直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計

1、 畢業(yè)設計(論文)開題報告題 目： 直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計 學 院： 電氣信息學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學生姓名： 文亮 學 號: 2 指導老師： 謝衛(wèi)才 2011年 4月20日開題報告填寫要求1開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效。2開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按此電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見。3“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打印

2、）在本開題報告第一欄目內(nèi)，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于10篇（不包括辭典、手冊），其中至少應包括1篇外文資料；對于重要的參考文獻應附原件復印件，作為附件裝訂在開題報告的最后。4統(tǒng)一用A4紙，并裝訂單獨成冊，隨畢業(yè)設計（論文）說明書等資料裝入文件袋中。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1文獻綜述：結(jié)合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2500字以上的文獻綜述，文后應列出所查閱的文獻資料。文獻綜述一、引言長期以來，由于直流電機具有良好的線性調(diào)速特性，較高的效率，優(yōu)異的動態(tài)特性，廣泛應用在調(diào)速控制中。直流電機速度控制容易、啟動制動性能良好,且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而

3、在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差，所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法，調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓,達到調(diào)速目的，但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。近年來，直流電動機的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計算機進人控制領域以及高開關頻率、全控型第二代電力半導體GTR、GTO、MOSFET、IGBT等的發(fā)展，脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速控制中得到越來

4、越普遍的使用。這種調(diào)速方法具有開關頻率高、低速運行穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)良、效率高等優(yōu)點，更重要的是這種調(diào)速方式很容易在單片機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，使整個調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，操作維護方便，電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平，靜動態(tài)各項指標均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能，因此具有很好的發(fā)展前景。2、 直流電機調(diào)速系統(tǒng)的概述（一）電機基本調(diào)速方法由電機學基本理論可知，直流電動機轉(zhuǎn)速特性方程式為 （2-1）式中n 轉(zhuǎn)速（r/min）；U電樞電壓（V）I電樞電流（A）；R電樞回路總電阻（W）；勵磁磁通（Wb）；由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)；由上式可見，直流電動機調(diào)速方案可有以下三種。1.電

5、樞串電阻調(diào)速圖2-1調(diào)阻調(diào)速特性曲線如圖2-1，總電阻R越大，特性線斜率越大，機械特性越軟。若負載轉(zhuǎn)矩為,對應所需的電樞電流為，則負載大小不變時，總電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。由于電阻耗能大，機械特性軟，調(diào)速范圍窄，不能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場合。2.弱磁調(diào)速圖2-2磁調(diào)速特性曲線普通電動機在額定磁通下運行，鐵芯已接近飽和，不能再增加磁通而只能減小。如圖2-2，減小，增大，特性線斜率也增大。弱磁調(diào)速雖然能實現(xiàn)平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速時才采用。3.調(diào)壓調(diào)速圖2-3調(diào)壓調(diào)速特性曲線如圖2-3，額定勵磁保持不變，理想空載轉(zhuǎn)速隨U減小而減小，各特

6、性線斜率不變，由此可實現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個調(diào)速范圍內(nèi)機械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛采用。（二）直流電機調(diào)速系統(tǒng)的概述調(diào)壓調(diào)速是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電機供電的可控直流電源。隨著可控直流電源的發(fā)展，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)也經(jīng)歷不同的三個階段。1.旋轉(zhuǎn)變流機組直流電機調(diào)速系統(tǒng)如圖2-4，旋轉(zhuǎn)變流機組直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）由交流電動機（異步機或同步機）拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要的直流電動機M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流即可其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速n。這種調(diào)速系統(tǒng)在50年代曾廣泛使用，至今在尚未進行設備更新

7、的地方仍沿用這種系統(tǒng)。但是該系統(tǒng)的設備多、體積大、費用高、效率低、安裝須打地基、運行有噪聲、維護不方便，因此到了60年代就讓位給晶閘管整流器。圖2-4旋轉(zhuǎn)變流機組直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）2.晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng) 采用閘流管或汞弧整流器的離子拖動系統(tǒng)是最早應用靜止式變流裝置供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。1957年，晶閘管（俗稱“可控硅”）問世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，并應用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，即晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）。如圖2-5，VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。晶

8、閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性；晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，在60年代到70年代，晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）代替旋轉(zhuǎn)變流機組直流電動機調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)），得到了廣泛的應用。但是由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難；晶閘管對過電壓、過電流和過高的與都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。另外，由諧波

9、與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”，因此必須添置無功補償和諧波濾波裝置。圖2-5晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）3.直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)圖2-6直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)架和電壓波形 如圖2-6，VT用開關符號表示任何一種電力電子開關器件，VD表示續(xù)流二極管，通過控制VT的導通時間來控制直流電動機的電樞的平均電壓，從而控制電動機轉(zhuǎn)速n。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)架簡單，但電機不能反轉(zhuǎn)和制動，電流也不連續(xù)?，F(xiàn)在最常用的是橋式（亦稱H性）PWM調(diào)速系統(tǒng)，其可使電動機在四個象限運行；保持電樞電流的連續(xù)性。70年代以來研制了多種“全控式”電力電子器件，如快

10、速晶閘管、GTO、MOSFET、GTR、IGBT，并具有開關速度快、高頻特性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、無二次擊穿問題等顯著優(yōu)點。它們不斷完善給PWM控制技術(shù)提供了強大的物質(zhì)基礎。另外，微處理器（尤其是單片機）進入直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)，起控制器的作用。使的直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，迅速發(fā)展，日益廣泛的應用，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。參考文獻1 賀益康.電機控制.浙江:浙江大學出版社,2010.5.2 胡虔生.電機學.北京:中國電力出版社,2005.8.3 張方.電機及拖動基礎.北京:中國電力出版社，2008.4.4

11、楊紅玉.利用PCI-1780實現(xiàn)直流電動機PWM調(diào)速.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008.2.5 王志良.電力電子新器件及其應用技術(shù).北京：國防工業(yè)出版社，1995.6 吳守箴，戚英杰.電氣傳的脈寬調(diào)制控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社.7 賈玉瑛，王臣.基于單片機控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng).包頭鋼鐵學院學報，2005.8 王迎旭.單片機原理與應用M.北京：機械工業(yè)出版社，2004.7.9 曹琳琳單片機原理應用及接口技術(shù)M國防科技大學出版社.10 王曉明.電動機的單片機控制。北京航天航空大學出版社11 胡巖、武建文。小型電動機現(xiàn)代實用. 機械工業(yè)出版社12 巨永鋒.單片控制的PWM的系統(tǒng)設計.電氣自動化

12、199613 周美蘭 單片機電機節(jié)能控。 哈爾濱理工大學 200414 潘俊民無刷直流電動機控制系統(tǒng)仿真計算機仿真200215 王志良.電力電子新器件及其應用技術(shù). 北京：國防科技大學出版社16 曲學基、曲敬鎧、于明揚：電力電子整流技術(shù)及應用，電子工業(yè)出版社 200817 左玉蘭馬宗龍:直流電機調(diào)速系統(tǒng)的單片機控制J集成電路應用，1999 18 王兆安黃俊:電力電子技術(shù)機械工業(yè)出版社,200019Boudreaux R R，Nelms R M，Hung John Y. Simulation and Modeling of a DC DC converter controlled by an 8

13、 bit microcontroller. IEEE-APEC.2，1997. 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告開題報告：一、課題的目的與意義；二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望；三、課題主要內(nèi)容和要求；四、研究方法、步驟和措施 開 題 報 告1、 課題的目的與意義 直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調(diào)速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調(diào)試困難，阻

14、礙了直流電動機控制技術(shù)的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術(shù)的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術(shù)來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構(gòu)成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。目前，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特

15、別是單片機技術(shù)的應用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。2、 課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的驅(qū)動設備，目前在直流電動機拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的KZD拖動系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機的FD系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。直流電機調(diào)速基本原理是比較簡單的（相對于交流電機），只要改變電機的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見的一種PWM脈寬調(diào)制，調(diào)

16、節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)。3、 課題主要內(nèi)容和要求 本課題以直流電機衛(wèi)控制對象研究其控制系統(tǒng)的設計方法。設計包括軟件設計和硬件設計兩部分，系統(tǒng)的硬件部分主要由C8051單片機系統(tǒng)主電路、反饋電路組成。還要通過軟件編程。 主要的設計內(nèi)容：（1）、掌握直流電機的原理、結(jié)構(gòu)；（2）、研究直流電機控制方法；（3）、完成調(diào)速系統(tǒng)置電路結(jié)構(gòu)和原理設計，進行參數(shù)計算與元器件選擇；（4）、設計控制電路；（5）、系統(tǒng)的電磁相容性（EMC）設計；（6）、編寫設計說明書等。4、 研究方法、步驟和措施 本課題的設計可通過以下步驟完成：（1）查閱相關資料，搜集課題所需資料，了解課題現(xiàn)狀、課題研究的目的和意義，做好選題報