2022年直流电机调速电路的设计 .pdf
电 力 电 子 技 术 课 程 设 计 报 告单相桥式可控整流电路的设计姓名学号年级专业系院指导教师精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 14 页设计任务一、设计内容：1、根据给定参数设计直流电机调速电路。2、根据给定参数设计环式直流电机调速电路，使用模拟电路元件实现环式直流电机调速系统。二、设计要求：1、根据设计要求完成系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图 。2、按工程设计方法设计转速直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量及GM 、计算调节器参数、绘制系统动态结构图。3、设计采用模拟调节器及MOSFET 功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图。4、测试单闭环调速系统的PWM 驱动信号波形、 PWM 电压波形、电机电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。提交完整的直流电动机转速单闭环、转速电流双环闭环调速系统设计、测试报告书。三、设计参数：1、直流电动机参数： PN=20W 、UN=24V、IN、nN=3000r/min 、电枢电阻 Ra电枢电感 La、GD2cm2、Tm=35ms 2、 测速发电机参数： Un=80V ，nN=3000r/min ，PN=16W ，IN=200mA ，负载电阻 R=400 3、PWM 主电路：驱动频率f 100kHz，4、设计指标：转速电流双闭环直流调速系统：U*n=10V，Uim=10V，IdmN，i5% ，n10% 。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 14 页直流电机调速电路的设计一、直流调速电路的组成及其静态结构图1、直流调速系统的组成直流电机调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为到达这个目的 , 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形 , 见图2-1中实线所示。波形的峰值正好到达直流电动机所允许的最大冲击电流dmI, 其启动时间为1t。图2-1 带有截止负反馈系统启动电流波形实际的调速系统 , 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求 , 例如可逆轧钢 , 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率 , 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就到达了最大允许值dmI, 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中 , 电机的过载能力并没有充分利用。 如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短 , 只要2t就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时 , 启动电流很快加大到允许过载能力值dmI, 并且保持不变 , 在这个条件下 , 转速n得到线性增长 , 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流fzI值, 对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为dmIR, 随着转速n的上升 , dmeUIRC n也上升 , 到达稳定转速时 , fzeUIRC n。 这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值dmI, 并保持不变。 这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下列图2-2 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 14 页为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2-2 所示。这就是说把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流maxdI时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流到达maxdI后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。2、稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下列图2-4 所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI 调节器，当输出到达饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未到达饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 14 页分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出到达限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未到达限幅值。 即 PI 的作用使输入偏差电压U 在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会到达饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：1转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此*0nUnn，而得到下列图 2-5 静特性的 CA段。2转速调节器饱和：输出到达限幅值*imU，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时*imddmUII，从而得到下列图2-5 静特性的 AB段。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了防止零点漂移而采用“准PI 调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图2-5 的虚线。图 2-5 双闭环直流调速系统的静特性ddmII ASR主导，表现为转速无静差ddmIIACR 主导，表现为电流无静差过电流保护精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 14 页二、转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下列图2-6 所示。图中 W ASR(s)和 W ACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI 调节器，则有双闭环直流调速系统突加给定电压nU*由静止起动时，转速和电流的动态过程示于下列图。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图 2-7 中标明的 I 、II 、III三个阶段 . ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 14 页三、按工程方法设计双闭环系统调节器图 2-8 双闭环调速系统的动态结构图T0i 电流反馈滤波时间常数T0n 转速反馈滤波时间常数a 电流调节器的作用：1作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压即外环调节器的输出量变化。2对电网电压的波动起及时抗扰的作用。3在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。4当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。b 转速调节器的作用：1转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI 调节器，则可实现无静差。2对负载变化起抗扰作用。3其输出限幅值决定电机允许的最大电流。1、电流调节器的设计计算1-1 确定时间常数 流装置滞后时间常数sT0.1sTms10fkHz 流滤波时间常数oiT三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms为了基本滤平波头应有1 20.1oiTms因此取0.060.00006oiTmss。 电枢回路电磁时间常数9.760.00224.5alLmHTsR。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 14 页 流环小时间常数之和0.00016sisoiTTT。1-2 选择电流调节器结构根据设计要求5%i，并保证稳态电流误差，可按典型型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，可用PI 型电流调节器，传递函数为：1iiACRiksWss2-3检查对电源电压的抗扰性能0.00213.750.00016ciTT2-4参照表 23 的典型型系统动态抗扰性能是可接受的。1-3 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：sTli0022.0。(2-5) 电流开环增益：要求5%i时，取0.5IiK T，电流调节器参数0.0022ilTs电流开环增益：要求5%i时2/1100%5%0.707e112Iik T (2-6) 242.410sk因此1i0.531250.00016Kss (2-7) *10104.441.51.5 1.5idNuII (2-8) 于是， ACR 的比例系数为31250.00224.52.92.44.44IiisKRKK (2-9) 1-4 校验近似条件电流环截止频率：13125sKIci（1） PWM 装置传递函数的近似条件ciswssT13.33330001.03131满足近似条件。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 14 页（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件cilmsssTT127.3690022.003.013132-10满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条件cioissssTT13 .430300006.00001. 01311312-11满足近似条件。1-5 计算调节器电阻和电容由图 2-9，按所用运算放大器取040RK，各电阻和电容值为02.940116,iiRK RKK, 取120K30.00220.01812010iCiFFRi，取 0.018 F,006.0104000006.04430FFRTCoioi取F006.0按照上述参数， 电流环可以到达的动态跟随性能指标为4.3%5%i，满足设计要求。2、转速调节器的设计计算2-1 确定时间常数1电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，0.5IiK T，则ssTKiI00032.000016.02212-122转速滤波时间常数onT，根据所用测速发电机纹波情况，取sTon0025.0. 3转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取sssTKTonIn00282.00025.000032.012-132-2 选择转速调节器结构图 2-9 含滤波环节的PI 型电流调节器精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 14 页按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数式为(1)( )nnASRnKsWss2-142-3 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则 ASR的超前时间常数为sshTnn0141.000282.052-15则转速环开环增益22222259.60300141.0521521ssThhKnN2-16*100.003min/3000nNUVrn可得 ASR 的比例系数为(1)6 4.4 0.0071 0.0314.7722 5 0.003 4.5 0.00282emnnhCTKh RT2-17式中电动势常数。rVnRIUCNaNNemin/.0071.030008.15 .124。2-18图 2-10 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器2-6 校核转速超调量当 h=5 时，查表 2-6 【1】典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，37.6%n，不能满足设计要求。计算超调量。设理想空载起动时， 负载系数0Z， 已知AIN5 .1，min/3000rnN，5.1，5.4R，rVCemin/0071.0，0.035mTs，00282.0nT。 当5h时 ， 由 附 表 查 得 ，%2 .81/maxbCC而调速系统开环机械特性的额定稳态速降mnNbbbnTTnnZCCnnCC*)(2*maxmax (2-22精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 14 页调速系统开环机械特性的额定稳态速降min;/7.9500071.05.45 .1rCRIneNN*n为基准值，对应为额定转速min/3000rnN。根据式 2-21计算得%10%25.703.000282.030007 .9505.1%2 .812n满足设计要求。1、原理图各部分电路1-1 调制波电压给定电路如下列图图 2-12 电压给定电路1-2 基波三角波产生电路如下列图所示图 2-12 基波产生电路1-3 脉冲产生电路如下列图所示精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 14 页图 2-13 比较波产生电路1-4 主电路图 2-15 主电路2、测试结果2-1 方涉及三角波测试结果精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 14 页图 2-16、UPC4570 1 端口输出电压波形图 2-17、UPC4570 7 端口输出电压波形2-2 比较器产生波形图 2-18、LM311输出电压波形图 2-19、调节占空比后的LM311输出电压波形图 2-20、74HC08 与门输出电压波形图 2-21 、TD62084输出端 A+、B-波形元件清单电机调速系统元件表零件名数量零件名数量零件名数量UPC4574 1 22 欧电阻4 电容7 UPC4570 1 300欧电阻4 3300pF电容1 74HC08 1 欧电阻4 电容1 74HC14 1 10K欧电阻3 1000pF电容2 KM311 2 10K欧滑动变阻器1 TD62084 1 12K欧电阻1 TLP250 4 20K欧电阻1 2SK2661 4 1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 14 页五、自我评定设计心得如下：1、在设计部分。由于课上讲的是晶闸管触发整流电路，PWM 变换器的电路缺少现成的例题可以仿照。在查阅了大量的资料后，并且经过和同学的深刻讨论，课下请教老师后才算出了调节器的参数。通过此次设计我们很好的复习了运动控制系统直流调速部分的内容， 对于直流电机的无静差调速有了更深刻的感官上的理解。2、在实验部分。由于实验室设备的限制，我们用面包板搭制了速度反馈的调速电路，在这个过程中不仅仅是动手能力有了很大的提高，而且对于书本上理论值和现实的效果之间的差距也有了更加深刻的认识。由于时间有限，可以说我们的实验还不算很成功，总结如下：（1） 首先，通过老师的讲解，了解了原理图各部分的功能，对方波发生器、三角波发生器、死区时间一些电路结构有了更深刻的认识。（2） 在试验中我们采取了分部操作，即搭好一块电路，检测一块电路，先是方波的产生，随后是三角波，在三角波这一环节中我们遇到了问题：在老师给定的电容值范围内，积分不够，只能产生梯形波，于是就并联电容，直到产生方波。 实际用到的电容比老师给定的最大参考电容大出两个数量级。后来请教老师才知道是面包板接触不良所致。（3） 在搭到反向电路时发现产生的信号并不反向，仔细检查后发现，基波信号和调制波信号给错，调整后正常。（4） 在示波器检测脉冲信号时有许多的尖峰。波形并不完美。参考文献1 陈伯时 . 运动控制系统 . 北京: 机械工业出版社 ,2003 2 樊立萍 . 电力电子技术 . 北京: 中国林业出版社 ,2006 3 王建辉 . 自动控制原理 . 北京: 清华大学出版社 ,2007 4 华成英 . 模拟电子技术 . 北京: 高等教育出版社 ,2006 5 阎石. 数字电子技术 . 北京: 清华大学出版社 ,2007 6 顾绳谷 . 电机及拖动基础 . 北京: 机械工业出版社 ,2007 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 14 页
