单闭环直流调速系统(终结)

摘  要  在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。      通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。  关键词：稳态性能；稳定性；开环；闭环负反馈；静差 ABSTRACT In the field of have higher request for speed regulation performance, if the dc motor open loop system steady state performance does not meet the requirements, available velocity negative feedback improve the steady-state accuracy, and USES the proportional controller is still have negative feedback speed regulation system static poor, in order to eliminate system static poor, can use integral regulator instead of proportion regulator. Through the single closed-loop speed control system part of the controllable power supply, controller composed of operational amplifier, thyristor trigger rectifier device, such as motor model and speed measuring module of theoretical analysis, compare the difference between the original system and after correction system, then the optimal model of dc motor speed control system. Then use the theory to design a practical speed control system, with MATLAB verifies the correctness of the simulation. Keywords:Thesteady state performance;Stability;Open loop;A closed-loop feedback;The static differential 目  录 1  调速控制系统的性能指标    1 1.1  直流电动机工作原理    1 1.1.1  直流电动机构成    1 1.1.2  直流电机励磁方式    1 1.1.3  直流电动机工作原理    1 1.2  电动机调速指标    2 1.2.1  调速范围    2 1.2.2  静差率    2 1.2.3  调速的平滑性    3 1.3  直流电动机的调速    3 2  电路设计和仿真    7 2.1  电路原理    7 2.2  参数设计及MATLAB仿真    8 2.2.1  系统仿真图    8 2.2.2  系统的建模和参数设置    8 2.2.3  仿真结果    17 结  论    19 致  谢    20 参 考 文 献    21 附录A  单闭环转速负反馈直流调速系统仿真原理图    22 附录B  单闭环调速系统CAD图    23 1  调速控制系统的性能指标 1.1  直流电动机工作原理 1.1.1  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。 1.1.2  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1.1给出了这四种励磁方式的电路图。 图1.1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）复励式 1.1.3  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 （1-1） 式（1.1）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。 1.2  电动机调速指标 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此稳态指标就是调速系统的调速范围和静差率。 1.2.1  调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速 和最低转速 之比叫做调速范围，用字母D示，即 （1-2） 其中 和 一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。 1.2.2  静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落 ，与理想空载转速 之比，称作静差率s，即 （1-3） 静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。 调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。 1.2.3  调速的平滑性 相邻两级转速的接近程度叫做调速的平滑性。可用平滑系数 来衡量，它是相邻两级转速之比，即        （1-4） 越接近于1，平滑性越好。 在1.06以下时，可认为转速基本上连续可调，级数接近无穷多，称作无级调速。 1.3  直流电动机的调速 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： （1-5） 式（1.5）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； 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。 (1) 电枢回路串电阻调速 该调速方法的原理可用图1.2来说明。 C n nA A nB B T 00 图1.2 电枢回路串电阻调速 设电动机带恒转矩负载，原来运行与A点，转矩为 ，现欲将速，在电枢回路中串入电阻 ，从图中可看出到达新的稳态后，转速将降为 ，所串电阻越大，稳态转速越低。 忽略电磁惯性，调速过程可大致说明如下： 电动机原来运行于A点，转速为 ，负载转矩为 ，串入电阻 以后，电动机的机械特性将变为直线 B。电动机的转速不能发生突变，于是，电动机的运行点将由A点变为C点，C点所对应的电磁转矩为 ，显然 ，即在C点电磁转矩小于负载转矩，电动机将减速。随着转速下降，反电动势将减小，电流将增大，电磁转矩亦将增大，但在到达B点以前，T始终小于 ，故减速过程将沿机械特性 B由C点向B点进行，如图1中箭头所示。到达B点以后，T= ，进入新的稳态，于是电动机的转速由 调至 。