电机拖动控制系统课程设计

1、课程设计说明书课程名称： 电机拖动控制系统课程设计 专业： 自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 成绩： 完成日期： 年 月 日任 务 书题目：直流调速系统的设计设计内容及要求：单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统的设计（一）主回路方案确定主要电气设备的计算和选择：1、整流变压器的计算2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算。3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。（二）控制回路选择反馈元件的选择，调节器的设计（三）画出闭环调速系统电气原理图（四）撰写设计说明书（报告）设计环境： 主要由主电路和控制电路组成，主电路由开关，交流接触器，晶闸管整流装置，保

2、护器件，直流电动机和测速装置组成，控制电路主要由运算放大器构成的控制器组成。实现目标：1、使学生进一步熟悉和掌握闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。 2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。 3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其计算。 4、掌握电流、速度调节器的典型设计方法。 5、掌握电气系统线路图绘制方法。 6、掌握撰写课程设计报告的方法。摘 要本课程设计需要设计的直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电力拖动中获得了广泛应用。本课程设计从直流电动机的工作原理入手，建立了单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统的数

3、学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照电力拖动自动控制原理，对单闭环直流调速系统和双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，在理论分析的基础上，设计了单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统，详细介绍了调速系统控制电路的检测环节，运算放大环节，光电编码器等电路的具体实现。对系统的性能指标进行了严格计算，表明所设计的单闭环直流调速系统和双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。关键词：直流电机；直流调速系统；单闭环直流；电流调节器；双闭环系统 目 录1 单闭环直流调速系统主电路的设计11.1 整流变压器参数的计算11.2 整流器件晶闸管的参数计算及选择

4、11.3 阻容保护电路参数的计算及选择【1】21.4 单闭环调速系统主电路电路32 单闭环直流调速系统控制电路的设计52.1 调速系统控制电路的检测环节52.2 lm331芯片简介及工作原理52.3 运算放大环节72.4 单闭环调速系统控制电路电气原理图83 双闭环直流调速系统主电路的设计93.1 主电路元件的选择及参数的计算93.2 保护环节的选择与计算103.3 双闭环直流调速系统主电路与控制电路电气原理图114 双闭环直流调速系统控制电路的设计124.1 调节器的选择及设计124.2 转速环的设计13总 结16参考文献171 单闭环直流调速系统主电路的设计1.1 整流变压器参数的计算整流

5、变压器参数的计算，根据整流电路的型式和负载所要求的整流电压和整流电流，计算二次电压、二次电流和一次电流，进而计算其一次、二次容量、及平均计算容量s。由表1.1和表1.2可知变压器二次测相电压的计算公式为:在要求不太精确的情况下，可由简化式确定：所以变压器电压比为：二次侧相电流： 一次侧相电流：一次容量：二次容量：平均计算容量：1.2 整流器件晶闸管的参数计算及选择由表1.3可直接求整流元件晶闸管的额定参数。由变压器二次侧相电压：负载最大电流：，查表1.3得：，又因为 所以，取，。所以选择4个电压为150v，电流为8a的晶闸管。1.3 阻容保护电路参数的计算及选择【1】由公式： 1.4 单闭环调

6、速系统主电路电路单闭环调速系统主电路电路如图1.1所示：图1.1单闭环调速系统主电路电路图相关量参数表表1.1 几种整流线路变压器电压计算系统电路型式ac电路型式ac单相桥式0.90.707三相桥式2.340.5表1.2 整流变压器计算参数线路型式负载性质单相桥式全控电感性负载0.911.111.111.11三相桥式全控电感性负载2.341.221.051.051.05 表1.3 整流元件的最大峰值电压和额定电流的计算系数整流主电路单相桥式三相桥式电感负载0.450.3682 单闭环直流调速系统控制电路的设计2.1 调速系统控制电路的检测环节光电编码器e6b2_c。光电编码器是一种通过光电转换

7、将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。接线如图2.1。图2.1 光电编码器接线图2.2 lm331芯片简介及工作原理lm331 是美国ns公司生产的性能价格比较高的集成芯片。 lm331可用作精密的频率电压（

8、f/v）转换器、a/d转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其他相关的器件。lm331 为双列直插式 8 脚芯片。lm331 内部有:输入比较电路,定时比较电路,r-s触发电路,复零晶体管,输出驱动管,能隙基准电路,精密电流源电路,电流开关,输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应ttl、dtl和cmos 等不同的逻辑电路。此外，lm331 可采用单/双电源供电，电压范围为 440v，输出也高达 40v。ir（pin1）为 电流源输出端，在f（pin3）输出逻辑低电平时，电流源ir 输出对电容cl充电。引脚 2（

9、pin2）为增益调整， 改变rs的值可调节电路转换增益的大小。f（pin3）为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由rt和ct决定。 引脚4（pin4）为电源地。引脚5（pin5）为定时比较器正相输入端。引脚 6（pin6）为输入比较器反相输入端。引脚 7（pin7）为输入比较器正相输入端。引脚 8（pin8）为电源正端。lm331采用单电源供电，电源电压vcc，模拟信号 的输入范围-vcc0v,频率范围为1500khz，非线性低于0.01。模拟信号 经积分器积分处理后,在input端变成与输入电压 成正比的稳定电流输入,通过lm331芯片进行v/f转换后,变成与电压成正比的频率信号,fout端

10、输出的频率信号送到计算机的计数/定时端口,计算机对频率信号进行采集、处理、存储。从而实现模拟信号到数字信号的转换。由于lm331的转换线性度直接影响转换结果的准确性，而通常引起v/f转换产生非线性误差的原因是引脚1的输出阻抗，它使输出电流随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度v/f转换器在1脚和7脚间加入了一个积分器，这个积分器是由常规运放lf356和积分电容c4构成的反积分器。内部电路图如图2.2。图2.2 内部电路图2.3 运算放大环节运放ml324：lm324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0v-32v或+1

11、6v。lm324的特点：(1)短跑保护输出(2)真差动输入级(3)可单电源工作：3v-32v(4)低偏置电流：最大100na（lm324a）(5)每封装含四个运算放大器(6)具有内部补偿的功能(7)共模范围扩展到负电源(8)行业标准的引脚排列(9)输入端具有静电保护功能。2.4 单闭环调速系统控制电路电气原理图单闭环调速系统控制电路电气原理如图2.3所示：图2.3 单闭环调速系统控制电路电气原理图3 双闭环直流调速系统主电路的设计3.1 主电路元件的选择及参数的计算查表1.1和由表1.2可直接求出整流变压器的额定参数得：，忽略时有：所以变压器电压比为：二次侧相电流：一次侧相电流：一次容量： 二

12、次容量：平均计算容量：整流元件晶闸管的额定电流和额定电压的计算：由表1.2所提供的数据可直接求整流元件晶闸管的额定参数。变压器二次侧相电压负载最大电流又查表1.3知 ，因此，取500v；，取7a。3.2 保护环节的选择与计算由公式： 熔断器的额定电流即为晶闸管的额定电流130a【1】。3.3 双闭环直流调速系统主电路与控制电路电气原理图双闭环直流调速系统主电路如图3.1所示：图3.1 双闭环直流调速系统主电路原理图双闭环直流调速系统控制电路电气原理如图3.2所示：km2图3.2 控制电路电气原理图4 双闭环直流调速系统控制电路的设计直流他励电动机：功率pe1.5kw，额定电流ie=7.7a，额

13、定电压ue=220v，磁极对数p=1，ne=1500r/min,励磁电压220v,电枢绕组电阻ra=2.5,主电路总电阻r8，l260.25mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，ks=68.4，机电时间常数tm=126.2ms，滤波时间常数ton=toi=0.0026s，过载倍数1.3，电流给定最大值，速度给定最大值。4.1 调节器的选择及设计(一)电流环的设计【2】1确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数三相桥式电路的平均失控时间： 。(2)电流滤波时间常数。(3)电流环小时间常数按小时间常数近似处理，取。2选择电流调节器结构根据设计要求：，而且 因此电流环可按典型型系统设计。电流调节

14、器选用pi型，其传递函数为： 3选择电流调节器参数acr超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，应取（见表42），因此 于是，acr的比例系数为: 4校验近似条件电流环截止频率 (1)晶闸管装置传递函数近似条件： 现在 满足近似条件。(2)忽略反电动势对电流环影响的条件： 现在，满足近似条件。(3)小时间常数近似处理条件：现在，满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容【2】 电流调节器原理图如图4-21，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下:由公式 得，取 得 取 得，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：（见表42），满足设计要求。4.2 转速环的设计(二)转速环的设计【2】1

15、确定时间常数(1)电流环等效时间常数为(2)转速滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，。(3)转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取2选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故asr选用pi调节器，其传递函数为：3选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则 asr的超前时间常数为：转速环开环增益：于是，asr的比例系数由式（4-76）为：4校验近似条件由式（4-24），转速环截止频率为：(1)电流环传递函数简化条件: 现在满足简化条件。(2)时间常数近似处理条件： 现在 满足近似条件。5计算调节器电阻和电容【

16、2】取，则 6校核转速超调量由式得：当时，而因此能满足设计要求。要求缩小为1%，即缩小即可，所以把大约缩小6倍，=2（）+=2+0.0034=0.0187取 =0.0102 =0.0051。总 结通过这次电机拖动控制系统课程设计，使我对直流单闭环和双闭环调速系统有了更深的理解，巩固了课上所学的知识，使自己独立思考的能力有了不小的提高。知道了怎么运用老师所教的知识，好好的学习它使用它，对我们有很大的帮助。这次电机拖动控制系统课程设计让我将平时上课学到书本上的知识有了更进一步的理解。对这些知识有了深刻的领悟，使我的知识面更广了，同时使我的实践能力又加强了很多。让我们面对生活中的应用有了更好的思考方法，提高了对电机拖动控制系统的应用。在没有做课程设计以前，我对所学的知识并没有很好的应用，对一些细节不加重视，当我把自己想出来的程序与做课程设计中的时候，问题出现了，不是参数计算不全，就是有的电路连的不完整，达不到课程设计的要求。通过和组员的合作，讨论没有达到结果的地方，不但加强了我的合作意识，并认真听老师所讲的，而且对单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统的数学模型也更加深刻的理解，到了实践与理论的差距。使自己学到了不少知识，收获也很大。在整个设计中我懂得了许多东西，也增强了自己的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，而且大大提高了动手的能力，在设计过程中所学到的