电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真的毕业设计论文

届毕业论文（设计）论文（设计）题目电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真 子课题题目 姓 名 学 号 所属院系 专业年级 指导教师 电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真201 年 月电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真摘 要汽车是现代社会重要交通工具，它在为人类提供便利出行的同时也带来了严重的环境污染和能源耗费问题。电动车由于其所用能源的清洁性和能源来源的广泛性而越加受到重视。并且电动车体积小易于穿行在现今拥挤的都市中，为短途的出行带来了极大的方便。直流电机以其起动转矩大、控制简单、调速性能优越等优点在低速电动车驱动电机市场中占主导地位。而他励直流电机具有控制灵活、易于弱磁等特点，因而更受市场的青睐。现如今电动车虽然有了巨大的发展，但是仍存在着控制器系统效率不高，电动车续航里程较短；控制器可靠性较差等问题。本文在双闭环直流调速系统原理基础上,根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数,电流和转速调节器都采用 PI 调节器。不同的是电流环设计成典型 I 型系统，速度环设计成典型 II 型系统。运用 matlab 建立了转速电流双闭环直流调速系统的模型，对系统加入电流和负载扰动进行仿真之后得到系统的电压、电流和转速曲线并对其进行分析。关键词：他励直流电机；双闭环控制器；Matlab 仿真；PI 调节电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真IAbstractCars are important means of transport in modern society, it provide convenience for human to travel, and also brings serious environmental pollution and energy consumption problems. Electric vehicles because of its clean energy used and generalized energy sources and more attention. And electric vehicles in the small size is easy to travel in the crowded city, brought great convenience for short-distance travel.Dc motor with its large starting torque, the advantages of simple control, speed control performance is superior in low-speed electric vehicle drive motor dominated in the market. And separately excited dc motor has the characteristics of flexible control, easy to weak magnetic, so more popular with the market. Nowadays electric vehicles, although there is a huge development, but there are still efficiency is not high, the control system of electric vehicle range is short; The issue such as difference of controller reliability.In this paper, based on the principle of double closed-loop dc speed regulating system, based on the system dynamic and static performance index with engineering design method to design controller parameters, current and speed regulator of PI regulator. Different is a typical type I system, current loop is designed to speed loop design into typical II type system. Speed was established by applying the matlab, the current model of double closed-loop dc speed regulating system, simulation system on the current and load disturbances after getting the system voltage, current and speed curve and to analyze it.Keywords:Separately excited dc motor;Double closed loop controller;The Matlab simulation;PI regulation.电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真II目 录第一章 绪论 .11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 课题的研究现状与发展动态 .21.2.1 电动车的研究现状 .21.2.2 电动车的发展动态 .21.3 本文研究的主要内容 .3第二章 系统的数学模型 .42.1 建模对象的基本特征 .42.2 开环系统和闭环系统的比较 .52.3 双闭环调速系统数学模型的建立 .72.3.1 直流双闭环调速的原理 .72.3.2 直流双闭环调速系统的限幅问题 .82.3.3 转速和电流两个调节器的作用 .92.3.4 系统模型的搭建 .9第三章 控制系统设计 .123.1 被控实物的基本参数 .123.1.1 电机和其他装置 .123.1.2 设计的基本要求 .123.1.3 各模块参数的计算 .123.2 电动车他励直流电机驱动电路的设计 .133.2.1 系统主电路图 .133.3.2 整流变压器的计算 .133.2.2 晶闸管组件的计算与选择 .143.2.3 主电路的过电压和过电流保护 .153.2.4 平波电抗器的参数计算 .163.3 电流调节器的设计 .163.3.1 电流调节器结构的选择 .163.3.2 电流调节器的参数选择 .17电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真III3.3.3 电流调节器校验近似条件 .173.4 转速调节器的设计 .183.4.1 转速调节器结构的选择 .183.4.2 转速调解器的参数选择 .193.4.3 转速调节器校验近似条件 .20第四章 系统仿真及分析 .214.1Matlab 软件的介绍 .214.1.1Matlab 简介 .214.1.2Simulink 的介绍 .224.2 系统各模块参数设置 .234.3 系统的仿真结果 .274.3.1 额定状态下的仿真结果 .274.3.2 突加电网电压扰动仿真结果 .284.3.3 突加负载扰动的仿真结果 .304.4 仿真结果的分析 .31第五章 总结与展望 .32参考文献 .33谢辞 .34电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真0第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景及意义全世界在研发电动车方面投入了大量的人力物力和财力，虽然取得了一些重要的科研成果，但是全球能源危机的爆发，石油资源越加匮乏的今天。各国政府及交通工具涉及的各个领域节能减排是未来各种日常代步工具的发展方向。然而电动车在这些工具中毫无疑问的是用的最为广泛的，电动车的使用不但解决了资源匮乏的问题还解决了环境污染的问题。在严峻的能源和环境问题下，电动车得到了快速地发展。从环保上看，电动车实现了零排放、无尾气污染；从能源的角度看，电动车使用电能作为能源，其所消耗的能源来自太阳能、风能或水能，实现了能源利用的多元化和可持续性。汽车是现代社会重要的交通运输工具，它促进了社会的快速发展，为人们提供便利，但同时它也带来了严重的能源和环境问题。常规汽车消耗的能源几乎全部来自于石油的制成品，汽车行业发展与石油短缺之间的矛盾愈发激烈，严重危及我国的国民经济稳定发展和国家能源安全。与此同时，在汽车保有量快速增长的情况下，由汽车尾气带来的空气污染问题愈发严重，城市空气质量也越来越差同时也造成了道路的拥堵和事故的频发。然而现在，从这拥堵的车辆中一种新的运输道路被“见缝插针”般开启，中国人的出行方式又在经历一场悄然转变不用汽油，没有废气排放，没有噪音污染的电动车，成为了运输新革命的先驱。电动机代替了噪音高、污染大、耗能高的燃油机。然而电动车的续航是一个十分关键的问题，由于使用了电动机，燃油机的油料及传动系统所占用的空间便可以用来加大电池的容量来补偿电池的需求。电动车具有传统内燃车所不具备的高效节能环保的功能，电动车的启动控制参数的优化匹配，降低了启动污染物的排放，提高了能源的合理有效的配置；这些一系列的优点确定了电动车在未来发展中的核心位置。电动车是由完全由车载的蓄电池提供电能，通过控制器来驱动电机使车辆运行的一类电动车。纯电动车结构简单、维护的成本较低，并且噪音污染小、无尾气排放问题。环境污染、能源紧缺正日益成为我国可持续发展和建设和谐社会所必须面对的严峻课题，为了应对上述挑战，绿色、环保、节能成为当今社会流行的话题。政府为了提高发展的质量，也积极鼓励各行业发展节能环保产品，因此，环保节能产品在当今电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真1社会充满了活力，是经济增长新的源动力。电动车作为一种有效替代燃油汽车的绿色交通工具，无论从环保角度还是能源角度看，未来电动车都需要有一个大的发展。由于大都市都普遍存在着十分严重的交通问题和汽车尾气排放污染问题，电动车在城市有着独特的市场。作为一种小型、中速和短途的日常交通工具，电动车是十分理想的，有着得天独厚的发展条件和广阔的应用前景。1.2 课题的研究现状与发展动态1.2.1 电动车的研究现状目前众多电动车企业，在设计电动车之初，已经考虑到整车重量，更多的使用轻便材料，减轻整车重量，以符合国标要求。而且通过轻量化的产品设计，可以更有效的提升电动自行车的续航能力，满足消费者对于电动车高性能的需求。早在 2013 年初，行业中就不乏“转型、革新”这样的声音，但一直表现甚微，大多数都是只有概念而没有实际的突破，导致许多人认为产品转型就是在忽悠，不见真章。但是从去年各大电动车企业发布的新品上来看，电动车行业正逐步的向“锂电化”、 “轻量化”、“智能化”的方向上发展。四五年前，受到材料和技术等方面的限制，锂电池价格偏高，制约了锂电池电动车的发展。但是近几年，随着锂电池材料和技术的持续创新，价格有所下降，优势也日益凸显。相较于传统的铅酸电池，锂电池的寿命更加长久，使用寿命约为铅酸电池的 3 倍，且重量更轻，体积更小，在电动车产品中具有显著的竞争力成为越来越多人的出行选择。因此，从近些年来电动车行业中各大电动车企纷纷呈现出锂电化的趋势。在众多锂电车面市后，经销商也发现这种轻便的锂电车更受消费者们的青睐，2015年锂电车整体发力也是非常不错的。随着时代的发展，电动车已经不像过去只是简单的代步工具，消费者对于电动车产品提出了更高的要求，电动车的附加价值更加重要。1.2.2 电动车的发展动态1985 年中国市场上的第一辆电动自行车诞生，2003 年开始迅速发展，经过十年的加速发展，产业规模和产销量每年均保持 50%以上的增长。特别是 2005、2006 两年期间，电动车行业的发展进入井喷期，直至 2014 年初，全国电动车保有量约 1.8电动车用他励直流电动机控制系统设计及仿真2亿，成为全国交通工具的一大支柱产业。政府的鼓励政策加上中国人大多都精通双轮交通工具驾驶，使得中国开始成为这种廉价又环保的交通工具在全球最热销的市场。电动车成为中国解决交通污染问题的替代选择，在世界上其他国家的工程师们正在热衷于研发插入式电动汽车的同时，电动车在中国已经相当普及了。此外，电动车和电动轻便摩托车的机械构造和零件组成都相对简单，所需的技术并不算很高，这使得中国出现了大量电动车公司。事实上，电动车在中国得到繁荣很大程度上要归功于政府的政策。早在 1991 年，政府就提出一项旨在大力研发电动车的官方目标。中国大多数城市都拥有大量自行车道，这就意味着在交通繁忙的时段，电动车可以在自行车道自由穿行，远离交通堵塞。早期的电动车行驶速度要比现在的慢得多，因为电池电量有限，行驶的距离也不长，而且电池通常用不到一年就坏了。而现在的电动车一般充满电后足够行驶 50 公里，对于日常上下班出行已经足够。不过,电池仍然还是一道薄弱环节。铅酸电池目前正在改进，但正真能让电动车市场更进一步的是锂离子电池这种全新的、更轻便的电池，它是未来电动车甚至是电动汽车发展的关键。电动车在控制方面大多通过控制直流电动机的电压或电枢电流来控制电动车的加、减速。在电动车的启动及其行驶的过程中，为了在控制方面更加的平稳和接近理想的状态；那电压和电流的改变方式便必须是呈现一个可控的线性改变过程，才可以更加平稳、安全的驾驶电动车。为了使速度的改变更加趋于一个可控的线性状态那控制器的选择和设计就成为一个关键的问题，现在大多使用的电流转速双闭环控制系统控制便能很好的解决线性可控的这样一个重要问题。1.3 本文研