直流電動機(jī)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　直流電動機(jī)簡介</b></p><p>　　1.1直流電動機(jī)的發(fā)展</p><p>　　近三十年來針對異步電動機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。</p><p>　　無刷直流電動機(jī)是在有刷直流電動

2、機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這一淵源關(guān)系從其名稱中就可以看出來。有刷直流電動機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸電刷-換向器一直是電流電機(jī)的一個(gè)致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場合中的使用。為了取代有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電

3、機(jī)的基本思想。</p><p>　　無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性,同時(shí)也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為BLDC.無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關(guān)注.本產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)超過55kW,可設(shè)計(jì)到400kW,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動的需求。</p><p>　　我國對無刷直流電動機(jī)的研究起步較晚。1987年，

4、在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國內(nèi)掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)已有無刷直流電動機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。</p><p>　　1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動的部分

5、稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞阻、換向器和風(fēng)扇等組成。 </p><p>　　1.3無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　無刷直流電動機(jī)保持著有刷直流電機(jī)的優(yōu)良機(jī)械及控制特性，在電磁結(jié)構(gòu)上和有

6、刷直流電機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上放置永久磁鋼。無刷直流電動機(jī)的電樞繞組像交流電機(jī)的繞組一樣，采用多相形式，經(jīng)由逆變器接到直流電源上，定子采用位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換相來代替有刷直流電機(jī)的電刷和換向器，各相逐次通電產(chǎn)生電流，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　和有刷直流電動機(jī)相比，無刷直流電動機(jī)由于取消了電機(jī)的滑動接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了故障的主要根源。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，也就沒有

7、了勵(lì)磁損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的?？偟恼f來，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生磨損外，轉(zhuǎn)子的損耗很小，因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性。</p><p>　　1.4無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用</p><p>　　由于無刷直流電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動機(jī)的機(jī)械換向裝置，克服了電刷和換向器所引、火花、電磁干擾、壽命短等一系列弊病

8、。故在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益普及。無刷直流電動機(jī)的應(yīng)用主要有以下幾方面：</p><p>　　1.定速驅(qū)動方面的應(yīng)用</p><p>　　一般工業(yè)場合不需要調(diào)速的領(lǐng)域以往大多是采用三相或單相交流異步和同步電動機(jī)。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在功率不大于10kw且連續(xù)運(yùn)行的情況下，為了減少體積，節(jié)省材料，提高效率和降低能耗，越來越多的電動機(jī)

9、正被無刷直流電動機(jī)逐步取代，這類應(yīng)用有自動門、電梯、水泵、風(fēng)機(jī)等。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁電動機(jī)外還要增加驅(qū)動器，因此目前較少有應(yīng)用。</p><p>　　2.調(diào)速驅(qū)動方面的應(yīng)用</p><p>　　速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但控制精度要求不高的調(diào)速系統(tǒng)分為兩種：一種是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，另一種是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(此時(shí)的速度反饋器件多采用低分辨率的脈沖編碼器或交、直流測速等

10、)。通常采用的電機(jī)主要有三種：直流電動機(jī)、交流異步電動機(jī)和無刷直流電動機(jī)。這在包裝機(jī)械、食品機(jī)械、印刷機(jī)械、物料輸送機(jī)械、紡織機(jī)械和交通車輛中有大量應(yīng)用。</p><p>　　調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域最初用得最多的是直流電動機(jī)，隨著交流調(diào)速技術(shù)特別是電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用，變頻器和交流電動機(jī)迅速滲透到直流調(diào)速系統(tǒng)的絕大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。近幾年來，由于無刷直流電動機(jī)體積小、重量小和高效節(jié)能等一系列

11、優(yōu)點(diǎn)，中小功率的交流變頻系統(tǒng)正逐步被無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)所取代，特別是在紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等原來應(yīng)用變頻系統(tǒng)較多的領(lǐng)域，而在一些直接由電池供電的直流電動機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，則更多的由無刷直流電動機(jī)所取代。</p><p>　　3.精密控制方面的應(yīng)用</p><p>　　伺服電動機(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的高精度控制中扮演了一個(gè)十分重要的角色，應(yīng)用場合不同，對伺服電動機(jī)的控制性能要求也不盡相同，在實(shí)際應(yīng)用中，

12、伺服電動機(jī)有各種不同的控制形式：轉(zhuǎn)矩控制/電流控制、速度控制、位置控制。無刷直流電動機(jī)由于其良好的控制性能，在高速、高精度定位系統(tǒng)中逐步取代了直流電動機(jī)與步進(jìn)電動機(jī)，成為其首選的伺服電動機(jī)之一。目前，掃描儀、攝影機(jī)、CD唱機(jī)驅(qū)動、醫(yī)療診斷CT、計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動及數(shù)控車床驅(qū)動中等都廣泛采用了無刷直流電動機(jī)伺服系統(tǒng)用于精密控制。</p><p>　　無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理</p><p

13、>　　2.1直流電動機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1.1轉(zhuǎn)子位置傳感器</p><p>　　位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，安裝在定子線圈的相應(yīng)位置上。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子磁極所產(chǎn)生的磁場互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極位置變換成電信號，去控制電子換向線路，從而使定子各相繞組按一定次序通電，使定子相電流隨轉(zhuǎn)子

14、位置的變化按一定的次序換向，從而使電動機(jī)能夠連續(xù)工作。</p><p>　　位置傳感器種類較多且各具特點(diǎn)，目前在無刷直流電動機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種形式。</p><p>　　1.電磁式位置傳感器</p><p>　　電磁式位置傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)其位置測量作用的，有開口變壓器、磁諧振電路、接近開關(guān)等多種類型。在無刷直流電動機(jī)中應(yīng)用較多的是開口變壓器。電

15、磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長、使用環(huán)境要求不高、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)；但這種傳感器信噪比較低，體積較大，同時(shí)其輸出波形為交流，一般需整流、濾波后方可使用。</p><p>　　2.光電式位置傳感器</p><p>　　這種傳感器是利用光電效應(yīng)制成的，由跟隨電動機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的遮光板和固定不動直流電源開關(guān)電路電動機(jī)位置傳感器及光電管等部件組成。它性能較穩(wěn)定，但存在

16、輸出信號信噪比較大、光源燈泡壽命短、使用環(huán)境要求高等缺陷。</p><p>　　3.磁敏式位置傳感器</p><p>　　這種傳感器是指它的某些電參數(shù)按一定規(guī)律隨周圍磁場變化而變化的半導(dǎo)體敏感元件。其基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)。常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路、磁敏電阻器及磁敏二極管等多種。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、靈敏度高、壽命長、成本低，但是輸出的電勢信號比較低，需要用外加

17、電路將信號放大。除上述三大類傳感器外，還有正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器等多種位置傳感器。但是，這種元件成本較高、體積較大、所配線路復(fù)雜，因而在一般無刷直流電動機(jī)中很少采用。</p><p>　　此外，利用電動機(jī)定子繞組的反電動勢作為轉(zhuǎn)子磁鋼的位置信號，該信號檢出后，經(jīng)數(shù)字電路處理，并送給邏輯開關(guān)電路去控制無刷直流電動機(jī)的換相。由于它省去了位置傳感器，使得無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。 </p><

18、p>　　2.1.2電子開關(guān)電路</p><p>　　無刷直流電動機(jī)的工作離不開電子開關(guān)電路，直流電源通過開關(guān)電路向電動機(jī)定子繞組供電。開關(guān)電路將位置傳感器檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行處理，按一定的邏輯代碼輸出，觸發(fā)功率開關(guān)，從而自動地控制了哪些繞組通電，哪些繞組斷電，實(shí)現(xiàn)了電子換向。無刷直流電動機(jī)的電子開關(guān)電路主要由功率邏輯控制開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯控制開關(guān)單元是控制電路的核心，

19、其作用是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上的各相繞組，以便使電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號。</p><p>　　早期的無刷直流電動機(jī)的開關(guān)電路大多由晶閘管組成，由于其關(guān)斷要借助于反電動勢或電流過零，而且晶閘管的開關(guān)頻率較低，使得逆變器只能工作在較低頻率范圍內(nèi)。隨著新型可關(guān)斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動機(jī)中換向器多由功率MOSFET或IG

20、BT構(gòu)成，具有控制容易、開關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　2.2直流電動機(jī)的工作原理</p><p><b>　　1.系統(tǒng)基本構(gòu)成</b></p><p>　　無刷直流電動機(jī)主要有電動機(jī)本體、電子開關(guān)電路、位置傳感器三部分組成，其原理如圖2.1所示：</p><p>　　框圖如圖2-1所示。</

21、p><p>　　圖2-1系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　Fig.2-1Principal picture of system</p><p>　　2.1.1電動機(jī)本體</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　Fig.2.1 Principle diagram of system</p>

22、<p>　　2.直流電動機(jī)的工作原理 </p><p>　　電動機(jī)本體包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，定子繞組一般為多相（二相、三相、四相、五相不等）；轉(zhuǎn)子由永磁材料按照一定極對數(shù)（2p=2,4,…）組成，按照其結(jié)構(gòu)分兩種：一種是將瓦片狀的永磁體貼在轉(zhuǎn)子外表上，稱為凸極式；另一種是將永磁體嵌到轉(zhuǎn)子鐵心中，稱為嵌入式。為了能產(chǎn)生梯形波感應(yīng)電動勢，無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的形狀呈弧形(瓦片型)，磁極下定轉(zhuǎn)子氣隙均

23、勻，氣隙磁場呈梯形分布[3]。</p><p>　　一般永磁直流電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動機(jī)氣隙磁場中產(chǎn)生磁場，其轉(zhuǎn)子—電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場，由于電刷的換向作用，使得這兩個(gè)磁場的方向在直流電動機(jī)的運(yùn)行過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。無刷直流電動機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無刷換相，首先要求把一般直流電動機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

24、正好相反，而且還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同組成換相裝置，使得直流無刷電動機(jī)在運(yùn)行過程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場，在空間中始終保持在90°左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　在電樞線圈中通入直流電流，電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)，換向器和電樞一起旋轉(zhuǎn)。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab， cd流入，使線

25、圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是從電刷A流入的方向，在S極下，電流總是從電刷B流出的方向。由此保證了每個(gè)磁極線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，使電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2.2 直流電動機(jī)基本工作原理圖</p><p>　　Fig.2.2 The basic working principle of DC motor</p><p>　　3.直流

26、調(diào)速系統(tǒng)工作原理</p><p>　　直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有控制容易,能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速和快速響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛得應(yīng)用。直流電動機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的情況下,能充分發(fā)揮電機(jī)的過載能力,在過渡過程中始終保持電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值,使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動,到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí),電流

27、降下將使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡,從而進(jìn)入系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。即在起動階段只有電流負(fù)反饋沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí),只讓轉(zhuǎn)速負(fù)反饋發(fā)揮作用,不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。</p><p>　　2.3直流電動機(jī)的調(diào)速方法</p><p>　　2.3.1開環(huán)直流調(diào)速</p><p><b>　　1.原理</b></p><p>　　直流開環(huán)調(diào)

28、速系統(tǒng)的電氣原理如圖2.3所示。直流電動機(jī)電樞由三相晶閘管整流電路經(jīng)平波電抗器L供電，并通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc調(diào)節(jié)晶閘管的控制角，從而改變整流器的輸出電壓實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。該系統(tǒng)的仿真模型如圖2.4所示。</p><p>　　在仿真中為了簡化模型，省略了整流變壓器和同步變壓器，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，直流電動機(jī)勵(lì)磁由直流電源直接供電。</p><p>　　圖2.3直流

29、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理</p><p>　　Fig.2.3 Open loop speed control system of DC electrical principle</p><p><b>　　圖2.4 移相特性</b></p><p>　　Fig.2.4 Phase shift characteristic</p>&l

30、t;p>　　2．2個(gè)參數(shù)的理論計(jì)算值</p><p>　　觸發(fā)器的控制角（alpha—deg端）通過了移相控制環(huán)節(jié)（shifter），移相控制模塊的輸入是移相控制信號Uc（圖2中Uc），輸出是控制角，移相控制信號Uc由常數(shù)模塊設(shè)定。移相特性如圖3所示。移相特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　

31、在本模型中取，，所以。在電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入端TL接入了斜坡（Ramp）和飽和(Satutration)兩個(gè)串聯(lián)模塊，斜坡模塊用于設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩上升速度和加載的時(shí)刻，飽和模塊用于限制負(fù)載轉(zhuǎn)矩的。</p><p>　　3.開環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成</p><p>　　開環(huán)控制系統(tǒng)是根據(jù)給定的控制量進(jìn)行控制，而被控制量在整個(gè)控制過程中對控制量不產(chǎn)生任何影響。對于被控制量相對于其預(yù)期值可能出現(xiàn)的偏

32、差，開環(huán)控制系統(tǒng)不具備修正能力。而直流調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)通常是采用調(diào)節(jié)電樞電壓方案，具體實(shí)現(xiàn)在20世紀(jì)60年代晶閘管整流器的應(yīng)用而采用由晶閘管整流器和電動機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)開環(huán)或閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。由晶閘管整流器和電動機(jī)組實(shí)現(xiàn)開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，晶閘管整流器提供可以調(diào)節(jié)直流電動機(jī)電樞電壓實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速輸出，而系統(tǒng)的輸出量沒有反饋給定環(huán)節(jié)參與控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制。</p><p>　　2.3.2雙閉環(huán)直流調(diào)速</p>

33、;<p><b>　　1.雙閉環(huán)控制系統(tǒng)</b></p><p>　?。?）閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)介紹 閉環(huán)控制系統(tǒng)是既有參考輸入控制輸出量的前向或稱順向控制作用，又有輸出量引回到輸入端的反向控制作用，形成一個(gè)閉環(huán)控制形式。通常把輸出量引回到輸入端與參考輸入量進(jìn)行比較的過程稱作反饋，所以閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱反饋控制系統(tǒng)。如果反饋信號與參考輸入信號符號相反，稱作負(fù)反饋；符號相同稱作

34、正反饋，自動控制系統(tǒng)中多采用負(fù)反饋。</p><p>　　在直流閉環(huán)控制系統(tǒng)中根據(jù)引入反饋信號的類型與結(jié)構(gòu)形式的不同，在實(shí)際應(yīng)用中看見遇到的系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，電壓負(fù)反饋控制系統(tǒng)，電壓負(fù)反饋帶電流補(bǔ)償控制系統(tǒng)，以及雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，甚至多環(huán)控制系統(tǒng)。其中，最為常用的是轉(zhuǎn)速單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)和電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)包含在雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)之中。</p>

35、;<p>　　構(gòu)建直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型及運(yùn)行解析</p><p>　　3.1開環(huán)直流調(diào)速仿真及運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　MATLAB是Mathworks公司開發(fā)的用于數(shù)學(xué)計(jì)算的工具軟件，它的大部分工具箱面向控制和相關(guān)學(xué)科，具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、簡便的繪圖功能、可視化仿真環(huán)境的Simulink.Simulink仿真工具中還包括用于電力電子、電器傳動的仿真工具，由連接庫、電

36、源庫、元件庫、電機(jī)庫、測量模塊庫、電力電子模塊庫組成。MATLAB/Simulink作為解決控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)的主要語言，從各個(gè)角度對控制系統(tǒng)進(jìn)行全面分析(包括系統(tǒng)的時(shí)域分析，變換、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、復(fù)域分析等)，并基于分析結(jié)果給系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器，改善閉環(huán)系統(tǒng)的性能，是目前國際上自動控制領(lǐng)域的首選計(jì)算機(jī)語言。</p><p>　　3.1.1開環(huán)系統(tǒng)的建模與仿真</p><p>　　采用面

37、向電氣原理結(jié)構(gòu)圖方法，構(gòu)作的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，由給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機(jī)等部分組成。各部分建模與參數(shù)設(shè)置過程。</p><p>　　下圖為開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　圖3.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　Fig.3.Open loopDC motor control system

38、 simulation model</p><p>　　3.1.2系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置</p><p>　　1.主電路的建模和參數(shù)設(shè)置</p><p>　　開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、</p><p>　　直流電動機(jī)等部分組成。由于同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋是不可分割的兩個(gè)環(huán)節(jié)，通常作為一個(gè)組

39、合體來討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進(jìn)行建模仁“豆。</p><p>　　三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置。打開電壓源參數(shù)設(shè)置對話框，A相交流電源參數(shù)設(shè)置:幅值取220v、初相位設(shè)置成0度，頻率為50Hz、其它為默認(rèn)值如圖3.2所示。B相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相相同，除了將初相位設(shè)置成互差120度外，其它參數(shù)與A相相同。由此可得到三相對稱交流電源。</p><p>　?。?）晶閘管整流橋

40、的建模和參數(shù)設(shè)置 首先從電力電子模塊組中選取“UniVersalBridge”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“晶閘管整流橋”;然后雙擊模塊圖標(biāo)打開SCR整流橋參數(shù)設(shè)置對話框，參數(shù)設(shè)置如圖3.3所示。當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取3;A，B，C三相交流電源接到整流橋的輸人端;電力電子元件選擇晶閘管。參數(shù)設(shè)置的原則是:如果是針對某個(gè)具體的變流裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。對話框中的R、L、C等參數(shù)取該裝置中的晶閘管元件的實(shí)際值;若仿真結(jié)果不理想，則不斷進(jìn)行參數(shù)

41、優(yōu)化。最后確定其參數(shù)。</p><p>　　圖3.2 相電源參數(shù)設(shè)置</p><p>　　Fig.3.2 Phase power parameter setting</p><p>　　圖3.3 SCR整流橋參數(shù)設(shè)置</p><p>　　Fig.3.3 SCR rectifier bridge parameter setting</p&

42、gt;<p>　　（2）平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置 選擇“SeriesRLC階anch”模塊，然后打開平波電抗器的設(shè)置對話框，進(jìn)行設(shè)置。下圖為平波電抗器參數(shù)設(shè)置對話框。</p><p>　　圖3.4 平波電抗器參數(shù)設(shè)置</p><p>　　Fig.3.4 Flat wave reactor parameter setting</p><p>　　（3

43、）直流電功機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置 首先從電機(jī)系統(tǒng)模塊組中選取“DCMaChine”模塊，直流電動機(jī)的勵(lì)磁繞組接直流J恒定勵(lì)磁電源，從電源模塊組中選取直流電壓源模塊。并將電壓參數(shù)設(shè)為220V。電樞繞組經(jīng)平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出;電動機(jī)經(jīng)TL端口接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。下圖為直流電動機(jī)參數(shù)設(shè)置圖。</p><p>　　圖3.5 直流電動機(jī)參數(shù)設(shè)置圖</p><p>　　Fig.3.5 DC moto

44、r parameter setting diagram</p><p>　?。?）同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置 同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。同步電源和6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 同步觸發(fā)器和封裝后的子系統(tǒng)符號</p><p>　　Fig.3.6 Synchronous trigger an

45、d packaged system symbol</p><p>　　圖中觸發(fā)開關(guān)信號為“O”時(shí)，開放觸發(fā)器，為“1”時(shí)，封鎖觸發(fā)器。</p><p>　　2.控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置</p><p>　　開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路只有一個(gè)給定環(huán)節(jié)。它可從輸入源模塊組中選取</p><p>　　“Constant”模塊，設(shè)為SOrad/s。&

46、lt;/p><p>　　將主電路和控制電路的仿真模型按照開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關(guān)系進(jìn)</p><p>　　行模型連接。即可得到圖3.1所示的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。</p><p>　　3.1.3系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置</p><p>　　在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，進(jìn)行“Simula、ionparamete

47、rs”</p><p>　　設(shè)置，如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 仿真參數(shù)設(shè)置對話框及參數(shù)設(shè)置</p><p>　　Fig.3.7 Parameters of simulation and parameter settings dialog box</p><p>　　3.1.4 系統(tǒng)的仿真結(jié)果</p><

48、p>　　當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，打開“Simulati。n”菜單，點(diǎn)擊“Start”命令后，系統(tǒng)開始仿真，結(jié)果如圖3.8。</p><p>　　圖3.8 開環(huán)控制的仿真結(jié)果w、Ia、If、Te</p><p>　　Fig.3.8 Open loop control simulation results of W, Ia, If, Te</p><p>　　3.

49、2 雙閉環(huán)直流調(diào)速仿真分析及運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　雙閉環(huán)調(diào)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型只是在開環(huán)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)模塊及限幅模塊，其仿真模型如圖下圖所示。</p><p>　　參數(shù)的設(shè)置也基本一樣，只要將轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器模塊中的比例系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)按設(shè)計(jì)實(shí)例中的計(jì)算結(jié)果代入即可。</p><p>　　圖3.9 雙閉環(huán)調(diào)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型</p>

50、<p>　　Fig.3.9 Double close loop adjustable speed control system simulation model</p><p>　　當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，打開“Simulati。n”菜單，點(diǎn)擊“Start”命令后，系</p><p>　　統(tǒng)開始仿真，結(jié)果如圖。</p><p>　　圖3.10 雙閉環(huán)的仿真

51、結(jié)果</p><p>　　Fig.3.10 Double close loopsimulation results</p><p>　　全數(shù)字直流電動機(jī)傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的組成</p><p>　　連續(xù)控制系統(tǒng)是以反饋控制理論為基礎(chǔ),由模擬電子電路構(gòu)成控制器,因而存在以下弱點(diǎn):由運(yùn)算放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器參數(shù)

52、一經(jīng)設(shè)定,不易調(diào)整;對工況的變化和對象的自適應(yīng)能力差;模擬控制器很難實(shí)現(xiàn)高級的控制策略和控制方法;模擬電路檢測精度不高;由模擬器件構(gòu)成的控制電路集成度不高,硬件復(fù)雜,可靠性低。</p><p>　　以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)集成度高,由于采用高速數(shù)字信號處理器為控制器,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制策略和控制算法。另外可以借助一些人機(jī)界面設(shè)備實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警、故障診斷等功能。因而數(shù)字控制系統(tǒng)具有更高的發(fā)展前

53、景。</p><p>　　數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速的結(jié)構(gòu)圖如圖3.11所示。</p><p>　　圖4.1 數(shù)字雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　Fig.4.1 Digital DC double loop speed control system schematic diagram</p><p>　　4.2調(diào)速方案的選擇</p

54、><p>　　本次設(shè)計(jì)選用的電動機(jī)型號Z2-51型，其具體參數(shù)如下表2-1所示</p><p>　　表4.1 Z2-51型電動機(jī)具體參數(shù)</p><p>　　Table4.1 Z2-S1 moter specific parameters</p><p>　　4.2.1.電動機(jī)供電方案的選擇</p><p>　　變壓器調(diào)

55、速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉(zhuǎn)電流機(jī)組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組簡稱G-M系統(tǒng)，適用于調(diào)速要求不高，要求可逆運(yùn)行的系統(tǒng)，但其設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不便。靜止可控整流器又稱V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且控制作用快速性能好，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。直流斬波器和脈寬調(diào)制交換器采用PWM受器件各

56、量限制，適用于中、小功率的系統(tǒng)。根據(jù)本此設(shè)計(jì)的技術(shù)要求和特點(diǎn)選V-M系統(tǒng)。</p><p>　　在V-M系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器給定電壓，即可移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而方便的改變整流器的輸出，瞬時(shí)電壓。由于要求直流電壓脈動較小，故采用三相整流電路?？紤]使電路簡單、經(jīng)濟(jì)且滿足性能要求，選擇晶閘管三相全控橋交流器供電方案。因三相橋式全控整流電壓的脈動頻率比三相半波高，因而所需的平波電抗器的電感量可相應(yīng)減少約一半，這是

57、三相橋式整流電路的一大優(yōu)點(diǎn)。并且晶閘管可控整流裝置無噪聲、無磨損、響應(yīng)快、體積小、重量輕、投資省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同時(shí)，由于電機(jī)的容量較大，又要求電流的脈動小。綜上選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。</p><p>　　4.2.2 調(diào)速系統(tǒng)方案的選擇 </p><p>　　計(jì)算電動機(jī)電動勢系數(shù)：</p><p>　　由 v min/r,

58、 (1)</p><p>　　當(dāng)電流連續(xù)時(shí)， 系統(tǒng)額定速降為:</p><p>　　r/min, . (2)</p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率:</p><p>　　，大大超過了S≤5%. (3)</p

59、><p>　　若D=10，S≤5%.，則，可知開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是1090.4，而工藝要求的是7.6，故開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)無能為力，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　因調(diào)速要求較高，故選用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用電流截止負(fù)反饋進(jìn)行限流保護(hù)，出現(xiàn)故障電流時(shí)由過流繼電器切斷主電路電源。為使線路簡單，工作可靠，裝載體積小，宜用KJ004組成的六脈沖集成觸發(fā)器。</p>

60、<p>　　該系統(tǒng)采用減壓調(diào)速方案，故勵(lì)磁應(yīng)保持恒定。采用三相全控橋式整流電路供電。</p><p><b>　　4.3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可以近似在電機(jī)最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，

61、從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態(tài)性能。</p>

62、<p>　　雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主調(diào)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。得到過電流的自動保護(hù)。顯然靜特性優(yōu)于單閉環(huán)系統(tǒng)。在動態(tài)性能方面，雙閉環(huán)系統(tǒng)在起動和升速過程中表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性，在動態(tài)抗擾性能上，表現(xiàn)在具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動，抗電網(wǎng)電壓擾動。</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖4.2所示：</p><p>　　圖4

63、.2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　Fig.4.2 Double close loop speed control system structure diagram</p><p>　　4.4主電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算</p><p>　　電動機(jī)的額定電壓為230V，為保證供電質(zhì)量，應(yīng)采用三相降壓變壓器將電源電壓降低；為避免三次諧波電動勢的不良影響，三次諧

64、波電流對電源的干擾，主變壓器采用D/Y聯(lián)結(jié)。</p><p>　　4.4.1整流變壓器的設(shè)計(jì)</p><p>　　1變壓器二次側(cè)電壓U2的計(jì)算</p><p>　　U2是一個(gè)重要的參數(shù)，選擇過低就會無法保證輸出額定電壓。選擇過大又會造成延遲角α加大，功率因數(shù)變壞，整流元件的耐壓升高，增加了裝置的成本。一般可按下式計(jì)算，即：</p><p>&

65、lt;b>　　（4） </b></p><p>　　式中: --整流電路輸出電壓最大值；</p><p>　　nUT --主電路電流回路n個(gè)晶閘管正向壓降；</p><p>　　C -- 線路接線方式系數(shù)；</p><p>　　Ush --變壓器的短路比，對10～100KVA，Ush =0.05～0.1；</p&g

66、t;<p>　　I2/I2N--變壓器二次實(shí)際工作電流與額定之比，應(yīng)取最大值。</p><p>　　在要求不高場合或近似估算時(shí)，可用下式計(jì)算，即：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中A--理想情況下，α=0°時(shí)整流電壓與二次電壓之比, 即A=/；B--延遲角為α?xí)r輸出電壓與之比，即B=

67、 /；</p><p>　　ε——電網(wǎng)波動系數(shù)；</p><p>　　(1～1.2)——考慮各種因數(shù)的安全系數(shù)；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用公式：</p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考慮10°裕量，則 B=cosα=0.985</p>

68、<p><b>　　取U2=120V。</b></p><p>　　電壓比K=U1/U2=380/120=3.17。</p><p>　　2 一次、二次相電流I1、I2的計(jì)算</p><p>　　由表查得 =0.816, =0.816</p><p>　　考慮變壓器勵(lì)磁電流得：</p><p

69、><b>　　3變壓器容量的計(jì)算</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　??； （8）</p><p>　??； （9）</p><

70、;p>　　式中--一次側(cè)與二次側(cè)繞組的相數(shù)；</p><p><b>　　由表查得</b></p><p>　　=3×380×56.49=64.398 KVA</p><p>　　=3×120×170.54=61.394 KVA </p>&

71、lt;p>　　=1/2（64.398+61.394）</p><p>　　=62.896 KVA </p><p>　　取S=62.9 KVA</p><p>　　4.4.2晶閘管元件的選擇</p><p><b>　　1晶閘管的額定電壓</b></p><p>　　晶閘管實(shí)際承受的最大峰值

72、電壓，乘以（2～3）倍的安全裕量，參照標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，即可確定晶閘管的額定電壓，即=（2～3）</p><p>　　整流電路形式為三相全控橋，查表得，則</p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　　取V.</b></p><p>　　2 晶閘管的額定電流</p>

73、;<p>　　選擇晶閘管額定電流的原則是必須使管子允許通過的額定電流有效值大于實(shí)際流過管子電流最大有效值 ，即</p><p>　　=1.57> 或 >==K （11）</p><p>　　考慮（1.5～2）倍的裕量</p><p>　　=（1.5～2）K

74、 （12）</p><p>　　式中K=/（1.57）--電流計(jì)算系數(shù)。</p><p>　　此外，還需注意以下幾點(diǎn)：</p><p>　?、佼?dāng)周圍環(huán)境溫度超過+40℃時(shí)，應(yīng)降低元件的額定電流值。</p><p>　?、诋?dāng)元件的冷卻條件低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也應(yīng)降低元件的額定電流值。</p><

75、;p>　?、坳P(guān)鍵、重大設(shè)備，電流裕量可適當(dāng)選大些。</p><p>　　由表查得 K=0.367，考慮(1.5～2)倍的裕量</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　取。故選晶閘管的型號為KP20-7。</p><p>　　4.4.3晶閘管保護(hù)環(huán)節(jié)的計(jì)算</p><p&

76、gt;　　晶閘管有換相方便，無噪音的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)晶閘管電路除了正確的選擇晶閘管的額定電壓、額定電流等參數(shù)外，還必須采取必要的過電壓、過電流保護(hù)措施。正確的保護(hù)是晶閘管裝置能否可靠地正常運(yùn)行的關(guān)鍵。</p><p><b>　　1過電壓保護(hù)</b></p><p>　　以過電壓保護(hù)的部位來分，有交流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)過電壓保護(hù)和器件兩端的過電壓保護(hù)三種。</p>

77、;<p>　　（1）交流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p>　　1）阻容保護(hù) 即在變壓器二次側(cè)并聯(lián)電阻R和電容C進(jìn)行保護(hù)。</p><p>　　本系統(tǒng)采用D-Y連接。S=62.9KVA, =120V</p><p>　　取值：當(dāng) S=50~100KVA時(shí)，對應(yīng)的=4~1，所以取3。</p><p>　　C≥6S/U22=6×

78、;3×62.9×103/1202=78.6µF</p><p>　　耐壓≥1.5Um =1.5×120×=254.6V</p><p>　　選取10µF,耐壓300V的鋁電解電容器。</p><p>　　選取: S=62.9KVA, S=50~100KVA，=1~5，所以 =3</p><

79、;p>　　R≥2.3 U22/S =2.3×1202/62.9×103=34.48Ω</p><p><b>　　取 R=35Ω</b></p><p>　　IC=2πfCUC×10-6=2π×50×10×120×10-6=0.376 A</p><p>　　PR≥(3

80、-4)IC2R=(3～4) ×0.3762×35=（14.84～19.79）W</p><p>　　選取電阻為2.2Ω，20W的金屬膜電阻。</p><p><b>　　2）壓敏電阻的計(jì)算</b></p><p>　　==1.3××120=220.6V</p><p>　　流通量取

81、5KA。選MY31-330/5型壓敏電阻（允許偏差+10％）作交流側(cè)浪涌過電壓保護(hù)。</p><p>　?。?）直流側(cè)過電壓保護(hù)</p><p>　　直流側(cè)保護(hù)可采用與交流側(cè)保護(hù)相同保護(hù)相同的方法，可采用阻容保護(hù)和壓敏電阻保護(hù)。但采用阻容保護(hù)易影響系統(tǒng)的快速性，并且會造成加大。因此，一般不采用阻容保護(hù)，而只用壓敏電阻作過電壓保護(hù)。</p><p>　　(1.8～2)

82、=(1.8～2.2) ×230=414～460V </p><p>　　選MY31-660/5型壓敏電阻(允許偏差+10％)作直流側(cè)過壓保護(hù)。</p><p>　?。?）閘管及整流二極管兩端的過電壓保護(hù) </p><p><b>　　查下表：</b></p><p>　　表4.2

83、阻容保護(hù)的數(shù)值</p><p>　　Table 4.2 the resistance-capacitance protection value</p><p>　　抑制晶閘管關(guān)斷過電壓一般采用在晶閘管兩端并聯(lián)阻容保護(hù)電路方法。電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值的1.1～1.15倍。</p><p><b>　　由于 </b></p&g

84、t;<p>　　由上表得C=0.5µF，R=10Ω，</p><p>　　電容耐壓≥1.5=1.5×=1.5××120=441V</p><p>　　選C為0.15µF的CZJD-2型金屬化紙介質(zhì)電容器, 耐壓為450V。</p><p>　　=50×0.15×=0.324W &

85、lt;/p><p>　　選R為80Ω，1W的普通金屬膜電阻器。</p><p><b>　　2 過電流保護(hù)</b></p><p>　　快速熔斷器的斷流時(shí)間短，保護(hù)性能較好，是目前應(yīng)用最普遍的保護(hù)措施?？焖偃蹟嗥骺梢园惭b在直流側(cè)、交流側(cè)和直接與晶閘管串聯(lián)。 </p><p>　　晶閘管串連的快速熔斷器的選擇</

86、p><p>　　接有電抗器的三相全控橋電路，通過晶閘管的有效值</p><p><b>　　=120.7 A</b></p><p>　　選取RLS-150快速熔斷器，熔體額定電流150A。</p><p>　?。?）過電流繼電器的選擇</p><p>　　因?yàn)樨?fù)載電流為209A，所以可選用吸引線圈電

87、流為30A的JL14-11ZS型手動復(fù)位直流過電流繼電器，整定電流取1.25×209=261.25A≈260A。</p><p>　　4.4.4平波電抗器的計(jì)算</p><p>　　為了使直流負(fù)載得到平滑的直流電流，通常在整流輸出電路中串入帶有氣隙的鐵心電抗器，稱平波電抗器。其主要參數(shù)有流過電抗器的電流一般是已知的，因此電抗器參數(shù)計(jì)算主要是電感量的計(jì)算。</p>&

88、lt;p>　　1.算出電流連續(xù)的臨界電感量可用下式計(jì)算，單位mH。</p><p><b>　?。?4）</b></p><p>　　式中為與整流電路形式有關(guān)的系數(shù)，可由表查得；</p><p>　　為最小負(fù)載電流，常取電動機(jī)額定電流的5％～10％計(jì)算。</p><p>　　根據(jù)本電路形式查得=0.695所以<

89、;/p><p>　　==7.98mH </p><p>　　2.限制輸出電流脈動的臨界電感量</p><p>　　由于晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，因此輸出電流波形也是脈動的。該脈動電流可以看成一個(gè)恒定直流分量和一個(gè)交流分量組成。通常負(fù)載需要的只是直流分量，對電動機(jī)負(fù)載來說，過大的交流分量會使電動機(jī)換向惡化和鐵耗增加，引起過熱。因此，應(yīng)在直流側(cè)串

90、入平波電抗器，用來限制輸出電流的脈動量。平波電抗器的臨界電感量（單位為mＨ）可用下式計(jì)算</p><p><b>　?。?5）</b></p><p>　　式中－系數(shù)，與整流電路形式有關(guān)，－電流最大允許脈動系數(shù)，通常三相電路≤（5～10）％。</p><p>　　根據(jù)本電路形式查得=1.045, 所以</p><p>&

91、lt;b>　　==6mH </b></p><p>　　3.電動機(jī)電感量和變壓器漏電感量</p><p>　　電動機(jī)電感量（單位為mH）可按下式計(jì)算</p><p><b>　　（16）</b></p><p>　　式中,n－直流電動機(jī)電壓、電流和轉(zhuǎn)速，常用額定值代入；</p>&l

92、t;p>　　P－電動機(jī)的磁極對數(shù)；－計(jì)算系數(shù)。一般無補(bǔ)償電動機(jī)取8～12，快速無補(bǔ)償電動機(jī)取6～8，有補(bǔ)償電動機(jī)取5～6。本設(shè)計(jì)中取=8、==230V、==209A、n=1450r/min、p=1</p><p>　　==3.036mH </p><p>　　變壓器漏電感量（單位為mH）可按下式計(jì)算</p><p><b>　　（17）</b&

93、gt;</p><p>　　式中　－計(jì)算系數(shù)，查表可得</p><p>　?。儔浩鞯亩搪繁?，取3。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中取=3.9、=3</p><p>　　所以 =3.9×3×120/（100×209）=0.067mH </p><p>　　4.實(shí)際串入平

94、波電抗器的電感量</p><p>　　考慮輸出電流連續(xù)時(shí)的實(shí)際電感量：</p><p>　　如上述條件均需滿足時(shí)，應(yīng)取作為串入平波電抗器的電感值，所以本電路選取=60 mH作為平波電抗器的電感值。</p><p>　　4.4.4電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)</p><p><b>　　1.確定時(shí)間常數(shù)</b></p>

95、;<p>　　在三相橋式全控電路有：</p><p>　　已知，，所以電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p><p>　　=0.0017+0.002=0.0037S。</p><p>　　2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　因?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，故可用PI型電

96、流調(diào)節(jié)器 。</p><p>　　電流調(diào)機(jī)器的比例系數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間系數(shù)</p><p>　　3.電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)==0.03s，又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，查得有=0.5，所以==，電樞回路總電阻R=2=2.4Ω，所以ACR的比例系

97、數(shù)</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　4.校驗(yàn)近似條件</b></p><p>　　電流環(huán)截止頻率==135.1。</p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：</p><p><b>　　> ，滿足條件。</

98、b></p><p>　　忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件：</p><p><b>　　，滿足條件。</b></p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：</p><p><b>　　，滿足條件。</b></p><p>　　5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容&l

99、t;/p><p>　　取運(yùn)算放大器的=40，有=11.9740=511.68，取520，</p><p>　　，取0.1，，取0.2。故=，其結(jié)構(gòu)圖如下所示：</p><p><b>　　圖4.3電流調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　Fig.4.3 Current regulator</p><p>

100、;　　4.4.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)</p><p><b>　　1.確定時(shí)間常數(shù)</b></p><p>　　有則，已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.01s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)</p><p>　　按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器 </p><p>

101、　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)</p><p>　　3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗干擾性能較好原則，取h=4,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為：，</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 。</b></p><p>　　ASR的比例系數(shù)為

102、：。</p><p><b>　　4.檢驗(yàn)近似條件</b></p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為。</p><p>　　電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足條件。</p><p>　　轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。</p><p>　　5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p>

103、<p>　　取=40，則，取1000。</p><p><b>　　，取0.1</b></p><p><b>　　，取1。</b></p><p><b>　　故。其結(jié)構(gòu)圖如下：</b></p><p>　　圖4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器</p><p&g

104、t;　　Fig.4.4 speed regulator</p><p>　　校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由h=4，查得，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使ASR 退飽和，重計(jì)算。設(shè)理想空載z=0，h=4時(shí)，查得=77.5%，所以</p><p><b>　　=0.00792</b></p><p>　　=0.79% < 10%</p><p&g

105、t;<b>　　滿足設(shè)計(jì)要求.</b></p><p>　　6.測速發(fā)電機(jī)的選擇</p><p>　　因?yàn)?，故這里可選用ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機(jī)。它的主要參數(shù)見下表。</p><p>　　表6—2ZYS-14A型永磁直流測速發(fā)電機(jī)</p><p>　　Table 4.3 2ZYS-14A type perman

106、ent magnet DC tachometer generator</p><p>　　取負(fù)載電阻=2,P=2W的電位器，測速發(fā)電機(jī)與主電動機(jī)同軸連接。</p><p>　　7. 電流截止反饋環(huán)節(jié)的選擇</p><p>　　選用LEM模塊LA25-NP電流傳感器作為檢測元件，其參數(shù)為：額定電流100A，匝數(shù)比1：1000，額定輸出電流為25mA。選測量電阻=120

107、,P=1W的繞線電位器。</p><p>　　負(fù)載電流為1.2時(shí)。讓電流截止環(huán)節(jié)起作用，此時(shí)LA25-NP輸出電流為1.2/250=1.2×18.25/1000=0.099A，輸出電壓為120×0.099=11.88V，再考慮一定的余量，可選用1N4240A型的穩(wěn)壓管作為比較電壓，其額定值為10V。</p><p><b>　　第六章 總結(jié)</b>

108、</p><p>　　本文通過對直流電機(jī)開環(huán)、閉環(huán)、仿真和數(shù)字控制的深入分析，借助MATLAB軟件的應(yīng)用，完成了對直流電動機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真。這次設(shè)計(jì)改變了早期的控制以模擬電路為基礎(chǔ)，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復(fù)雜、功能單一、調(diào)試?yán)щy等特點(diǎn)。簡化了整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而不僅降低了成本，而且提高了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。在深入研究了直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink的強(qiáng)大建模功能，設(shè)計(jì)

109、了直流電機(jī)開環(huán)、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，通過MATLAB/Simuliha仿真，可以發(fā)現(xiàn)開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性軟，加同樣的負(fù)載轉(zhuǎn)速降落大、靜差率大。雙閉環(huán)控制的起動更快、更平穩(wěn)，加入擾動以后過渡過程更短。采用數(shù)字控制來代替模擬控制特，直流電機(jī)調(diào)速的控制會更精確、更穩(wěn)定、功耗更小，在其應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了，這是我在導(dǎo)師指導(dǎo)下的結(jié)果，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我

110、對我所學(xué)的關(guān)于直流電動機(jī)的知識更加的深入的了解，鍛煉了我的動手能力，也讓我閱讀了大量的書籍，豐富了我的知識。</p><p>　　通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對以前沒有弄清楚的問題在這次設(shè)計(jì)中通過親自動手查證，論證，都一一解決了，特別是對這門課程中比較重要的知識。同時(shí)通過此次設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了掌握這門技術(shù)的興趣和決心。在此要感謝我們的指導(dǎo)老師杜老師的細(xì)心指導(dǎo)，感謝老師們給我們的幫助。</p><p>

111、　　不久我將走上工作崗位，希望能夠綜合應(yīng)有所學(xué)理論知識去分析解決實(shí)際工程問題，將設(shè)計(jì)應(yīng)有于實(shí)踐，展現(xiàn)出大學(xué)生應(yīng)該具有的技術(shù)理論知識水準(zhǔn)，將我所學(xué)的知識盡可能的應(yīng)用到實(shí)際的工作中。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】史國生.交直流調(diào)速系統(tǒng)「M」.第1版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.【2】吳雪梅.基于DSP的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)

112、研究與設(shè)計(jì)「Dj.碩士學(xué)位論文，西北工業(yè) 大 學(xué)，2005.【3】劉明俊，于明祁，楊泉林.自動控制原理〔M」.第1版.長沙:國防科技大學(xué)出版社，2000.【4】陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)仁M」.第1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.【5】周希章，周全.電動機(jī)的啟動制動和調(diào)速〔M〕.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.【6】吳守茂，減英杰.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù)「M〕.第2版.北京:機(jī)械_」習(xí)衛(wèi)出版社，

113、 2003.【7】李明.電機(jī)與電力拖動「M」.第1版.電子工_業(yè)出版社，2003.【8】薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)「M」.第1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.【9】范影樂，楊勝天，李鐵.毗TLAB仿真應(yīng)用詳解仁M〕.第1版.北京:人民郵電出版社，2001.【10】求是利技.MATIJAB7.O從入門到精通仁M〕.第1版.北京:人民郵電出版社，2006.【11】何穎，鹿蕾，趙爭鳴.直流調(diào)速系統(tǒng)的Matlab建模與&l

114、t;/p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在為期三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我得到了指導(dǎo)老師杜明星老師的精心指導(dǎo)，他幫助我解決了直流電動機(jī)控制系統(tǒng)研究與仿真在理論研究中所遇到的各種問題，嚴(yán)嚴(yán)把關(guān)，循循善誘，這不僅使我鞏固和擴(kuò)展了大學(xué)四年期間所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識，也使我提高了獨(dú)立思考和處理事務(wù)的能力。同時(shí)，杜老師嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真，一絲不茍的工作作風(fēng)也使我受益很多。這些都是