課程設計單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)

1、實用標準文案文檔大全煙幺茹亠兮底Yantai Nanshan University運動控制課程設計題目：單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)院 系：專 業(yè)：班 級：姓名：學號：201402012011指導教師：二一七年二月運動控制系統(tǒng)課程設計任務書一、基本情況學時：1周學分：1學分適應班級：電氣工程1402二、進度安排本設計共安排1周，合計30學時，具體分配如下：實習動員及準備工作：2學時總體方案設計：4學時硬件設計：12學時撰寫設計報告：8學時答辯：4學時教師輔導：隨時三、基本要求1、課程設計的基本要求運動控制系統(tǒng)課程設計的主要內(nèi)容包括：理論設計與撰寫設計 報告等。其中理論設計又包括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)

2、設計、硬件 設計包括單元電路，選擇元器件及計算參數(shù)等；課程設計的最后要 求是寫出設計總結(jié)報告，把設計內(nèi)容進行全面的總結(jié)，若有實踐條件，把實踐內(nèi)容上升到理論高度。2、課程設計的教學要求運動控制系統(tǒng)課程設計課程設計的教學采用相對集中的方式進 行，以班為單位全班學生集中到設計室進行。做到實訓教學課堂化， 嚴格考勤制度，在實訓期間累計曠課達到 2節(jié)以上，或者遲到、早 退累計達到4次以上的學生，該課程考核按不及格處理。在實訓期 間需要外出查找資料，必須在指定的時間內(nèi)方可外出。課程設計的任務相對分散，每 5-6名學生組成一個小組，完成一個 課題的設計。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

3、互探討、協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設計方法和經(jīng)驗。 但每個學生必須單獨完成設計任務，要有完整的設計資料，獨立撰 寫設計報告，設計報告雷同率超過 60%的課程設計考核按不及格處 理。四、設計題目及控制要求題目：單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)設計參數(shù):(1)直流電機：Pn20W、U12V、1.5AnN 300r/min電樞電阻Ra4.5 Q、 電樞電感La6.76mH GD215.68N.cm 2 Tm30ms、(2 )雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)：Un5V、Uim5V、I dm 1.51 N、叭 5%設計要求：(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

4、圖。(2) 、調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(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、設計報告設計完成后，必須撰寫課程設計報告。設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 制規(guī)范。設計報告的格式如下：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 線圖等的設計)；5

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，60分 以下為不及格。考核分三個方面進行：平時表現(xiàn) 20% ;設計答辯30%，設計報 告 50%。有下列情形之一者，課程設計考核按不及格處理：1、設計期間累計遲到、早退達4次；2、設計期間累計曠課達2節(jié)；3、設計報告雷同率超過50%或無設計報告；4、不能完成設計任務，達不到設計要求。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

6、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：

7、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設計內(nèi)容和要求21.2.1設計內(nèi)容21.2.2設計要求31.2.3設計參數(shù)3第二章系統(tǒng)設計方案 52.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 62.1.1系統(tǒng)組成62.1.2靜特性72.2穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算82.3傳遞函數(shù)9第三章主電路設計與分析123.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 123.2系統(tǒng)元件介紹 13.第四章控制電路設計與分析174.1方波三角波發(fā)生器電路圖1.74.2 PWM 裝置驅(qū)動電路圖 184.3 PWM裝置主電路圖19第五章 測試結(jié)果及問題 錯誤!未定義書簽。5.1實測電路中的波形 錯誤!未定義書簽。5.2連接電路中遇到

8、的問題 錯誤!未定義書簽。總結(jié) 20參考文獻 21第一章緒論1.1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、高可靠性及低成 本。以上技術(shù)的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用 范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)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

9、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計的 PWM 微電子控制技術(shù)，以及節(jié)能反饋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。該控制器具有調(diào)速平穩(wěn)，安全可靠，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)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理 論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又 是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)

10、速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著 舉足輕重的作用。1.2設計內(nèi)容和要求1.2.1設計內(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。（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. 控制電路設計與分析（1）檢測電路設計（2）功能單元電路設計（3）觸發(fā)電路設計（4

11、）調(diào)節(jié)器參數(shù)的設計1.2.2設計要求1. 設計思路清晰，給出整體設計框圖；2. 單元電路設計，給出具體設計思路和電路；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；4. 繪制總電路圖；5. 寫出設計報告。1.2.3設計參數(shù)（1）輸入輸出電壓：三相（AC） 220（ 1+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 SW5%。（4 ）電機型號電機型號Z2-71 ,功率10KW,額定電壓為220V,額定電流為55A,額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，飛輪力矩為1.0kg*m 2,效率為n=83%，電

12、樞電阻Ra=0.5 Qo第二章系統(tǒng)設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)變流機組一一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。靜止式可控整流器一一用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器一一用恒定直流電

13、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)，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，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。2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(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，

14、顯然，弓I入 轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落2.1.1系統(tǒng)組成圖3-1采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)解原理：在反饋控制的閉環(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)速成正比的負反饋 電壓Un，與給定電壓U*n相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un ，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。2.1.2靜特性圖3-2轉(zhuǎn)速負反饋閉環(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:KpKsU nnCe(1K)RidCe(1K)(3-1)2.2穩(wěn)態(tài)

15、參數(shù)計算1負載時的穩(wěn)態(tài)速降：ndnN SD(1 S)3000 0.0520(10.05)7.89r / min(3-2)2.閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)：c Un In Ra 24 1.5 1.8、，.,CeV min/rnN30000.007V min/r(3-3)開環(huán)系統(tǒng)額定速降為:In R 1.5 4.5 noppCe0.0071r/min 9507Q7min,(R 4.5 )則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為:,950.7017.89nopnd1119.49(3-4)因為：Tm30ms,Ts10.1ms,Ti2.2msK TmkdTi TsTs)Ts230(2.2 0.1)2.2 0.10.1231

16、4,取K120( 3-5)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：nN盤V min/r 0.00167V min/r電壓放大系數(shù)：KsUdo oU cm 0247.73.12, (U cm7.7V)運算放大器的放大倍數(shù)：KpKKs/Ce120 0.00710.001673.12163.52 ,(3-6 )取 Kp 1642.3傳遞函數(shù)圖3-3反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是:KW(s)-(Ts s 1) (Tm Tl s2 TmS 1)1202(0.0001s 1) (0.000066s0.03s 1)(3-7)120(0.0001s 1) (0.002391s 1)

17、(0.027610s 1)應用PI調(diào)節(jié)器校正，其傳遞函數(shù)為:WpgKpi s 1s其中，Kpi100K10K(3-8)10K0.33 F 0.0033s.校正后傳遞函數(shù)為:W(s)7.186s 217.75s(0.0001s 1)(0.002391s 1)(0.02761s 1)-50-100-ISO-2oaw27010_， 10J 101Froquoncy (rod/ooc)Bodo Diagr air*應用MATLAB編程畫伯德圖：其程序為：num= 7.186,217.75;den=con v(1,0,co nv(0.0001,1,co nv(0.002391,1,0.02761,17)

18、；bode( nu m,de n)Gm,Pm,Wcg,Wcp=margi n(nu m,de n)結(jié)果為：Gm = 101.7770Pm = 111.6555Wcg = 3.2053e+003Wcp = 14.1第三章主電路設計與分析3.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖3.1給定電壓電路3.2系統(tǒng)元件介紹(1) 74HC0874HC08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=+5v1A1B1Y2A2B2YGNDO13312408115106978VCC4B4A43B3A3Y(2) LM311地到負電源電壓（v14）30V輸出到負電源電壓（V74 ）40V總電源

19、電壓（V84 ）36V輸入電壓（V13 ）15VVfe訐腳誄按圖 o可VCCI習護嗟LM311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（3）74HC14 : 六反相斯密特觸發(fā)器Vcc=+5V(4) UPC4574PCd574C, 457AG2OUTi|Tin 7v*(7I呷叵OUT? 7V+=+15VV-=-15V(5) UPC4570實用標準文案/PC4S7UC.OUT JT 5文檔大全I p71 Outj-& l*uV+=+15VV-=-15VpPC570HAUJ

20、IXJ 1紐 |0| IT mi I 7 I I bTT?Ta 百一二=與 aoo(6) TLP250 :光耦 電源電流lcc=11mA 電源電壓Vcc=1035V 7 b實用標準文案(7) TD62084II 1213 Id IS 1617GND引腳I1T8 :信號輸入端引腳0108 :信號輸出端引腳9 :接地引腳10 :公共端（8）2SK2661 : MOSFET 管漏極-源極額定電壓（VDSS）: 500V漏極-門極額定電壓（RGS=20 K時）（VDGR ）: 500V門極-源極額定電壓（VGSS）:30V第四章控制電路設計與分析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)動電路圖圖4.2 PWM 裝置驅(qū)動電路圖4.3 PWM