无静差转速负反馈直流调速系统仿真研究

1、南京工程学院课程设计任务书 课 程 名 称 电机控制技术 院（系、部、中心） 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气111 起 止 日 期 2014，6，3 -6，13 指 导 教 师 林琳 1课程设计应达到的目的 电机控制技术是电气工程及其自动化专业的专业课程，内容包括交、直流调速和位置控制。本课程要求学生在掌握基本理论的基础上,逐步培养运用理论去分析解决现场实际问题的能力，而不是机械地仅仅掌握理论而已。本课程设计正是为达到这一目的而设计的。2课程设计题目及要求一：课设题目无静差转速负反馈直流调速系统仿真研究二：课设目的（1） 学习掌握单闭环无静差转速负反馈调速系统的工作原理

2、，近似处理方式以及建模。（2） 学习掌握MATLAB的应用。3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求课程设计任务：（1）审题、选题（2）系统原理、结构框图的设计（3）系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序（4）系统仿真结果分析及结论（5）完整的设计报告工作量的要求：（1） 任选一题，要完成3000字左右的报告，包括课程设计的原理和工作过程。（2） 要得出仿真模型及相关波形图。（3） 视选题难度、完成的过程报告、所建模型及方真结果而决定成绩。4主要参考文献1、 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.北京：机械工业出版社，2003.72、 电机学3、 电机拖

3、动5课程设计进度安排起 止 日 期工 作 内 容2012，6，3 -6，13(1)审题、选题(2)系统原理、结构框图的设计(3)系统计算、建模、仿真框图、模块设计及源程序周末，自行安排周末，自行安排(4)系统仿真结果分析及结论(5)完整的设计报告6成绩考核办法1、 提问答辩2、 报告、程序及波形图教研室审查意见：教研室主任签字： 年 月 日院（系、部、中心）意见：主管领导签字： 年 月 日一：课设题目无静差转速负反馈直流调速系统仿真研究二：课设目的(1) 学习掌握单闭环无静差转速负反馈调速系统的工作原理，近似处理方式以及建模。(2) 学习掌握MATLAB的应用。三：系统概述直流电动机具有良好的

4、起动、制动性能,宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流电动机的稳态转速可表示为式中 n-转速（r/min）;U-电枢电压（V）；I-点数电流（A）；R-电枢回路总电阻（）；-励磁磁通（Wb）；-由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，有三种调节电动机转速的方法： 1）调节电枢供电电压U； 2）减弱励磁磁通； 3）改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的范式为最好。四：参数设定调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r

5、/min,电枢电阻Ra=0.2,允许过载倍数= 1.5;电枢回路总电阻:R= 0.5,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:=0.05V/A,转速反馈系数:=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s ,Ton=0.01s。五：数学建模(1) 晶闸管触发与整流装置（V-M）的近似处理 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为 利用拉普拉斯变换的位移定理，则晶闸管装置的传递函数为将上式按泰勒级数展开，可得 考虑到很小，依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，

6、把整流装置近似看作一阶惯性环节，则传递函数可表示为 其动态结构框图为(2) 他励直流电动机的近似处理 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如图其中电枢回路总电阻R和电感L包含电力电子变换器内阻，电枢电阻和电感及可能在主电路中接入的其他电阻和电感，规定的正方向如图2-20所示。 假定主电路电流连续，动态电压方程为 忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为 式中 -包括电动机空载转矩在内的负载转矩（N·m） -电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量（N·） 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 式中 -电动机额定励磁下的转矩系数（N·m/A）,=。 再定义下

7、列时间常数： -电枢回路电磁时间常数（s），=; -电力拖动系统机电时间常数（s），。 整理以上式子，得 式中 -负载电流（A）， 在零初始条件下，取等式两侧的拉普拉斯变换，得到电压与电流间的传递函数为 （1） 电流与电动势间的传递函数为 （2） 式（1）和式（2）的动态结构图分别如图（a）和（b）。将两图结合在一起，并考虑到，即得额定励磁下直流电动机的动态结构图，如图（c）所示。(3)速度调节器的选取 在采用比例调节器的调速系统中，调节器的输出时电力电子变换器的控制电压。只要电动机在运行，就必须有控制电压，因而也必须有转速偏差电压，这是此类调速系统有静差的根本原因。 如果采用积分调节器，则控

8、制电压是转速偏差电压的积分，。当是阶跃函数时，按线性规律增长，每一时刻的大小和与横轴所包围的面积成正比。对于闭环系统中的积分调节器，不是阶跃函数，而是随转速不断变化的。当电动机起动后，随着转速的升高，不断减小，但积分作用使仍继续增长，只不过的增长不再是线性的了，每一时刻的大小仍和与横轴所包围的面积成正比。在动态过程中，当变化时，只要其极性不变，即只要仍是，积分调节器的输出便一直增长；只有达到，=0，才停止上升，而达到其终值。在这里，值得特别强调的是，当=0时，并不是零，而是一个终值，如果不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控制不同于比例控制的特点。正因为如此，积分控制可以使系统在无

9、静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。 上边从无静差的角度突出表明了积分控制优于比例控制的地方，但是从另一方面看，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。同样在阶跃输入作用之下，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的变化，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该肿么办呢？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（PI）控制。比例积分控制（PI调节器）的输出由比例和积分两部分叠加而成，其输入-输出关系为 为了使PI调节器的表达式更具有通用性，用表示PI调节器的输入，表示PI调节器的输出。其传递函数为 式中 -PI调节器的比例放大系数； -PI调节器的积分时间常数。(4)比例积分控制的直流调速系统的仿真框图由以上分析可得比例积分控制的直流调速系统的仿真框图如图所示。六:参数的计算与整定三相桥式电路的平均失控时间=0.00167s，给定=40。 整定PI参数 取,系统转速性和超调量都满足设计要求七：MATLAB仿真（1）仿真模型：（2）调速A)改变励磁磁通；减弱励磁磁通，在仿真模型上即是改变的值。a，=1时，b，=5时由图可见：通过调节磁通来调节转速显然不是十分可行B )调节电枢供电电压U；U=3时，由图可见，调节供电电压时，可以大幅度调节转速，所以调节供电电压在一定条件下最好。C )改变电枢回路电阻R想改变电枢回路电阻R，在仿真模型