单闭环直流调速系统的MATLAB计算与仿真

目录目录.................................................................. 错误!未定义书签。

1 绪论............................................................... 错误!未定义书签。

直流调速系统概述.............................................. 错误!未定义书签。

MATLAB简介 ................................................... 错误!未定义书签。

2 直流电动机的降压调速............................................... 错误!未定义书签。

直流电动机构成................................................. 错误!未定义书签。

直流电机励磁方式.............................................. 错误!未定义书签。

直流电动机工作原理............................................ 错误!未定义书签。

直流电动机的降压调速.......................................... 错误!未定义书签。

3 单闭环直流调速系统................................................. 错误!未定义书签。

V-M系统简介 .................................................. 错误!未定义书签。

三相桥式全控整流电路.......................................... 错误!未定义书签。

闭环调速系统的组成............................................ 错误!未定义书签。

4 电路设计和仿真..................................................... 错误!未定义书签。

电路原理...................................................... 错误!未定义书签。

系统的建模和参数设置.......................................... 错误!未定义书签。

仿真结果...................................................... 错误!未定义书签。

结论................................................................ 错误!未定义书签。

小组分工.............................................................. 错误!未定义书签。

附录.................................................................. 错误!未定义书签。

1 绪论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、金属切割机床、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使用。

近年来直流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而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，所以首先应该很好的掌握直流系统。

我们可以首先从单闭环转速负反馈直流调速系统来研究。

由于系统需要观察较多的性能，计算参数较多，而MATLAB中的Simulink实用工具可直接构建其动态模型，省去大量的计算，通过修改动态模型可完善系统性能。

直流调速系统概述从生产机械要求控制的物理量来看，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服系统、张力控制系统等其他多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的驱动控制系统。

调速系统目前分为交流和直流调速控制系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好并且具有良好的动态性能。

因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。

相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上更加成熟。

直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的自动控制系统。

在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以转换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，建筑、办公、家庭自动化控制设备提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，因此，人类社会的生产、生活发生了巨大变化。

随着新型电力电子器件的研究和开发，先进控制技术的发展，电力电子和电力传动控制装置的性能也不断优化和提高，这一变化的影响将越来越大。

单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的使用越来越广泛，其良好的调速性能、低廉的价格越来越被大众接受。

单闭环直流调速系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机、闭环控制系统组成。

我们可以通过调节晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。

MATLAB简介在1980年前后，美国的克利夫博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现使用其它高级语言编程非常不方便，他们构思和开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，它使的矩阵的运算变得异常容易。

MATLABSGI是由美国MathWorks公司开发的大型软件。

在MATLAB软件中，包括了两个主要部分：数学计算和工程仿真。

其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。

1998年，MATLAB增加了电力系统模块库，该模块库以Simulink为运行环境，是建立在Simulink标准模块和M语言基础上的一个附加模型库，它提供为电力系统仿真分析专用的各种线性和非线性元件和模块。

尤其是在之后的版本中，SimPowerSystems的元件库进行了扩种，用户可以在库中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等几乎所有常用的新型电力电子器件模型，给使用带来极大的方便。

可视化图形仿真功能实在SIMULINK环境下进行的。

进入MATLAB系统后打开浏览窗口到模块库，用鼠标左键双击其中的SimPowerSystems即可弹出电力系统工具箱模块库。

它主要包含以下几类：电源库、元件库、机组模型、电力电子元件库、测量元件、连接元件、其他元件、电力图形用户界面、演示系统等，基本涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，其元件和模块是由电力工业领域的专家提供并得到实际证明的，符合电力专业分析软件的要求。

这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。

利用这些模块及其他库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行分析。

直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。

随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。

特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。

直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。

如在设计过程中使用Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试。

本文运用MATLAB中的SimuLink实用工具对设计电路进行了仿真。

2 直流电动机的降压调速直流电动机构成（1）定子：主磁极、换向磁极、端盖、机座、电刷装置；（2）转子：电枢绕组、电枢铁心、换向装置、转轴、风扇；（3）气隙。

直流电机励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。

按照励磁方式，直流电机分成他励和自励两大类，其中自励式又分为并励、串励和复励三种。

图给出了这四种励磁方式的电路图。

直流电动机工作原理 如果将直流电压直接加到线圈上，导体中就有直流电流通过。

设导体中的电流为i ，载流导体在磁场中将受到电磁力f ，f=bil ，作用于线圈上的电磁转矩T 则等于2倍的电磁力乘上力臂，即22D T f bilD == （） 式（）中，D 为电枢外径。

若电流i 为恒定，转子旋转一周时，气隙磁通密度b 的方向为一正一负，因此电磁转矩T 将是交变的，一个周期的平均值为0，无法使电枢持续旋转，然而在直流电动机中，电流并非直接接入线圈，而是通过两个电刷和换向器再接入线圈，这样情况就不同了。

因为两个电刷静止不动，电流i 总是从正极图直流电动机按励磁方式分类a ）他励式b ）并励式c ）串励式d ）性电刷流入，经过旋转的换向片，由另一个电刷负极性电刷流出。

故当导体旋转而交替的处于两个磁极下时，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变，并使电动机持续旋转。

此时电刷和换向器起到把外部电源流入的直流，改变成线圈内的交流的“逆变”作用。

这就是直流电动机的工作原理。

直流电动机的降压调速直流电动机分为他励直流电动机和自励直流电动机，本文以他励直流电动机为例来说明直流电机的调速。

他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电。

在励磁电压的作用下，励磁绕组中通过励磁电流，从而产生主磁通。

在电枢电压的作用下，电枢绕组中通过电枢电流。

他励直流电动机的转速公式为： e e E U IR n C C φφ-== （） 式（）中：E 为电枢电动势；U 为他励电动机的电枢电压；I 为电枢电流；R 为电枢回路的总电阻；φ为励磁磁通；n 为电机的转速；为电动势系数，由电机结构决定。

由此，直流电动机有三种调速方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。

降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可实现转速的平滑调节，即无级调速。

这种系统性能较为优越，但设备总投资大大增加。