kw小容量直流电动机不可逆调速系统设计.doc

毕业设计论文论文题目： 2.2kw小容量直流电动机不可逆调速系统设计学号：21033239 姓 名：郜宝琦 系 部：电气工程系 专 业 名 称：机电一体化 指 导 教 师：庄丽 2012年12月24日I包头职业技术学院电气工程系机电一体化专业毕业设计论文包头职业技术学院电气工程系毕业设计任务书一题目： 2.2kw小容量直流电动机不可逆调速系统设计 二设计性能要求：1.调速范围10D15，静差率10s15，2.当负载确定时，系统能自动调节保证转速不能变3.能迅速制动 三设计任务： 1.设计合适的控制方案。 2.画出电路原理图 3.写出如何选择电路。 4.写出设计说明书，要求字迹工整，原理叙述正确。 5.列出元件明细表附在说明书的后面。前 言在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究的重要性。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成。最早调速系统是由交流电动机拖动直流发电机（G）给直流电动机（M）供电，通过调节发电机的励磁电流以改变其输出电压，达到直流电动机调速目的。这种调速系统简称G-M系统，但这种系统需要两台与直流电动机容量相当的电机，因此设备多，体积大，费用高，噪声大，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，维护不方便。阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广随着半导体技术的发展，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。更为经济可靠、性能优越的晶闸管变流器出现了，由晶闸管变流器（VT）向电动机（M）供电的系统简称V-M系统，相比之下VM系统在经济性、可靠性和技术性能上显示出较大的优越性。可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。本文首先明确了设计的任务和要求，在了解了单闭环直流调速系统的调速原理后，依次对调速系统中的主电路、触发电路、PI调节器、给定环节进行了设计，并且附有相关的原理图15目录1 系统整体方案的确定11.1调速系统的确定11.2系统的组成与选择21.2.1主电路及励磁绕组回路21.2.2触发电路41.2.3 PI调节器71.2.4给定环节91.2.5反馈环节102 系统工作原理102.1启动102.2调速102.3稳速（对负载扰动而言）102.4制动103 元气件明细表11结束语13致谢14参考文献15 1 系统整体方案的确定电动机是将电能转化为机械能的一种有利工具，根据电动机类型的不同，它可分为直流电动机和交流电动机。由于课题要求和技术参数的需要，所以我选择直流电动机作为拖动对象。 1.1调速系统的确定依生产机械要求的调速性能指标：10D15、10S15,负载容量为容量2.2KW13V。c最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。d输出反压：BVceol8V(测试条件：Ie=100A允许使用环境温度：-l070。KC05是16脚双列直插式集成电路，其结构如图2-2所示。可以分为同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲输出、失交保护等几个主要的环节。外电路提供15V的直流电压加于脚16与脚7之间，作为集成触发器的直流工作电源。图1.5 KC05的结构和工作原理同步检测是由KC05内部的整流桥VD1-VD4和V1、V2组成。脚15、脚16接交流电源同步变压器，再同步电压正负两个半周内绝大部分时间几乎都能使V1、V2处于完全导通状态，只有在电网电压在过零点附近，即小于3个PN结开启电压值之和时，V1、V2才截止，由此来控制锯齿波电压的形成，由于二极管的钳位作用，脚15、脚16之间的电压为正负间隔出现的近似梯形波电压，梯形波的幅值Vm=2Vd+Vbe1。如图2-3（a）所示锯齿波形成环节由V3、Vdz1、V5、V6和V5发射极脚4的外接电容C1构成。依靠电容C1的充放电作用在它两端产生锯齿波电压。同步电压过零时，V1、V2截止，V3、V5导通，向电容C1充电，由于充电时间常数很小，C1两端电压迅速充至Vdz1的稳压值8伏左右，作为锯齿波电压的峰值。同步电压过零之后，V1、V2导通，V3、V5截止，电容C1的电荷经V6恒流放电，形成锯齿波电压的下降沿，调节V6外接偏置电阻R1就能调整锯齿波电压的斜率。锯齿波电压波形如图2-3（c）所示。脉冲移向环节由V8、V9、V10、Vdz2、V11组成。V7、V8、V9为恒流源组成的差放电路，起到比较放大的作用。移相电压接至KC05的脚6，当线性下降的锯齿波电压大于移相电压时，V8导通，V9、V10、Vdz2、V11截止。当锯齿波电压小于移相电压时，V9、V10、Vdz2、V11导通，V11的导通经过脉冲形成环节产生脉冲输出。图1.6 KC05相关点波形脉冲形成环节由VD8、V12、V13、V14，脚13外接电容C2、脚10外接电阻R2组成。V11导通时调整偏置电阻R2使V12导通，与此同时，C2经VD8、V12充电，极性为左正右负。当V11导通时，电容C2上的电荷以反压的形式加于VD8与V12发射结两端，迫使V12截止。复合管V13、V14为输出驱动管，在V12截止期间，V13基极为高电平，通过外接驱动电路触发双向晶闸管。同时C2由15伏电源、R2、V11反向充电，脚10端电压逐步上升，当该电压大于VD8和V12开启电压时，V12导通，V13、V14截止，输出脉冲终止。调节时间常数R2、C2的大小就能获得合适的脉冲宽度。KC05引脚相关的电压波形如图2-3所示。若将KC05的脚2与脚12相连，便组成了失交保护环节，所谓“失交”就是指一旦移相电压大于锯齿波电压峰值时（此时两电压不存在交点），V9、V10、V11、V12保持导通，V13、V14、保持截止，电路无脉冲输出，电动机在较高的速度下骤然停止，对控制不利。若将KC05的脚2与脚12相连，在电网电压过零时，V1、V2截止，V3、V4导通，V4导通时管压降加于Vdz2和V11的发射结两端，强迫使V11截止，当电网电压过零后，V1、V2导通，V3、V4截止，Vdz2、V11导通，电容C2上预充电电压强迫使V12截止，V13、V14导通，输出触发脉冲，因此，当移相电压大于锯齿波电压峰值时，使晶闸管工作于全导通状态，电机在满电压下运行。1.2.3 PI调节器而PI调节器就是指比例积分（微分）调节器。PI调节器一方面给触发电路输入信号，另一个方面是将给定信号和反馈回来的信号做比较。PI调节器有很多，我们选择了简单方便、成本低 造价小能与KC05很好配合的F007 。F007是一个集成运算放大器，其根本实质是一个多级直接耦合高电压放大倍数的放大器。F007外部结构图及说明F007有9个引脚分别以数字区分，其中7、4为正负电源端，2、3为信号输入端，6为信号输出端，1、5为调零电位器接线端，8、9为消除寄生自激振荡的补偿端。图1.7 F007外部结构图F007内部原理图及说明每个集成运放的内部结构大体都差不多，都是由四个部分组成包括输入级、中间放大级、偏置电路、输出级。输入级由差分放大器组成，它的性能对整个集成放大电路的质量起决定性作用。中间放大级由电压放大器构成，主要是提供足够的电压放大倍数，偏置电路是向各放大级提供合适的工作电流、决定各级静态工作点，输出级由推挽式放大器构成，主要用来提供足够的输出电流以满足负载的需要，同时起着将放大器与负载隔离的作用。F007电路具有有源集电极负载、电压放大倍数高、输入电阻大、输出有过流保护。图1.8 F007内部原理图1.2.4给定环节 给定环节由稳压电源和给定电位器组成。直流稳压电源的组成原理框图及说明如下：图1.9 直流稳压电源的组成原理框图变压器：是将正弦工频交流电源电压变换为符合用电设备所需要的正弦工频交流电压。整流电路：是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替变化的正弦交流电压变换成单方向的脉动直流电压。滤波电路：尽可能的将单向脉动直流电压中的脉动部分（交流分量）减小，使输出电压成为比较平滑的直流电压。稳压电路：采用某些措施，是输出的直流电压在电源发生波动或负载变化时保持稳定。1.2.5反馈环节电压负反馈环节，直接在电枢回路并接电阻把反馈电压信号送到PI调节器前端与给定信号进行比较，把比较后的信号经PI调节器送给触发电路，以此来控制电枢两端电压。电流截止负反馈在电枢回路串接电阻取出信号反馈电流信号直接控制触发电路，来控制主电路。2 系统工作原理2.1启动闭合开关S，KM线圈得电常开触点闭合主电路通电，励磁电路得电向励磁回路供电，给定电路也同时通电并通过PI调节器、KC05触发器向晶闸管发脉冲，晶闸管导通并把交流电变换成直流电向电动机电枢两端供电，这时电动机启动。2.2调速要想使用不同的电机转速，则系统必须具备调速功能。调节RP1、RP2的大小可以控制F007的输入电压，输入电压不同输出电压就不同，进而控制KC05的输入电压使控制角变化，导致晶闸管导通时间不同来控制电机两端电压大小使电机转速改变。2.3稳速（对负载扰动而言） 如负载增加，电机转速下降电压负反馈起作用，反馈电压Ufu减小，与给定电压相比较后的Un增大，Uct就增大，控制角减小，电机两端电压Udo增大，电机转速上升，电机起到稳速作用。2.4制动在断电的一瞬间由于惯性电动机还在转，所以要让电动机自然停车会很用很长时间，为了使电机快速停下来本设计采用能耗制动方式。在电动机两端加一个耗能元件电阻，使剩余的电能都消耗在这个电阻上产生热量消耗掉。以此来达到快速停车的目的。3 元气件明细表表3.1 元气件明细表序号代号名称数量12345678TrVT1VT2FuC1C10R1R17LVD1VD14KM交流变压器晶闸管熔断器电容电阻电感二极管交流接触器1211017114191011121314V1VS1VS4RP1RP7GT PIKA三极管稳压管电位器KC05F007欠电流继电器147111结束语经过一个月的努力，2.2kw小容量直流电动机不可逆调速系统设计终于完成 在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到：做毕业设计是一个不断学习的过程，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次做毕业设计，真正的体会到理论与实践相结合的重要性。通过本次设计，使我对在大学三年中所学的知识有了比较全面的系统的认知，也提高了自己的自学动手能力，并加深了对相关知识的复习与再更深的理解！闭环系统在实际应用中有着极其主要的地位，掌握和理解其原理结构，对以后的生活和工作都有十分重要的帮助。本次对过去知识的调动又达到了温故而知新的效果，从而达到了学有所用的目的。本次设计不仅煅炼了我们对电路设计的基本构思，也使我们进一步了解了如何进行高层次的电路设计，还扩充了我们的知识面，增强了我们自由发挥的能力，并且很大程度的开发我们自己，挖掘我们自己，使我们受益非浅，充分体现了素质教育。也充分的诠释了自己在大学期间所学和所知。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，一定要从整体考虑，完成一步之后再作下一步，这样才能更加有效。致谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，在此特别感谢我的导老师庄丽老师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。老师为人随和热情，治学严谨细心，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，在老师的严格要求下，从选题、命题、系统方案的确定一直到最后设计报告的反复改正完善，庄老师始终认真负责的给与我深刻而细致地指导。经由老师悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完