運動控制課程設(shè)計-單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)

1、運動控制課程設(shè)計題目：單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)院 系：工學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 級：電氣工程1402 姓 名： 學(xué) 號：1 指導(dǎo)教師： 二一七年二月運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)書一、根本情況學(xué)時：1周 學(xué)分：1學(xué)分 適應(yīng)班級：電氣工程1402二、進度安排本設(shè)計共安排1周，合計30學(xué)時，具體分配如下：實習(xí)發(fā)動及準備工作： 2學(xué)時總體方案設(shè)計： 4學(xué)時硬件設(shè)計： 12學(xué)時撰寫設(shè)計報告： 8 學(xué)時辯論： 4學(xué)時教師輔導(dǎo)： 隨時三、根本要求1、課程設(shè)計的根本要求運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計的主要內(nèi)容包括：理論設(shè)計與撰寫設(shè)計報告等。其中理論設(shè)計又包括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計包括單元電路，選擇

2、元器件及計算參數(shù)等；課程設(shè)計的最后要求是寫出設(shè)計總結(jié)報告，把設(shè)計內(nèi)容進行全面的總結(jié)，假設(shè)有實踐條件，把實踐內(nèi)容上升到理論高度。2、課程設(shè)計的教學(xué)要求運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課程設(shè)計的教學(xué)采用相對集中的方式進行，以班為單位全班學(xué)生集中到設(shè)計室進行。做到實訓(xùn)教學(xué)課堂化，嚴格考勤制度，在實訓(xùn)期間累計曠課到達2節(jié)以上，或者遲到、早退累計到達4次以上的學(xué)生，該課程考核按不及格處理。在實訓(xùn)期間需要外出查找資料，必須在指定的時間內(nèi)方可外出。 課程設(shè)計的任務(wù)相對分散，每5-6名學(xué)生組成一個小組，完成一個課題的設(shè)計。小組成員既有分工、又要協(xié)作，同一小組的成員之間可以相互探討、協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設(shè)計方法和

3、經(jīng)驗。但每個學(xué)生必須單獨完成設(shè)計任務(wù)，要有完整的設(shè)計資料，獨立撰寫設(shè)計報告，設(shè)計報告雷同率超過60%的課程設(shè)計考核按不及格處理。四、設(shè)計題目及控制要求題目：單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)：1直流電機：、電樞電阻、電樞電感、2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)：、設(shè)計要求：(1)、根據(jù)題目的技術(shù)要求，分析并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。 (2)、調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件確實定及其參數(shù)的計算包括電力電子器件、平波電抗器與保護電路等 (3)、動態(tài)設(shè)計計算：根據(jù)技術(shù)要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。 五、設(shè)計報告

4、設(shè)計完成后，必須撰寫課程設(shè)計報告。設(shè)計報告必須獨立完成，格式符合要求，文字不含圖形、程序不少于3000字，圖形繪制標準。設(shè)計報告的格式如下： 1、封面 2、摘要 3、目錄4、正文(1) 所作題目的意義、本人所做的工作及系統(tǒng)的主要功能；(2) 方案選擇及論證；(3) 硬件電路設(shè)計及描述包括硬件的選型及電路圖、輸入輸出接線圖等的設(shè)計；5、心得體會 6、參考文獻不少于5篇。要至少有2篇近5年的參考文獻。六、考核方法運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計的考核方式為考查，考核結(jié)果為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，分數(shù)在90-100之間為優(yōu)秀，80-89分之間為良好，70-79分之間為中等，60-69分之間為及格，6

5、0分以下為不及格。 考核分三個方面進行：平時表現(xiàn)20%；設(shè)計辯論30%，設(shè)計報告 50% 。有以下情形之一者，課程設(shè)計考核按不及格處理： 1、設(shè)計期間累計遲到、早退達4次； 2、設(shè)計期間累計曠課達2節(jié)； 3、設(shè)計報告雷同率超過50%或無設(shè)計報告； 4、不能完成設(shè)計任務(wù)，達不到設(shè)計要求。摘 要直流電機調(diào)速系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。直流電動機具有良好的起、制動性能和調(diào)速性能，易于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且調(diào)速后的效率很高。針對直流電機調(diào)速的方法也很多，目前國內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動

6、機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵磁磁通和電樞回路電阻來調(diào)速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞電壓方式為最好，調(diào)壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。關(guān)鍵詞：直流電動機，調(diào)速目錄第一章 緒論11.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述11.2 設(shè)計內(nèi)容和要求21.2.1 設(shè)計內(nèi)容21.2.2 設(shè)計要求21.2.3 設(shè)計參數(shù)3第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性5系統(tǒng)組成52.1.2 靜特性62.2 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算62.3 傳遞函數(shù)7第三

7、章 主電路設(shè)計與分析103.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖103.2 系統(tǒng)元件介紹11第四章 控制電路設(shè)計與分析154.1 方波三角波發(fā)生器電路圖154.2 PWM裝置驅(qū)動電路圖154.3 PWM裝置主電路圖16第五章 測試結(jié)果及問題175.1 實測電路中的波形175.2 連接電路中遇到的問題20總 結(jié)21參 考 文 獻22第一章 緒論 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低本錢。以上技術(shù)的

8、應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷開展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領(lǐng)域中仍然難以替代。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。例如已經(jīng)用于實際生產(chǎn)的直流電機無級電子調(diào)速控制器采用國際先進的IGBT大功率模塊器件和獨特自行設(shè)計的PWM微電子控制技術(shù)，以及節(jié)能反應(yīng)電路和豐富的保護功能控制電路。適用于無軌機車、礦山井下窄軌機車、磨床、木工機械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場所。該控制

9、器具有調(diào)速平穩(wěn)，平安可靠，提高生產(chǎn)效率；直流電機正反轉(zhuǎn)控制簡便；可以與計算機連接控制等特點。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)開展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比擬成熟，并且從反應(yīng)閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的根底，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 設(shè)計內(nèi)容和要求.1 設(shè)計內(nèi)容1.電路功能1用晶閘管整流實現(xiàn)直流調(diào)壓，控制直流電動機的轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)。采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器構(gòu)成單閉環(huán)控制系統(tǒng)。2電路由主電路與控制電路組成，主電路主要環(huán)節(jié)：整流電路及保護電路。控制電路主要環(huán)節(jié)：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、調(diào)節(jié)器電路、驅(qū)動電路、檢測與故障保護電路。3主電路電力電子開關(guān)器件采用晶閘管

10、。4系統(tǒng)具有完善的保護2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設(shè)計與分析1確定主電路方案2主電路元器件的計算及選型4. 控制電路設(shè)計與分析1檢測電路設(shè)計2功能單元電路設(shè)計3觸發(fā)電路設(shè)計4調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計.2 設(shè)計要求1.設(shè)計思路清晰，給出整體設(shè)計框圖；2.單元電路設(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；3.分析所有單元電路與總電路的工作原理，并給出必要的波形分析；。.3 設(shè)計參數(shù)1輸入輸出電壓：三相AC2201+15%、2最大輸出電壓DC300V、電流根據(jù)電機功率予以選擇3要求電機能實現(xiàn)單向無級調(diào)速，穩(wěn)態(tài)性能指標D=10,靜差率s5%。4電機型號電機型號Z2-71 ,功率10KW,額定電壓為220V,額定電流

11、為55A,額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，飛輪力矩為*m2,效率為。第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速即電機額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。調(diào)壓調(diào)速是直流調(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動機供電的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬

12、調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，開展迅速，應(yīng)用日益廣泛，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。本次設(shè)計就是采用直流PWM調(diào)速。PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。根據(jù)自動控制原理，反應(yīng)控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速

13、系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。圖 3-1 采用轉(zhuǎn)速負反應(yīng)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)解原理：在反應(yīng)控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機 TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反應(yīng)電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比擬后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 DUn ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速 n。 靜特性 圖3-2 轉(zhuǎn)速負反應(yīng)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式3-1所表示的靜特性方程式，如下： 3-12.2 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算1.負載時的穩(wěn)態(tài)速降: 3-22.閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)： 3-3開環(huán)系統(tǒng)

14、額定速降為：那么閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為： 3-4因為：3-5轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù):電壓放大系數(shù):運算放大器的放大倍數(shù):， 3-6 2.3 傳遞函數(shù)圖3-3反應(yīng)控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖可見，反應(yīng)控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是： (3-7)應(yīng)用PI調(diào)節(jié)器校正，其傳遞函數(shù)為： ， (3-8) 其中，.校正后傳遞函數(shù)為：應(yīng)用MATLAB編程畫伯德圖：其程序為：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)結(jié)果為：

15、Wcg = 3.2053e+003第三章 主電路設(shè)計與分析3.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖給定電壓電路3.2 系統(tǒng)元件介紹174HC0874HC08為四組2輸入端與門 1A-4A 輸入端 1B-4B 輸入端1Y-4Y 輸出端 Vcc=+5v2LM311地到負電源電壓v14) 30V輸出到負電源電壓V74 40V總電源電壓V84 36V輸入電壓V13 15VLM311 雙列8引腳圖 引腳功能：引腳1：接地 引腳2：正向輸入端引腳3：反向輸入端 引腳7：輸出端引腳5： 平衡 引腳6：平衡/選通引腳8：V+ +15V 引腳4：V- -15V 374HC14：六反相斯密特觸發(fā)器Vcc=+5V 4U

16、PC4574 V+=+15V V-=-15V5UPC4570V+=+15V V-=-15V6TLP250：光耦電源電流 Icc=11mA 電源電壓Vcc=1035V 7TD62084引腳I1I8：信號輸入端 引腳O1O8：信號輸出端引腳9：接地 引腳10：公共端82SK2661：MOSFET管漏極-源極額定電壓VDSS：500V漏極-門極額定電壓RGS=20時VDGR：500V門極-源極額定電壓VGSS：30V第四章 控制電路設(shè)計與分析4.1 方波三角波發(fā)生器電路圖 圖4.1 方波三角波發(fā)生器電路圖4.2 PWM裝置驅(qū)動電路圖 PWM裝置驅(qū)動電路圖4.3 PWM裝置主電路圖 圖4.3 PWM裝

17、置主電路圖總 結(jié)經(jīng)過長達五天多的時間，此次設(shè)計終于完成了，心頭禁不住喜悅之情，成功了，一切陰霾都隨之而去。經(jīng)過多天的奮斗，感想尤為深刻，就自己所經(jīng)歷的問題及感受如下：以往設(shè)計中，作業(yè)里用的調(diào)速系統(tǒng)的可控直流源大多為晶閘管裝置，本次設(shè)計用的是脈寬調(diào)制裝置，設(shè)計中不僅見識了其是如何實現(xiàn)的，對脈寬調(diào)制技術(shù)有了更新的認識，而且了解其實際應(yīng)用。通過數(shù)據(jù)計算，更好的復(fù)習(xí)了?運動控制系統(tǒng)?中直流篇的內(nèi)容，使自己對直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解。計算中，對方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、死區(qū)時間一些電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)調(diào)整了解更深刻。對以前所學(xué)的模電、數(shù)電，自動控制原理相關(guān)知識又回憶了一些。對電容串、并聯(lián)關(guān)系更加清楚。連接電路時遇到的問題就更多了，當然也學(xué)到了不少解決問題的方法：（1） 知道了某些電容、電阻的讀數(shù)方法（2） 學(xué)會了15V電源的接法（3） 對脈寬調(diào)制原理及其實現(xiàn)方法有了更深的認識（4） 對橋式電路加深了認識（5） 對于