基于Matlab的单闭环直流电机调速系统的设计

运动控制系统中应用最广泛的是自动调速系统，在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的稳态、动态性能。晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机、测速反馈系统组成。晶闸管调速系统以其良好的调速性能而广泛应用于生产生活中。闭环控制对电动机的稳定性有很好的保障。对于晶闸管直流电动机系统的研究要从两个方面进行，一是在带电动机负载时整流电路的工作情况；二是由整流电路供电时电动机的工作情况。本文介绍了晶闸管直流电机调速系统，运用M a t l a b 进行了仿真，并对晶闸管直流调速系统参数和环节特性进行了分析和测定。

关键词：晶闸管，整流，直流调速，M a t l a b，闭环控制

目录

第一章概述 (3)

第二章调速控制系统的性能指标 (4)

2.1 直流电动机工作原理 (4)

2.2 电动机调速指标 (4)

2.3 直流电动机的调速 (5)

2.4直流电机的机械特性 (6)

第三章单闭环直流电动机系统 (7)

3.1 三相桥式全控整流电路 (7)

3.1.1带电阻负载时的工作情况 (7)

3.1.2 三相桥式全控整流电路计算公式 (9)

3.2 单闭环直流调速 (9)

第四章电路设计和仿真 (10)

4.1 电路原理 (10)

4.2 参数设定及Matlab的仿真 (11)

4.2.1 系统仿真图 (11)

4.2.2 系统的建模和参数的设定 (11)

4.3 仿真结果 (13)

第五章总结 (15)

参考文献 (16)

第一章概述

电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。

目前调速系统分为交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及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。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐渐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。

单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的应用越来越广泛，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、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机、闭环控制系统组成。我们可以通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。本文并运用M a t l a b对设计电路进行了仿真。

第二章调速控制系统的性能指标

2.1 直流电动机工作原理

一、直流电机的构成

（1）定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；

（2）转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴

（3）气隙

二、直流电机的励磁方式

按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电动机四种。图2.1给出了这四种励磁方式的电路图。

图2.1直流电机分类

在直流电机中，为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流，这一过程称为电流的换向。所用的称为换向器。

在电磁转矩的作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的方向旋转时，电机向负载输出机械功率。

2.2 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。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。

动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。

（1）调速范围

生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速Nmax

与最低转速Nmin 之比称为调速范围，用D 表示。即

（2）静差率

调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增

加到规定负载时，所对应的转速降落Δn 与理想转速n0

之比，用s 表示。即：

（3）调速方向

调速方向指调速后比原来的额定转速高还是低，有上调，和下调之分。

（4）调速的平滑性

调速的平滑性由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。调速可分为有级调速和无级调速。

2.3 直流电动机的调速

本文以他励直流电动机为例说明直流电机的调速。他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个的直流电源供电。在励磁电压U f 的作用下，励磁绕组中通过励磁电流I f ，从而产生主磁通Φ。在电枢电压U a 的作用下，电枢绕组中通过电枢电流I a 。

他励直流电动机的转速公式：

式中：U 为他励电动的电枢电压；

I 为电枢电流；

E 为电枢电动势；

R 为电枢回路的总电阻；

n 为电机的转速；

Φ为励磁磁通；

C E 为由电机结构决定的电动势系数。

由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：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min max n n D =%100%100000−=∆=n n n n n s −==E E IR U E n

的弱磁调速。

由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速。

2.4直流电机的机械特性

他励直流电动机中转速和转矩之间的关系为：

T n n n C C R C U n T E a E a γ−=∆−=Φ

−Φ=002 式中，n 0 是电动机的理想空载转速其值为： Φ=

E a C U n 0γ是机械特性的斜率，Δn 是转速差。 他励直流电机的固有特性曲线如图2.2所示

图2.2 他励电动机固有特性曲线

第三章单闭环直流电动机系统

晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组成。

3.1 三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路的电路图如图3.1所示

图3.1 三相桥式全控整流电路原理图

目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图2所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

3.1.1带电阻负载时的工作情况

可以采用与分析三相半波可控整流电路时类似的方法，假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角α=0°时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2

所示。

α=0°时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析u d的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。

从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 u d1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压u d2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压u d=u d1－u d2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。

直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 u d为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压u d波形为线电压在正半周的包络线。

为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60度，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如2-1表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为V T1－V T2－V T3－V T4－V T5－V T6。三相桥式全控整流电路带负载时α=0°时的波形如图3.2所示。

图3.2

3.1.2 三相桥式全控整流电路计算公式

α≦60°时的电压的平均值为 ∫++=)(sin 6323/23/t td U U d ωωαπαπ=2.34U 2 cos α

α≦60°时的电压的平均值为

U d =2.34 U 2 [1+cos{π/3+α}]

3.2 单闭环直流调速

直流电动机负载除本身有电阻、电感外，还有一个反电动势E ，如果不考虑电动机的电枢电感时，则只有当晶闸管导通相的变压器二次侧电压瞬时值大于反电动势时才有电流输出。由于整流电路带反电动势负载工作时，负载电流是断续的，所以在实际应用中要考虑到这一点，应尽量避免出现负载电流断续的现象。

为了平稳负载电流的脉动，通常在电枢回路串联一个平波电抗器，保证整流电路在较大范围内连续。触发晶闸管，待电动机工作稳定时，由于电动机有较大的机械惯量，故其转速和反电动势都基本无脉动。此时整流电压的平均值由电动机的反电动势和电路中负载平均电流I d 所引起的各种电压降所平衡。直流电压的交流分量全部落在电抗器上。

为了提高直流调速系统的性能，通常采用闭环控制系统（单闭环和多闭环）。对于速度调节要求不高的场合，采用单闭环系统，就能符合一般的设计要求。

按反馈的方式不同可分为转速反馈、电压反馈、电流反馈等。本文就是以转速反馈设计的直流调速系统。

第四章电路设计和仿真

该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，和晶闸管同步脉冲触发电路，用来调节晶闸管的控制角。测速模块把测得的转速反馈到输入中。

4.1 电路原理

系统的原理图如图4.1所示

图4.1单闭环转速负反馈直流调速原理图

本系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机和测速反馈组成。图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经速度变换后接到电流调节器的输入端，与给定的

用作控制整流桥的触电压相比较经放大后，得到移相控制电压U

c t

发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间。以改变三相全控整流的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环控制。电动机的转速随给定电压变化，电动机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器采用比例（P)调节，对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则须将调节器换成比例积分（P I）

调节。这时当给定电压恒定时，闭环系统起到了抑制所用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速稳定在一定的范围之中。

4.2 参数设定及Matlab的仿真

4.2.1 系统仿真图

单闭环直流调速系统的原理图如图4.1所示，该系统由给定型号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。图4.2是采用面向电气原理方法构成的转速负反馈直流调速系统的仿真模型。

图4.2单闭环转速负反馈直流调速系统仿真图

4.2.2 系统的建模和参数的设定

系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模。

(1)主电路的建模和参数设定

由仿真图可知，前向通路中由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电机组成。整流桥后面并联一个二极管桥，所用是加快电动机的减速过程，同时避免在整流桥输出端出现负电压而使波形畸变。

三相电路的电压为220V，频率50Hz，相角相差120°。

晶闸管整流桥的建模和参数设定，如图4.3所示。

平波电抗器的设置。电感的值为5e-03。

直流电动机的参数设定如图4.4所示。

图4.3晶闸管参数 图4.4电动机参数

同步脉冲触发器的建模和参数设定。

同步脉冲触发器的构成如图图4.5所示。

图4.5同步电源与6脉冲触发器

（2）控制电路的建模和参数设定

单闭环转速负反馈直流调速系统的控制电路由给定信号、速度调

节器、速度反馈等组成。仿真时根据需要增加了限幅器、偏置、反相器等模块。

4.3 仿真结果

仿真后角频率的波形如图4.6所示

图4.6角频率w的波形图

转矩的波形图如图4.7所示

图4.7转矩T e的波形图

电流的波形图如图4.8所示

图4.8电流I e的波形图

第五章总结

本设计为单闭环不可逆直流调速系统，首先，介绍了直流电机调速的发展和前景；其次，介绍了直流电动机的调速指标和特性；第三，介绍了三相桥式全控整流电路的设计和特点；再次，介绍了转速负反馈直流电机的调速；最后，运用Matlab进行了仿真和调试。

通过调试和仿真，该系统能够很好的实现直流电机的调速，并且调速具有一定的稳定性。采用闭环控制，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转速能稳定在一定的变化范围内。

当然，系统也存在一定的不足，由于运用的是单闭环控制，所以在调速的过程中，系统的稳态性能还不尽如人意，在一定的调速范围内能满足要求，而在一些要求比较高的系统中，就很难实现。这时就应该采用双闭环调速系统，即由电流和转速两个调节器进行综合的调节。

另外，系统是不可逆的，所以电动机的机械特性不能在四象限中实现。电动机在1/3象限转到2/4象限时，表明电动机运行转入发电制动状态，由于没有逆变电路，电能就不能回馈到电网中，这样就造成了电能的浪费，而直流电机的可逆拖动系统就能解决这种问题。

还应值得注意的是，当使用直流可逆电力拖动系统时，还应当注意，电路有无环流。环流是指只在两组变流器之间流动而不经过负载的电流。环流对系统的影响是致命的，可能造成电源的短路，因此设计时当注意这一点。

最后，通过本次课程设计，我又重新认识了电力电子这门课程，它是电力拖动的基础课程，所以应当加倍的重视。