電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱： 電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 專業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成績： 完成日期： 年 月 日任 務(wù) 書題目：直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）主回路方案確定主要電氣設(shè)備的計(jì)算和選擇：1、整流變壓器的計(jì)算2、晶閘管整流元件：電壓定額、電流定額計(jì)算。3、系統(tǒng)各主要保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)：快速熔斷器計(jì)算選擇、阻容保護(hù)計(jì)算選擇計(jì)算。（二）控制回路選擇反饋元件的選擇，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（三）畫出閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖（四）撰寫設(shè)計(jì)說明書（報(bào)告）設(shè)計(jì)環(huán)境： 主要由主電路和控制電路組成，主電路由開關(guān)，交流接觸器，晶閘管整流裝置，保

2、護(hù)器件，直流電動(dòng)機(jī)和測(cè)速裝置組成，控制電路主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成的控制器組成。實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：1、使學(xué)生進(jìn)一步熟悉和掌握閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)工作原理，了解工程設(shè)計(jì)的基本方法和步驟。 2、熟練掌握主電路結(jié)構(gòu)選擇方法，主電路元器件的選型計(jì)算方法。 3、熟練掌握過電壓、過電流保護(hù)方式的配置及其計(jì)算。 4、掌握電流、速度調(diào)節(jié)器的典型設(shè)計(jì)方法。 5、掌握電氣系統(tǒng)線路圖繪制方法。 6、掌握撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告的方法。摘 要本課程設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)的直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電力拖動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用。本課程設(shè)計(jì)從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)

3、學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照電力拖動(dòng)自動(dòng)控制原理，對(duì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了調(diào)速系統(tǒng)控制電路的檢測(cè)環(huán)節(jié)，運(yùn)算放大環(huán)節(jié)，光電編碼器等電路的具體實(shí)現(xiàn)。對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了嚴(yán)格計(jì)算，表明所設(shè)計(jì)的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；直流調(diào)速系統(tǒng)；單閉環(huán)直流；電流調(diào)節(jié)器；雙閉環(huán)系統(tǒng) 目 錄1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)11.1 整流變壓器參數(shù)的計(jì)算11.2 整流器件晶閘管的參數(shù)計(jì)算及選擇

4、11.3 阻容保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算及選擇【1】21.4 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路電路32 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)52.1 調(diào)速系統(tǒng)控制電路的檢測(cè)環(huán)節(jié)52.2 lm331芯片簡介及工作原理52.3 運(yùn)算放大環(huán)節(jié)72.4 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路電氣原理圖83 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)93.1 主電路元件的選擇及參數(shù)的計(jì)算93.2 保護(hù)環(huán)節(jié)的選擇與計(jì)算103.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路與控制電路電氣原理圖114 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)124.1 調(diào)節(jié)器的選擇及設(shè)計(jì)124.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)13總 結(jié)16參考文獻(xiàn)171 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)1.1 整流變壓器參數(shù)的計(jì)算整流

5、變壓器參數(shù)的計(jì)算，根據(jù)整流電路的型式和負(fù)載所要求的整流電壓和整流電流，計(jì)算二次電壓、二次電流和一次電流，進(jìn)而計(jì)算其一次、二次容量、及平均計(jì)算容量s。由表1.1和表1.2可知變壓器二次測(cè)相電壓的計(jì)算公式為:在要求不太精確的情況下，可由簡化式確定：所以變壓器電壓比為：二次側(cè)相電流： 一次側(cè)相電流：一次容量：二次容量：平均計(jì)算容量：1.2 整流器件晶閘管的參數(shù)計(jì)算及選擇由表1.3可直接求整流元件晶閘管的額定參數(shù)。由變壓器二次側(cè)相電壓：負(fù)載最大電流：，查表1.3得：，又因?yàn)?所以，取，。所以選擇4個(gè)電壓為150v，電流為8a的晶閘管。1.3 阻容保護(hù)電路參數(shù)的計(jì)算及選擇【1】由公式： 1.4 單閉環(huán)調(diào)

6、速系統(tǒng)主電路電路單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路電路如圖1.1所示：圖1.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)主電路電路圖相關(guān)量參數(shù)表表1.1 幾種整流線路變壓器電壓計(jì)算系統(tǒng)電路型式ac電路型式ac單相橋式0.90.707三相橋式2.340.5表1.2 整流變壓器計(jì)算參數(shù)線路型式負(fù)載性質(zhì)單相橋式全控電感性負(fù)載0.911.111.111.11三相橋式全控電感性負(fù)載2.341.221.051.051.05 表1.3 整流元件的最大峰值電壓和額定電流的計(jì)算系數(shù)整流主電路單相橋式三相橋式電感負(fù)載0.450.3682 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)2.1 調(diào)速系統(tǒng)控制電路的檢測(cè)環(huán)節(jié)光電編碼器e6b2_c。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換

7、將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號(hào)。接線如圖2.1。圖2.1 光電編碼器接線圖2.2 lm331芯片簡介及工作原理lm331 是美國ns公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片。 lm331可用作精密的頻率電壓（

8、f/v）轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器以及其他相關(guān)的器件。lm331 為雙列直插式 8 腳芯片。lm331 內(nèi)部有:輸入比較電路,定時(shí)比較電路,r-s觸發(fā)電路,復(fù)零晶體管,輸出驅(qū)動(dòng)管,能隙基準(zhǔn)電路,精密電流源電路,電流開關(guān),輸出保護(hù)點(diǎn)路等部分。輸出管采用集電極開路形式，因此可以通過選擇邏輯電流和外接電阻，靈活改變輸出脈沖的邏輯電平，從而適應(yīng)ttl、dtl和cmos 等不同的邏輯電路。此外，lm331 可采用單/雙電源供電，電壓范圍為 440v，輸出也高達(dá) 40v。ir（pin1）為 電流源輸出端，在f（pin3）輸出邏輯低電平時(shí)，電流源ir 輸出對(duì)電容cl充電。引腳 2（

9、pin2）為增益調(diào)整， 改變r(jià)s的值可調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換增益的大小。f（pin3）為頻率輸出端，為邏輯低電平，脈沖寬度由rt和ct決定。 引腳4（pin4）為電源地。引腳5（pin5）為定時(shí)比較器正相輸入端。引腳 6（pin6）為輸入比較器反相輸入端。引腳 7（pin7）為輸入比較器正相輸入端。引腳 8（pin8）為電源正端。lm331采用單電源供電，電源電壓vcc，模擬信號(hào) 的輸入范圍-vcc0v,頻率范圍為1500khz，非線性低于0.01。模擬信號(hào) 經(jīng)積分器積分處理后,在input端變成與輸入電壓 成正比的穩(wěn)定電流輸入,通過lm331芯片進(jìn)行v/f轉(zhuǎn)換后,變成與電壓成正比的頻率信號(hào),fout端

10、輸出的頻率信號(hào)送到計(jì)算機(jī)的計(jì)數(shù)/定時(shí)端口,計(jì)算機(jī)對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)。從而實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于lm331的轉(zhuǎn)換線性度直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性，而通常引起v/f轉(zhuǎn)換產(chǎn)生非線性誤差的原因是引腳1的輸出阻抗，它使輸出電流隨輸入電壓的變化而變化，因而影響轉(zhuǎn)換精度，為克服此缺點(diǎn)，高精度v/f轉(zhuǎn)換器在1腳和7腳間加入了一個(gè)積分器，這個(gè)積分器是由常規(guī)運(yùn)放lf356和積分電容c4構(gòu)成的反積分器。內(nèi)部電路圖如圖2.2。圖2.2 內(nèi)部電路圖2.3 運(yùn)算放大環(huán)節(jié)運(yùn)放ml324：lm324系列運(yùn)算放大器是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶?.0v-32v或+1

11、6v。lm324的特點(diǎn)：(1)短跑保護(hù)輸出(2)真差動(dòng)輸入級(jí)(3)可單電源工作：3v-32v(4)低偏置電流：最大100na（lm324a）(5)每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器(6)具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ?7)共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源(8)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列(9)輸入端具有靜電保護(hù)功能。2.4 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路電氣原理圖單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路電氣原理如圖2.3所示：圖2.3 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)控制電路電氣原理圖3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)3.1 主電路元件的選擇及參數(shù)的計(jì)算查表1.1和由表1.2可直接求出整流變壓器的額定參數(shù)得：，忽略時(shí)有：所以變壓器電壓比為：二次側(cè)相電流：一次側(cè)相電流：一次容量： 二

12、次容量：平均計(jì)算容量：整流元件晶閘管的額定電流和額定電壓的計(jì)算：由表1.2所提供的數(shù)據(jù)可直接求整流元件晶閘管的額定參數(shù)。變壓器二次側(cè)相電壓負(fù)載最大電流又查表1.3知 ，因此，取500v；，取7a。3.2 保護(hù)環(huán)節(jié)的選擇與計(jì)算由公式： 熔斷器的額定電流即為晶閘管的額定電流130a【1】。3.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路與控制電路電氣原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖3.1所示：圖3.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路電氣原理如圖3.2所示：km2圖3.2 控制電路電氣原理圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：功率pe1.5kw，額定電流ie=7.7a，額

13、定電壓ue=220v，磁極對(duì)數(shù)p=1，ne=1500r/min,勵(lì)磁電壓220v,電樞繞組電阻ra=2.5,主電路總電阻r8，l260.25mh(電樞電感、平波電感和變壓器電感之和)，ks=68.4，機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm=126.2ms，濾波時(shí)間常數(shù)ton=toi=0.0026s，過載倍數(shù)1.3，電流給定最大值，速度給定最大值。4.1 調(diào)節(jié)器的選擇及設(shè)計(jì)(一)電流環(huán)的設(shè)計(jì)【2】1確定時(shí)間常數(shù)(1)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)三相橋式電路的平均失控時(shí)間： 。(2)電流濾波時(shí)間常數(shù)。(3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，而且 因此電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)

14、器選用pi型，其傳遞函數(shù)為： 3選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)acr超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取（見表42），因此 于是，acr的比例系數(shù)為: 4校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率 (1)晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： 現(xiàn)在 滿足近似條件。(2)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件： 現(xiàn)在，滿足近似條件。(3)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：現(xiàn)在，滿足近似條件。5. 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容【2】 電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-21，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值計(jì)算如下:由公式 得，取 得 取 得，取 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：（見表42），滿足設(shè)計(jì)要求。4.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)(二)轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)【2】1

15、確定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，。(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù) 按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。故asr選用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：3選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則 asr的超前時(shí)間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：于是，asr的比例系數(shù)由式（4-76）為：4校驗(yàn)近似條件由式（4-24），轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為：(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件: 現(xiàn)在滿足簡化條件。(2)時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件： 現(xiàn)在 滿足近似條件。5計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容【

16、2】取，則 6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量由式得：當(dāng)時(shí)，而因此能滿足設(shè)計(jì)要求。要求縮小為1%，即縮小即可，所以把大約縮小6倍，=2（）+=2+0.0034=0.0187取 =0.0102 =0.0051?？?結(jié)通過這次電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)直流單閉環(huán)和雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解，鞏固了課上所學(xué)的知識(shí)，使自己獨(dú)立思考的能力有了不小的提高。知道了怎么運(yùn)用老師所教的知識(shí)，好好的學(xué)習(xí)它使用它，對(duì)我們有很大的幫助。這次電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)讓我將平時(shí)上課學(xué)到書本上的知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解。對(duì)這些知識(shí)有了深刻的領(lǐng)悟，使我的知識(shí)面更廣了，同時(shí)使我的實(shí)踐能力又加強(qiáng)了很多。讓我們面對(duì)生活中的應(yīng)用有了更好的思考方法，提高了對(duì)電機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。在沒有做課程設(shè)計(jì)以前，我對(duì)所學(xué)的知識(shí)并沒有很好的應(yīng)用，對(duì)一些細(xì)節(jié)不加重視，當(dāng)我把自己想出來的程序與做課程設(shè)計(jì)中的時(shí)候，問題出現(xiàn)了，不是參數(shù)計(jì)算不全，就是有的電路連的不完整，達(dá)不到課程設(shè)計(jì)的要求。通過和組員的合作，討論沒有達(dá)到結(jié)果的地方，不但加強(qiáng)了我的合作意識(shí)，并認(rèn)真聽老師所講的，而且對(duì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型也更加深刻的理解，到了實(shí)踐與理論的差距。使自己學(xué)到了不少知識(shí)，收獲也很大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也增強(qiáng)了自己的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響，而且大大提高了動(dòng)手的能力，在設(shè)計(jì)過程中所學(xué)到的