统中不串入平波电抗器，在整流电路输出的直流电路输出端的直流电流可能会出现断续，从而使电动机的机械特性变软。
平波电抗器的电感量一般按照低速轻载时保证电流连续的条件来选择，通常首先给定电流
，再利用他所计算出所需的电感量，对于三相桥式整流电路，电感量计算公式为：
在这里我们选择平波电抗器的电感量为200mH。
3.7负载转矩的确定
根据课程设计要求，我们计算出额定负载转矩为：
这里，我们用阶跃输入信号作为系统的负载转矩输入。
设定电动机空载起动，起动3s后，加额定负载转矩
。
4、仿真结果
根据以上分析说明绘制直流电动机开环调速系统仿真图，仿真参数设置为：
仿真算法采用ode15s，仿真时间为8s，电机空载起动，起动3s后向系统中加入额定负载
，经波形调试后得到以下仿真结果，其波形图如下所示：
图4-1：
桥式整流装置输出电压波形图
图4-2：
直流电动机电枢电压仿真图
图4-3：
直流电动机转速仿真图
图4-4：
直流电动机电枢电流仿真图
图4-5：
直流电动机电磁转矩仿真图
图4-6：
直流电动机励磁电流仿真图
图4-7：
直流电动机转矩—转速特性仿真图
5、仿真分析
从上述仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理论分析的波形。
经平波电抗器后电动机电枢两端的电压波形较整流器输出端的电压波形脉动减少了很多，额定负载时，电枢电压两端的平均值在215V左右，基本符合设计要求。
此外，通过观察电动机电枢回路电流和转速变化的过程，我们可以发现：
在全电压直接启动的过程中，启动电流很大，在2s的时候电流下降为零（空载过程），启动过程结束，这时电动机转速上升到最高值。
在启动的3s后向电动机加载额定负载，电动机的转速下降，电流迅速增大，而电动机转矩的变化曲线和电流曲线成比例变化。
最后的电动机转矩—转速特性仿真图可以发现，调速过程中电动机转速随着电磁转矩的增加成线性降低，符合直流电动机的调速特点。
图1中，整流电路输出电压波形的瞬时理论值为：
，
，与检测的数值相符。
图2中，在电动机空载过程中，电枢两端的电压最大值为394V，理论值为：
，实际输出值基本与理论值相符，偏小的原因在于电源、整流装置中都存在一定的内阻，都会降低输出电压的大小。
此外，当向系统加入负载后，电枢两端电压为215V，这是因为此时电枢回路有电枢电流的存在，而前面分析中我们将整流装置的内阻等效到系统的主电路中，所以内阻会分压降低电枢电压，从而降低电机的转速。
图3为电机的转速仿真图，我们发现在额定负载时电机的转速为：
，与实际的额定转速1460r/min基本接近，主要是因为电枢电压的降低使得转速略微的比额定值减小。
图5、6分别是电机的电枢电流、电磁转矩仿真图，从图中我们可以发现，电动机启动的过程中电机的电流和转矩值都很大，这会对电机的运行造成影响，实际生产中我们常用降压启动和回路串电阻启动来降低启动电流对电机的影响。
虽然晶闸管直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实现调速，但是也存在各种问题。
1、全压启动过程启动电流过大；2、转速随负载的变化而变化，负载越大，转速降落越大，难于在负载变动的时候保持稳定而满足生产工艺的需要。
为了减少负载波动对电动机转速的影响，可以采取带转速负反馈的闭环调速系统进行控制，根据转速的偏差来自动调整整流装置的输出电压，从而保持转速的稳定。
6、课设总结
在这次创新实验设计中，我找到了以前理论课程学习上的不足，以后会加强这方面的训练。
通过对matlab的学习，我了解到其在电路分析，信号系统分析中的作用，也了解了各个学科之间是相互关联的。
MATLAB软件对开环直流电动机进行仿真，相对来说实验更加形象，而且调节方便。
在这次的课程设计过程中，使用SMlink中电力电子元件代替传统的基于数学模型的传递函数仿真的方法，开拓了我的思维，增加了学习的乐趣，最重要的是为今后学习和解决问题提供了一条新方法。
参考文献：
[1]阮毅、陈伯时主编，“电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第4版）”，机械工业出版社，2010年
[2]汤天浩主编，“电力传动控制系统——运动控制系统”，机械工业出版社，2010年
[3]洪乃刚编著，“电力电子、电机控制系统的建模和仿真”，机械工业出版社，2010年
[4]谢卫编著，“电力电子与交流传动系统仿真”，机械工业出版社，2009年
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