力矩电机调速控制器的设计.doc

设计 论文 专用纸 力矩电机调速控制器的设计力矩电机调速控制器的设计 学 校 昆明理工大学 学 院 应用技术学院 姓 名 吴文雅 专 业 班 级 电子信息工程 081 指导教师单位 应用技术学院 指导教师姓名 仉月仙 指导教师职称 讲 师 设计 论文 专用纸 Torque motor speed controller design University Kunming University of Science and Technology Faculty Faculty of Applied Technology Name Wu Wen Ya Professional class Electronic Information Engineering 081 Faculty Adviser Unit Faculty of Applied Technology Faculty Adviser Name Zhang Yue Xian Professional Title Lecturer 设计 论文 专用纸 目录目录 摘要 1 ABSTRACT 2 前言 3 第一章 绪论 5 1 1 力矩电机 5 1 2 调压调速 6 1 3 课题研究的背景及其意义 7 1 4 设计的主要目标任务 7 第二章 设计方案及其论证 9 第三章 系统硬件电路设计 12 3 1 电源模块设计 12 3 1 1 电源的方案设计 12 3 1 2 元器件的选择 12 3 1 3 电源电路的电路图 15 3 1 4 元器件明细表 15 3 2 主电路的模块设计 16 3 2 1 主电路方案设计 16 3 2 2 元器件的选择 16 3 2 3 主电路电路图 19 3 2 4 元器件明细表 19 3 3 控制电路部分设计 20 3 3 1 控制电路方案设计 20 3 3 2 控制电路元件的选择 20 3 3 3 控制电路电路图 30 3 3 4 元件明细表 31 第四章 调试与制作 33 4 1 制作过程 33 4 2 调试过程 33 结论 36 总结与体会 37 谢辞 39 设计 论文 专用纸 参考文献 40 附录一 总电路图 41 附录二 总电路实物图 42 附录 3 外文资料及中文译文 43 设计 论文 专用纸 第 1 页 共 58 页 摘要摘要 力矩电动机 是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机 具有低转速 大扭矩 过载能力强 响应快 特性线性度好 力矩波动小等特点 力矩电动机的 轴不是以恒功率输出动力而是以恒转矩输出动力 力矩电机的特性使其适用于卷绕 开卷 堵转和调速等场合及其他用途 它广 泛应用于机械制造 纺织 造纸 橡胶 塑料 金属线材和电线电缆等工业中 而力矩电机的的调速方法以调压调速的方法为最佳的调速方法 本课题是一种主回路用双向晶闸管 控制回路由运算放大器 集成触发器组成 的调压调速控制器和三相力矩电机构成的调压调速系统 关键词关键词 调压调速 三相力矩电机 控制器 设计 论文 专用纸 第 2 页 共 58 页 Abstract Torque motor with a soft mechanical properties and the wide speed range of special motor with low rotation speed torque overload ability of fast response characteristics good linearity torque fluctuation characteristics of small torque motor shaft is not constant power output power but with constant torque output power Torque motor of properties that make it apply to winding open book stall and speed regulation and so on and he USES it is widely used in mechanical manufacturing textile paper rubber plastic metal wire and cable and other industry And the torque motor speed control method to pressure regulating speed method is the best control method This topic is a main circuit with two way thyristor and control circuit by operational amplifier integration of trigger pressure regulating speed controller and three phase torque motor consists of the surge speed regulation system Key words variable voltage control Three phase torque motor controller 设计 论文 专用纸 第 3 页 共 58 页 前言前言 力矩电机具有软机械特性和宽调速范围的特种电机 具有低转速 大扭矩 过 载能力强 响应快 特性线性度好 力矩波动小等特点 力矩电动机的轴不是以恒 功率输出动力而是以恒转矩输出动力 力矩电机的机械特性可以在现代伺服驱动装置的控制下实现较高的刚度 因 此可以代替原来机械传动装置实现直接驱动 目前已经有采用力矩电机为核心动力 元件的数控回转工作台和数控摆角铣头等产品 这些产品在体积功率比上还不如机 械传动装置当 但由于其没有传动间隙 没有磨损 传动精度和效率高等优势 已 经开始在精密装备上推广使用行 堵转 在某些特殊场合中 有时要求电机在一段时间内保持一静止的力矩 如电缆收卷起始阶段须保持张紧 大型锻压机的锻件夹持装置等 由于力矩电机的 阻抗较大 其堵转电流较小 同时采用了强迫通风 所以能满足一定时间内的堵转 要求 允许堵转时间应按铭牌上标定值 如需较长的堵转时间 可选用较大的力矩 电机 通过降低力矩电机的端电压来获得 力矩电机还可根据其多种特点灵活应用 如本身具有直流串励电机特性 可 部分代替直流电机使用 又如根据其转子具有高电阻特性 起动 堵转 转矩大 故 可应用在启闭闸 阀 门以及阻力矩大的拖动系统中 也可利用其起动 堵转 转矩大 起动 堵转 电流小 实心转子的机械强度高的特点 而使用于频繁正 反转的装置 或其他类似动作的各种机械上 近年来 由于新型功率半导体器件 集成电路及微处理机的开发应用 交流 调速已取得新的进展 目前对容量较大 要求较高的交流调速装置 大部分采用带 微型机的控制系统 单为小型交流异步电动机提供结构简单 廉价 运行可靠的调 速装置也是一个不容忽视的问题 设计 论文 专用纸 第 4 页 共 58 页 变频调速 矢量变换控制等系统能获得良好的调速性能 大多线路复杂 成本高 维护不变 串级调速只适用于线绕式异步电动机 在一定程度上影响了它 的推广 交流调压调速系统基本上没有以上缺点 在要求不太高的场合能满足调速需 要 本课题就是一种主回路采用三只双向晶闸管 控制回路有集成芯片构成的调 压调速线路 设计 论文 专用纸 第 5 页 共 58 页 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 力矩电机力矩电机 力矩电机的特点是具有软的机械特性 可以堵转 当负载转矩增大时能自动降 低转速 同时加大输出转矩 当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速 但 转速的调整率不好 因而在电机轴上加一测速装置 配上控制器 利用测速装置输 出的电压和控制器给定的电压相比 来自动调节电机的端电压 使电机稳定 具有低转 速 大扭矩 过载能力强 响应快 特性线性度好 力矩波动小等特点 可直接驱 动负载省去减速传动齿轮 从而提高了系统的运行精度 为取得不同性能指标 该 电机有小气隙 中气隙 大气隙三种不同结构形式 小气隙结构 可以满足一般使 用精度要求 优点是成本较低 大气隙结构 由于气隙增大 消除了齿槽效应 减 小了力矩波动 基本消除了磁阻的非线性变化 电机线性度更好 电磁气隙加大 电枢电感小 电气时间常数小 但是制造成本偏高 中气隙结构 其性能指标略低 于大气隙结构电机 但远高于小气隙结构电机 而体积小于大气隙结构电机 制造 成本低于大气隙结构电机 力矩电动机输出低转速 大力矩的伺服电动机 为了省去或简化机械变速 机构 往往在驱动控制系统中采用力矩电动机来驱动机械负载 力矩电动机反应速 度快 转速波动小 能在高转矩低转速下稳定运行 机械特性和调节特性线性度好 具有高耦合刚度 因此 它特别适合于在位置控制系统和宽调速系统中作执行元件 也适用于需要大转矩 低速 转速调节 转速反馈和需要一定张力的场合 根据所用电源 力矩电动机可分为直流力矩电动机和交流力矩电动机 直流力 矩电动机一种特殊形式的直流伺服电动机 大多采用永磁励磁 其基本要求与直流 伺服电动机相似 为了获得大的输出转矩和低的转速 一般作成扁平结构 电机电 枢铁心长度和外径之比很小 为了使电机工作稳定 电机的输出转矩不能超过最大 堵转转矩 后者又称峰值堵转转矩 与峰值堵转转矩相应的电枢电流称为峰值堵转 设计 论文 专用纸 第 6 页 共 58 页 电流 如果电枢电流超过峰值堵转电流 电机便去磁 需要重新充磁才能正常工作 为了减小转矩和转速的脉动 定子采用多对磁极 电枢选用较多的槽数 换向片数 和串联导体数 力矩波动 M 表示电枢处于不同位置时的输出力矩的变化 连续堵 转转矩直流力矩电动机采用大内孔扁平结构 有利于电机直接套在负载轴上 提高 系统的耦合刚度 使系统反应迅速 频带展宽 稳定工作 满足动态要求 电机常 数 KL 是力矩电动机的一个重要指标 它表示峰值堵转转矩与输入峰值堵转功率平方 根之比 千克力米 瓦 1 2 KL 既反映了电机本身的利用率 又考虑到电机所消耗 的功率 交流力矩发动机主要运行在大负载 低转速状态 也可短期或长期运行在堵转 状态 其速度控制主要通过测速电机速度反馈和控制张力大小二种方法来实现 交 流力矩发动机目前已广泛用于电影胶片冲洗 轻工化纤 纺织 电缆 塑料及造纸 等卷绕装置中 力矩电机广泛应用于机械制造 纺织 造纸 橡胶 塑料 金属线材和电线电 缆等工业中 1 21 2 调压调速调压调速 调压调速是异步电动机调速系统中比较简单的一种 由电机原理可知 当转差 率 S 基本不变时 电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比 因此 改变定子 电压就可以得到不同的人为机械特性 从而达到调节电机转速的目的 近年来 随着电力电子技术的发展多用双向晶闸管来实现交流调压 双向晶闸 管调压的触发控制方法有两种 一种是相控技术 通过改变晶闸管的触发相位改变 电压输出波形以实现调压 采用相位控制技术的问题在于其输出电压所含谐波分量 比较大 另一种方法是整周波通断控制 即将双向晶闸管用作交流过零开关 交替 地接通和阻断 n 个周波的电源交流电压 用改变接通时间和阻断时间之比来控制输 出电压的有效值 但是晶闸管的通断控制用于异步电动机定子时 通断的频率不能 太低 否则一方面会引起电机转速的波动 另一方面会引起大电流冲击 这时因为 设计 论文 专用纸 第 7 页 共 58 页 每次的接通相当于依次重合闸过程 当电源开断时电机气隙中磁场由转子中的瞬态 电流维持 并随转子旋转 磁场在定子绕组中感应的电势频率将有所变化 1 31 3 课题研究的背景及其意义课题研究的背景及其意义 随着科学技术的发展 三相交流力矩电动机市场竞争越来越激烈 这使得力矩 电机得到了飞速的发展 同时 也就需要力矩电机的调速控制器要得到相应的发展 和创新 根据国家统计局 工商局 税务局 海关总署 国务院发展研究中心 发 改委 商务部 国家信息中心 各大商用数据库 相关行业协会 报刊杂志及各市 调公司所公布的资料撰写 本报告是相关企业 相关研究单位及银行政府等准确 全面 迅速了解目前该行业发展动向 把握企业战略发展定位方向不可或缺的专业 性报告 即 2011 2016 年中国三相交流力矩电动机市场分析及发展前景研究报 告 也对力矩电机未来发展前景进行了分析 它广泛应用于机械制造 纺织 造纸 橡胶 塑料 金属线材和电线电缆等工 业中 在机械制造 纺织 造纸 橡胶 塑料 金属线材和电线电缆等工业中 需 要将产品卷绕在卷筒上 卷绕的直径从开始至末了是越卷越大 为保持被卷物张力 均匀 就要求卷筒转速越卷越小 卷绕力越卷越大 这也促使了力矩电机的发展 也促使了力矩电机的调速控制器的发展 1 41 4 设计的主要目标任务设计的主要目标任务 本文的研究课题是力矩电机的调速控制 力矩电机的调速控制是通过调节电 压的大小来调节力矩电机的转速的快慢的 主要内容是使用双向晶闸管来控制主回 路 控制回路由运算放大器 移相触发器和测速电机等来构成 可总结主要内容可以分为以下几步 1 掌握主回路中双向晶闸管的作用 2 了解掌握移相触发器结构和原理 设计 论文 专用纸 第 8 页 共 58 页 3 掌握运算放大器的作用 4 了解掌握测速电机和力矩电机 5 根据所学的基础知识 以及对移相触发器 双向晶闸管 运算放大器的掌 握 设计完成力矩电机调速控制器 6 调整子电路的结构和参数 使其满足设计要求 本课题在完成制作的时候包括 主回路 控制回路和电源三个部分 设计 论文 专用纸 第 9 页 共 58 页 第二章第二章 设计方案及其论证设计方案及其论证 力矩电机调压调速系统的原理框图如下 放大器 测速发电机 控制器力矩电机 给定 信号 n 图 2 1 系统原理 由异步电动机的转差率与转速之间的关系 其中 S 为转差率 n 为转子转速 f 为电源频 1 60 s p f n 率 p 为极对数 由此可知 改变极对数 p 电源频率 f 及转差率 s 都可以改变转速 n 而改变定子端电压是一种比较简单的调速方法 由高转差率的三相力矩电动机带测速发电机和控制器组成闭环控制系统 通过 控制晶闸管的导通角来改变加在电机上的定子电压 进行调速 一般异步电动机在调压时的机械特性如图1 图中100 Un 是指在电动机绕组 上所加的额定电压 由图可见 在一定的负载Tn时 改变定子电压只能使电动机的 转速在不太范围内变化 变化范围最大只是O Sm 如果电机在 S Sm的低速运行 一方面电机运行不稳 另一方面电机过热而易损坏 当它拖动恒转矩负载时 调速范围很窄 因而只能拖动风机 泵类负载 如果 拖动恒转矩性质的负载 并希望有较宽的调速范围 则应采用高转差率电动机 三相 力矩电动机就是其中的一种 三相力矩电机具有图2的调压特性 从图中可以看 设计 论文 专用纸 第 10 页 共 58 页 出 在负载转矩Tu恒定的情况下 只要连续地调节电机的端电压 U 就可以有效 地凋节电机的转速n 达到了无级调速的目的 本调压调速系统属于改变转差率的诵速方式 深调速时 S 比较大 消耗在电路 中的转差功率比较大 电动机运行效率降低 发热厉害 对电机采用力矩电机的设计方法 电磁参数的设计保证在高速时获得额定的输 出转矩 同时考虑到低速时电机发热严重 故采用强迫风冷 图2所示 力矩电机的机械特性比较软 负载转矩稍有波动 转速将作大范围波 动 在低速时转速稳定性较差 为了提高转速的稳定性 在调速系统中通常采用闭 环调压方式 以获得比较硬的机械特性 减小静差度 加大调速范围 图1 改变电动机定子电压的机械特性 设计 论文 专用纸 第 11 页 共 58 页 图2 高转子电阻电动机在不同定子电压时的电动机机械特性 因此本课题我采用了调压调速的方法来对力矩电机进行调速的 本方案设计主要分为三个部分 1 主电路 主要是由双向晶闸管 电阻 电容等组成的 通过控制双向晶闸管的导通角来 控制力矩电机定子电压的大小来控制力矩电机转速的快慢 来构成主电路部分的 2 控制电路 把测速反馈电压和电源电压通过运算放大器后得到一个电压 再把这个电压经 过移相触发器产生一个脉冲 再通过脉冲变压器 传送给双向晶闸管 控制力矩电 机的转速 3 电源 把220V交流电降压整流滤波稳压后 变成双15V的电源电压 设计 论文 专用纸 第 12 页 共 58 页 第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3 1 电源模块设计电源模块设计 3 1 13 1 1 电源的方案设计电源的方案设计 我想要设计一个 15V 的电源 首先通过变压器把 220V 电压降为可用的双电压 经过整流桥的整流 完后通过电容滤波 再经过 7815 和 7915 芯片的稳压就可以得 到 15V 的电压了 3 1 23 1 2 元器件的选择元器件的选择 1 变压器的选择 根据整流前后的电压可知 U后 0 9U前 要得到正负 15V 的电压 变压器降压后 的电压就要大于 15V 应该选 220V 降为 17V 的变压器为好 但是实验室没有这一 型号的变压器 于是我就是用了 I P 220V AC50Hz O P 15x2 的变压器了 2 整流部分的选择 这部分我使用了整流桥 整流桥堆一般用在全波整流电路中 它又分为全桥与半桥 全桥是由 4 只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的 图是其外形 全桥的正向电流有 0 5A 1A 1 5A 2A 2 5A 3A 5A 10A 20A 35A 50A 等多种规格 耐压 值 最高反向电压 有 25V 50V 100V 200V 300V 400V 500V 600V 800V 1000V 等多种规 格 选择整流桥要考虑整流电路和工作电压 设计 论文 专用纸 第 13 页 共 58 页 根据考虑到整流电路和工作电压 我这部分的整流桥应该选择 1A 50V 的整流 桥 但是实验室只有 2A 1000V 的整流桥 其型号为 2W10 我就选择了实验室有的 整流桥了 3 滤波稳压部分的选择 这部分的滤波电容是根据资料和经验来选择的 而稳压部分则使用三端稳压器 7815 和 7915 其介绍如下 7815 功能介绍 7815 为三端正稳压器电路 TO 220F 封装 能提供多种固定的输出电压 应用 范围广 内含过流 过热和过载保护电路 带散热片时 输出电流可达 1A 虽然是 固定稳压电路 但使用外接元件 可获得不同的电压和电流 一般的双电源 正负对称电源 都没有连续可调的功能 给使用带来一定程度 上的不便 用一块 7815 和一块 7915 三端稳压器对称连接 可获得一组正负对称的 正负 15V 稳压电源 如果能够提供足够的散热片 它们就能够提供大于 1 5A 的输出电流 虽然是按 照固定电压值来设计的 但是当接入适当的外部器件后 就能能获得各种不同的电 压和电流 主要特点 图 3 1 7815 引脚图 过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 设计 论文 专用纸 第 14 页 共 58 页 输出电压有 5V 6V 8V 9V 10V 11V 12V 15V 18V 24V 输出电流可达 1A 7815 极限值 Ta 25 VI 输入电压 VO 5 18V 35V VO 24V 40V R JC 热阻 结到壳 5 W R JA 热阻 结到空气 65 W TOPR 工作结温范围 0 125 TSTG 贮存温度范围 65 150 7915 功能介绍 7915 为三端负稳压器电路 TO 220F 封装 能提供多种固定的输出电压 应用 范围广 内含过流 过热和过载保护电路 带散热片时 输出电流可达 1A 一般用 78XX 和一块 79XX 三端稳压器对称连接的双电源 正负对称电源 没 有连续可调的功能 但是可以外接电阻实现输出电压值可各自单独调节 主要特点 过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 输出电压有 79XX 系列有 5V 6V 8V 9V 10V 11V 12V 15V 18V 24V 输出电流可达 1A 7915 极限值 Ta 25 VI 输入电压 VO 5 18V 35V VO 24V 40V R JC 热阻 结到壳 5 W R JA 热阻 结到空气 65 W 设计 论文 专用纸 第 15 页 共 58 页 TOPR 工作结温范围 0 125 TSTG 贮存温度范围 65 150 引脚示意图 图 3 2 7915 引脚图 3 1 33 1 3 电源电路的电路图电源电路的电路图 图 3 3 电源电路图 3 1 43 1 4 元器件明细表元器件明细表 表 1 电源电路元件明细表 名称型号 数量总数量 变压器I P 220VAC50Hz1 设计 论文 专用纸 第 16 页 共 58 页 OP 15Vx2 整流桥W10 1 1 电解电容1000uF 25V 2 10uF 25V 2 4 芯片7815 1 7915 1 2 3 23 2 主电路的模块设计主电路的模块设计 3 2 13 2 1 主电路方案设计主电路方案设计 这部分电路就是用控制电路中送来的脉冲信号 来控制双向晶闸管的导通角 来控制加在力矩电机上的定子电压大小 从而控制了力矩电机的快慢 由于加在晶闸管上的正向电压上升率 dv dt 也应该有所限制 如果 dv dt 过 大 由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流 该电流可以实际上起到触发 电流的作用 使晶闸管正向阻断能力下降 严重时引起晶闸管误导通 为抑制 dv dt 的作用 可以在晶闸管两端并联 R C 阻容吸收回路 3 2 23 2 2 元器件的选择元器件的选择 本科题选用 BT136 的原因有 1 它符合课题所需求的条件 2 实验室里有这个 型号的可控硅 可以节约成本 熔断器我是使用的实验室有的空气开关代替的 R C 阻容吸收回路的电阻我使用的是 5W120 欧的电阻 电容则是用 CJ10 型金属化纸介电 容 0 22uF 10 400V 来组成的 电容的选择 C 2 5 5 10 的负 8 次方 If If 0 367Id Id 直流电流值 电阻的选择 R 2 4 535 If PR 1 5 pfv 2 fc 的平方 10 的负 12 次方 R 2 设计 论文 专用纸 第 17 页 共 58 页 Pfv 2u 1 5 2 0 u 三相电压的有效值 双向可控硅的介绍 双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的 它不仅能代替两只反极性并 联的可控硅 而且仅需一个触发电路 是比较理想的交流开关器件 其英文名称 TRIAC 即三端双向交流开关之意 尽管从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合 但实际上它是由 7 只 晶体管和多只电阻构成的功率集成器件 小功率双向可控硅一般采用塑料封装 有 的还带散热板 典型产品有 BCMlAM 1A 600V BCM3AM 3A 600V 2N6075 4A 600V MAC218 10 8A 800V 等 大功率双向可控硅大多采用 RD91 型封装 双向可控硅属于 NPNPN 五层器件 三个电极分别是 T1 T2 G 因该器件可 以双向导通 故除门极 G 以外的两个电极统称为主端子 用 T1 T2 表示 不再 划分成阳极或阴极 其特点是 当 G 极和 T2 极相对于 T1 的电压均为正时 T2 是阳极 T1 是阴极 反之 当 G 极和 T2 极相对于 T1 的电压均为负时 T1 变成阳 极 T2 为阴极 双向可控硅由于正 反向特性曲线具有对称性 所以它可在任何一 个方向导通 BT136 双向可控硅的主要用途及特点 家用电器控制电路 变频电路 调光 调温 调速电路 封装形式 TO 220 特点 击穿电压高 输出电流大 参数特 断态重复峰值电压 VDRM 600V 反向重复峰值电压 VRRM 600V 通态平均电流 IT 4A 通态不重复浪涌电流 ITSM 40A 最高结温 Tjm 110 设计 论文 专用纸 第 18 页 共 58 页 贮存温度 Tstg 55 150 图 3 4 BT136 引脚图 设计 论文 专用纸 第 19 页 共 58 页 3 2 33 2 3 主电路电路图主电路电路图 图 3 5 主电路电路图 3 2 43 2 4 元器件明细表元器件明细表 表 2 主电路元件明细表 名称型号 大小 数量 总数量 电容01uF 400V 3 3 电阻120 3 3 双向可控硅BT136 3 3 设计 论文 专用纸 第 20 页 共 58 页 力矩电机 YLJ5638 1 380V 0 35A 50Hz 670r min 1 1uF 400V 的电容我就用 CJ10 型金属化纸介电容 0 022uF 10 400V 来组成 由 5 个这种电容并联组成 3 33 3 控制电路部分设计控制电路部分设计 3 3 13 3 1 控制电路方案设计控制电路方案设计 把给定信号和测速反馈信号从集成运放的输入端输入 经过集成运放后 输出端则会按一定比例放大 再把放大了的信号送给可控硅触发电路 这部分我用 的是 KC05 芯片来实现的 通过可控硅触发电路把前一部分送来的放大信号与移相 控制电压进行比较放大 再有 KC05 芯片的 9 脚输出一触发脉冲给脉冲变压器 使的 脉冲变压器产生双脉冲 一组供自身使用 另一组去补充其他一相 来控制来控制 主电路中双向晶闸管的导通 3 3 23 3 2 控制电路元件的选择控制电路元件的选择 测速反馈这部分我就是直接使用的直流测速发电机来测得反馈信号 而直流测 速发电机是一种测速元件 它把转速信号转换成直流电压信号输出 直流测速发电 机广泛地应用于自动控制 测量技术和计算机技术等装置中 对直流测速发电机的 主要要求是 1 输出电压要严格地与转速成正比 并且不受温度等外界条件变化 的影响 2 在一定的转速下 输出电压要尽可能的大 3 不灵敏区要小 集成运放器我选择的 UA741 集成芯片 使用说明如下 UA741 运算放大器使用说明 741 放大器为运算放大器中最常被使用的一种 拥有反相向与非反相两输入 端 由输入端输入欲被放大的电流或电压信号 经放大后由输出端输出 放大器作 动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源 其值由 12Vdc 至 18Vdc 不等 设计 论文 专用纸 第 21 页 共 58 页 而一般使用 15Vdc 的电压 741 运算放大器的外型与接脚配置分别如图 3 5 3 6 所示 图 3 6 741 运算放大器外型图 图 3 7 741 放大器输出输入脚位图 741 运算放大器使用时需于 7 4 脚位供应一对同等大小的正负电源电压 Vdc 与 Vdc 一旦于 2 3 脚位即两输入端间有电压差存在 压差即会被放大 于输出端 唯 Op 放大器具有一特色 其输出电压值决不会大于正电源电压 Vdc 或小于负电源电压 Vdc 输入电压差经放大后若大于外接电源电压 Vdc 至 Vdc 之范围 其值会等于 Vdc 或 Vdc 故一般运算放大器输出电压均具有如 图 3 7 之特性曲线 输出电压于到达 Vdc 和 Vdc 后会呈现饱和现象 设计 论文 专用纸 第 22 页 共 58 页 图 3 8 放大器输出输入电压关系图 反相放大电路 反相放大电路之接法如图 3 8 同样是使用负反馈电路方式作动 只是此时信 号由反相端输入 故会得到与输入端反相之输出 当输入电压 V1 增大时会使得输出 电压 Vo 下降 此电路可以得到 R1 R2 倍的输出 当 a 点电位为 0V 时 其输出电流 如式 1 为 V1 R2 则1 2 1 10V R R IRV 图 3 9 反相放大电路 反相加法运算电路为若干个输入信号从集成运放的反相输入端引入 输 出信号为它们反相按比例放大的代数和 设计 论文 专用纸 第 23 页 共 58 页 因为UA741输出端电压U等于输入端给定电压U1和反馈电压U2比例和 计算公式为 U R10 R3 R4 R5 R6 8 7 65 2 43 1 RR RR U RR U KC05芯片的使用方法 KC05 适用于双向可控硅或反并联可控硅线路的交流相位控制 具有锯齿波 线性好 移相范围宽 控制方式简单 易于集中控制 有交互保护 输出电流大等 优点 是交流调光 调压的理想电路 同样也适用于半控或全控桥式线路的相位控 制 电参数如下 电源电压 外接直流电压 15V 允许波动 5 10 功能正常 电源电流 l2mA 同步电压 l0V 同步输入端允许最大同步电流 3mA 有效值 移相范围 l70 同步电压 30V 同步输入电阻 10k 移相输入端偏置电流 l0 A 锯齿波幅度 7 8 5V 输出脉冲 a 脉冲宽度 l00 s 2 ms 通过改变脉宽阻容元件达到 b 脉冲幅度 13V c 最大输出能力 200mA 吸收脉冲电流 d 输出反压 BVceo l8V 测试条件 Ie 100 A 允许使用环境温度 l0 70 KC05 内部结构及工作原理示意图 一相调压电路 KC05 电路各点波形 KC05 引脚 图如下图 设计 论文 专用纸 第 24 页 共 58 页 图 3 10 KC05 内部结构及工作原理示意图 图 3 11 KC05 的一相调压电路 设计 论文 专用纸 第 25 页 共 58 页 图 3 12 KC05 电路各点波形 图 3 13 KC05 引脚图 由图 3 10 和图 3 11 可见 VT1 VT2 组成同步检测电路 当同步电压过零时 VT1 VT2 截止从而使 VT3 导通 VT4 对外接电容 C7 充电至 8V 左右 同步过零结束 时 VT1 VT2 导通 VT3 VT4 截止 C7 电容由 VT6 恒流放电 形成线性下降的锯 设计 论文 专用纸 第 26 页 共 58 页 齿波 锯齿波下降的斜率由端点 5 的外接锯齿波斜率电位器 R3 调节 锯齿波送至 VT1 与由引脚 6 引入 VT9 的移相控制电压进行比较放大 经 VT12 VT11 外接 R12 C6 微分 在 VT12 集电极得到一定宽度的移相脉冲 脉冲宽度由 R12 C6 的值 决定 脉冲经 VT13 VT14 功率放大后 在引脚 9 能得到输出电流为 200mA 的触发脉 冲 VT1 是失交保护输出 当输入的移相电压 VT9 基极信号 大于锯齿波峰点电压 VT8 基极信号 约 7 8 5V 时 VT10 VT11 VT12 始终导通 VT13 VT14 截止 引脚 9 停止输出脉冲 导致调压器电压中断 这就是失交现象 把引脚 2 一引脚 12 相连后 就起到失交保护保留脉冲的作用 VT11 出受 VT10 集电极控制外 还受到 引脚 2 控制 引脚 2 是 VT4 的集电极 每当引脚点 15 与引脚点 16 同步电压过零 VT1 VT2 截止 VT3 VT4 就导通一次 VT4 导通实际上使引脚 12 每逢同步电压过 零出现一次零电平 使 VT1 截止 VT1 截止期间 VT12 继续导通 这时直流电源通过 KC05 的 R5 VT12 基极及串联的二极管 VD7 对图 3 13 所示的电容 C6 向 VT13 的基极 提供负偏压 VT12 截止 使 VT13 VT14 导通 引脚 9 在零脉冲过后立即输出脉冲 信号 这样尽管输入信号大于锯齿波峰值 KC05 仍能继续保持输出触发脉冲 而不 致造成调压器输出电压中断的现象 这是 KC05 电路的显著优点 图 3 14 中 R11 103 2 1 同步电压 脉冲变压器的使用方法 脉冲变压器是一种宽频变压器 对通信用的变压器而言 非线性畸变是一个极 重要的指标 因此要求变压器工作在磁心的起始导磁率处 以至即使象输入变压器 那样功率非常小的变压器 外形也不得不取得相当大 除了要考虑变压器的频率特 性 怎样减少损耗也是一个很关心的问题 与此相反 对脉冲变压器而言 因为主要考虑波形传送问题 即使同样是宽频 带变压器 但只要波形能满足设计要求 磁心也可以工作在非线性区域 因此 其 外形可做得比通信用变压器小很多 还有 除通过大功率脉冲外 变压器的传输损 耗一般还不大 因此 所取磁心的尺寸大小取决于脉冲通过时磁通量是否饱和 或 者取决于铁耗引起的温升是否超过允许值 设计 论文 专用纸 第 27 页 共 58 页 今日脉冲变压器的最新分析方法 是将脉冲变压器按分布参数方式来处理 被 称作传输型脉冲变压器 选择脉冲变压器的几点 1 根据工作频率选择触发变压器 按照工作频率 占空比来选择触发器的脉冲 传输宽度 例如 工作频率为 5KHz 占空比为 1 2 则要求脉冲宽度在 60 70us 之 间 考虑一定的余量 可选择传输脉宽在 60 150us 间的触发变压器 对于频率低 于 1KHz 的情形 一般首选传输脉宽在 0 5ms 以上的触发变压器 2 根据触发功率选择触发变压器 一般地可控硅电流容量越大 要求的触发功 率越大 外形可能就大 同时它所要求的控制电源的功率也就越大 主回路为感性 负载时应适当增大触发功率 3 根据触发电路的电压选择变比 一般作用到触发变压器一次侧电压幅值为 18 24v 选择变比为 3 1 的触发变压器 电压幅值为 12 18v 选择变比为 2 1 的 触发变压器 电压值在 6 12v 选择变比为 1 1 的触发变压器 施加在可控硅 G K 上的触发脉冲幅值在 2 4v 电流在 100 300mA 一般脉宽在 20us 以上时 可控 硅即可可靠触开 4 脉冲前沿上升时间应尽量短 选用触发脉冲前沿上升时间短 首个触发脉冲 前沿幅值高的触发变压器 对电路的工作状态会明显改善 国内一般环形铁芯易饱 和 匝数较多 内阻过大 触发电流较小 脉冲上升沿时间较长 5 抗电强度的选择 根据可控硅主回路的工作电压确定触发变压器的耐压等级 6 型号代换 同型号 同规格不同厂家的产品由于材料 生产工艺不同电气指 标会有很大差异 一般触发变压器直流电阻越小触发功率越大 应在触发变压器一 次侧串联几欧至几十欧的限流电阻 取决于可控硅所需要触发功率的大小 对于 可控硅主回路为感性负载的场合 应适当选择脉冲宽度较宽的产品 KMB 0022 脉冲变压器特点 设计 论文 专用纸 第 28 页 共 58 页 采用 EI 型优质硅铜片 工作频率 50 1000Hz 安装高度 25 5mm 坑电强 度 300V 技术参数为 图 3 14 KMB00 型脉冲变压器技术参数总表 外观图和接线图为 图 3 15 外观图和接线图 同步变压器的使用 同步变压器是用来为晶闸管提供同步信号来作为其控制电压的 在晶闸管整流电路中 晶闸管需要一个触发脉冲来控制其导通 而在什么时刻 给可控硅发触发脉冲是要有时间基准的 而这个时间基准通常便是晶闸管的阳极电 设计 论文 专用纸 第 29 页 共 58 页 压 即要使触发脉冲与阳极电压同步 最直接的做法便是引阳极电压来作为触发脉 冲 但是这其中出现一个问题 一般整流桥阳极电压都比较高 不能直接引入控制 装置 因此需要利用一个变压器来降压 并同时起到一定的隔离作用 这个变压器 就是同步变压器 简言之 同步变压器的功能是将晶闸管阳极电压变压来作为此晶闸管的控制信 号 有此作用的变压器就叫做同步变压器 脉冲变压器的外观图为 图 3 16 同步变压器外观图 设计 论文 专用纸 第 30 页 共 58 页 3 3 33 3 3 控制电路电路图控制电路电路图 图 3 17 控制电路电路图 为了保障双向可控硅的可靠导通 要求触发脉冲宽度 30 我采用了双脉冲的 形式 即从脉冲变压器中产生二组脉冲 一组供自身 另一组去补其他一相图 3 19 为脉冲的波形 图中 A 相的补脉冲由 C 相产生 B 相的补脉冲由 A 相产生 C 相的补 脉冲由 B 相产生 这样就形成大于 60 的双脉冲 设计 论文 专用纸 第 31 页 共 58 页 图 3 18 补脉冲波形 3 3 43 3 4 元件明细表元件明细表 表 3 控制电路元件明细表 元件名称型号 大小 数量总数量 电阻24K 3 30K 6 27 3 100K 5 60K 2 1K 3 22 电位器22K 4 4 7K 1 5 脉冲变压器KMB 0022 3 3 二极管IN4004 11 11 同步变压器TC2 1 1 电容0 047uF 4 0 47uF 3 0 1uF 1 1uF 3 10 设计 论文 专用纸 第 32 页 共 58 页 芯片KC05 3 UA741 1 4 电解电容100uF 50V 1 1 稳压二极管2CW15 1 1 设计 论文 专用纸 第 33 页 共 58 页 第四章第四章 调试与制作调试与制作 4 14 1 制作过程制作过程 总体电路图确定之后 又进行电路可行性分析 理论分析无异议后就进入电路 实际制作阶段 接下来就是准备各种元器件 在我们实验室里像电阻 电容这样的 分离元件种类比较齐全 但是像设计中要用到的一些元器件的种类就不是很齐全 就在网上购买了 KMB 0022 脉冲变压器 KC05 芯片 杜邦线等元器件 最重要的问 题就是关于 KMB 0022 脉冲变压器的购买 因为在之前的一些课程设计中没有接触过 这一类元器件 所以在对于 KMB 0022 脉冲变压器 遇到了不小的麻烦 因为在网上 很少有卖 KMB 0022 脉冲变压器的 后再在仉老师和同学的帮助下买到了 因为经过 以前几次的课程设计中自己的焊接技巧得到了比较好的锻炼 所以基本上焊接过程 还是比较顺利 4 24 2 调试过程调试过程 在第一次要给电路通电进行调试的时候 首先要再接线的时候特别的小心 因 为我用的是 380V 的交流电压 以前做的实训 试验等都没有用过这么高的电压 这 是第一次用还是有一些还怕的 所以在调试的时候要对电路的接线进行反复的核实 是否接正确了 一定要做到万无一失 仉老师对我的电路连接帮助我检查了 确定 无误之后才让我接通电源开始第一次的调试 在第一次给电路通电后 发现力矩电机根本不会转动 我想那一定是双向可控 硅没有触发 导通不了 以至于力矩电机转动不了 我就开始测试一下双向可控硅 的门极是否有触发信号 那就是说脉冲变压器输出端没有信号输出 也就是说脉冲 变压器的输入端没有输入信号或者是脉冲变压器本身就坏掉了 我就测试了一下脉 设计 论文 专用纸 第 34 页 共 58 页 冲变压器的输入两端 接电源的一端是有信号的 而接 KC05 芯片 9 脚那一端就没有 的信号了 那就是说双向可控硅触发电路 KC05 芯片电路部分有错误了 我就开始测试检查 了 KC05 芯片的输入端还有信号的 那就是说我的电路焊接出现了问题 我就开始 检查我焊接的电路 我发现还是没有什么太大的问题啊 我就去问了一下仉老师 仉老师就让我看看我的 KC05 芯片的引脚的接法是否全部弄正确了 仉老师还给了我 一个 KC05 芯片引脚接法的电路图让我对照着去看 结果我发现我的电路中 KC05 芯 片的几个引脚的使用出现了问题 引脚焊接错了 在修改过来进行反复的核实电路 的焊接是否还有什么问题 经过很多次的核实检查电路的焊接终于没有错误了 再次 给电路通电后 力矩电机终于会转动了 但是 同时我又发现了电阻 R15 R16 R17 和电容 C8 C9 C10 烧毁掉了 我请教了仉老师帮助我分析测试了 电路 我终于知道了原来是电阻的额定功率不够大导致电阻烧毁了 而电容是额定 电压不够以至于电容烧毁 因为实验室没有我要用的电阻和电容 因此在我在网上 购买回电阻和电容换上以后 又进行了调试 我又给电路接通了电以后 发现力矩电机不会转了这是怎么了啊 为什么以前 回转呢现在不会转了呢 我就开始了从电源部分一点一点的开始测试 电源没有问 题 UA741 输出部分也没有什么问题 在测试 KC05 芯片的时候发现有一相得同步变 压器没有信号给 KC05 芯片我就测试了一下同步变压器 当万用表的表笔碰到同步变 压器的 W 端的接线口的时候 力矩电机转动了 我想那一定是同步变压器的 W 端的 接线没有接好 我就换了一根接线 然后我又检查了一下同类的接线是否还有类似 的情况有的就给统统的换掉了 又检查了一下别的接线是否有虚焊或者接触不良的 地方 等检查完了 又开始了调试 我又给电路接通了电了以后 力矩电机转动了 电阻和电容也没有烧掉了 可 是在调节电位器的时候发现力矩电机的转速没有任何变化 我就开始检查电路 我 发现电路的焊接和接线部分并没有什么错误 再次接通电源以后进行一步一步的测 量 主电路正常 控制电路部分也是正常的 电源部分也是正常的 那就差反馈部 分了 经过我的测试发现 反馈部分没有反馈信号 我就开始怀疑是不是直流测速 设计 论文 专用纸 第 35 页 共 58 页 发电机没有发出电来 然后 我就开始对直流测速发电机进行测试 一开始我直接 用万用表测量看看其有没有电压输出来 测了以后发现没有 我就开始用示波器侧 它的波形也没有测出来 我又用了发光二极管来测还是没有电压 最后仉老师让我 把直流测速发电机的外接线盒拆开一看原来是里面的一根线没有接好 等我接好了 以后一测发现电机有电了 因为直流测速发电机是借来的所以开始不敢怎么去拆 怕把借来的搞坏了 我再次把电路接好了进行调试 在接通电源以后 再次测试了一下发现力矩电 机的调速效果出现了 但是现象很不明显 我就去请教了一下仉老师问一问仉老师 看看她是否有什么办法让我的电路的调速效果明显一点 仉老师给我了很多珍贵的 意见 我就按照仉老师给的意见来尝试一下 首先我在力矩电机上做了以下记号 好让力矩电机在转动的时候看起来现象明显一些 同时在力矩电机和直流测速发电 机上也做了一个记号 用来观察调速时候力矩电机速度变化看起来更加明显 再次 通电调试发现 调试的现象不是很明显 设计 论文 专用纸 第 36 页 共 58 页 结论结论 本次设计的题目是力矩电机调速控制器 设计基本实现了力矩电机的调压调速 控制 通过对本课题的设计与制作 巩固和加深对模电 电机控制等知识的理解 提高综合运用模电 电机控制方面的知识的运用 掌握电子电路设计的基本方法 本课题为应用型研究与设计 具有比较高的应用价值 通过对本课题设计不仅可 以使我所学理论知识得到了综合运用 还利于提高我的动手能力和分析问题 解决 问题的能力 更有利于培养我的工程意识 创新意识和开拓精神 但是 在本课题 的设计过程中也还存在一些不足之处 比如自己在硬件电路的检测 调试和参数确 定过程中 思路还不够清晰 不过在指导老师仉老师的悉心教导下还是比较好的完 成了设计工作 本次毕业设计是我所做过的相对难度最大的一次设计 硬件电路包含的模块比 较多 还有复杂 同时我还了解了 KMB 0022 脉冲变压器 KC05 芯片的使用 通过 这次设计让我更好的了解到了力矩电机的调压调速的工作原理及应用 而且我还发 现了我在硬件电路检测 调试和参数确定方面的不足 自己也会在今后的学习生活 中努力改善 在科技高速发展的今天 工业产品日新月异的今天 力矩电机的广泛应用使它 在工业生产中得到了广泛的使用 它广泛应用于机械制造 纺织 造纸 橡胶 塑 料 金属线材和电线电缆等工业中 从而使它的调速方式也得到了迅速的发展 设计 论文 专用纸 第 37 页 共 58 页 总结与体会总结与