直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)

1、摘 要本文介紹了直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，采用的是單閉環(huán)控制，而且為速度環(huán)。系統(tǒng)采用了LM324實(shí)現(xiàn)比例積分作用，完成相應(yīng)的運(yùn)算，采用LM331、測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電編碼器完成系統(tǒng)的反饋與檢測(cè)環(huán)節(jié)。對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的特性有比較好的優(yōu)化，兼顧了跟隨與抗擾特性。電路簡(jiǎn)單，易于連接、操控。系統(tǒng)主要由主電路與控制電路構(gòu)成，主電路又由開關(guān)，交流接觸器，晶閘管整流電路，壓敏保護(hù)電路，阻容吸收保護(hù)電路等構(gòu)成。控制電路有主要由運(yùn)算放大器構(gòu)成，采用較普遍的改變直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓和改變勵(lì)磁電流的方法進(jìn)行調(diào)速。壓敏電阻、阻容保護(hù)電路的應(yīng)用對(duì)電路起到了較好的保護(hù)，先進(jìn)的三相橋式全控整流電路供電穩(wěn)定可靠，對(duì)系統(tǒng)的性能起到了

2、一定的促進(jìn)作用。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速，控制，主電路目 錄緒論41 直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案的選擇51.1拖動(dòng)方案的確定5系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)5直流調(diào)速方案的確定6電力拖動(dòng)方案及供電方案的確定和電動(dòng)機(jī)的選擇7晶閘管變流裝置主電路接線方式選擇7電動(dòng)機(jī)的選擇91.2主電路器件的選擇與計(jì)算9整流元件額定電壓9整流元件額定電流92 主電路保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)102.1過電壓保護(hù)10壓敏電阻保護(hù)10阻容保護(hù)103 調(diào)速系統(tǒng)單元123.1檢測(cè)環(huán)節(jié)12光電編碼器12光電編碼器的應(yīng)用電路123.2給定環(huán)節(jié)143.3調(diào)節(jié)器參數(shù)、結(jié)構(gòu)14比例積分調(diào)節(jié)器14系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖15調(diào)速系統(tǒng)元件參數(shù)表164 總結(jié)16附錄18緒 論一 性質(zhì)和目的課

3、程設(shè)計(jì)在學(xué)習(xí)過程中是非常的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。可以鍛煉我們運(yùn)用想關(guān)專業(yè)理論和方法處理實(shí)際問題的能力，幫助我們?cè)鰪?qiáng)全局工程意識(shí)，逐步樹立起現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)概念。深化對(duì)課程基礎(chǔ)知識(shí)和理論的理解和掌握，學(xué)會(huì)系統(tǒng)地運(yùn)用所學(xué)知識(shí)理論，獨(dú)立分析和解決工程技術(shù)問題的能力；在理論計(jì)算、制圖、運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用計(jì)算機(jī)等方面提高自己，使逐步樹立正確的設(shè)計(jì)思想；加強(qiáng)理論與實(shí)際想結(jié)合，以科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的態(tài)度對(duì)待工程設(shè)計(jì)。二 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)了解和學(xué)會(huì)三相橋式全控整流電路的原理與實(shí)現(xiàn)過程。系統(tǒng)各主要電路保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)工程設(shè)計(jì)，包括調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇。系統(tǒng)性能指標(biāo)的計(jì)算。了解熔斷器，以及熔斷器的作用。壓敏電阻在電路中

4、的作用，以及各個(gè)器件的性能、參數(shù)以及選件原則。 1 直流調(diào)速系統(tǒng)總體方案的選擇1.1拖動(dòng)方案的確定1.1.1系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：（1）調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍。用字母表示，即 （1.1）其中和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如機(jī)密磨床，也可以用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。（2）靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載有理想增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率，即 （1.2）或用百分?jǐn)?shù)表示 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。動(dòng)

5、態(tài)性能指標(biāo)：（1）上升時(shí)間在典型階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量蔥嶺起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過的時(shí)間稱為上升時(shí)間，它表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。（2）調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間又稱過度過程時(shí)間，它衡量系統(tǒng)整個(gè)調(diào)節(jié)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時(shí)間，對(duì)于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到才真正穩(wěn)定，但是實(shí)際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，?。ɑ颍┑姆秶鳛樵试S誤差帶，以響應(yīng)曲線達(dá)到并不再超出該誤差帶所需的最短時(shí)間，定義為調(diào)節(jié)時(shí)間。（3）超調(diào)量在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量， （1

6、.3） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，相對(duì)穩(wěn)定性越好，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)?？箶_性能指標(biāo)：（1）動(dòng)態(tài)降落系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一個(gè)約定的標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)擾動(dòng)量，在過度過程中所引起的輸出量最大降落值叫做動(dòng)態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，是該系統(tǒng)在該擾動(dòng)作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動(dòng)態(tài)降落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)降落稱作運(yùn)態(tài)速降。（2）恢復(fù)時(shí)間從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基本恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進(jìn)入某基準(zhǔn)量的（或）范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)間，其中稱為抗擾指標(biāo)中輸出量的基準(zhǔn)值，視具體情況而定。直流調(diào)速方案的確定（1）調(diào)節(jié)

7、電樞電壓直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行、設(shè)備制造方便、價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)

8、現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。（2）減弱勵(lì)磁磁通當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式  （1.4）式中為電樞供電電壓（）；為電樞電流（）；為勵(lì)磁磁通（）；為電樞回路總電阻（）；為電勢(shì)系數(shù)。 （1.5）為電磁對(duì)數(shù)，為電樞并聯(lián)支路數(shù)，為導(dǎo)體數(shù)）可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速升高；反之，則降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是磁通和電樞電流的乘積，電樞電流不變時(shí)，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電

9、動(dòng)機(jī)磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時(shí)的范圍一般為1.5:13:1，特殊電動(dòng)機(jī)可達(dá)到5:1。1.1.3電力拖動(dòng)方案及供電方案的確定和電動(dòng)機(jī)的選擇.1晶閘管變流裝置主電路接線方式選擇本試驗(yàn)內(nèi)容采用三相橋式可控整流電路連線方式。主電路的開關(guān)控制電路為圖1.1。圖1.1主電路的開關(guān)控制電路（1）三相橋式全控整流電路圖1.2 三相橋式全控整流電路原理圖三相橋式全控整流電路實(shí)質(zhì)上是三相半波共陰極組與共陽

10、極組整流電路的串聯(lián)。在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通才能形成導(dǎo)電回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極組的，另一個(gè)晶閘管是共陽組的。6個(gè)晶閘管導(dǎo)通的順序依此循環(huán)，每隔 60 度有一個(gè)晶閘管換相。為了保證在任何時(shí)刻都必須有兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通，采用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)每個(gè)晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為 60 度。（2）三相半波整流電路圖1.3三相半波整流電路原理圖在這個(gè)電路中每一相都單獨(dú)形成了一個(gè)半波整流電路其整流出的三個(gè)電壓半波在時(shí)間上一次相差120度疊加，并且整流輸出波形不過0點(diǎn)。.2電動(dòng)機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)采用西安電機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)為z4-100-1的電動(dòng)機(jī)。其技術(shù)參數(shù)為：額定功率為1.5千

11、瓦，額定電壓為400伏，額定電流為4.79安，額定勵(lì)磁電壓為180伏。1.2主電路器件的選擇與計(jì)算1.2.1整流元件額定電壓 （1.6）式中為晶閘管額定電壓，晶閘管在電路中實(shí)際承受的最大電壓，為整流變壓器二次側(cè)相電壓有效值。取。1.2.2整流元件額定電流 （1.7）式中=0.368，為最大負(fù)載電流，取。2 主電路保護(hù)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)2.1過電壓保護(hù)常用的方法有：避雷針；接地電容；阻容保護(hù)；整流式電容式保護(hù)；壓敏電阻保護(hù)。2.1.1壓敏電阻保護(hù)壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。

12、壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。圖2.1壓敏電阻的接法壓敏電阻的通流容量選擇原則是：允許通過的最大電流應(yīng)大于泄放過電壓時(shí)流過壓敏電阻的實(shí)際浪涌電流峰值。2.1.1阻容保護(hù)一般在感性負(fù)載側(cè)要用阻容吸收器，我們知道感性負(fù)載斷電的時(shí)候他有一部分的能量需要釋放（電流滯后特性），如果沒有吸收的話在部分能量就會(huì)返回到電路中，危害電路中的元?dú)饧?。如好多大功率晶體管的輸出端并聯(lián)的阻容吸收器。圖 2.2 交流側(cè)阻容吸收電路的幾種接法a)單相聯(lián)接 b)三相星形接 c)三相三角形接 d)三相整流聯(lián)接3 調(diào)速系統(tǒng)單元3.1檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)環(huán)節(jié)采用光電編碼器和LM331芯片實(shí)現(xiàn)。3.1.1光電

13、編碼器光電編碼器型號(hào)/輸出回路如下圖圖3.1光電編碼器型號(hào)/輸出回路光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。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(zhǎng)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)，其原理示意圖如圖3.2所示；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。圖3.2光電編碼器原理示意圖3.1.2光電編碼器的應(yīng)用電路圖3.3EPC755A結(jié)構(gòu)圖EPC755A光電編碼器具備良好的使用性能，在角度測(cè)量、位

14、移測(cè)量時(shí)抗干擾能力很強(qiáng)，并具有穩(wěn)定可靠的輸出脈沖信號(hào)，且該脈沖信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后可得到被測(cè)量的數(shù)字信號(hào)。電壓頻率變換器(LM331)：圖3.4是由LM331 組成的電壓頻率變換電路，LM331內(nèi)部由輸入比較器、定時(shí)比較器、RS觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)、復(fù)零晶體管、能隙基準(zhǔn)電路和電流開關(guān)等部分組成。輸出驅(qū)動(dòng)管采用集電極開路形式，因而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，以適配TTL、DTL和CMOS等不同的邏輯電路。當(dāng)輸入端輸入一正電壓時(shí)，輸入比較器輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，輸出高電平，輸出驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通，輸出端為邏輯低電平，同時(shí)電源 也通過電阻對(duì)電容充電。當(dāng)電容兩端充電電壓大于的2/3

15、時(shí)，定時(shí)比較器輸出一高電平，使RS 觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，輸出驅(qū)動(dòng)管截止，輸出端為邏輯高電平，同時(shí)，復(fù)零晶體管導(dǎo)通，電容通過復(fù)零晶體管迅速放電；電子開關(guān)使電容對(duì)電阻放電。當(dāng)電容放電電壓等于輸入電壓時(shí)，輸入比較器再次輸出高電平，使RS觸發(fā)器置位，如此反復(fù)循環(huán)，構(gòu)成自激振蕩。輸出脈沖頻率與輸入電壓成正比，從而實(shí)現(xiàn)了電壓頻率變換。其輸入電壓和輸出頻率的關(guān)系為： (3.1)由式知電阻、和直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此對(duì)元件的精度要有一定的要求，可根據(jù)轉(zhuǎn)換精度適當(dāng)選擇。電阻和電容組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉(zhuǎn)換精度。圖3.4電壓頻率變換電路3.2給定環(huán)節(jié)系統(tǒng)給定環(huán)節(jié)是由一個(gè)滑動(dòng)變阻器

16、來改變阻值來實(shí)現(xiàn)改變 給定電壓，每個(gè)電壓量代表一個(gè)給定轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖3.5給定環(huán)節(jié)電路3.3調(diào)節(jié)器參數(shù)、結(jié)構(gòu)3.3.1比例積分調(diào)節(jié)器比例控制 ：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。 積分控制 ：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤

17、差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例加積分控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn) 態(tài)誤差。圖3.6比例積分調(diào)節(jié)器原理圖調(diào)節(jié)器用LM324來實(shí)現(xiàn)。LM324是四運(yùn)放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖3.7所示。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。圖3.6 LM324引腳圖3.3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖3.7為該單閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào)速功能。3.3.3調(diào)速系統(tǒng)元件參數(shù)表表3.8調(diào)速系統(tǒng)元件參數(shù)表電阻電容C電位器10（10個(gè)）0.1575

18、0.1101000.1205500.011005.1470100表3.1為該系統(tǒng)的元件參數(shù)表，根據(jù)實(shí)際情況可以選取其他參數(shù)元件來改變調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)。4 總結(jié)通過此次課程設(shè)計(jì)，我不僅把知識(shí)融會(huì)貫通，而且豐富了大腦，同時(shí)在查找資料的過程中也了解了許多的課外知識(shí)，開拓了視野，認(rèn)識(shí)了將來電子的發(fā)展方向，是自己在專業(yè)知識(shí)方面和動(dòng)手能力方面有了質(zhì)的飛躍。課程設(shè)計(jì)既是對(duì)我們所學(xué)知識(shí)的全面總結(jié)和綜合運(yùn)用，也是今后走向社會(huì)的實(shí)際操作應(yīng)用鑄就了一個(gè)良好開端。課程設(shè)計(jì)是我對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的檢驗(yàn)與總結(jié)，能夠培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析和解決問題的能力，從老師的角度來說，指導(dǎo)做課程設(shè)計(jì)是老師對(duì)學(xué)生所做的一次執(zhí)手訓(xùn)練。其次，課題設(shè)計(jì)的指導(dǎo)是老師檢驗(yàn)其教學(xué)效果，改進(jìn)教學(xué)方法，提高