直流晶闸管调速系统闭环设计与仿真本科毕业设计

1、 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奉献的个人或集体，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

2、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效劳；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局部或全部内容。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奉献的个人和集体，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当。作

3、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存、使用学位论文的规定，同意学校保存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局部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，相当长时间内根本采用直流电力拖动系统。直流调速是

4、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 co

5、ntrol 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

6、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

7、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. Th

8、is 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

9、apply the MATLAB software system model was simulated. Keywords: DC motor speed; thyristor；open loop; double loop; MATLAB simulation目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc357944850 摘 要 PAGEREF _Toc357944850 h I HYPERLINK l _Toc357944851 ABSTRACT PAGEREF _Toc357944851 h II HYPERLINK l _Toc357944852 目录 PAG

10、EREF _Toc357944852 h III HYPERLINK l _Toc357944853 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc357944853 h 1 HYPERLINK l _Toc357944854 直流调速系统的概述 PAGEREF _Toc357944854 h 1 HYPERLINK l _Toc357944855 1.2 课题的提出及研究意义 PAGEREF _Toc357944855 h 1 HYPERLINK l _Toc357944856 1.3 课题分析与论文主要内容 PAGEREF _Toc357944856 h 2 HYPERLINK l _Toc35

11、7944857 第2章 晶闸管直流调速系统 PAGEREF _Toc357944857 h 3 HYPERLINK l _Toc357944858 晶闸管整流技术 PAGEREF _Toc357944858 h 3 HYPERLINK l _Toc357944859 直流晶闸管调速系统 PAGEREF _Toc357944859 h 4 HYPERLINK l _Toc357944860 2.3.直流调速系统的控制要求和调速指标 PAGEREF _Toc357944860 h 4 HYPERLINK l _Toc357944861 第3章 转速负反应单闭环直流调速系统的分析 PAGEREF _

12、Toc357944861 h 6 HYPERLINK l _Toc357944862 单闭环控制的直流调速系统的组成 PAGEREF _Toc357944862 h 6 HYPERLINK l _Toc357944863 3.2 转速单闭环直流电机调速系统的静特性 PAGEREF _Toc357944863 h 7 HYPERLINK l _Toc357944864 3.3 反应控制闭环直流调速系统的动态分析 PAGEREF _Toc357944864 h 8 HYPERLINK l _Toc357944865 3.4 单闭环无静差直流调速系统 PAGEREF _Toc357944865 h

13、9 HYPERLINK l _Toc357944866 3.4.1 PI调节器 PAGEREF _Toc357944866 h 10 HYPERLINK l _Toc357944867 第4章 转速、电流双闭环调速系统及特性和设计 PAGEREF _Toc357944867 h 11 HYPERLINK l _Toc357944868 4.1 双闭环直流电机调速系统的问题的提出 PAGEREF _Toc357944868 h 11 HYPERLINK l _Toc357944869 4.2 双闭环直流调速系统的组成与工作原理 PAGEREF _Toc357944869 h 12 HYPERLI

14、NK l _Toc357944870 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 PAGEREF _Toc357944870 h 14 HYPERLINK l _Toc357944871 双闭环直流调速系统的数学模型与动态分析 PAGEREF _Toc357944871 h 15 HYPERLINK l _Toc357944872 双闭环直流调速系统的起动过程分析 PAGEREF _Toc357944872 h 17 HYPERLINK l _Toc357944873 直流调速系统的理论设计 PAGEREF _Toc357944873 h 19 HYPERLINK l _Toc357944874

15、4.6.1 直流调速系统组成及要求 PAGEREF _Toc357944874 h 19 HYPERLINK l _Toc357944875 4.6.2 电流环的设计 PAGEREF _Toc357944875 h 19 HYPERLINK l _Toc357944876 4.6.3 速度环的设计 PAGEREF _Toc357944876 h 21 HYPERLINK l _Toc357944877 第五章 基于Matlab/Simulink直流调速系统的仿真设计 PAGEREF _Toc357944877 h 22 HYPERLINK l _Toc357944878 5.1 Matlab/

16、Simulink简单介绍 PAGEREF _Toc357944878 h 22 HYPERLINK l _Toc357944879 5.2 双闭环系统的建模与参数设置 PAGEREF _Toc357944879 h 23 HYPERLINK l _Toc357944880 系统仿真结果的输出及结果分析 PAGEREF _Toc357944880 h 25 HYPERLINK l _Toc357944881 结 论 PAGEREF _Toc357944881 h 27 HYPERLINK l _Toc357944882 参考文献 PAGEREF _Toc357944882 h 28 HYPERL

17、INK l _Toc357944883 致 谢 PAGEREF _Toc357944883 h 29第1章 绪 论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、高可靠性及低本钱。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。直流调速技术不断开展，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

18、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，交流调速系统开展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比拟成熟，并且从反应闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的根底，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

19、铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，等行业。这些行业中绝大局部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开展，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)

20、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应得到比拟及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反应回来，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根底和丰富的实践经验，而初学者那么不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大

21、多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。假设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，第一局部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，双闭环特性做根底。第二局部为单闭环控制直流调速系统局部，研究单闭环(转速负反应)有静差和无静差工作的系统静特性并进行相关分析。第三局部为双闭环直流调速系统局部，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。

22、第四局部为软件仿真局部，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、结构及图形符号如以下图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，假设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。

23、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，那么晶闸管就维持导通。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应直流用电设备。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应直流电动机。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

24、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，到达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

25、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局部，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 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 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 () 可用下式表示： 2.3式中a为从自然换相点算起

26、的触发脉冲控制角；Um为 = 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 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 /2 max 时， Ud0 0，整理后得K ，所以满足近似条件。 2校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：，现在，满足近似条件。 3校验小时间常数的近似处理是否满足条件：，现在,满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。4.6.3 速度环的设计1：确定时间常数。1电流环等效时间常数为；2电流滤波时间常数根据所用测

27、速发电机纹波情况，取；3转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取。2：确定将转速环设计成何种典型系统 由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型II型系统设计转速环。3：转速调节器的结构选择。 转速调节器选用比例积分调节器PI,其传递函数为：。4：选择转速调节器参数 按照跟随和抗扰性能都较好的原那么取h=5，那么转速调节器的超前时间常数为，转速开环增益为所以转速调节器的比例系数为 5：校验近似条件 转速环截止频率 1校验电流环传递函数简化条件是否满足，由于，满足简化条件； 2校验小时间常数近似处理是否满足条件：，由于，满足近似条件。第五章 基于Matlab

28、/Simulink直流调速系统的仿真设计5.1 Matlab/Simulink简单介绍利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。利用SIMULINK软件仿真对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观的得到系统的仿真结果，从而加深对工程设计方法的理解使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控

29、制系统的传递函数为根底，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。下面就使用Power System工具箱进行双闭环调速系统仿真5.2 双闭环系统的建模与参数设置采用Power System模型组装成的转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图5-1所示。模型有晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速调节器组成的控制电路两局部组成。其中主电路局部，主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、移相控制环节和直流电动机等局部组成。控制回路的主题是转速和回路两个调节器，以及反应滤波环节

30、，讲两局部拼接起来及组成转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型。参数设置；图5-1 转速电流双闭环控制直流调控系统仿真模型当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。 a) b)图5-2晶闸管-电机模型双闭环系统仿真结果a)转速响应 b)电流响应下面分析一下仿真结果：启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快到达限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流根本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速到达给定值后，转速调节器的给定与反应电压平衡，输入偏差为零，但是

31、由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果根本上反映了这一点。如图5-2，在0.2s启动过程结束，电枢电流下降到零，转速上升到最高且已经超调，电流给定“，本系统为不可逆系统，晶闸管整流装置不能产生反向电流，这时电枢电流为零，电动机的电磁转矩也为零，没有反向制动转矩，有因为是理想空载启动状态，所以电动机保持在最高转速状态，0.5s后加上负载，电动机转速下降，ASR开始推出饱和，电流环发挥作用，是电动机稳定在给定转速上。在0.6s是突然加1/2额定负载后电动机电流上升转速下降，经过0.2s左右时

32、间的调节转速恢复到给定值。结 论通过这次设计，我根本上掌握了直流晶闸管调控系统以及双闭环调速系统的设计与仿真分析。晶闸管-电动机开环系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速，但开环调速系统不能满足对稳定性要求好。根据自动控制原理，反应控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。系统中采用比例调节器调节时是有差系统，采用比例积分调节器时是无差系统。用转速负反应和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差。为了解决单闭环调速系统存在的问题，就需采用转速电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。所以双闭环直流调速系统是当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。本文对直流晶闸管调速系统在开环控制和单闭环控制的分析，以及双闭环控制，进行了深入的分析研究，并用计算机仿真工具MATLAB的Simulink工具箱，建立了双闭环系统的仿真模型。由仿真计算结果说明，利用MATLAB的Simulink对直流调速系统进行仿真设计,可以迅速直观地分析出系统