单相整流直流电机驱动和制动控制

南京工程学院

课程设计说明书(论文) 题目单相整流直流电机驱动和制动控制

课程名称电机拖动自动化控制

院（系、部、中心）电力工程学院

专业电气工程及其自动化

设计地点 8－319

指导教师李先允廖得利

设计起止时间：2010 年6 月13日7月至3日

目录

课程设计任务书 .................................................................................................................. - 3 - 第一章、引言 ...................................................................................................................... - 7 -

1、关于直流电机 .............................................................................................................. - 7 -

2、电机控制技术 .............................................................................................................. - 9 -

3、电机驱动 .................................................................................................................... - 10 -

4、电机制动 ...................................................................................................................... - 10 -

5、关于象限运行 ............................................................................................................ - 11 - 第二章、实习 .................................................................................................................... - 11 - 1、内容简介 ...................................................................................................................... - 11 -

1）、电路的描述 ........................................................................................................ - 11 -

2)、演示.......................................................................................................................- 11 -

3）、注意 .................................................................................................................... - 13 - 2、内部结构介绍 .............................................................................................................. - 13 -

1）、各模块简介 ........................................................................................................ - 13 - 2）、各模块具体构成 ................................................................................................ - 22 - 3）、波形分析 ............................................................................................................ - 26 - 第三章、补充相关知识 .................................................................................................... - 27 -

1、调速性能指标 ...................................................................................................... - 27 -

2、转速调节器的作用 .............................................................................................. - 27 -

3、电流调节器的作用 .............................................................................................. - 27 -

4、运动控制系统的转矩控制规律 .......................................................................... - 27 -

5、几种制动方法 ...................................................................................................... - 28 -

四、参考文献.................................................................................................................- 29 -

南京工程学院

课程设计任务书

课程名称单相整流直流电机驱动和制动

院（系、部、中心）电力工程学院

专业电气及其自动化

指导教师李先允廖德利

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。

通过课程设计，检验学生是否掌握自动控制的基本理论和系统设计方法，训练学生设计控制系统和使用仿真软件的能力，培养学生分析试验结果的专业素养。

2．课程设计题目及要求

题目：单相整流直流电机驱动和制动系统

对上图的各个元器件有相当认识，并且对它们各自的内部结构能够解释（最好能够根据理解，可以自己汇出图形。对此图涉及的一些公式，概念等有一定程度的掌握。

能够解释清楚最终的波形图。

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〕

设计要求

1、预习要求：

（1）预习Matlab的相关知识，能够熟练绘图

（2）掌握有关直流电机的一些基本知识，并能够运用这些知识，解释一些相关内容

（3）对Simulink有一定的认识，并能够熟练运用

2、设计报告要求：

1）了解所选课题的一些基本内容，并预习相关知识。

2）针对课题做相关研究。

3）运行，检测。

4）要求用WORD撰写课程设计报告，上交打印版和电子稿。

3、装订顺序：

1）封面、目录

2）任务书

3）正文：

4）参考资料

4．主要参考文献

[1] 阮毅、陈伯时. 《电力拖动自动控制系统——运动控制系统》第四版.北京：机械工业出版社，2009

[2]黄忠霖、黄京.《控制系统MATLAB计算及仿真》.北京：国防工业出版社，2009.1

[3] 童福尧。电力拖动自动控制系统习题例题集. 北京：机械工业出版社，2008

5．课程设计进度安排

起止日期工作内容

2010年6月14日（第16周）星期一

第16——-17周，星期二、三第17周，星期四

第17周，星期五预习Matlab,直流电机的相关知识，并确定研究的课题方向

完成基本要求的内容

验收

撰写课程设计报告

6．成绩考核办法

总评成绩由三部分组成，分别是：成果演示占40%，测试成绩占30%，设计报告占30%。

1、成果演示（根据程序运行演示确定基础分）；

2、口试或笔试测验（与本设计有关的问题，目的是考查设计成果是否经过自己思考独立完成）；

3、课程设计报告（格式、内容、质量）。

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

单相整流直流电机驱动和制动系统

丁立辰南京工程学院智能建筑电气

dinglichen

Nanjing Institute of Technology

Electrical and Intelligent Building Construction

摘要：对单相整流直流电机驱动和制动系统的工程设计方法进行了详细的推导。然后采用

Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。

关键词：单项整流直流电机驱动和制动系统仿真Matlab

Abstract:To the list mutually commutate direct current electrical engineering to drive with made engineering of move the system design method to carry on detailed of deduce.Then the adoption Matlab/Simulink method rightness actual the system carry on imitate true, find out to deduce the detail that the process be neglect part make exchange soon system of influence, give engineering design with actual of the system creation margin of reason, contribute to in actually design more excellent system.

Keyword:The single item commutate direct current electrical engineering to drive with make to move system Simulation Matlab

一、引言

1、关于直流电机（DC Machine）：

定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能按结果主要分为直流电动机和直流发电机,按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机,直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。

1）.直流电机的特点

(一)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。（二）起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

2）.直流电机转速方程

Φ

-=

e K IR

U n

式中 n — 转速（r/min ）； U — 电枢电压（V ）； I — 电枢电流（A ）； R — 电枢回路总电阻； Φ— 励磁磁通（Wb ）；

e K — 由电机结构决定的电动势常数。 3）.直流电机的调速 （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 。 三种方式的比较：

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。 2、电机调节电压控制技术： 1）、V-M 系统控制技术

GT

M

L

VT

Ud

Uc

图1.2.1晶闸管可控整流器供电的直流调速系统

a.V-M 系统工作原理

晶闸管-电动机调速系统（简称V-M 系统，又称静止的Ward-Leonard 系统），图中VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速

b.V-M 系统的特点

◆晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。

◆在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性

c.V-M 系统的问题

？由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难,晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt 与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 ？由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。 2).PMW 调制变换器

M

Us

VD

控制电路

图1.2.2原理图

a.MW 斩波器的基本控制原理

在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电源电压Us 在ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波” b.输出电压计算

s s on

d U U T t U ρ==

d U ——电机电枢两端的平均电压 T ——晶闸管的开关周期；

on T ——开通时间ρ—— 占空比，ρ =f

t T

t on on

.=；

c.PWM 系统的优点

（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；

（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及,发热都较小； (3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右

（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；

(5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；

（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

3、电机驱动

1、(Motor drive）是组装在照相内的弹簧或附件，借助微型电机自动卷取胶片，大多是指35毫米单镜头反光相机所用的。拍一片格和连拍可以交替，连拍时一般一秒钟拍3—5片格。视照相机的种类，将背部盖子换为长胶卷用片盒，即可拍250片格。除供利用软线的遥控摄影外，亦可借连接到定时器上的间隔控拍器自动地拍摄，或靠控制快门等，应用面较广。倘不需连拍时使用自动卷片器亦可。

2、直流电机驱动电路的设计目标在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。

3.性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能标。

1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。

2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出

现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路)入手。

3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。

4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。

5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的

4、电机制动:

电机的制动有两种：

1、机械制动：在切断电源后，利用机械装置使电机迅速停转的方法称为机械制动。应用较普遍的机械制动装置有电磁抱闸和电磁离合器两种。

2、电力制动：使电机在切断电源后，产生一和电机实际旋转方向相反的电磁力矩（制动力矩），迫使电机迅速停转的方法称为电力制动。常用的电力制动方法有反接制动和能耗制动等。

原理如下：

（1）反接制动是将运动中的电机电源反接，以改变电机定子绕组中的相序，从而使定子绕组的旋转磁场反向，转子受到与原旋转方向相反的制动力矩而迅速停转。

（2）所谓能耗制动，就是在电机脱离三相电源之后，在定子绕组上加一个直流电压，通入直流电流，产生静止的磁场，利用转子感应电流与该静止磁场的作用以达到制动的目的。

（3）反馈制动：将牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，将列出动能转化为电能，电能通过转换电器和受电弓反馈给供电触网，可提供给相邻运行的列车使用的制动方式

5、关于象限运行：

把电机的运行速度方向用一条数轴X来表示，数轴的正方向代表正转的转速，反方向表示反转的转速;把电机的电磁转矩方向用一条数轴Y来表示，数轴的正方向代表正的电磁转矩，反方向表示负的电磁转矩；构成一个平面坐标系XOY，那么电动机正常电动状态处在第一象限（正转、电动），发电（制动）再生运行在第二象限（正转、发电),电梯曳引电动机由于正常状态就不断正、反转，上、下行都有可能电动或发电，处于四象限运行状态，各个状态能量转换方向不同.用四象限来描述电机运行状态，和用熟悉的正、反转，电动、发电描述是一样的道理。

二、实习：

带有反馈制动的两象限单相整流5hp直流驱动系统

1、内容简介：

a电路的描述,

b演示

c注意

图2.1.1带有反馈制动的两象限单相整流5hp直流驱动系统

a、电路的描述：

This circuit is based on the DC1 block of SimPowerSystems.It models a two-quadrant single-phase rectifier drive for a 5HP DC motor. A braking unit block has been added in order to simulate regenerative braking (quadrant IV operating mode).

The 5 HP DC motor is separately excited with a constant 150 V DC field voltage source. The armature voltage is provided by a single-phase rectifier controlled by two PI regulators.The rectifier is fed by a 220 V AC 50 Hz voltage source followed by a linear transformer to boost the voltage up to a sufficient value.

The regulators control the firing angle of the rectifier thyristors. The first regulator is a speed regulator, followed by a current regulator. The speed regulator outputs the armature

current reference (in p.u.) used by the current controller in order to obtain the electromagnetic torque needed to reach the desired speed. The speed reference change rate follows acceleration and deceleration ramps in order to avoid sudden reference changes that could cause armature over-current and destabilize the system. The current regulator controls the armature current by computing the appropriate thyristor firing angle. This generates the rectifier output voltage neededto obtain the desired armature current.

The braking unit block is managed by a finite state machine with two states (normal operating mode and braking operating mode). When the system passes in braking mode, armature switches are activated and allow reversal of the armature current flow. This generates a reverse electromagnetic braking torque for fast speed deceleration. The reversal of the current flow is initiated when the armature current flowing throug the switches equals 0 A. This avoids destructive arcs in the switches during commutation. A 150 mH smoothing inductance is placed in series with thearmature circuit to reduce current oscillations.

该电路是基于DC1 SimPowerSystems块。它的模型进行了two-quadrant单相整驱为5点直流电机。一个制动单元块已经为了回馈制动而设置好了(象限4操作模式)。5点直流马达分别是使用的不变的150伏DC场电压源。电枢电压是由单相整流受控于两个PI调节器。由一个整流器50赫兹交流电220 V的电压源,紧随其后的是一个线性变压器电压，为它提高了足够的电压。监管机构控制发射角的晶闸管整流装置。第一个调节阀是一种速度调节器,紧随其后的是一个电流调节器。速度调节器输出的电枢电流(在p.u参考)。所使用的电流控制器以获得所需的电磁转矩达到预期的速度。参考变化率的速度加速和减速时遵循斜坡以免突然改变,可能会导致参考,使系统电枢过电流。电流调节器控制电枢电流通过计算适当的晶闸管发射角。这产生了整流器的输出电压,需要获得理想的电枢电流。制动单元块是由一个有限状态机器,这两个模块(正常模式和制动工况)。当系统通过制动工况、电枢开关就能被激活并允许逆转的电枢电流流动。这产生了反向电磁制动力矩的速度减慢。反转的电流是当电枢电流流过这些开关等于0 .这就避免破坏性的开关在弧减刑。一个150 mH平滑电感放在一起来降低电枢绕组电流振荡路。

2）、演示：

Start the simulation. You can observe the motor voltage, current, speed and

rectifier firing angle on the scope. The speed and current references are also shown The initial speed reference is set to 800 rpm. Load torque is 10 N.m. Observe that the motor speed follows the acceleration reference ramp accurately (+350 rpm/s) and reaches steady-state after about 3.5 s. The armature current follows the current reference very well and stays below nominal current.During this phase, the average firing angle value stays below 90 degrees, the thyristor bridge beeing in rectifier mode (first quadrant operating mode).

At t = 4 s, the speed reference drops to 200 rpm and the system passes

in braking mode. The armature switches are activated when the armature current

reaches 0 A and reversal of the current flow through the motor takes place

(the current flow direction through the bridge is of course unchanged) Observe again that the motor speed follows the deceleration ramp as wanted. The deceleration ramp has been

set to a high value (-1250 rpm/s) to clearly show the effect of the braking electromagnetic torque. During this period of time, the bridge works in inverter mode (second quadrant operating mode).

At t = 4.5 s, motor speed is slightly lower than speed reference and the armature current flow through the motor is reversed back to normal. The bridge operates in rectifier modeand motor speed reaches 200 rpm around t = 5.5 s.

Notice the current overshoot during commutation. This isdue to the sudden voltage reversal at the bridge output caused by armature switching. The bridge output voltage cannot follow instantaneously this voltage reversal. This sudden voltage differenc between bridge and motor creates the current overshooting. However, the overshoot peak is of reasonable value and is not damageable.

启动仿真。你可以观察电机的电压、电流、速度和整流器射击的角度范围。现有文献的速度,也显示。

初始速度设置为800 rpm参考。10 N.m负载力矩。观察到电机转速准确的加速度参考斜坡(+ 350转/ s)，在3.5秒后达到稳态。在电枢电流如下当前参考非常好,下额定电流。在这个阶段,平均发射角度下90度,晶闸管整流桥(第一次工作模式中运行模式)。

在t = 4、速度下降至200转速和参考系统通过制动方式。电枢开关启动时的电枢电流0和逆转的电流通过运动发生(电流方向通过这座桥是不变的。再次观察,电机转速为想要遵循减速斜坡。减速斜坡被设定为一个高价值(-1250转/ s)明确显示的效果制动电磁转矩。在此期间,桥逆变器的工作模式(第二象限运行模式)。

在t = 4.5,电机速度略低于速度参考和借鉴电枢电流流经电机是revers恢复正常。这座桥运作模式和电机速度整流器周围200 rpt = 5.5s。注意到当前超调在变换。这是由于突如其来的电压输出逆转斯坦福桥引起电枢开关。这座桥的输出电压不能立即电压的逆转。这种突然的电压与桥梁和电机之间产生了电流确定。然而,超峰是合理的价值,而不是易损坏。

3)、注意：

1) The power sytem has been discretized with a 10 us time step. The control system (regulators and braking unit) uses a 100 us time step in order to simulate a microcontroller control device.

2) In order to reduce the number of points stored in the scope memory, a decimation factor of 20 is used.

1)电力系统已经离散时间的十步。控制系统(监管者和制动单元)使用100我们的

时间步长为模仿一个单片机控制装置。

2)为了减少显示器的存储量、20系列的缓存器得以使用。

2、内部结构介绍

1）、各模块简介

（1）四输入示波器

图2.2.1

（2）交流电源

图2.2.2

额定电压：220v,额定频率：50hz （3）扰动转矩

图2.2.3

扰动转矩值：10N/m （4）线性变压器

图2.2.4

额定电压和频率：5e3 50

原边电压、阻(R)抗(L)值：220 0.002 0.07

副边电压、阻(R)抗(L)值：390 0.002 0.07

附：线性变压器原理: 为了顺应产业,必须指定的抵抗力,绕组电感的单位(pu)中。这个值是基于变压器额定功率半导体器件、、额定频率新生,在赫兹,额定电压的越南,在Vrms,相应的绕组。对于每个缠绕、单位阻力

（5）直流电动机

图2.2.5

（6）变流信号发射器

图2.2.6

（7）速度给定量

图2.2.7

阶跃触发时间：4s , 初始电压值：800v, 终止电压值：200V

（8）晶闸管转换器

图2.2.8

Snubber电阻值：2e3 ,Snubber电容值：500e-9,正向电压：1.3v （9）电感参数

图2.2.9

电感值：150e-3

（10）电压测量元件

图2.2.10

（11）直流电机

图2.2.11

电枢电阻和电感值：0.78 0.016

励磁电阻和电感值：150 112.5

互感值：1.234

总惯性：0.25

粘滞摩擦系数：0.01

其余为0

（12）直流电源输入

图2.2.12

直流电源电压值：240v

（13）死区特性

图2.2.13

Start of dead zone：-0.5,End of dead zone：0.5 （14）电流控制模块

图2.2.14

Base voltage:240v

Proportional gain:1

Integral gain:80

最低频率：50hz

Base power:5*746

(15)调节开关

图2.2.15

Base voltage:240v

Base power:5*746

Current ref.limit:1.5

(16)速度调节

图2.2.16

Base speed:1750

Proportional gain:80

Integral gain:200

Current ref.limit:1.5

比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。

积分（I）控制

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

（17）制动单元

图2.2.17

（18）PI调节器

图2.2.18

（19）零阶保持器

图2.2.19

注意;不要使用零持保持器模块来创建一个快慢转变器。相反,用速度过渡。（20）比例转换模块

图2.2.20

(21)离散积分模块

图2.2.21 这个离散积分块允许你:

1、定义一个输入增益(K)的价值。

2、输出块的状态。

3、定义的上部和下部的限制。

4、重置状态取决于额外的重新输入。

如图展示：

图2.2.22 （22）速度限幅器

图2.2.23 （23）理想开关

图2.2.24