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直流电机调速的 MATLAB 仿真
一.直流调速系统组成简介
直流调速主要有三种方法:改变电枢电阻调速法、减弱磁通调速
法以及调节电枢电压调速法。调节电枢电压调速法所得到的人为机械
特性、转速的稳定性好,能在基速以下实现平滑调速。所以直流调速
系统往往以调压调速为主,只有当转速大于额定转速时才辅以弱磁调
速 1。
目前,直流调速系统可分为两大类,一种是相控整流器—电动机
系统,此系统的直流电压源为相控整流器,它把交流电直接转换为可
控的直流电源;另一种是直流脉宽变换器,它先把交流电变换成不可
控的直流电,然后再用 PWM 方式输出直流电压。
本次直流调速仿真采用相控整流器—电动机系统。系统的电气模
型如下图所示:
图 1 直流调速系统大致结构
这是控整流器—电动机系统比较简单的控制原理图,但却包含了
系统的大致组成部分:控制部分、可调直流电源部分、直流电动机。
由于仿真采用 SIMULINK 中的传递函数来模拟直流电动机的调速,所
以需要算出各个模块的模型,即传递函数,最后将各个模块连接在一

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起,组成动态结构图以便仿真。
1. 晶闸管触发电路和相控整流器数学模型
相控整流器在系统中充当着电压源的角色,可以通过调节触发装
置的的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位,改变整流器平均输出直
流平均电压 Ud,从而实现直流电动机的平滑调速。理想的状况是 Ud
和 Uc 之间呈线性关系,即: Ud=Ks*Uc。Ks 称为相控整流器的放大
系数。但是晶闸管触发电路和相控整流器涉及到电子器件的特性,它
实际上是非线性的。在设计调速系统时,只能在一定的工作范围内近
似的看成是线性环节,并得到它的放大系数以及传递函数,用线性控
制理论分析整个调速系统。
放大系数 Ks 可以通过估算求出来,例如:控制电压 Uc 的范围
是 0—10V,对应的整流电压平均值为 0—300V,则可取 Ks=300/10=30.
由于晶闸管一旦导通,触发脉冲对其失去控制作用,只有等到
下一个自然换相点以后才能重新控制,所以晶闸管相控整流装置可以
看成是一个滞后环节。其滞后时间是一个随机量,它与相邻的两个触
发角度有关,滞后时间最大值为两个相邻自然换相点之间的时间间隔,
实际中可以取最大滞后时间的一半。此外,由于工程实际中很难得到
理想滞后环节,且滞后时间 Ts 很短,所以晶闸管相控整流装置可以
用一个一阶惯性环节来近似代替,其中时间常数为 Ts,增益为放大
系数 Ks。
2. 直流电动机动态模型
为了能够分析调速系统的稳定性以及动态性质,我们需要建立直

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流电动机的动态数学模型,在不考虑电动机的饱和、磁滞等因素时,
可以认为直流电机是一个线性系统,因而可以用线性微分方程来描述
它,再经过拉式变换就可以得到系统的传递函数了。现在设电机系统
的输入为直流电压,输出为转速,励磁为额定值,且电动机电流连续,
那么可以得到直流电动机通用动态结构图:
图 2. 直流电动机通用动态结构图
其中参数分别为:Ud0—整流器输出的平均电压,R—电枢电阻,T1—
电枢回路时间常数,Tm—机电时间常数, Idl—负载电流。从图中
可以看出,额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。
3.控制部分的数学模型
不管是转速单闭环调速系统还是转速电流双闭环调速系统,若要
实现转速稳态无误差,都需要采用 PI 调节器。在调速系统其他参数
已知的情况下,PI 调节器参数的设计成为整个系统设计的焦点。PI
参数的选择在后面结合具体实例确定。
二.直流调速系统设计举例
某相控整流器电动机直流调速系统的基本数据如下:
(1)直流电动机:U
n
=220V,I
n
=135A,n
N
=1460r/min
(2)电枢电路总电阻 R=0.5
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Dr_XUYUE
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