直流晶闸管调速系统闭环设计与仿真.doc

毕业设计(论文)BACHELOR DISSERTATION 论文题目：直流电机晶闸管调速系统的设计与分析学位类别： 工学学士 学科专业： 机械设计制造及其自动化 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日直流电机晶闸管调速系统的设计与分析摘 要运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。自动调速系统主要包括直流调速系统和交流调速系统。在高性能的拖动技术领域中，相当长时间内基本采用直流电力拖动系统。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，已满足工作机械的要求。从机械特性上看就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和负载机械特性的的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。本文以直流电动机为对象，先是分析晶闸管电动机调速系统的开环工作机械特性，然后分析单闭环有静差和无静差工作的系统静特性，以及着重对转速、电流双闭环的机械特性设计与分析，并应用MATLAB软件对系统模型进行了仿真研究。关键词：直流电机调速；晶闸管；单闭环；双闭环；MATLAB仿真The design and analysis of Thyristor DC motor speed control systemABSTRACTApplication in motion control system is the most common form of automatic speed control system. Automatic speed control system includes AC variable speed DC drive system and the system. Drag in the high-performance technology, the relatively long period of time almost all the DC electric drive system. In addition, based on feedback control theory based on the principle of DC Speed Control Speed Control is the basis of the exchange. DC converter is artificially or automatically change the speed of DC motor has to satisfy the requirements of mechanical work. Judging from the mechanical characteristics of the motor is by changing the applied voltage and other parameters or methods to change the motors mechanical properties, thereby changing the motor characteristic and load mechanical characteristics of the intersection, the stable operation of the motor speed change. This paper focuses on the SCR motor speed control system of open-loop mechanical properties of the work, single loop with static error and poor working system with no static static properties, mechanical properties and the double closed-loop system closed-loop control characteristics were tested. And apply the MATLAB software system model was simulated. Keywords: DC motor speed; thyristor；open loop; double loop; MATLAB simulation目录摘 要IABSTRACTII目录III第1章 绪 论11.1直流调速系统的概述11.2 课题的提出及研究意义11.3 课题分析与论文主要内容2第2章 晶闸管直流调速系统32.1晶闸管整流技术32.2直流晶闸管调速系统42.3.直流调速系统的控制要求和调速指标4第3章 转速负反馈单闭环直流调速系统的分析63.1单闭环控制的直流调速系统的组成63.2 转速单闭环直流电机调速系统的静特性73.3 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析83.4 单闭环无静差直流调速系统93.4.1 PI调节器10第4章 转速、电流双闭环调速系统及特性和设计114.1 双闭环直流电机调速系统的问题的提出114.2 双闭环直流调速系统的组成与工作原理124.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性144.4双闭环直流调速系统的数学模型与动态分析154.5双闭环直流调速系统的起动过程分析174.6直流调速系统的理论设计194.6.1 直流调速系统组成及要求194.6.2 电流环的设计194.6.3 速度环的设计21第五章 基于MATLAB/SIMULINK直流调速系统的仿真设计225.1 Matlab/Simulink简单介绍225.2 双闭环系统的建模与参数设置235.3系统仿真结果的输出及结果分析25结 论27参考文献28致 谢2936第1章 绪 论1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2 课题的提出及研究意义电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。按照传动电动机的类型来分，电气传动油直流传动和交流传动两大类。尽管目前各种交流调速系统得到了普遍的重视和较快的发展，但因为直流电机具有较大的启动转矩，良好的启动、制动性能，以及易于在宽范围内实现平滑调速，所以直流调速系统至今仍然是自动调速系统的一种主要形式。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。1.3 课题分析与论文主要内容本课题以直流电动机为对象，第一部分说明晶闸管的整流技术，直流调速系统的主要问题和V-M系统开环特性。为后面研究直流调速系统单闭环，双闭环特性做基础。第二部分为单闭环控制直流调速系统部分，研究单闭环(转速负反馈)有静差和无静差工作的系统静特性并进行相关分析。第三部分为双闭环直流调速系统部分，完成双闭环直流调速系统的机械特性和闭环控制特性研究，并进行相关设计分析。第四部分为软件仿真部分，用MATLAB软件对系统性能进行仿真研究，对仿真结果分析、研究，验证控制方案的合理性。第2章 晶闸管直流调速系统2.1晶闸管整流技术晶闸管是PNPN四层三端器件,分别命名为p1、n1、p2、n2四个区，共有三个PN结。晶闸管外形、结构及图形符号如下图2-1所示。图2-1 晶闸管外形、结构及图形符号当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。整流是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电供给直流用电设备。整流电路可以分为不可控、半控、全控三种。本论文主要以三相全控整流电路作为可控直流电源供给直流电动机。三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。其电路如图2-2所示 图2-2三相桥式全控整流电路原理图2.2直流晶闸管调速系统的调速原理及开环特性晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统) 整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成，在图2-3所示的V-M系统中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统，称为开环调速系统。图中VT是相控整流器，通过触发器装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出整流电压，从而实现直流电动机的平滑调速。图2-3直流电机调速系统(V-M系统)的原理图1，系统的组成及调节原理系统的组成图如2.5，调节改变移相角改变Udn改变2，触发脉冲的相位控制调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，瞬时电压平衡方程： （2.2）式中E为电动机反电动势；id为整流电流瞬时值；L为主电路总电感；R主电路等效电阻；对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0 。用触发脉冲的相位角a 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角 a 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0 = f (a) 可用下式表示： （2.3）式中a为从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um为 a = 0 时的整流电压波形峰值；m为交流电源一周内的整流电压脉波数；对于三相全波整流电路，其中U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值，Um=，m=6，。当 0 a 0 ，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧； 当 p/2 a amax 时， Ud0 0，整理后得K (3.5）式（3.5）右边称作系统的临界放大系数,当 K 时，系统将不稳定。对于自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。3.4 单闭环无静差直流调速系统 上面介绍的采用比例调节器的单闭环调速系统，其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量。将比例调节器换成比例积分调节器之后，不仅改善了动态性能，而且还能从根本上消除静差，实现无静差调速。采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。从无静差的角度看积分控制优于比例控制，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变。如果既要稳态精度高，又要动态响应快，只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。3.4.1 PI调节器如果既要稳态精度高，又要动态响应快，只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。 在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现，线路如图3-4所示。图3-4比例积分（PI）调节器1PI输入输出关系按照运算放大器的输入输出关系，可得 （3.6）式中为 PI调节器比例部分的放大系数；为PI调节器的积分时间常数。由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。2. PI调节器的传递函数当初始条件为零时，取式（3.6）两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数。 （3.7）令1=R1C1，则传递函数也可以写成如下形式 (3.8)式3.8表明，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，t1是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数t 的物理意义是不同的。第4章 转速、电流双闭环调速系统及特性和设计4.1 双闭环直流电机调速系统的问题的提出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。在单闭环系统中，只有电流截止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，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图4-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。实际工作中,在电机最大电流(转矩)受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡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。这样的理想起动过程波形如图4-1b所示，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)受限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的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用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，不再靠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在不同的阶段。双闭环(转速环、电流环)直流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、抗干扰能力强的优点。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrn(a)(b)(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图4-1调速系统起动过程的电流和转速波形4.2 双闭环直流调速系统的组成与工作原理转速电流双闭环直流调速系统的原理如图4.2，直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、单相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。在启动时，加入给定电压U*n，“速度调节器 (ASR)”，和“电流调节器(ACR)”，以饱和限幅值限幅值输出，使得电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速，并在出现超调后，ASR和ACR退出饱和，最后稳定在给定转速下运行。在调速系统工作时，要先给电动机加励磁，ASR的输出作为ACR的输入，利用ASR的输出限幅可达到限制启动电流大小的目的。ACR的输出作为“触发电路”的控制电压Uc，利用ACR的输出限幅可以限制整流桥的最大导通角max。图4.2双闭环直流调速系统原理框图（注: ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG直流测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子装置 Un*转速给定电压 Un转速反馈电压 Ui*电流给定电压 Ui 电流反馈电压）总的来说，双闭环调速系统中两个调节器的作用为：（1） ASR的作用：使转速n跟随给定电压U*n变化，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。（2） ACR的作用：在电动机起动时，保证获得最大电流，起动时间短，使系统具有较好的动态特性；在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U*i变化；当电动机过载甚至堵时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用，在故障消失后，系统能够自动回复正常；对电网电压波动起快速抑制作用。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图4-3所示，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，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环系统的两个调节器ASR和ACR一般采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。nASRACRU*n+-UnUiU*i+-UctTA+-UdIdUPE-MTG 环ni外环内环图4-3转速、电流双闭环直流调速系统4.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图4-4双闭环调速系统的稳态结构图首先画出双闭环直流系统的稳态结构图4-4，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和：此时两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都为零，即 (4.1) (4.2) (4.3) 从而得到图4.5静特性的n0-A段。由，且ASR不饱和得：，说明n0-A段静特性从(理想空载状态)一直延续到，而一般都大于额定电流的。 （2）转速调节器饱和：此时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时有： (4.4)从而得到图4-5静特性的A-B段。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。图4-5双闭环调速系统的静特4.4双闭环直流调速系统的数学模型与动态分析U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图4-6双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4-6所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。动态性能可分为动态跟随性能和动态抗扰性能两种。其中动态抗扰性能对于调速系统更为重要，它主要表现为抗负载扰动和抗电网电压扰动。（一） 动态跟随性能，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。在设计ACR时，应强调具有良好的跟随性能。（二） 动态抗扰性能：1抗负载扰动：由图4-6可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节ASR来产生抗负载扰动的作用。在突加(突减