2022年直流电机调速电路的设计.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 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 业系院指导老师名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 设计任务一、设计内容：1、依据给定参数设计直流电机调速电路；2、依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、依据设计要求完成系统的稳态参数设计运算、判定系统的稳固性、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剂器,挑选调剂器结构、利用伯德图完成系统动

2、态校正、运算系统的稳固余量 及 构图；GM、运算调剂器参数、绘制系统动态结3、设计采纳模拟调剂器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统,绘制掌握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掌握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、I N、nN=3000r/min 、电枢电阻 Ra电枢电感 La、GD 2 cm 2、Tm=35ms 2、 测速发电机参数： Un=80V,nN=3000r/

3、min ,PN=16W,IN=200mA,负载电阻 R=400名师归纳总结 3、PWM主电路：驱动频率f 100kHz,* Un=10V,Uim=10V,I dmN,i 5%,n10%；4、设计指标： 转速电流双闭环直流调速系统：第 2 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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进展而来的；单闭环调速系统使用了一个比例积分调剂器组成速度调剂器可以得到转速的无静差调剂；从扩大调速范畴的角度来看, 单环系统已能基本上满意生产机械对调

4、速的要求；但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的 , 从电机能承担的过载电流有肯定限制来看 , 要求启动电流的峰值不要超过答应数值；为到达这个目的 , 采纳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答应的最大冲击电流Idm, 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, 很多生产机械仍提出了加快启动和制动过程的要求 , 例如可逆轧钢 , 龙门刨床都是常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

5、短的时间内就到达了最大答应值 I dm , 而其他时间的电流均小于此值 , 可见在启动过程中 , 电机的过载才能并没有充分利用； 假如能使启动电流按虚线的外形变化 , 充分利用电动机的过载才能 , 使电机始终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；上述设想提出一个抱负的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时 , 启动电流很快加大到答应过载能名师归纳总结 力值Idm, 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, 第 3 页,共 14 页电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流Ifz值 , 对应这种要求可控硅整流器的电压在启动

6、一开头时应为IdmR , 随着转速n的上升 , UIdmRC n 也上升 , 到达稳固转速时 , UIfzRC n ；这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调剂量, 使之维护在电机允许的最大值Idm, 并保持不变； 这就要求一个电流调剂器来完成这个任务；带有速度调剂器和电流调剂器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的；如以下图2-2 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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剂器,分别调剂转速和电流,二者之间实行串级联接,如图2-2 所示；这就是说把转速调剂器的输出当作电流调剂器的输入,再用电流调剂

7、器的输出去掌握晶闸管整流器的触发装置；从闭环结构 上看,电流调剂环在里面,叫内环；转速调剂环在外边,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剂器都采纳 PI 调剂器；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打算的；后面需 要 PI 调剂器供应多么大的输出值,它就能供应多少,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 I d max 时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要调剂作用；当负载电流到达 I d max 后,转速调剂器饱和,电流调剂器起 主要调剂作用,系统表现为电流无静差,得到

8、过电流的自动爱护；这就是采纳了两个 PI 调 节器分别形成内、外两个闭环的成效；2、稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性,必需先绘出它的稳态结构框图,如以下图 2-4 所示；电流调剂器和转速调剂器均为具有限幅输出的PI 调剂器,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剂器退出饱和；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,电流调剂器设计成总是不会饱和的,而 转速调剂器有时运行在饱和输出状态,有时运行在不饱和状态；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 分析静特性的

9、关键是把握这样的PI 调剂器的稳态特点,一般存在两种状况：饱和输出到达限幅值；即饱和调剂器临时隔断了输入和输出间的联系,相当于使该调剂环 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,电流调剂器是不会到达饱和状态的；因此,对于静特性来说,只有调速调剂器饱和与不饱和两种状况：1转速调剂器不饱和：稳态时,他们的输入偏差电压都是零,因此nU*n ,而n得到以下图 2-5 静特性的 CA段；2转速调剂器饱和：输出到达限幅值U*,转速外环呈开环状态,转速的变化对系im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剂系统；稳态时IdU

10、*Idm,从而得到以下图2-5 静特性的 AB段；im这样的静特性明显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,特殊是为了防止零点漂移而采纳“ 准 PI 调剂器” 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名师归纳总结 IdIdmIdIdm ASR主导,表现为转速无静差第 5 页,共 14 页ACR主导,表现为电流无静差过电流爱护- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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

11、上,考虑双闭环掌握的结构,即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图,如以下图 2-6 所示；图中 WASRs和 WACRs分别表示转速调剂器和电流调剂器的传递函数；假如采纳 PI 调剂器,就有W ASRsKnnss1Ui s 1W ACR s K ii s* 由静止起动时,转速和电流的动态过程示于以下图；n双闭环直流调速系统突加给定电压由于在起动过程中转速调剂器ASR经受了不饱和、饱和、退饱和三种情形,整个动态过名师归纳总结 程就分成图 2-7 中标明的 I 、II 、III三个阶段 . 第 6 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 三、按工

12、程方法设计双闭环系统调剂器图 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 电流调剂器的作用：1作为内环的调剂器,在外环转速的调剂过程中,它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压即外环调剂器的输出量变化；2对电网电压的波动起准时抗扰的作用；3在转速动态过程中,保证获得电机答应的最大电流,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,起快速的自动爱护作用；一旦故障 消逝,系统立刻自动复原正常；这个作用对系统的牢靠运行来说是非常重要的；b 转速调剂器的作用：1转速调剂器是调速系统的主导调剂器,它使转速n 很快地跟随给定电压变化,稳态时可减

13、小转速误差,假如采纳 PI 调剂器,就可实现无静差；2对负载变化起抗扰作用；3其输出限幅值打算电机答应的最大电流；1、电流调剂器的设计运算1-1 确定时间常数名师归纳总结 流装置滞后时间常数T s3.3ms为了基本滤平波头应有第 7 页,共 14 页T s0.1msf10 kHz 流滤波时间常数T 三相桥式电路每个波头的时间是1 2T oi0.1 ms 因此取T oi0.06ms0.00006s ； 电枢回路电磁时间常数TLa9.76 mH0.0022 s；R4.5- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 流环小时间常数之和TiT sT oi0.00016s；

14、1-2 挑选电流调剂器结构依据设计要求i5%,并保证稳态电流误差,可按典型型系统设计电流调剂器,电流环掌握对象是双惯性的,可用PI 型电流调剂器,传递函数为：W ACRsk iis12-3 13.752-4 is检查对电源电压的抗扰性能T c0.002Ti0.00016参照表 23 的典型型系统动态抗扰性能是可接受的；1-3 运算电流调剂器参数电流调剂器超前时间常数：iTl0 .0022s；2-5 电流开环增益：要求i5%时,取K Ti0.5,电流调剂器参数ilT0.0022s电流开环增益：要求i5%时e/12100%5%0.70711i 2-6 2k Tks242.410因此Ki0.5s31

15、25s1 2-7 0.00016* u i10104.44 2-8 Id1.5 IN1.5 1.5于是, ACR的比例系数为KiKIsiR31250.00224.52.9 2-9 1K2.44.441-4 校验近似条件ciK I3125s电流环截止频率：（1） PWM装置传递函数的近似条件名师归纳总结 1s301s3333.3s1w ci满意近似条件；第 8 页,共 14 页3 T. 0001- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - （2） 忽视反电动势变化对电流环动态影响的条件3130 . 03 s1369 . 27 s1ci2-10 T mT0 . 002

16、2 s满意近似条件；（3） 电流环小时间常数近似处理条件111.00001 s14303 3. s1ci2-11 3T s T oi30 . 00006 s满意近似条件；1-5 运算调剂器电阻和电容由图 2-9 ,按所用运算放大器取R 040K,各电阻和电容值为5%,满意设计要R iK R 02.940K116K, 取120KCii0.00223F0.018F,取 0.018 FRi12010Coi4 T oi40 .00006F0 .006F,取0. 006FR 040103依据上述参数, 电流环可以到达的动态跟随性能指标为i4.3%求；图 2-9 含滤波环节的PI 型电流调剂器2、转速调剂

17、器的设计运算2-1 确定时间常数1电流环等效时间常数1/K I；由前述已知,K Ti0.5,就2-12s. 12 Ti20 .00016s0 .00032sKI2转速滤波时间常数T ,依据所用测速发电机纹波情形,取Ton0.00253转速环小时间常数Tn；按小时间常数近似处理,取2-13Tn1Ton0. 00032s0. 0025s0 .00282sKI2-2 挑选转速调剂器结构名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 依据设计要求,选用 PI 调剂器,其传递函数式为W ASR Knns12-14 ns2-3 运算转速调剂

18、器参数按跟随和抗扰性能都较好的原就,先取h=5,就 ASR的超前时间常数为nhT n50. 00282s0. 0141s2-15就转速环开环增益KN2h1512s2603.59s22-16 h2Tn22520. 00141U* n100.003 Vmin/rn N3000可得 ASR的比例系数为Kn h1C T m6 4.4 0.0071 0.0314.772-17 2 h RTn2 5 0.003 4.5 0.00282式中电动势常数CeUNnINR a2415.1.80. 0071 V.min/r；2-18 N30002-6 校核转速超调量图 2-10 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速

19、调剂器当 h=5 时,查表 2-6 【1】典型型系统阶跃输入跟随性能指标得,n37.6%,不能满意设计要求；运算超调量；名师归纳总结 设抱负空载起动时, 负载系数Z0,已知I N15.A,n N3000r/min,1 . 5,R4 . 5,Ce0.0071 Vmin/r,T m0.035s ,Tn0. 00282； 当h5时 , 由 附 表 查 得 ,Cmax/C b812.%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 2-22nCmaxn b2C maxZn NTnC bn*C bn*T m第 10 页,共 14 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 调速系

20、统开环机械特性的额定稳态速降nNINR15.4.5950.7 r/min;Ce0. 0071* n 为基准值,对应为额定转速nN3000r/min；依据式 2-21 运算得n2812.%1.59507.0.002827 .25 %10%满意设计要求；30000.031、原理图各部分电路1-1 调制波电压给定电路如以下图图 2-12 电压给定电路1-2 基波三角波产生电路如以下图所示图 2-12 基波产生电路 1-3 脉冲产生电路如以下图所示名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-13 比较波产生电路1-4 主电

21、路图 2-15 主电路2、测试结果2-1 方涉及三角波测试结果名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 14 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2-16 、UPC45701 端口输出电压波形图 2-17 、UPC45707 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、调剂占空比后的LM311输出电压波形图 2-20 、74HC08与门输出电压波形 元件清单图 2-21 、TD62084输出端 A+、B-波形电机调速系统元件表名师归纳总结 零件名数量零件名数量零件名数量第 13 页,共 14 页UPC4574 1

22、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 - - - - - - - - - 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争论,课下 请教老师后才算出了调剂器的参数；通过此次设计

23、我们很好的复习了运动掌握系 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懂得；2、在试验部分；由于试验室设备的限制,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才能有了很大的提高,而且对于书本上理论值和 现实的成效之间的差距也有了更加深刻的熟悉；由于时间有限,可以说我们的实 验仍不算很胜利,总结如下：（1） 第一,通过老师的讲解,明白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熟悉；（2） 在试验中我们实行了分部操作,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

24、：在老师 给定的电容值范畴内,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觉产生的信号并不反向,认真检查后发觉,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很多的尖峰；波形并不完善；参考文献1 陈伯时 . 运动掌握系统 . 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 . 自动掌握原理 . 北京 : 清华高校出版社 ,2007 4 华成英 . 模拟电子技术 . 北京 : 高等训练出版社 ,2006 5 阎石 . 数字电子技术 . 北京: 清华高校出版社 ,2007 6 顾绳谷 . 电机及拖动基础 . 北京 : 机械工业出版社 ,2007 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 14 页