直流伺服系统控制电路（小功率）的设计

目 录1 引言 .21.1 伺服系统的发展简况 .21.2 伺服系统的发展趋势 .32 伺服系统的组成原理及基本特征 .42.1 伺服系统的组成原理 .42.2 伺服系统的分类 .43 直流电机概述 .53.1 直流电机的结构 .53.1.1.定子 .53.1.2. 转子(电枢) .73.2 直流电动机的工作原理 .93.3 直流电机与交流电机区别 .104 直流电机调速原理 .114.1 直流电机正反转调速 .124.2 H 桥驱动电路 .134.3 使能控制和方向逻辑 .155 双闭环直流晶闸管调速系统设计 .175.1 总体方案设计 .175.1.1 方案比较 .175.1.2 方案论证 .185.1.3 方案选择 .195.1.4 设计要求 .195.2 单元模块设计 .195.2.1 转速给定电路设计 .195.2.2 转速检测电路设计 .205.2.3 电流检测电路设计 .205.2.4 整流及晶闸管保护电路设计 .215.2.4 .1 过电压保护和 du/dt 限制 .225.2.4 .2 过电流保护和 di/dt 限制 .225.2.4 .3 整流电路参数计算 .225.2.5 电源设计 .245.2.6 控制电路设计 .255.3 系统调试 .30参 考 文 献 .33附 A：总电路图 .34 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 40 页摘 要通过学习，对直流伺服系统有了进一步的了解。论文对直流伺服系统的发展史、工作情况进行了较全面的论述。结合毕业设计题目，对小功率直流伺服系统控制电路进行了设计，控制电路包括：信号发生器、信号放大器、比较器和功率放大器。在论文中，对控制电路的各组成部分经行了详细的理论分析，对线路的可行性也进行了探讨，并对设计的线路进行了实验。通过实验后修正了电路，改正后的电路经实验是可行的；实验表明：在控制信号的控制下，电路能输出控制电机工作的电压信号，达到了毕业任务书上的要求。关键词 直流电机 伺服系统 控制电路 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 40 页AbstractBy studying，a further comprehension about DC servo system has been gained. The paper takes a comprehensive view of the development history and working condition of DC servo system.Linking the title of the graduation project，we designed a low-power DC servo system control circuit,which is composed of signal generator、signal-amplifier、comparer and power amplifier. In the paper, the author made a very detailed theoretical analysis on the components of system, and approached the feasibility of the circuitrym,also finished the experiment .The adjusted circuit after experiment is feasible. The experiment indicates that under the control of the control signal,the circuit is able to output the voltage signal which controls the machine work,achieving the requirement of the graduation task.Keywords DC motor Servo system Control circuit 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 40 页1 引言本次毕业设计是小功率直流伺服系统控制电路的硬件设计。根据任务书的要求，设计的控制电路要能控制系统工作，使伺服系统能驱动电机在正反两个方向的正常运行，满足自动位置跟随的性能要求。1.1 伺服系统的发展简况伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随着电的应用而发展起来的，最早出现于本世纪初。1934 年第一次提出了伺服机构这个词，随着自动控制理论的发展，到本世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服系统更是如虎添翼突飞猛进，它的应用几乎遍及社会的各个领域，下面简单地列举几个例子。伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。它们可以完成的运动控制精度高，速度快，远非一般人工操作所能达到 1。在冶金工业中，电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，水平连铸机的拉坯运动控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都是依靠伺服系统来实现的，这些更是无法用人工操作来代替。在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等，都有各种伺服系统为之效力，从而减缓操作人员的疲劳，同时也大大提高了工作效率。在军事上，伺服系统用得更为普遍，如雷达天线的自动瞄准跟踪控制，高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制，坦克炮塔的防摇稳定控制，防空导弹的制导控制，鱼雷的自动控制等。在计算机外围设备中，也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。如今，我国已成为世界上少有的几个能产生激光电视放像系统的国家，用激光 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 40 页将信息录制在光盘上。许多信息在电视机上构成一幅画面，放像过程是用很细的激光束沿信息道读取信息，各种信息道之间的间隔已达微米级，因此控制激光束的位置伺服系统也具有相应的控制精度，以保证获取清晰稳定的画面。这种具有高精度伺服系统的激光电视放像机，已开始进入我国人民的家庭生活。伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可及时准确地跟踪人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头，从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。1.2 伺服系统的发展趋势进入 20 世纪 80 年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的集成度越来越高，对伺服系统产生了很重要的影响。新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。同时，伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服系统转向软件伺服系统，智能化的软件伺服系统将成为伺服控制的一个发展趋势。就目前而言，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 40 页2 伺服系统的组成原理及基本特征2.1 伺服系统的组成原理伺服系统亦称随动系统，属于自动控制系统中的一种，它用来控制被控对象的转角(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。伺服系统的种类很多，构成状况和工作状况也是多种多样的，它有检测装置，用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部件，为使各部件之间有效地组配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换电路和补偿装置。此外，以上各部分都离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其它辅助设备。2.2 伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统，交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，主要分为开环伺服系统和闭环伺服系统 2。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 40 页3 直流电机概述定 义 输 出 或 输 入 为 直 流 电 能 的 旋 转 电 机 ， 称 为 直 流 电 机 ， 它 是 能 实 现 直 流 电能 和 机 械 能 互 相 转 换 的 电 机 。 当 它 作 电 动 机 运 行 时 是 直 流 电 动 机 ， 将 电 能 转 换为 机 械 能 ； 作 发 电 机 运 行 时 是 直 流 发 电 机 ， 将 机 械 能 转 换 为 电 能 。 3.1 直流电机的结构由 直 流 电 动 机 和 发 电 机 工 作 原 理 示 意 图 可 以 看 到 ， 直 流 电 机 的 结 构 应 由 定子 和 转 子 两 大 部 分 组 成 。 直 流 电 机 运 行 时 静 止 不 动 的 部 分 称 为 定 子 ， 定 子 的 主 要作 用 是 产 生 磁 场 ， 由 机 座 、 主 磁 极 、 换 向 极 、 端 盖 、 轴 承 和 电 刷 装 置 等 组 成 。运 行 时 转 动 的 部 分 称 为 转 子 ， 其 主 要 作 用 是 产 生 电 磁 转 矩 和 感 应 电 动 势 ， 是 直 流电 机 进 行 能 量 转 换 的 枢 纽 ， 所 以 通 常 又 称 为 电 枢 ， 由 转 轴 、 电 枢 铁 心 、 电 枢 绕组 、 换 向 器 和 风 扇 等 组 成 。3.1.1.定子（ 1） 主 磁 极 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 40 页主 磁 极 的 作 用 是 产 生 气 隙 磁 场 。 主 磁 极 由 主 磁 极 铁 心 和 励 磁 绕 组 两 部 分 组 成 。铁 心 一 般 用 0.5mm 1.5mm 厚 的 硅 钢 板 冲 片 叠 压 铆 紧 而 成 ， 分 为 极 身 和 极 靴 两 部分 ， 上 面 套 励 磁 绕 组 的 部 分 称 为 极 身 ， 下 面 扩 宽 的 部 分 称 为 极 靴 ， 极 靴 宽 于 极 身 ，既 可 以 调 整 气 隙 中 磁 场 的 分 布 ， 又 便 于 固 定 励 磁 绕 组 。 励 磁 绕 组 用 绝 缘 铜 线 绕 制而 成 ， 套 在 主 磁 极 铁 心 上 。 整 个 主 磁 极 用 螺 钉 固 定 在 机 座 上 ，1换 向 器 2电 刷 装 置 3机 座 4主 磁 极 5换 向 极6端 盖 7风 扇 8电 枢 绕 组 9电 枢 铁 心 （ 2） 换 向 极换 向 极 的 作 用 是 改 善 换 向 ， 减 小 电 机 运 行 时 电 刷 与 换 向 器 之 间 可 能 产 生 的 换向 火 花 ， 一 般 装 在 两 个 相 邻 主 磁 极 之 间 ， 由 换 向 极 铁 心 和 换 向 极 绕 组 组 成 ， 如8.6 所 示 。 换 向 极 绕 组 用 绝 缘 导 线 绕 制 而 成 ， 套 在 换 向 极 铁 心 上 ， 换 向 极 的 数 目与 主 磁 极 相 等 。（ 3） 机 座电 机 定 子 的 外 壳 称 为 机 座 ， 见 图 8.4 中 的 3。 机 座 的 作 用 有 两 个 ： 一 是 用 来固 定 主 磁 极 、 换 图 8.5 主 磁 极 的 结 构 向 极 和 端 盖 ， 并 起 整 个 电 机 的 支 撑 和 固 定 作 用 ； 1主 磁 极 2励 磁 绕 组 3机 座 二 是 机 座 本 身 也 是 磁 路 的 一 部 分 ， 借 以 构 成 磁 极 之 间 磁 的 通 路 ， 磁 通 通 过 的部 分 称 为 磁 轭 。 为 保 证 机 座 具 有 足 够 的 机 械 强 度 和 良 好 的 导 磁 性 能 ， 一 般 为 铸 钢件 或 由 钢 板 焊 接 而 成 。 （ 4） 电 刷 装 置电 刷 装 置 是 用 来 引 入 或 引 出 直 流 电 压 和 直 流 电 流 的 ， 如 图 8.7 所 示 。 电 刷装 置 由 电 刷 、 刷 握 、 刷 杆 和 刷 杆 座 等 组 成 。 电 刷 放 在 刷 握 内 ， 用 弹 簧 压 紧 ， 使 电刷 与 换 向 器 之 间 有 良 好 的 滑 动 接 触 ， 刷 握 固 定 在 刷 杆 上 ， 刷 杆 装 在 圆 环 形 的 刷 杆座 上 ， 相 互 之 间 必 须 绝 缘 。 刷 杆 座 装 在 端 盖 或 轴 承 内 盖 上 ， 圆 周 位 置 可 以 调 整 ，调 好 以 后 加 以 固 定 。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 40 页图 1.6 换 向 极 图 1.7 电 刷 装 置1换 向 极 铁 心 1刷 握 2电 刷2换 向 极 绕 组 3压 紧 弹 簧 4刷 辫3.1.2. 转子(电枢)（ 1） 电 枢 铁 心 电 枢 铁 心 是 主 磁 路 的 主 要 部 分 ， 同 时 用 以 嵌 放 电 枢 绕 组 。 一 般 电 枢 铁 心 采 用由 0.5mm 厚 的 硅 钢 片 冲 制 而 成 的 冲 片 叠 压 而 成 (冲 片 的 形 状 如 图 8.8(a)所 示 )，以 降 低 电 机 运 行 时 电 枢 铁 心 中 产 生 的 涡 流 损 耗 和 磁 滞 损 耗 。 叠 成 的 铁 心 固 定 在 转轴 或 转 子 支 架 上 。 铁 心 的 外 圆 开 有 电 枢 槽 ， 槽 内 嵌 放 电 枢 绕 组 。 （ 2） 电 枢 绕 组电 枢 绕 组 的 作 用 是 产 生 电 磁 转 矩 和 感 应 电 动 势 ， 是 直 流 电 机 进 行 能 量 变 换 的关 键 部 件 ， 所 以 叫 电 枢 。 它 是 由 许 多 线 圈 (以 下 称 元 件 )按 一 定 规 律 连 接 而 成 ，线 圈 采 用 高 强 度 漆 包 线 或 玻 璃 丝 包 扁 铜 线 绕 成 ， 不 同 线 圈 的 线 圈 边 分 上 下 两 层 嵌 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 40 页放 在 电 枢 槽 中 ， 线 圈 与 铁 心 之 间 以 及 上 、 下 两 层 线 圈 边 之 间 都 必 须 妥 善 绝 缘 。 为防 止 离 心 力 将 线 圈 边 甩 出 槽 外 ， 槽 口 用 槽 楔 固 定 ， 如 图 8.9 所 示 。 线 圈 伸 出 槽外 的 端 接 部 分 用 热 固 性 无 纬 玻 璃 带 进 行 绑 扎 。（ 3） 换 向 器在 直 流 电 动 机 中 ， 换 向 器 配 以 电 刷 ， 能 将 外 加 直 流 电 源 转 换 为 电 枢 线 圈 中 的交 变 电 流 ， 使 电 磁 转 矩 的 方 向 恒 定 不 变 ； 在 直 流 发 电 机 中 ， 换 向 器 配 以电 刷 ， 能 将 电 枢 线 圈 中 感 应 产 生 的 交 变 电 动 势 转 换 为 正 、 负 电 刷 上 引 出 的 直流 电 动 势 。 换 向 器 是 由 许 多 换 向 片 组 成 的 圆 柱 体 ， 换 向 片 之 间 用 云 母 片 绝 缘 ， 换向 图 8.9 电 枢 槽 的 结 构片 的 紧 固 通 常 如 图 8.10 所 示 ， 换 向 片 的 下 部 做 成 鸽 1槽 楔 2线 圈 绝 缘 3电 枢 导 体尾 形 ， 两 端 用 钢 制 V 形 套 筒 和 V 形 云 母 环 固 定 ， 再 用 4层 间 绝 缘 5槽绝 缘 6槽 底 绝 缘螺 母 锁 紧 。（ 4） 转 轴转 轴 起 转 子 旋 转 的 支 撑 作 用 ， 需 有 一 定 的 机 械 强 度 和 刚 度 ， 一 般 用 圆 钢 加 工而 成 。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 40 页图 8.10 换 向 器 结 构 图 8.11 单 叠 绕 组 元 件1换 向 片 2连 接 部 分 1首 端 2末 端 3元 件 边 4端 接 部 分 5换 向 片 3.2 直流电动机的工作原理直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。 直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 40 页和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。 直流发电机和直流电动机具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机（一般是交流电动机）拖动旋转而发电。可见，它是把机械能变为电能的设备。直流电动机则接在直流电源上，拖动各种工作机械（机床、泵、电车、电缆设备等）工作，它是把电能变为机械能的设备。但是，当前已经有可控硅整流装置替代了直流发电机，为了能使大家更好的理解直流电动机，有必要同时讲述一下直流发电机的原理。在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。 比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出，它们的输入和输出的能量形式不同的。正如前面已经说过，直流发电机由原动机拖动，输入的是机械能，输出的是电能；直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。3.3 直流电机与交流电机区别直流电机是磁场不动，导体在磁场中运动；交流电机是磁场旋转运动，而导体不动.直流电动机分为定子绕组和转子绕组.定子绕组产生磁场.当通直流电时.定子绕组产生固定极性的磁场.转子通直流电在磁场中受力.于是转子在磁场中受力就旋转起来.直流电机构造复杂.造价高.交流电动机分定子绕组和转子导体.转子导体形状像鼠笼导体与导体之间用硅钢片.有的交流电动机转子也有绕组.三相异步电动机的旋转原理 三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，三相电源相与相之间的电压在相位上是相差 120 度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差 120 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 40 页度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场， 定子绕组产生旋转磁场后，转子导体（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速低于旋转磁场的转速不同步。为此我们称三相电动机为异步电动机。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 40 页4 直流电机调速原理直流电机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便的在宽范围内实现平滑无极调速，故多采用在对伺服电机的调速性能要求较高的生产设备中。 直流电机的结构主要包括三大部分：（1）定子：定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈通以直流电流便产生恒定磁场。（2）转子：又称为电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。（3）电刷和换向片：为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀的连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。直流电机的工作原理与一般直流电动机的工作原理是完全相同。他激直流电机转子上的载流导体（即电枢绕组）在定子磁场中受到电磁转矩的作用，使电机转子旋转。由直流电机的基本原理分析得到：n=(u-IaRa)/Ke式中：n电枢的转速，r/minu电枢电压Ia电机电枢电流Ra电枢电阻 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 40 页Ke电势系数 （Ke=Ce）由上式可知，调节电机的转速有三种方法：（1）改变电枢电压 u。调速范围较大，直流伺服电机常用此方法调速。（2）变磁通量（即改变 Ke 的值）。改变激磁回路的电阻 Rf 以改变激磁电流If。可以打到改变磁通量的目的；调磁调速因其调速范围较小常常作为调速的辅助方法，而主要的调速方法是调压调速。若采用调压与调磁两种方法互相配合，可以获得很宽的调速范围，又可充分利用电机的容量。（3）在电枢回路中串联调节电阻 Rt，此时有n=u-Ia(Ra+Rt)/Ke由上式可知，在电枢回路中串联电阻的办法，转速只能调低，而且电阻上的铜耗较大，这种办法并不经济。4.1 直流电机正反转调速直流电动机的反转，录音机和录像机中的电动机必须既能正转，也能反转。直流电动机的正、反转是很容易的。由前面可知，改变电枢绕组电流方向，或者改变定子磁场的方向，都可以改变电动机的转向。但对于永磁式直流电动机来说，则只能通过改变电流方向来实现改变电动机转向的目的。图是直流电动机正、反转控制原理电路。图中，RP1, RP2 是可调电阻器。改变 RPl 的阻值可以改变励磁绕组的电流，起到调节磁场强、弱的目的；改变 RP2 的阻值，可以改变电动机的转速。图中的双刀双掷开关 S 是用来改变电动机旋转方向的控制开关。当将开关 S 拨向“1”时，电流从 a 电刷流入，从 b 电刷流出；当将开关 S 拨向+2-时，电流从 b 电刷流入，从a 电刷流出。可见，改变开关 S 的状态，就能改变电枢绕组的电流方向，从而实现改变电动机转向的目的。直流电动机的反转。直流电动机的正、反转是很容易的。，改变电枢绕组电流方向，或者改变定子磁场的方向，都可以改变电动机的转向。但对于永磁式直流电 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 40 页动机来说，则只能通过改变电流方向来实现改变电动机转向的目的。直流电动机正、反转控制原理电路。图中，RP1, RP2 是可调电阻器。改变 RPl 的阻值可以改变励磁绕组的电流，起到调节磁场强、弱的目的；改变 RP2 的阻值，可以改变电动机的转速。图中的双刀双掷开关 S 是用来改变电动机旋转方向的控制开关。当将开关 S 拨向“1”时，电流从 a 电刷流入，从 b 电刷流出；当将开关 S 拨向+2-时，电流从 b 电刷流入，从 a 电刷流出。可见，改变开关 S 的状态，就能改变电枢绕组的电流方向，从而实现改变电动机转向的目的。 直流电机的正反转 H 桥驱动电路4.2 H 桥驱动电路图 4.12 中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H 桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H。4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠（注意：图 4.12 及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 40 页图 4.12 H 桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，当 Q1 管和 Q4管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经 Q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）图 4.13 H 桥电路驱动电机顺时针转动另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管 Q2 和Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 40 页4.3 使能控制和方向逻辑驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管 Q1 和 Q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。图 4.15 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本 H 桥电路的基础上增加了4 个与门和 2 个非门。4 个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而 2 个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在 H 桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图 4.15所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）图 4.15 具有使能控制和方向逻辑的 H 桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果 DIRL 信号为 0，DIRR 信号为 1，并且使能信号是 1，那么三极管Q1 和 Q4 导通，电流从左至右流经电机（如图 4.16 所示）；如果 DIRL 信号变为1，而 DIRR 信号变为 0，那么 Q2 和 Q3 将导通，电流则反向流过电机。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 40 页图 4.16 使能信号与方向信号的使用实际使用的时候，用分立元件制作 H 桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的 H 桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的 L293D、L298N、TA7257P、SN754410 等。附一张分立元件的 H 桥驱动电路： 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 40 页5 双闭环直流晶闸管调速系统设计5.1 总体方案设计5.1.1 方案比较方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机 SF ,引出与转速成正比的电压 Uf 与给定电压 Ud 比较后,得偏差电压 U ,经放大器 FD ,产生触发装置 CF 的控制电压 Uk ,用以控制电动机的转速,如图 2.1 所示。图 2.1 方案一原理框图方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR。电流调节器 ACR 和电流检测反馈回路构成了电流环；电压 放大器 整流触发装置 电动机 负载速度检测 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 40 页转速调节器 ASR 和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR 和 ACR 串联，即把ASR 的输出当做 ACR 的输入，再由 ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的 PI 调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图 2.2 所示。图 2.2 方案二原理框图5.1.2 方案论证方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数 m = 2 ,3 ,6 ,12 , ,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感 L = ,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的电压电流检测ASR ACR 整流触发装置 电动机 负载速度检测 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 40 页满足了生产需求。5.1.3 方案选择1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。5.1.4 设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：1.直流电动机额定参数：直流电动机的额定参数PN=11kW、U N=230V、I N=47.8A、n N=1450 r/min，电枢电阻 Ra=0.9，电枢绕组电感La=6.6mH，电机飞轮矩 GDd2=6.39Nm2，电流过载倍数 =1.5，电枢回路总电阻可取为 R=2Ra，系统总飞轮矩 GD2=2.5 GDd2。2. 设计要求：稳态无静差，电流超调量 i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量 n10。5.2 单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。5.2.1 转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 40 页定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图 3.1 所示。图 3.1 转速给定电路原理图5.2.2 转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图 3.2 所示。图 3.2 转速检测电路原理图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 40 页5.2.3 电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图 3.3 所示。图 3.3 电流检测电路原理图5.2.4 整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图 3.4 所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和 du/dt 限制，过电流保护和di/dt 限制。 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 40 页图 3.4 整流电路及晶闸管保护电路5.2.4 .1 过电压保护和 du/dt 限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图 4.4 所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制 LC 回路的振荡。5.2.4 .2 过电流保护和 di/dt 限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏 PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：1.快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 40 页闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。5.2.4 .3 整流电路参数计算(1) 的计算2Umax2 2incosdTshNIAC负载要求的整流电路输出的最大值；maxdU晶闸管正向压降，其数值为 0.41.2V，通常取 ；T 1TUVn主电路中电流回路晶闸管的个数；A理想情况下 时，整流输出电压 与变压器二次侧相电压 之比；0d dC线路接线方式系数；电网电压波动系数，通常取 ；0.9最小控制角，通常不可逆取 ；minmin12o变压器短路电压比，100Kv 以下的取 ；shU.05shU变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；2NI已知 ，取 、 ，查表得 ，取 , ,max30dV1TU2n2.34A0.9min1o, ,查表得 代入上式得：0.5shU21NI.5C 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 27 页 共 40 页，应用式 ，查表得2230115.49(.85.0)UV2(1.)dUAB，取 ， ，3Acos98B230()13.49.85UV取 ，电压比 10.6IK21V128K（2）一次和二次向电流 和 的计算1I2由式得 ， 由表得 ， ，考虑励磁电流1Id2Id10.86I20.816IK和变压器的变比 K，根据以上两式得：112.05/.0581647./35.9IdI AA（3）变压器的容量计算1112221380.13459287()(.45.).6SmUI KVIA(4)晶闸管参数选择max2max().781.2536.41.7NVTAIIAI由整流输出电压 ，进线线电压为 110V，晶闸管承受的最大反向230dNUV电压是变压器二次线电压的电压峰值，即： ，晶闸管承受2369.5RMUV的最大正向电压是线电压的一半，即： 。考虑安全裕1147F量，选择电压裕量为 2 倍关系，电流裕量为 1.5 倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为： 69.531.2