运动控制课程设计--单闭环直流电机控制系统.doc

课 程 设 计课程名称 运动控制系统 课题名称 单闭环直流电机控制系统 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2011 年 12 月 8 日课程设计任务书课程名称： 运动控制系统课程设计 题 目：单闭环直流电机控制系统设计专业班级： 学生姓名： 学号： 指导老师： 审 批： 任务书下达日期 2011年11月 28日设计完成日期 2011年 12月 9 日 设计内容与设计要求一 设计内容：1 系统总体方案确定：1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。1.2系统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、驱动电路、检测与故障保护电路。1.3 主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT 1.4 系统具有完善的保护2. 主电路设计与分析2.1设计主电路；2.2 计算主电路参数并选择主电路元器件选型；2.3 设计主电路保护环节；3. 控制电路设计与分析3.1确定控制电路总体结构，要求采用单闭环控制；3.2 设计速度调节器电路；3.3设计触发电路4. 单闭环直流调速控制系统的调试或仿真4.1 在实验室对设计的单闭环直流调速控制系统进行调试；4.2 设计单闭环直流调速控制系统仿真模型，确定设计系统的性能指标。二 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，给出具体设计电路；3 系统仿真时需给出仿真波形并进行分析。4 绘制总电路图5 写出设计报告； 主要设计条件1 设计依据主要参数1） 输入输出电压：三相交流，380V ;2） 主电路最大输出电压、电流根据电机参数予以确定；3） 要求电机能实现单向无级调速4） 电机型号电机型号1：Z2-22 额定参数2.2KW 220V 12.35A 3000 r/min电机型号2：Z2-71 额定参数30KW 225V 158.5A 3000 r/min 2. 可提供实验设备或上机仿真 说明书格式1 课程设计封面；2 任务书；3 说明书目录；4 系统方案确定；5 主电路设计6 控制电路设计（各单元电路图）；7 系统实验、电路改进、仿真等。8 总结与体会；9 附录（完整的总电路图）；10 参考文献；11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 第一周星期一:课题内容介绍和查找资料； 星期二:总体电路方案确定 星期三:主电路设计星期四:主电路元件选型 星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二三:：系统调试及仿真等星期四五:写设计报告，打印相关图纸； 星期五下午:答辩及资料整理 参 考 文 献1陈伯时运动控制系统机械工业出版社，2006 2王兆安 黄俊电力电子技术（第5版）机械工业出版社，20063刘祖润 胡俊达毕业设计指导机械工业出版社，19954刘星平电力电子技术及电力拖动自动控制系统实验指导书校内，2009年5. 网络相关资料（根据需要上网查询）目 录第一章 绪论111 直流调速系统的概述112 设计内容和要求21.2.1设计内容21.2.2 设计要求31.2.3 设计参数3第二章 系统设计方案42.1闭环调速系统的组成及其静特性42.1.1系统组成52.1.2 静特性52.2 稳态参数计算62.3 传递函数7第三章 主电路设计与分析93.1 转速单闭环直流调速系统原理图93.2 系统元件介绍94.1 方波三角波发生器电路图144.2 PWM装置驱动电路图144.3 PWM装置主电路图15第五章测试结果及问题165.1 实测电路中的波形165.2 连接电路中遇到的问题19总 结20参 考 文 献21 第一章 绪论 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。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。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。11 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。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。12 设计内容和要求1.2.1设计内容2 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. 系统总体方案确定3. 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. 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5. 写出设计报告；1.2.3 设计参数5） 输入输出电压：三相（AC）220（1+15%）、6） 最大输出电压DC300V、电流根据电机功率予以选择7） 要求电机能实现单向无级调速，稳态性能指标D=10,静差率s5%。8） 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。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：n 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。n 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。n 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。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 DUn ，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。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：， （3-1）2.2 稳态参数计算1. 负载时的稳态速降: （3-2）2. 闭环系统的开环放大倍数： （3-3）开环系统额定速降为：则闭环系统的开环放大倍数为： （3-4）因为：（3-5）转速反馈系数:电压放大系数:运算放大器的放大倍数:， （3-6） 2.3 传递函数 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： （3-7）应用PI调节器校正，其传递函数为： ， (3-8) 其中，.校正后传递函数为：应用MATLAB编程画伯德图：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 = 101.7770Pm = 111.6555Wcg = 3.2053e+003Wcp = 14.1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给定电压电路图 图3.1给定电压电路3.2 系统元件介绍（1）74HC0874HC08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）LM311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输入电压（V13） 15VLM311 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）74HC14：六反相斯密特触发器Vcc=+5V （4）UPC4574 V+=+15V V-=-15V（5）UPC4570V+=+15V V-=-15V（6）TLP250：光耦电源电流 Icc=11mA 电源电压Vcc=1035V （7）TD62084引脚I1I8：信号输入端 引脚O1O8：信号输出端引脚9：接地 引脚10：公共端（8）2SK2661：MOSFET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4.3 PWM装置主电路图 图4.3 PWM装置主电路图第五章 测试结果及问题5.1 实测电路中的波形图5.1 UPC45701端口输出电压波形图5.2 UPC45707端口输出电压 波形图5.3调节占空比后的LM311输出电压波形图5.4 74HC08与门输出电压波形图5.5 TD62084输出端B+、B-波形图5.6 TD62084输出端A+、B-波形5.2 连接电路中遇到的问题1、三角波不标准 解决对策：电容原因，电容容量在一定范围内才可以，28003000pf波形是符合要求的。2、LM311波形问题 解决对策：测LM311波形时，必须把5V电源和电阻加上，才能得到需要的波形。3、死去时间3us处理 解决对策：对于电阻、电容的选择要适当，满足公式R*C=3us。4、15V电源处理 解决对策：把V1、V2的G结一起，V1输出电压+15V，V2输出电压-15V。5、地线问题 解决对策：注意控制电路，和驱动电路的地，不是同一个地线，不能共地，应分别共地。6、光耦波形有一路的波形不对称 解决对策：检查电路的连接，发现是电阻的选择选错，本来是22，结果接的是22k。7、电动机电枢两端不存在压差 解决对策：重新检查电路，一步步的检测之前测过的波形，用万用表检查芯片是不是有烧毁的。总 结经过长达五天多的时间，此次设计终于完成了，当电机转动那一刻我不由得鼓掌庆贺，心头禁不住喜悦之情，成功了，一切阴霾都随之而去，第一次在实验室度过了如此长的时光，经过多天的奋斗，感想尤为深刻，就自己所经历的问题及