课程设计单闭环直流电机控制系统

运动控制课程设计运动控制课程设计 题目题目 单闭环直流电机控制系统 院院 系系 工学院 专专 业业 电气工程及其自动化 班班 级级 电气工程 1402 姓姓 名名 汤安琪 学学 号号 201402012011 指导教师指导教师 王玮 二二 一七年二月一七年二月 烟台南山学院课程设计 运动控制系统课程设计任务书运动控制系统课程设计任务书 一 基本情况一 基本情况 学时 1 周 学分 1 学分 适应班级 电气工程 1402 二 进度安排二 进度安排 本设计共安排 1 周 合计 30 学时 具体分配如下 实习动员及准备工作 2 学时 总体方案设计 4 学时 硬件设计 12 学时 撰写设计报告 8 学时 答辩 4 学时 教师辅导 随时 三 基本要求三 基本要求 1 课程设计的基本要求 运动控制系统课程设计的主要内容包括 理论设计与撰写设计 报告等 其中理论设计又包括总体方案选择 硬件系统设计 硬件 设计包括单元电路 选择元器件及计算参数等 课程设计的最后要 求是写出设计总结报告 把设计内容进行全面的总结 若有实践条 件 把实践内容上升到理论高度 2 课程设计的教学要求 运动控制系统课程设计课程设计的教学采用相对集中的方式进 行 以班为单位全班学生集中到设计室进行 做到实训教学课堂化 严格考勤制度 在实训期间累计旷课达到 2 节以上 或者迟到 早 烟台南山学院课程设计 退累计达到 4 次以上的学生 该课程考核按不及格处理 在实训期 间需要外出查找资料 必须在指定的时间内方可外出 课程设计的任务相对分散 每 5 6 名学生组成一个小组 完成一个 课题的设计 小组成员既有分工 又要协作 同一小组的成员之间 可以相互探讨 协商 可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验 但每个学生必须单独完成设计任务 要有完整的设计资料 独立撰 写设计报告 设计报告雷同率超过 60 的课程设计考核按不及格处 理 四 设计题目及控制要求四 设计题目及控制要求 题目 题目 单闭环直流电机控制系统 设计参数 1 直流电机 12V20W UP NN 1 5AIN 电枢电阻 电枢电感 300r minnN 4 5 Ra 2 2a 15 68N cm6 76mH GDL 30msTm 2 双闭环直流调速系统 Ndmim n 1 5I5V I5V UU 5 i 设计要求 设计要求 1 根据题目的技术要求 分析并确定主电路的结构形式和闭 环调速系统的组成 画出系统组成的原理框图 2 调速系统主电路元部件的确定及其参数的计算 包括电力 电子器件 平波电抗器与保护电路等 3 动态设计计算 根据技术要求 对系统进行动态校正 确 定调节器的结构形式及进行参数计算 使调节系统工作稳定 并满 足动态性能指标的要求 烟台南山学院课程设计 五 设计报告五 设计报告 设计完成后 必须撰写课程设计报告 设计报告必须独立完成 格式符合要求 文字 不含图形 程序 不少于 3000 字 图形绘 制规范 设计报告的格式如下 1 封面 2 摘要 3 目录 4 正文 1 所作题目的意义 本人所做的工作及系统的主要功能 2 方案选择及论证 3 硬件电路设计及描述 包括硬件的选型及电路图 输入输出 接线图等的设计 5 心得体会 6 参考文献不少于 5 篇 要至少有 2 篇近 5 年的参考文献 六 考核方法六 考核方法 运动控制系统课程设计的考核方式为考查 考核结果为优秀 良好 中等 及格和不及格五等 分数在 90 100 之间为优秀 80 89 分之间为良好 70 79 分之间为中等 60 69 分之间为及格 60 分以下为不及格 考核分三个方面进行 平时表现 20 设计答辩 30 设计报 告 50 有下列情形之一者 课程设计考核按不及格处理 1 设计期间累计迟到 早退达 4 次 2 设计期间累计旷课达 2 节 烟台南山学院课程设计 3 设计报告雷同率超过 50 或无设计报告 4 不能完成设计任务 达不到设计要求 烟台南山学院课程设计 摘 要 直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用 直 流电动机具有良好的起 制动性能和调速性能 易于在大范围内平 滑调速 且调速后的效率很高 针对直流电机调速的方法也很多 目前国内外也研究了一些调速的控制器 直流调速是指人为地或自 动地改变直流电动机的转速 以满足工作机械的要求 从机械特性上 看 就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的 机械特性 从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点 使 电动机的稳定运转速度发生变化 直流电动机有三种调速方法 分别是改变电枢供电电压 励磁 磁通和电枢回路电阻来调速 对于要求在一定范围内无级平滑调速 的系统来说 以调节电枢电压方式为最好 调压调速是调速系统的 主要调速方式 关键词 直流电动机 调速 烟台南山学院课程设计 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 直流调速系统的概述 1 1 2 设计内容和要求 2 1 2 1 设计内容 2 1 2 2 设计要求 2 1 2 3 设计参数 3 第二章第二章 系统设计方案系统设计方案 4 2 1 闭环调速系统的组成及其静特性 5 2 1 1 系统组成 5 2 1 2 静特性 6 2 2 稳态参数计算 6 2 3 传递函数 7 第三章第三章 主电路设计与分析主电路设计与分析 10 3 1 转速单闭环直流调速系统原理图 10 3 2 系统元件介绍 11 第四章第四章 控制电路设计与分析控制电路设计与分析 15 4 1 方波三角波发生器电路图 15 4 2 PWM 装置驱动电路图 15 4 3 PWM 装置主电路图 16 第五章第五章 测试结果及问题测试结果及问题 17 5 1 实测电路中的波形 17 5 2 连接电路中遇到的问题 20 总总 结结 21 参参 考考 文文 献献 22 烟台南山学院课程设计 第 1 页 1 第一章 绪论 1 1 直流调速系统的概述 三十多年来 直流电机调速控制经历了重大的变革 首先实现 了整流器的更新换代 以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发 电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进 同时 控制电路已经实现高集成化 小型化 高可靠性及低成本 以上技术的应用 使直流调速系统的性能指标大幅提高 应用范围 不断扩大 直流调速技术不断发展 走向成熟化 完善化 系列化 标准化 在可逆脉宽调速 高精度的电气传动领域中仍然难以替代 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 金属切削机床 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应 用 例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国 际先进的 IGBT 大功率模块器件和独特自行设计的 PWM 微电子控制 技术 以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路 适用于无轨 机车 矿山井下窄轨机车 磨床 木工机械 服装制作 纺织 造 纸印刷等场所 该控制器具有调速平稳 安全可靠 提高生产效率 直流电机正反转控制简便 可以与计算机连接控制等特点 近年来 交流调速系统发展很快 然而直流拖动系统无论在理论上和实践上 都比较成熟 并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 所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作 用 烟台南山学院课程设计 第 2 页 2 1 2 设计内容和要求 1 2 1 设计内容 1 电路功能电路功能 1 用晶闸管整流实现直流调压 控制直流电动机的转速连 续可调 采用转速调节器构成单闭环控制系统 2 电路由主电路与控制电路组成 主电路主要环节 整流 电路及保护电路 控制电路主要环节 触发电路 电压电流检测单 元 调节器电路 驱动电路 检测与故障保护电路 3 主电路电力电子开关器件采用晶闸管 4 系统具有完善的保护 2 2 系统总体方案确定系统总体方案确定 3 3 主电路设计与分析主电路设计与分析 1 确定主电路方案 2 主电路元器件的计算及选型 4 4 控制电路设计与分析控制电路设计与分析 1 检测电路设计 2 功能单元电路设计 3 触发电路设计 4 调节器参数的设计 1 2 2 设计要求 1 设计思路清晰 给出整体设计框图 2 单元电路设计 给出具体设计思路和电路 3 分析所有单元电路与总电路的工作原理 并给出必要的波形 分析 4 绘制总电路图 烟台南山学院课程设计 第 3 页 3 5 写出设计报告 1 2 3 设计参数 1 输入输出电压 三相 AC 220 1 15 2 最大输出电压 DC300V 电流根据电机功率予以选择 3 要求电机能实现单向无级调速 稳态性能指标 D 10 静差 率 s 5 4 电机型号 电机型号 Z2 71 功率 10KW 额定电压为 220V 额定电流为 55A 额 定转速为 1000r min 飞轮力矩为 1 0kg m2 效率为 83 电枢 电阻 Ra 0 5 烟台南山学院课程设计 第 4 页 4 第二章 系统设计方案 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 以调节电枢 供电电压的方式为最好 改变电阻只能有级调速 减弱磁通虽然能 够平滑调速 但调速范围不大 往往只是配合调压方案 在基速 即电机额定转速 以上作小范围的弱磁升速 因此 自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主 调压调速是直流调速系统的主要方法 而调节电枢电压需要有 专门向电动机供电的可控直流电源 常用的可控直流电源有以下三 种 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 以获 得可调的直流电压 静止式可控整流器 用静止式的可控整流器 以获得可调的 直流电压 直流斩波器或脉宽调制变换器 用恒定直流电源或不控整流 电源供电 利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制 以产生可 变的平均电压 直流 PWM 调速系统作为一种新技术 发展迅速 应用日益广 泛 特别在中 小容量的系统中 已取代 V M 系统成为主要的直 流调速方式 本次设计就是采用直流 PWM 调速 PWM 变换器的作用是 用 PWM 调制的方法 把恒定的直流 电源电压调制成频率一定 宽度可变的脉冲电压系列 从而可以改 变平均输出电压的大小 以调节电机转速 烟台南山学院课程设计 第 5 页 5 2 1 闭环调速系统的组成及其静特性 根据自动控制原理 反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进 行控制的系统 只要被调量出现偏差 它就会自动产生纠正偏差的 作用 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差 显然 引入 转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落 2 1 1 系统组成 图 3 1 采用转速负反馈的闭环调速系统 调解原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中 与电动机同轴 安装一台测速发电机 TG 从而引出与被调量转速成正比的负反 馈电压 Un 与给定电压 U n 相比较后 得到转速偏差电压 Un 经过放大器 A 产生电力电子变换器 UPE 的控制电压 Uc 用 以控制电动机转速 n 烟台南山学院课程设计 第 6 页 6 2 1 2 静特性 图 3 2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图 图中各方块内的符号代表该环节的放大系数 运用结构图运算 法同样可以推出式 3 1 所表示的静特性方程式 如下 3 3 1 1 KC RI KC UKK n e d e n sp 1 1 2 2 稳态参数计算 1 负载时的稳态速降 min 89 7 05 0 1 20 05 0 3000 1 r SD Sn n N cl 3 23 2 2 闭环系统的开环放大倍数 3 33 3 rVrV n RIU C N aNN e min 0071 0 min 3000 8 15 124 开环系统额定速降为 5 4 min 70 950min 0071 0 5 45 1 Rrr C RI n e N op 烟台南山学院课程设计 第 7 页 7 则闭环系统的开环放大倍数为 3 43 4 49 1191 89 7 70 950 1 cl op n n K 因为 msTms f TmsT lsm 2 2 1 0 1 30 3 3 120 314 1 02 2 1 0 1 02 2 30 2 2 K TT TTTT K sl sslml 取 5 5 转速反馈系数 rVrV n U N n min 00167 0 min 3000 5 电压放大系数 7 7 12 3 7 7 24 0 0 VU U U K cm cm do s 运算放大器的放大倍数 3 63 6 52 163 12 3 00167 0 0071 0 120 es p CK K K 164 p K取 2 3 传递函数 烟台南山学院课程设计 第 8 页 8 图 3 3 反馈控制闭环调速系统的动态结构图 由图可见 反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是 103 0 000066 0 10001 0 120 1 1 2 2 sss sTsTTsT K sW mlms 3 7 3 7 1027610 0 1002391 0 10001 0 120 sss 应用 PI 调节器校正 其传递函数为 3 8 3 8 s sK sW pi pi 1 其中 10 10 100 K K KpisFK0033 0 33 0 10 校正后传递函数为 102761 0 1002391 0 10001 0 75 217186 7 ssss s sW 应用 MATLAB 编程画伯德图 烟台南山学院课程设计 第 9 页 9 其程序为 num 7 186 217 75 den conv 1 0 conv 0 0001 1 conv 0 002391 1 0 02761 17 bode num den Gm Pm Wcg Wcp margin num den 结果为 Gm 101 7770 Pm 111 6555 Wcg 3 2053e 003 Wcp 14 1 烟台南山学院课程设计 第 10 页 10 第三章 主电路设计与分析 3 1 转速单闭环直流调速系统原理图 图 3 1 给定电压电路 烟台南山学院课程设计 第 11 页 11 3 2 系统元件介绍 1 1 74HC0874HC08 74HC08 为四组 2 输入端与门 1A 4A 输入端 1B 4B 输入端 1Y 4Y 输出端 Vcc 5v 2 2 LM311LM311 地到负电源电压 v14 30V 输出到负电源电压 V74 40V 总电源电压 V84 36V 烟台南山学院课程设计 第 12 页 12 输入电压 V13 15V LM311 双列 8 引脚图 引脚功能 引脚 1 接地 引脚 2 正向输入端 引脚 3 反向输入端 引脚 7 输出端 引脚 5 平衡 引脚 6 平衡 选通 引脚 8 V 15V 引脚 4 V 15V 3 3 74HC1474HC14 六反相斯密特触发器 Vcc 5V 烟台南山学院课程设计 第 13 页 13 4 4 UPC4574UPC4574 V 15V V 15V 5 5 UPC4570UPC4570 V 15V V 15V 烟台南山学院课程设计 第 14 页 14 6 6 TLP250TLP250 光耦 光耦 电源电流 Icc 11mA 电源电压 Vcc 10 35V 7 7 TD62084TD62084 引脚 I1 I8 信号输入端 引脚 O1 O8 信号输出端 引脚 9 接地 引脚 10 公共端 8 8 2SK26612SK2661 MOSFETMOSFET 管管 漏极 源极额定电压 VDSS 500V 漏极 门极额定电压 RGS 20 时 VDGR 500V 门极 源极额定电压 VGSS 30V 烟台南山学院课程设计 第 15 页 15 第四章 控制电路设计与分析 4 1 方波三角波发生器电路图 图 4 1 方波三角波发生器电路图 4 2 PWM 装置驱动电路图 图 4 2 PWM 装置驱动电路图 烟台南山学院课程设计 第 16 页 16 4 3 PWM 装置主电路图 图 4 3 PWM 装置主电路图