1  绪论

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切割机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中 得到了广泛的使用。近年来直流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该很好的掌握直流系统。我们可以首先从单闭环转速负反馈直流调速系统来研究。由于系统需要观察较多的性能，计算参数较多，而MATLAB中的Simulink实用工具可直接构建其动态模型，省去大量的计算，通过修改动态模型可完善系统性能。

1.1  直流调速系统概述

从生产机械要求控制的物理量来看，电力传动自动控制系统有调速系统、位置伺服系统、张力控制系统等其他多种类型，各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的驱动控制系统。调速系统目前分为交流和直流调速控制系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好并且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。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上更加成熟。

直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的自动控制系统。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以转换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，建筑、办公、家庭自动化控制设备提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，因此，人类社会的生产、生活发生了巨大变化。随着新型电力电子器件的研究和开发，先进控制技术的发展，电力电子和电力传动控制装置的性能也不断优化和提高，这一变化的影响将越来越大。

单闭环直流电机调速系统在现代日常生活中的使用越来越广泛，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、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机、闭环控制系统组成。我们可以通过调节晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。

1.2  MATLAB简介

在1980年前后，美国的克利夫博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时，发现使用其它高级语言编程非常不方便，他们构思和开发了Matlab（MATrix LABoratory，即矩阵实验室），它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在该大学进行了几年的试用之后，于1984年推出了该软件的正式版本，它使的矩阵的运算变得异常容易。

MATLABSGI是由美国MathWorks公司开发的大型软件。在MATLAB软件中，包括了两个主要部分：数学计算和工程仿真。其数学计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功能。1998年，MATLAB增加了电力系统模块库，该模块库以Simulink为运行环境，是建立在Simulink标准模块和M语言基础上的一个附加模型库，它提供为电力系统仿真分析专用的各种线性和非线性元件和模块。尤其是在MATLAB6.X之后的版本中，SimPowerSystems的元件库进行了扩种，用户可以在库中找到例如IGBT、MOSFET、GTO等几乎所有常用的新型电力电子器件模型，给使用带来极大的方便。

可视化图形仿真功能实在SIMULINK环境下进行的。进入MATLAB系统后打开浏览窗口到模块库，用鼠标左键双击其中的SimPowerSystems即可弹出电力系统工具箱模块库。它主要包含以下几类：电源库、元件库、机组模型、电力电子元件库、测量元件、连接元件、其他元件、电力图形用户界面、演示系统等，基本涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型，其元件和模块是由电力工业领域的专家提供并得到实际证明的，符合电力专业分析软件的要求。这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。利用这些模块及其他库模块，用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行分析。

直流电动机具有调速性能好，起动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有及其重要的地位。随着电力技术的发展，特别是在大功率电力电子器件问世以后，直流电动机拖动将有逐步被交流电动机拖动所取代的趋势，但在中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单。特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度、电流双闭调速系统。直流调速系统的设计要完成开环调速、单闭环调速、双闭环调速等过程，需要观察比较多的性能，再加上计算参数较多，往往难以如意。如在设计过程中使用Matlab中的SimuLink实用工具来辅助设计，由于它可以构建被控系统的动态模型，直观迅速观察各点波形，因此调速系统性能的完善可以通过反复修改其动态模型来完成，而不必对实物模型进行反复拆装调试。本文运用MATLAB中的SimuLink实用工具对设计电路进行了仿真。

2  直流电动机的降压调速

2.1 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。

2.2  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2.1给出了这四种励磁方式的电路图。

图2.1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

2.3  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

 （2.1）

式（2.1）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。

2.4  直流电动机的降压调速

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：

 （2.5）

式（2.5）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。

降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可实现转速的平滑调节，即无级调速。这种系统性能较为优越，但设备总投资大大增加。

串电阻调速在空载或轻载时，调速范围很小，调速效果不明显；而在低速时，特性变软，转速相对稳定性较差，这种调速方法只能实现有级调速，调速的平滑性较差。弱磁调速的调速范围也比较小。因此，本文采用降电压调速，此方法可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可实现转速的平滑调节，即无级调速。

3  单闭环直流调速系统

3.1  V-M系统简介

由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统。其原理图如图3.1所示。图中VT是晶闸管变流装置，可以是单向、三相或者更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压，从而实现平滑调速。用触发脉冲的相位控制整流电压的平均值是晶闸管整流器的主要特点，而且该系统具有调速范围广、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，因此，在工业上得到普遍使用。

图3.1 V-M系统

但是晶闸管还存在以下问题：

1）晶闸管的单向导电性给系统的可逆运行带来一些困难；

2）晶闸管的过载能力小，要过电流和反向过电压，以及电压变化（/）和电流变化率（/），因此必须要有可靠的保护装置和散热条件；

3）整流电路的脉波数是有限的，比直流电机每对级下换向片的数目要少的多，因此除非主电路电感L=，否则V-M系统的电流脉动总比G-M系统更为严重。脉动电流产生脉动的转矩，对生产机械不利。

4）脉动电流造成较大的谐波分量，流入电网后对电网不利，同时也增加了电机发热。

3.2  三相桥式全控整流电路

目前在各种整流电路中，使用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图3.2所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管（、）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（）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，即共阴极组中和a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为，共阳极组中和a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为。这样晶闸管就按照1到6的顺序导通了。

图3.2三相桥式全控整流电路原理图

下面简单介绍一下其工作原理：

6个晶闸管的脉冲按1到6个顺序，相位依次相差60°；共阴极的组的3个晶闸管脉冲依次相差120°，共阳极组的3个晶闸管脉冲也依次相差120°；同一相的上下两个桥壁的晶闸管脉冲相差180°。每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，一个晶闸管是共阳极组的，一个是共阴极组的，且两个晶闸管不在同一相。采用双脉冲触发，两个脉冲前沿相差60°，脉宽一般为20°-30°。当给定某一触发角时，共阴极组中处于通态的晶闸管对应的相电压和共阳极组中处于通态的晶闸管对应的相电压之差，即为输出整流电压，这样通过改变触发角的大小，就可以改变输出整流电压了。

当60°时的整流电压平均值为：

 ==2.34 （3.1）

当60°﹤＜90°时的电压平均值为：

 = =2.34[1+]   （3.2）

3.3  闭环调速系统的组成

要维持电动机的转速稳定，可引入该物理量的反馈量，构成反馈闭环控制系统。常用的反馈系统有转速反馈、电压反馈和电流反馈系统，本文采用转速反馈。

图3.3采用转速负反馈的闭环调速系统

在电动机轴上安装一台测速发电机TG，从而引出和被调量—转速成正比的负反馈电压，和转速给定电压相比较后，得到偏差电压，经过放大器A，产生触发装置GT的控制电压，用以控制电动机转速。

其原理图如图3.3所示。只要转速出现偏差，该系统就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，该系统可大大减少转速降落。

就稳态抗扰性能来说，比例控制系统是有静差的，而积分控制和比例积分控制系统都没有静差。显然，只要调节器中有积分成份，系统就是无静差的。只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，则外扰动便不会引起稳态误差。

4  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

选用转速为反馈量，采用变电压调节方式，设计单闭环直流调速系统，其原理图如图4.1所示，该系统可实现对直流电机的无级平滑调速。

图4.1 单闭环转速负反馈直流调速系统原理图

图4-1 单闭环转速负反馈直流调速系统原理图

该系统由整流变压器、平波电抗器、晶闸管整流调速装置、电动机-发电机和测速反馈组组成。图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经速度变化后接到电流调节器的输入端，和给定的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压，用其作为控制整流桥的触发电路，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系统。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，想要消除上述误差，须将调节器换成比例积分（PI）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  系统的建模和参数设置

（1）触发电路的建模和参数设置

图4.2 同步电源和6脉冲触发器

1）六脉冲同步触发器其参数为：同步电压的频率/Hz栏为50，脉冲宽度/degree栏为1，采用双脉冲触发方式，其参数设置如图4.3所示。

2）三相线电压模型：SimPowerSystems-Measurements—Voltage Measurement，分别命名为Vab、Vbc、Vca。

3）三个连接端口：SinPowerSystems—Elements—Connection Port,分别命名为Ua、Ub、Uc。

4）两个输入模块：Simulink—Sources—In1，分别命名为Uct、In2，Uct端口数设为5，In2端口数设为4。

5）一个输出模块：Simulink—Sinks—Out1。

图4.3 六脉冲同步触发器的参数设置

找到各元件，按图4.2所示连线，注意Vab、Vbc、Vca是呈三角形连接的。

接好连线后，按Ctrl+A全选，点击Edit—Create Subsystem，对6脉冲同步触发器进行子系统封装。封装后如图4.4所示。

图4.4 六脉冲触发封装子系统

（2）主电路的建模和参数设置

新建一个模型文件，将触发电路子系统复制到新文件中。

1）三个交流电压源模块：PowerSystems—Electrical Sources—AC Voltage Source,分别命名为Va、Vb、Vc,参数设置为：Peak amplitude栏为220，Frequency栏为50，Phase栏分别为0、120、240。

2）一个接地模块：SinPowerSystems—Elements—Ground。

3）晶闸管整流桥和二极管：SinPowerSystems—Power Electronics—Universal Bridge。

参数设置如图4.4,4.5所示：

图4.5 三极管参数设置

图4.6 二极管参数设置

4）励磁电源：SinPowerSystems—Electrical Sources—DC Voltage Sources，电压设为220V。

5）平波电抗器：SinPowerSystems—Elements—Series RLC Branch。

参数设置如图4.6所示：

图4.6 平波电抗器参数设置

6）直流电动机：SinPowerSystems—Machines—DC Machine。

参数设置如图4.7所示：

图4.7 直流电动机参数设置

7）四个常数模块：Simulink—Sources—Constant，Constant Value分别设为120、-180、50、0。

8）一个连接器：Simulink—Signal Routing—Demux，设为4个输出。

9）一个示波器：Simulink—Sinks—Scope。

示波器参数设置如图4.8所示：

图4.8 示波器参数设置

10）两个加法连接器：Simulink—Math Operations—Sum，List of signs栏分别设置为：|+-和|++。

11）两个比例环节：Simulink—Math Operations—Gain，其Gain栏参数设置为-1和10。

12）一个限幅器：Simulink—Commonly Used Blocks—Saturation,其参数设置如图4.9所示：

图4.9 限幅器参数设置

找出上述所有元件后，就可以按照图4.1所示进行连线了。

值得注意的是：直流电动机本身带一个反电动势E，如果不考虑电动机的电枢电感，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流出，容易造成负载电流的断续，为此，通常在主电路直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管的导通时间。另外，整流桥后面并联一个二极管，可以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。

将元件连接好后，设置系统的仿真参数，点击菜单栏的Simulation中的Configuration Parameters弹出参数设置窗口，其Solver参数设置如图4.10所示:

图4.10 系统仿真参数设置

4.3  仿真结果

点击运行，查看示波器，波形如图4.11所示：

图4.11 仿真波形图

图4.11表示转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩仿真波形，其中横坐标表示时间/s，纵坐标分别表示r/min、A、A和Nm，通过分析可知，转速稳定120r/min，电磁转矩稳定在50Nm，该仿真结果和实际运行结果是相似的，说明系统的建模和仿真是成功的。

结  论

本设计通过分析直流电动机的运行特点、调速方式等，选定转速为反馈量，采用变电压调速方式，设计单闭环转速负反馈直流调速系统，并用MATLAB仿真工具对其进行仿真。

通过仿真，该系统可很好的实现直流电机的调速，转速具有一定的稳定性，并且当电源电压和电动机负载变换时，转速可稳定在一定的范围内。

另外，系统是不可逆的，所以电动机的机械特性不能再四象限中实现。电动机从一三象限转到二四象限时，电动机转入发电制动状态，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。 

通过本次设计，我们对所学的课程又有了更深的了解和认识，尤其是电力电子和电力拖动两门课程，并学会了使用MATLAB这一功能强大的软件，为我们以后的学习和发展奠定了良好的基础。

小组分工：

         李巍：仿真图形制

         杨杰：论文排版和整理

         朱升帆：仿真图形调试 

         朱伟洪：资料收集和分析

参 考 文 献

1  胡虔生.电机学.第二版.中国电力出版社，2009

2  王兆安.电力电子技术.第四版.北京：机械工业出版社，2009

3  电路和系统分析—使用MATLAB.赵录怀.北京：高等教育出版社，2004

4  MATLAB使用技术. 王忠礼. 清华大学出版社,2007

附录 

单闭环转速负反馈直流调速系统仿真原理图：下载本文