1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切割機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中 得到了廣泛的應用。近年來直流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所

2、以首先應該很好的掌握直流系統(tǒng)。我們可以首先從單閉環(huán)轉速負反饋直流調速系統(tǒng)來研究。由于系統(tǒng)需要觀察較多的性能，計算參數(shù)較多，而MATLAB中的Simulink實用工具可直接構建其動態(tài)模型，省去大量的計算，通過修改動態(tài)模型可完善系統(tǒng)性能。</p><p>　　1.1 直流調速系統(tǒng)概述</p><p>　　從生產機械要求控制的物理量來看，電力傳動自動控制系統(tǒng)有調速系統(tǒng)、位置伺服系統(tǒng)、張力控制系

3、統(tǒng)等其他多種類型，各種系統(tǒng)往往是通過控制轉速來實現(xiàn)的，因此調速系統(tǒng)是最基本的驅動控制系統(tǒng)。調速系統(tǒng)目前分為交流和直流調速控制系統(tǒng)，由于直流調速系統(tǒng)的調速范圍廣，靜差率小、穩(wěn)定性好并且具有良好的動態(tài)性能。因此在相當長的時期內，高性能的調速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調速系統(tǒng)。相比于交流調速系統(tǒng)，直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上更加成熟。</p><p>　　直流調速是現(xiàn)代電力拖動自動控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的自動控制系統(tǒng)。在20世紀

4、60年代發(fā)展起來的電力電子技術，使電能可以轉換和控制，產生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調速裝置，為工業(yè)生產，交通運輸，建筑、辦公、家庭自動化控制設備提供了現(xiàn)代化的高新技術，提高了生產效率和人們的生活質量，因此，人類社會的生產、生活發(fā)生了巨大變化。隨著新型電力電子器件的研究和開發(fā)，先進控制技術的發(fā)展，電力電子和電力傳動控制裝置的性能也不斷優(yōu)化和提高，這一變化的影響將越來越大。</p><p>　　單閉環(huán)直

5、流電機調速系統(tǒng)在現(xiàn)代日常生活中的應用越來越廣泛，其良好的調速性能、低廉的價格越來越被大眾接受。</p><p>　　單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)由整流變壓器、平波電抗器、晶閘管整流調速裝置、電動機-發(fā)電機、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成。我們可以通過調節(jié)晶閘管的控制角來調節(jié)轉速，非常方便，高效。</p><p>　　1.2 MATLAB簡介</p><p>　　在1980年前后，美國的克

6、利夫博士在新墨西哥大學講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)應用其它高級語言編程非常不方便，他們構思和開發(fā)了Matlab（MATrix LABoratory，即矩陣實驗室），它是集命令翻譯，科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經過在該大學進行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，它使的矩陣的運算變得異常容易。</p><p>　　MATLABSGI是由美國MathWorks公司開發(fā)的大型軟件。在MATLAB軟件

7、中，包括了兩個主要部分：數(shù)學計算和工程仿真。其數(shù)學計算部分提供了強大的矩陣處理和繪圖功能。1998年，MATLAB增加了電力系統(tǒng)模塊庫，該模塊庫以Simulink為運行環(huán)境，是建立在Simulink標準模塊和M語言基礎上的一個附加模型庫，它提供為電力系統(tǒng)仿真分析專用的各種線性與非線性元件和模塊。尤其是在MATLAB6.X之后的版本中，SimPowerSystems的元件庫進行了擴種，用戶可以在庫中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等

8、幾乎所有常用的新型電力電子器件模型，給使用帶來極大的方便。</p><p>　　可視化圖形仿真功能實在SIMULINK環(huán)境下進行的。進入MATLAB系統(tǒng)后打開瀏覽窗口到模塊庫，用鼠標左鍵雙擊其中的SimPowerSystems即可彈出電力系統(tǒng)工具箱模塊庫。它主要包含以下幾類：電源庫、元件庫、機組模型、電力電子元件庫、測量元件、連接元件、其他元件、電力圖形用戶界面、演示系統(tǒng)等，基本涵蓋了電路、電力電子、電氣傳動和電

9、力系統(tǒng)等電工學科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，其元件和模塊是由電力工業(yè)領域的專家提供并得到實際證明的，符合電力專業(yè)分析軟件的要求。這些模塊庫包含了大多數(shù)常用電力系統(tǒng)元件的模塊。利用這些模塊及其他庫模塊，用戶可方便、直觀地建立各種系統(tǒng)模型并進行分析。</p><p>　　直流電動機具有調速性能好，起動轉矩大，易于在大范圍內平滑調速等優(yōu)點，其調速控制系統(tǒng)歷來在工業(yè)控制中占有及其重要的地位。隨著電力技術的發(fā)展，特別

10、是在大功率電力電子器件問世以后，直流電動機拖動將有逐步被交流電動機拖動所取代的趨勢，但在中、小功率的場合，常采用永磁直流電動機，只需對電樞回路進行控制，相對比較簡單。特別是在高精度位置伺服控制系統(tǒng)、在調速性能要求高或要求大轉矩的場所，直流電動機仍然被廣泛采用，直流調速控制系統(tǒng)中最典型一種調速系統(tǒng)就是速度、電流雙閉調速系統(tǒng)。直流調速系統(tǒng)的設計要完成開環(huán)調速、單閉環(huán)調速、雙閉環(huán)調速等過程，需要觀察比較多的性能，再加上計算參數(shù)較多，往往難以如

11、意。如在設計過程中使用Matlab中的SimuLink實用工具來輔助設計，由于它可以構建被控系統(tǒng)的動態(tài)模型，直觀迅速觀察各點波形，因此調速系統(tǒng)性能的完善可以通過反復修改其動態(tài)模型來完成，而不必對實物模型進行反復拆裝調試。本文運用MATLAB中的SimuLink實用工具對設計電路進行了仿真。</p><p>　　1.3 國內外現(xiàn)狀</p><p>　　從1971年開始到目前的這個階段，直線

12、電機進入了獨立的應用時代 ，在這個時代，各類直線電機的應用得到了迅速的推廣，制成了許多具有實用價值的裝置和產品，例如直線電機驅動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、各種電動門、電動窗、電動紡織機等等。特別可喜的是利用直線電機驅動的磁懸浮列車，其速度已超500km/h，接近了航空的飛行速度，且試驗行程累計已達數(shù)十萬千米。 在這個時期，直線電機領域的研究人員通過對直流電機在歷史發(fā)展中多次起落的分析，終于選擇了一條

13、適合直流電機自身發(fā)展的獨特思路，它不再與旋轉電機直接對抗，不以單機的形式與旋轉電機競爭，而以直線電機系統(tǒng)與旋轉電機系統(tǒng)相比，從而找到適合于自己的系統(tǒng)與旋轉電機展開競爭，在旋轉電機無能為力的地方尋找自己的位置。例如，直線電機應用于磁懸浮列車，液態(tài)金屬的輸送和攪拌，電子縫紉機和磁頭定位裝置，直線電機沖壓機等等。直線電機走自己的道路，在滿足人類需求的過程中求得自身的發(fā)展。在世界上一些發(fā)達國家，許多人和不少著名電氣企業(yè)均在研究和開發(fā)直線電機產品

14、，例如美國的西屋（Westinghouse）公司、德國的西門子（SIEMENS）公</p><p>　　在70年代中期，Cleve Moler博士和其同事在美國國家科學基金的資助下開發(fā)了調用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫.EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當時，這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。</p><p>

15、;　　到70年代后期，身為美國New Mexico大學計算機系系主任的Cleve Moler,在給學生講授線性代數(shù)課程時，想教學生使用EISPACK和LINPACK程序庫,但他發(fā)現(xiàn)學生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自己動手,利用業(yè)余時間為學生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣(matrix)和實驗室(labotatory)兩個英文單詞的前三個

16、字母的組合.在以后的數(shù)年里，MATLAB在多所大學里作為教學輔助軟件使用,并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。</p><p>　　1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續(xù)進行MATLAB的研究和開發(fā)。</p><p>　　在當今30多個數(shù)學類科技應用軟件中，就軟件數(shù)學處理的原始內核而言,可分為兩大類。一類是

17、數(shù)值計算型軟件，如MATLAB,Xmath,Gauss等，這類軟件長于數(shù)值計算，對處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學分析型軟件,Mathematica,Maple等。這類軟件以符號計算見長,能給出解析解和任意精確解，其缺點是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低。MathWorks公司順應多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計算和圖示能力的基礎上，又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，開發(fā)了適合多學科、多部門要求的新一代科技應

18、用軟件MATLAB。經過多年的國際競爭，MATLAB以經占據(jù)了數(shù)值軟件市場的主導地位。</p><p>　　在MATLAB進入市場前，國際上的許多軟件包都是直接以FORTRANC語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點是使用面窄，接口簡陋，程序結構不開放以及沒有標準的基庫，很難適應各學科的最新發(fā)展，因而很難推廣。MATLAB的出現(xiàn)，為各國科學家開發(fā)學科軟件提供了新的基礎。在MATLAB問世不久的80年代中期，原先控制

19、領域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。 </p><p>　　MathWorks公司1993年推出了MATLAB 4。0版，1995年推出4。2C版（for win3。X）1997年推出5。0版。1999年推出5。3版。MATLAB 5。X較MATLAB 4。X無論是界面還是內容都有長足的進展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape 3。0或IE 4。0及以上版本，Acroba

20、t Reader中可以方便地瀏覽。</p><p>　　時至今日，經過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經發(fā)展成為適合多學科，多種工作平臺的功能強大大大型軟件。在國外，MATLAB已經經受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)理統(tǒng)計，數(shù)字信號處理，時間序列分析，動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學工具；成為攻讀學位的大學生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單

21、位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題。在國內，特別是工程界，MATLAB一定會盛行起來?？梢哉f，無論你從事工程方面的哪個學科，都能在MATLAB里找到合適的功能。</p><p>　　2 調速控制系統(tǒng)的性能指標</p><p>　　2.1 直流電動機工作原理</p><p>　　2.1.1 直流電動機構成</p><

22、;p>　?。?）定子：主磁極、換向磁極、端蓋、機座、電刷裝置；</p><p>　?。?）轉子：電樞繞組、電樞鐵心、換向裝置、轉軸、風扇；</p><p><b>　?。?）氣隙。</b></p><p>　　2.1.2 直流電機勵磁方式</p><p>　　勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。按照勵磁方式，直流電機

23、分成他勵和自勵兩大類，其中自勵式又分為并勵、串勵和復勵三種。圖2.1給出了這四種勵磁方式的電路圖。</p><p>　　2.1.3 直流電動機工作原理</p><p>　　如果將直流電壓直接加到線圈上，導體中就有直流電流通過。設導體中的電流為i，載流導體在磁場中將受到電磁力f，f=bil，作用于線圈上的電磁轉矩T則等于2倍的電磁力乘上力臂，即</p><p>&l

24、t;b>　?。?.1）</b></p><p>　　式（2.1）中，D為電樞外徑。</p><p>　　若電流i為恒定，轉子旋轉一周時，氣隙磁通密度b的方向為一正一負，因此電磁轉矩T將是交變的，一個周期的平均值為0，無法使電樞持續(xù)旋轉，然而在直流電動機中，電流并非直接接入線圈，而是通過兩個電刷和換向器再接入線圈，這樣情況就不同了。因為兩個電刷靜止不動，電流i總是從正極性電

25、刷流入，經過旋轉的換向片，由另一個電刷負極性電刷流出。故當導體旋轉而交替的處于兩個磁極下時，導體中的電流將隨其所處磁極極性的改變而同時改變其方向，從而使電磁轉矩的方向始終保持不變，并使電動機持續(xù)旋轉。此時電刷和換向器起到把外部電源流入的直流，改變成線圈內的交流的“逆變”作用。這就是直流電動機的工作原理。</p><p>　　2.2 電動機調速指標</p><p>　　穩(wěn)態(tài)指標：主要是要求

26、系統(tǒng)能在最高和最低轉速內進行平滑調節(jié)，并且在不同轉速下工作時能穩(wěn)定運行，而在某一轉速下穩(wěn)定運行時，盡量少受負載變化及電源電壓波動的影響。因此穩(wěn)態(tài)指標就是調速系統(tǒng)的調速范圍和靜差率。</p><p>　　2.2.1 調速范圍</p><p>　　生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即</p><p><b>　?。?.

27、2）</b></p><p>　　其中和一般都指電機額定負載時的轉速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉速。</p><p>　　2.2.2 靜差率</p><p>　　當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落，與理想空載轉速 之比，稱作靜差率s，即</p><p><

28、b>　?。?.3）</b></p><p>　　靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。</p><p>　　調速范圍和靜差率兩項指標并不是彼此孤立的必須同時提才有意義。一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調范圍。脫離了對靜差率的要求，任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調

29、速范圍；反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。</p><p>　　2.2.3 調速的平滑性</p><p>　　相鄰兩級轉速的接近程度叫做調速的平滑性?？捎闷交禂?shù) 來衡量，它是相鄰兩級轉速之比，即 </p><p><b>　　（2.4）</b></p><p>　　越接近于1，平

30、滑性越好。 在1.06以下時，可認為轉速基本上連續(xù)可調，級數(shù)接近無窮多，稱作無級調速。</p><p>　　2.3 直流電動機的調速</p><p>　　直流電動機分為他勵直流電動機和自勵直流電動機，本文以他勵直流電動機為例來說明直流電機的調速。他勵直流電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的直流電源供電。在勵磁電壓 的作用下，勵磁繞組中通過勵磁電流 ，從而產生主磁通 。在電樞電壓 的

31、作用下，電樞繞組中通過電樞電流 。</p><p>　　他勵直流電動機的轉速公式為：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　式（2.5）中：E為電樞電動勢；</p><p>　　U為他勵電動機的電樞電壓；</p><p><b>　　I為電樞電流；</

32、b></p><p>　　R為電樞回路的總電阻；</p><p><b>　　為勵磁磁通；</b></p><p><b>　　n為電機的轉速；</b></p><p>　　為電動勢系數(shù)，由電機結構決定。</p><p>　　由此，直流電動機有三種調速方式：電樞回路串電

33、阻的變電阻調速，改變電樞電壓的變電壓調速以及減小氣隙磁通量的弱磁調速。</p><p><b>　　電樞回路串電阻調速</b></p><p>　　該調速方法的原理可用圖2.2來說明。</p><p>　　設電動機帶恒轉矩負載，原來運行與A點，轉矩為 ，現(xiàn)欲將速，在電樞回路中串入電阻 ，從圖中可看出到達新的穩(wěn)態(tài)后，轉速將降為 ，所串電阻越大，穩(wěn)

34、態(tài)轉速越低。</p><p>　　忽略電磁慣性，調速過程可大致說明如下：</p><p>　　電動機原來運行于A點，轉速為 ，負載轉矩為 ，串入電阻 以后，電動機的機械特性將變?yōu)橹本€ B。電動機的轉速不能發(fā)生突變，于是，電動機的運行點將由A點變?yōu)镃點，C點所對應的電磁轉矩為 ，顯然 ，即在C點電磁轉矩小于負載轉矩，電動機將減速。隨著轉速下降，反電動勢將減小，電流將增大，電磁轉矩亦將增大，但

35、在到達B點以前，T始終小于 ，故減速過程將沿機械特性 B由C點向B點進行，如圖1中箭頭所示。到達B點以后，T= ，進入新的穩(wěn)態(tài)，于是電動機的轉速由調至 。</p><p>　　從機械特性還可以看出，當空載或輕載時，調速范圍很小，調速效果不明顯；而在低速時，特性變軟，轉速的相對穩(wěn)定性較差（即很小的負載波動將引起速度較大的波動）；此外，這種調速方法只能實現(xiàn)有級調速，調速的平滑性較差。</p><p

36、>　　這種調速方法的優(yōu)點是設備不太復雜，操作比較簡單。</p><p>　?。?）降低電源電壓調速</p><p>　　該調速方法的原理可用圖2.3來說明。</p><p>　　設電動機帶恒轉矩負載（ ），在額定電壓 下運行于A點，轉速為 ，先將電源電壓降為 ，忽略電磁慣性，電動機的機械特性由圖中的特性1變?yōu)樘匦?，轉速不能突變，于是，電動機的運行點由A點變?yōu)?/p>

37、C點。在C點，對應的電磁轉矩為 ， ，電動機將減速。隨著轉速的下降，反電動勢減小，電流增加，電磁轉矩亦增大，但在到達B點以前，T總小于 ，故減速過程將沿特性2由C點至B點進行。到達B點以后，T= ，電動機進入新的穩(wěn)態(tài)以轉速 運行（還有一種可能，降壓后，開始階段電動機運行于第二象限）。</p><p>　　降壓調速可以得到較大的調速范圍，只要電源電壓連續(xù)可調，就可實現(xiàn)轉速的平滑調節(jié)，即無級調速。</p>

38、<p>　　這種系統(tǒng)性能較為優(yōu)越，但設備總投資大大增加。</p><p><b>　?。?）弱磁調速</b></p><p>　　弱磁調速的原理可由圖2.4來說明。</p><p>　　設電動機帶恒轉矩負載（ ），運行于固有特性上的A點，轉速為 ，弱磁并達到新的穩(wěn)態(tài)后，電動機的轉速將提高為 。達到新的穩(wěn)態(tài)后，因負載轉矩不變，故電磁

39、轉矩亦不變，磁通減小，故 需增大。</p><p>　　n= （2.6）</p><p>　　式（2.6）中，分子因 增大而減小，分母因 減小而減小，n到底是增大還是減小，取決于分子、分母減小的相對程度，一般電機中 僅占電壓U一個很小的比例，所以分子減小相對較小，而分母減小的比例等于磁通減小的比例，故一般弱磁用于升速。</p&

40、gt;<p>　　忽略勵磁電流和電樞電流的過渡過程，對弱磁升速過程簡單分析如下：</p><p>　　弱磁后，機械特性變?yōu)橹本€BC，轉速不能突變，電動機的運行點由A點變?yōu)镃點，因磁通減小，故反電動勢減小，導致電樞電流增大。盡管磁通減小，但電樞電流增加很多，使電磁轉矩大于負載轉矩，電動機將加速，隨著n增加， 將減小，但在到達B點以前，應有T ，故電動機將在特性BC上沿箭頭方向由C點一直加速到新的穩(wěn)態(tài)運

41、行點B點。</p><p>　　弱磁調速是在勵磁電路中實現(xiàn)調節(jié)，較為方便，但調速范圍一般較小。一般在額定轉速 以下用降壓調速，而在 以上用弱磁調速。</p><p>　　串電阻調速在空載或輕載時，調速范圍很小，調速效果不明顯；而在低速時，特性變軟，轉速相對穩(wěn)定性較差，這種調速方法只能實現(xiàn)有級調速，調速的平滑性較差。弱磁調速的調速范圍也比較小。因此，本文采用降電壓調速，此方法可以得到較大的調

42、速范圍，只要電源電壓連續(xù)可調，就可實現(xiàn)轉速的平滑調節(jié)，即無級調速。</p><p>　　3 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)</p><p>　　3.1 V-M系統(tǒng)簡介</p><p>　　由晶閘管變流裝置直接給直流電動機供電的調速系統(tǒng)，稱為晶閘管-電動機直流調速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)。其原理圖如圖3.1所示。圖中VT是晶閘管變流裝置，可以是單向、三相或者更多相數(shù)，半波、全波、

43、半控、全控等類型，通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓 來移動觸發(fā)脈沖的相位，以改變整流電壓 ，從而實現(xiàn)平滑調速。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓的平均值是晶閘管整流器的主要特點，而且該系統(tǒng)具有調速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好、效率高、易控制等優(yōu)點，因此，在工業(yè)上得到普遍應用。</p><p>　　但是晶閘管還存在以下問題：</p><p>　　1）晶閘管的單向導電性給系統(tǒng)的可逆運行帶來一些困難；&l

44、t;/p><p>　　2）晶閘管的過載能力小，要限制過電流和反向過電壓，以及電壓變化（ / ）和電流變化率（ / ），因此必須要有可靠的保護裝置和散熱條件；</p><p>　　3）整流電路的脈波數(shù)是有限的，比直流電機每對級下?lián)Q向片的數(shù)目要少的多，因此除非主電路電感L= ，否則V-M系統(tǒng)的電流脈動總比G-M系統(tǒng)更為嚴重。脈動電流產生脈動的轉矩，對生產機械不利。</p><p

45、>　　4）脈動電流造成較大的諧波分量，流入電網后對電網不利，同時也增加了電機發(fā)熱。</p><p>　　3.2 三相橋式全控整流電路</p><p>　　目前在各種整流電路中，應用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理圖如圖3.2所示，習慣將其中陰極連接在一起的3個晶閘管（ 、 ）稱為共陰極組；陽極連接在一起的3個晶閘管（ ）稱為共陽極組。此外，習慣上希望晶閘管按從1至6的順序導

46、通，為此將晶閘管按圖示的順序編號，即共陰極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為 ，共陽極組中與a、b、c三相電源相接的3個晶閘管分別為 。這樣晶閘管就按照1到6的順序導通了。</p><p>　　下面簡單介紹一下其工作原理：</p><p>　　6個晶閘管的脈沖按1到6個順序，相位依次相差60°；共陰極的組的3個晶閘管脈沖依次相差120°，共陽極組的3個晶閘管

47、脈沖也依次相差120°；同一相的上下兩個橋壁的晶閘管脈沖相差180°。每個時刻均需2個晶閘管同時導通，形成向負載供電的回路，一個晶閘管是共陽極組的，一個是共陰極組的，且兩個晶閘管不在同一相。采用雙脈沖觸發(fā)，兩個脈沖前沿相差60°，脈寬一般為20°-30°。當給定某一觸發(fā)角時，共陰極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的相電壓與共陽極組中處于通態(tài)的晶閘管對應的相電壓之差，即為輸出整流電壓，這樣通過改變

48、觸發(fā)角的大小，就可以改變輸出整流電壓了。</p><p>　　當 60°時的整流電壓平均值為：</p><p>　　= =2.34 （3.1）</p><p>　　當60°﹤ ＜90°時的電壓平均值為：</p><p>　　= =2.34 [1+ ] （3

49、.2）</p><p>　　3.3 閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成和靜特性</p><p>　　要維持電動機的轉速穩(wěn)定，可引入該物理量的反饋量，構成反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。常用的反饋系統(tǒng)有轉速反饋、電壓反饋和電流反饋系統(tǒng)，本文采用轉速反饋。</p><p>　　在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調量—轉速成正比的負反饋電壓 ，與轉速給定電壓 相比較后，得到偏差電壓 ，

50、經過放大器A，產生觸發(fā)裝置GT的控制電壓 ，用以控制電動機轉速。</p><p>　　其原理圖如圖3.3所示。只要轉速出現(xiàn)偏差，該系統(tǒng)就會自動產生糾正偏差的作用。轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，該系統(tǒng)可大大減少轉速降落。</p><p>　　下面分析這個閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：</p><p>　?。?）忽略各種非線性因素，假

51、定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系都是線性的；</p><p>　　（2） 假定只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段;</p><p>　?。?） 忽略直流電源和電位器的內阻。</p><p>　　各環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)關系如下：</p><p>　　電壓比較環(huán)節(jié)： （3.3）&

52、lt;/p><p>　　放大器： （3.4）</p><p>　　V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性： （3.5）</p><p>　　晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：

53、 （3.6）</p><p>　　測速發(fā)電機： （3.7）</p><p><b>　　以上各關系式中</b></p><p>　　—放大器的電壓放大系數(shù)：</p><p>　　—晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的

54、電壓放大系數(shù)；</p><p>　　—測速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r；</p><p>　　整理上述五個式子，得到轉速負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性方程式</p><p><b>　　（3.8）</b></p><p>　　式（3.8）中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，此處以作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。</p>&l

55、t;p>　　閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（或轉矩）的穩(wěn)態(tài)關系，其穩(wěn)態(tài)結構圖如圖3.4所示。</p><p>　　3.4 反饋控制規(guī)律</p><p>　　從上面分析可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，K越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調速范圍越廣。總之K越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設置的放大器僅僅是一個比例

56、放大器，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，但不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　只有K=∞才能使 ，而這是不可能的。</p><p><b>　　3.5 主要部件</b></p><p>　　3.5.1 比例放大器</p>&l

57、t;p>　　運算放大器用作比例放大器（也稱比例調節(jié)器、P調節(jié)器），如圖3.5，為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調電流的影響，放大系數(shù)為</p><p><b>　　（3.10）</b></p><p>　　圖3.5 P調節(jié)器原理圖 圖3.6 P調節(jié)器輸出特性</p>&l

58、t;p>　　3.5.2 比例積分放大器</p><p>　　在定性分析控制系統(tǒng)的性能時，通常將伯德圖分成高、中、低三個頻段，頻段的界限是大致的。圖6為一種典型伯德圖的對數(shù)幅頻特性。</p><p>　　一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，對快速性要求不高，所以常用PI調節(jié)器。采用運算放大器的PI調節(jié)器如圖3.8。</p><p>　　圖3.7 典型控制系統(tǒng)的伯德

59、圖 圖3.8 比例積分（PI）調節(jié)器</p><p>　　PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　——PI調節(jié)器比例放大部分的放大系統(tǒng)；</p><p>　　——PI調節(jié)器的積分時間常數(shù)。</p><p>　　式（3

60、.11）的傳遞函數(shù)也可以寫成如下的形式</p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式（3.12）中 —PI調節(jié)器的超前時間常數(shù)。</p><p>　　反映系統(tǒng)性能的伯德圖特征有以下四個方面：a.中頻段以 -20dB/dec的斜率穿越零分貝線，而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好；b.截止頻率越高，則系統(tǒng)的

61、快速性越好；c.頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度好（即靜差率小，調速范圍寬）；d.頻段衰減得越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲的能力越強。</p><p>　　用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標是相角裕度γ和以分貝表示的幅值裕度Lg。穩(wěn)定裕度能間接的反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大意味著振蕩弱、超調小。</p><p>　　在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調節(jié)器輸出

62、電壓的時間特性如圖3.9：</p><p>　　圖3.9 階躍輸入時PI調節(jié)器的輸出特性 圖3.10 PI校正裝置在原始系統(tǒng)上 </p><p>　　添加部分的對數(shù)幅頻特性 </p><p>　　將P調節(jié)器換成PI調節(jié)器，在原始系統(tǒng)上新添加部分的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?.13）<

63、;/b></p><p>　　其對數(shù)幅頻特性如圖3.10所示。</p><p>　　由圖3.9可以看出比例積分的物理意義。在突加輸入電壓時，輸出電壓突跳到，以保證一定的快速控制作用。但是小于穩(wěn)態(tài)性能指標所要求的比例放大系數(shù)的，因為快速性被壓低了，換來穩(wěn)定性的保證。</p><p>　　作為控制器，比例積分調節(jié)器兼顧了快速響應和消除靜差兩方面的要求；作為校正裝置

64、，它又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p><b>　　3.6 穩(wěn)定條件</b></p><p>　　反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的特征方程為</p><p><b>　　（3.14）</b></p><p><b>　　穩(wěn)定條件為</b></p><p>&

65、lt;b>　　（3.15）</b></p><p><b>　　整理后得</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　式（3.16）中右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系統(tǒng)，K值超出此值，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。根據(jù)上面的分析可知，可能出現(xiàn)系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)都比系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的比放大系數(shù)小，不能同

66、時滿足穩(wěn)態(tài)性能指標，又保證穩(wěn)定和穩(wěn)定裕度。為此必須再設計合適的校正裝置，以改造系統(tǒng)，才能達到要求。</p><p>　　3.7 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差分析</p><p>　　3.7.1 比例控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　采用比例調節(jié)器的閉環(huán)控制有靜差調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖3.11。當 時，只擾動輸入量 ，這時的輸出量即為負載擾動引起的轉速偏差Δn，可將動態(tài)

67、結構圖改畫的形式如圖3.12。</p><p>　　圖3.11采用比例調節(jié)器的閉環(huán)有靜差 圖3.12 給定為0時采用比例調節(jié)器的</p><p>　　調速系統(tǒng)結構圖的一般情況 閉環(huán)有靜差調速系統(tǒng)結構圖</p><p>　　負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差：</p><p><b>　?。?.

68、17）</b></p><p>　　這和靜特性分析的結果是完全一致的。</p><p>　　3.7.2 積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　將圖3.12比例調節(jié)器換成積分調節(jié)器如圖3.13</p><p><b>　　突加負載時 ，于是</b></p><p><b&

69、gt;　?。?.18）</b></p><p>　　負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速差為</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p>　　可見，積分控制的調速系統(tǒng)是無靜差的。</p><p>　　3.7.3 比例積分控制時的穩(wěn)態(tài)抗擾誤差</p><p>　　用比例積分調節(jié)器

70、控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖3.14。</p><p>　　圖3.13 給定為0時采用積分調節(jié)器圖 圖3.14 給定為0時采用比例積分調節(jié)器</p><p>　　的閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖 的閉環(huán)調速系統(tǒng)工程結構圖</p><p><b>　　則穩(wěn)態(tài)速差為</b></p><p>

71、<b>　?。?.20）</b></p><p>　　因此，比例積分控制的系統(tǒng)也是無靜差調速系統(tǒng)。</p><p>　　3.7.4 穩(wěn)態(tài)抗擾誤差與系統(tǒng)結構的關系</p><p>　　上述分析表明，就穩(wěn)態(tài)抗擾性能來說，比例控制系統(tǒng)是有靜差的，而積分控制和比例積分控制系統(tǒng)都沒有靜差。顯然，只要調節(jié)器中有積分成份，系統(tǒng)就是無靜差的。只要在控制系統(tǒng)的

72、前向通道上在擾動作用點以前含有積分環(huán)節(jié)，則外擾動便不會引起穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　4 電路設計和仿真</p><p>　　該系統(tǒng)的控制對象是直流電動機M，被控量是電動機的轉速n，晶閘管觸發(fā)及整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，和晶閘管同步脈沖觸發(fā)電路，用來調節(jié)晶閘管的控制角。測速模塊把測得的轉速反饋到輸入中。</p><p><b>　　4.1 電路

73、原理</b></p><p>　　選用轉速為反饋量，采用變電壓調節(jié)方式，設計單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，其原理圖如圖4.1所示，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對直流電機的無級平滑調速。</p><p>　　該系統(tǒng)由整流變壓器、平波電抗器、晶閘管整流調速裝置、電動機-發(fā)電機和測速反饋組組成。圖中將反映轉速變化的電壓信號作為反饋信號，經速度變化后接到電流調節(jié)器的輸入端，與給定的電壓相比較，經放大后，得到移相

74、控制電壓 ，用其作為控制整流橋的觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖經功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變三相全控整流的輸出電壓，這就構成了速度負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng) 。電動機的轉速隨給定電壓變化，電動機最高轉速由電流調節(jié)器的輸出限幅所決定，電流調節(jié)器采用比例（P）調節(jié)，對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，想要消除上述誤差，須將調節(jié)器換成比例積分（PI）調節(jié)。這時當給定電壓恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)起到了抑制所用，當電動機負載或電源電壓波動時，電動機的轉速穩(wěn)定在一定的范圍之中。

75、</p><p>　　4.2 參數(shù)設計及MATLAB仿真</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)仿真圖</p><p>　　應用MATLAB仿真工具對圖4.1所示單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行仿真，其仿真圖見附錄1。</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)的建模和參數(shù)設置</p><p>　　（1）觸發(fā)電路的建模和參數(shù)設置&

76、lt;/p><p>　　1）六脈沖同步觸發(fā)器模型：SimPowerSystems—Extra library—Control blocks,其參數(shù)為：同步電壓的頻率/Hz欄為50，脈沖寬度/degree欄為1，采用雙脈沖觸發(fā)方式，其參數(shù)設置如圖4.3所示。</p><p>　　2）三相線電壓模型：SimPowerSystems-Measurements—Voltage Measurement

77、，分別命名為Vab、Vbc、Vca。</p><p>　　3）三個連接端口：SinPowerSystems—Elements—Connection Port,分別命名為Ua、Ub、Uc。</p><p>　　4）兩個輸入模塊：Simulink—Sources—In1，分別命名為Uct、In2，Uct端口數(shù)設為5，In2端口數(shù)設為4。</p><p>　　5）一個輸出

78、模塊：Simulink—Sinks—Out1。</p><p>　　圖4.3 六脈沖同步觸發(fā)器的參數(shù)設置</p><p>　　找到各元件，按圖4.2所示連線，注意Vab、Vbc、Vca是呈三角形連接的。</p><p>　　接好連線后，按Ctrl+A全選，點擊Edit—Create Subsystem，對6脈沖同步觸發(fā)器進行子系統(tǒng)封裝。封裝后如圖4.4所示。<

79、/p><p>　?。?）主電路的建模和參數(shù)設置</p><p>　　新建一個模型文件，將觸發(fā)電路子系統(tǒng)復制到新文件中。</p><p>　　1）三個交流電壓源模塊：PowerSystems—Electrical Sources—AC Voltage Source,分別命名為Va、Vb、Vc,參數(shù)設置為：Peak amplitude欄為220，F(xiàn)requency欄為50，

80、Phase欄分別為0、120、240。</p><p>　　圖4.4 三相交流電壓源參數(shù)設置</p><p>　　2）一個接地模塊：SinPowerSystems—Elements—Ground。</p><p>　　3）晶閘管整流橋和二極管：SinPowerSystems—Power Electronics—Universal Bridge。</p>

81、<p>　　參數(shù)設置如圖4.5,4.6所示：</p><p>　　圖4.5 三極管參數(shù)設置</p><p>　　圖4.6 二極管參數(shù)設置</p><p>　　4）勵磁電源：SinPowerSystems—Electrical Sources—DC Voltage Sources，電壓設為220V。</p><p>　　5）平波電抗

82、器：SinPowerSystems—Elements—Series RLC Branch。</p><p>　　參數(shù)設置如圖4.7所示：</p><p>　　圖4.7 平波電抗器參數(shù)設置</p><p>　　6）直流電動機：SinPowerSystems—Machines—DC Machine。</p><p>　　參數(shù)設置如圖4.8所示：&

83、lt;/p><p>　　圖4.8 直流電動機參數(shù)設置</p><p>　　7）四個常數(shù)模塊：Simulink—Sources—Constant，Constant Value分別設為120、-180、50、0。</p><p>　　8）一個連接器：Simulink—Signal Routing—Demux，設為4個輸出。</p><p>　　9）一

84、個示波器：Simulink—Sinks—Scope。</p><p>　　示波器參數(shù)設置如圖4.9所示：</p><p>　　圖4.9 示波器參數(shù)設置</p><p>　　10）兩個加法連接器：Simulink—Math Operations—Sum，List of signs欄分別設置為：|+-和|++。</p><p>　　參數(shù)設置如圖4

85、.10所示：</p><p>　　圖4.10 加法連接器參數(shù)設置</p><p>　　11）兩個比例環(huán)節(jié)：Simulink—Math Operations—Gain，其Gain欄參數(shù)設置如圖4.11所示:</p><p>　　圖4.11 比例環(huán)節(jié)參數(shù)設置</p><p>　　12）一個限幅器：Simulink—Commonly Used Bl

86、ocks—Saturation,其參數(shù)設置如圖4.12所示：</p><p>　　圖4.12 限幅器參數(shù)設置</p><p>　　找出上述所有元件后，就可以按照圖4.1所示進行連線了。</p><p>　　值得注意的是：直流電動機本身帶一個反電動勢E，如果不考慮電動機的電樞電感，只有當晶閘管導通相的變壓器二次側電壓瞬時值大于反電動勢時才有電流流出，容易造成負載電流的

87、斷續(xù)，為此，通常在主電路直流輸出側串聯(lián)一個平波電抗器 ，用來減少電流的脈動和延長晶閘管的導通時間。另外，整流橋后面并聯(lián)一個二極管，可以加快電動機的減速過程，同時避免在整流橋輸出端出現(xiàn)負電壓而使波形畸變。</p><p>　　將元件連接好后，設置系統(tǒng)的仿真參數(shù)，點擊菜單欄的Simulation中的Configuration Parameters彈出參數(shù)設置窗口，其參數(shù)設置如圖4.13所示:</p>&

88、lt;p>　　圖4.13 系統(tǒng)仿真參數(shù)設置</p><p>　　4.2.3 仿真結果</p><p>　　點擊運行，查看示波器，波形如圖4.14所示：</p><p>　　圖4.14 仿真波形圖</p><p>　　圖4.14表示轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩仿真波形，其中橫坐標表示時間/s，縱坐標分別表示r/min、A、A和Nm

89、，通過分析可知，該仿真結果與實際運行結果是相似的，說明系統(tǒng)的建模和仿真是成功的。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　本設計為單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，通過分析直流電動機的運行特點、調速方式和穩(wěn)態(tài)性能等，選定轉速為反饋量，采用變電壓調速方式，設計單閉環(huán)轉速負反饋直流調速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真工具對其進行仿真。</p><

90、p>　　通過調試和仿真，該系統(tǒng)可很好的實現(xiàn)直流電機的調速，轉速具有一定的穩(wěn)定性，并且當電源電壓和電動機負載變換時，轉速可穩(wěn)定在一定的范圍內。</p><p>　　當然，系統(tǒng)也存在一些不足，由于電流調節(jié)器采用的比例調節(jié)，系統(tǒng)是有靜差的，對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，可以將比例調節(jié)器換成比例積分調節(jié)器，可消除靜差，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于采用的單閉環(huán)控制，各參數(shù)相互影響，用一個調節(jié)器難以進行調節(jié)器動

91、態(tài)參數(shù)的調整，系統(tǒng)的動態(tài)性能較差，為了獲得更好的動態(tài)性能，可用兩個調節(jié)器分別調節(jié)轉速和電流，構成轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，系統(tǒng)的波形更接近于實際運行波形。</p><p>　　另外，系統(tǒng)是不可逆的，所以電動機的機械特性不能再四象限中實現(xiàn)。電動機從一三象限轉到二四象限時，電動機轉入發(fā)電制動狀態(tài)，由于沒有逆變電路，電能就不能回饋到電網中，這樣就造成了電能的浪費，而直流電機的可逆拖動系統(tǒng)就能解決這種問題。 <

92、/p><p>　　通過本次設計，我對所學的課程又有了更深的了解和認識，尤其是電力電子和電力拖動兩門課程，彌補了我以前學習的不足，并學會了使用MATLAB這一功能強大的軟件，為我以后的學習和發(fā)展奠定了良好的基礎。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　四年的大學生活即將結束，為其一個學期的畢業(yè)設計也接近了尾聲。此次畢業(yè)設計

93、凝聚了許多人的關懷與幫助。</p><p>　　首先我要感謝我的導師xx老師，在本次的設計中，閆老師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍一遍指出稿中的問題，嚴格把關，細心教導，為此我表示衷心的感謝。她嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；她循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。</p><p>　　我還要感謝我的老師們，在四年的大學生活里教會我許多

94、東西，而且在完成論文期間給予我許多幫助和建議，他們兢兢業(yè)業(yè)，對工作認真負責的態(tài)度為我做出了好的表率，時刻鞭策著我向他們學習。</p><p>　　同時也非常感謝我的同學們，在與他們共同的學習、工作、生活中，給予我很大的幫助和建議，開拓的我的思路。我對他們致以真誠的謝意和衷心的祝福！</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p&

95、gt;　　1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).第二版.北京：機械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　2 魏炳貴.電力拖動基礎.北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　3 王忠禮，段惠達，高玉峰.MATLAB應用技術.北京：清華大學出版社，2007</p><p>　　4 湯蘊謬，羅應立，梁艷萍.電機學.第三版.北京：機械工業(yè)出版社，2008&

96、lt;/p><p>　　5 IEEE Control Systems Magazine.美國：IEEE Inc.2006</p><p>　　6 林瑞光.電機與拖動基礎.杭州：浙江大學出版社，2007</p><p>　　7 王兆安，黃俊.電力電子技術.第四版.北京：機械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　8 （美）卡西.電機原理與

97、設計的MATLAB分析.北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　9 王忠禮，段惠達，高玉峰.MATLAB應用技術.北京：清華大學出版社，2007</p><p>　　10 Trzynadlowski,A.M.The Field Orientation Principle in Control of Induction Motors.Kluwer,1994</p>

98、<p>　　11 馮信康，楊興瑤.電力傳動控制原理與應用.北京：水利水電出版社，1985</p><p>　　12 周德澤.電氣傳動控制系統(tǒng)的設計.北京：機械工業(yè)出版社，1989</p><p>　　13 李華德.電力拖動控制系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社，2006</p><p>　　14 李維波，MATLAB在電氣工程中的應用.北京：中國電力出