2437.伺服直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速系統(tǒng)

1、xxxxx 大 學(xué)本科生畢業(yè)論文姓 名： xxxxx 學(xué) 號： xxxxx 學(xué) 院： 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及自動(dòng)化 論文題目： 伺服直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速系統(tǒng) 指導(dǎo)教師： xxxxx 職 稱： 教授 2009年 6 月 xxxxxxxxxx大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 專業(yè)年級 電氣05-1班學(xué)生姓名 xxxxx 任務(wù)下達(dá)日期：2009年 1 月 15 日畢業(yè)論文日期：2009 年 3 月8 日至 2009 年 6 月5 日畢業(yè)論文題目：伺服直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：1. 系統(tǒng)主回路設(shè)備理論計(jì)算及選型2. 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)3. 控制

2、系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真4. 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)5. 系統(tǒng)的軟件流程圖 通過此畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生充分掌握數(shù)字控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論和直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，為今后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字：xxxxx大學(xué)畢業(yè)論文指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨(dú)立解決實(shí)際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點(diǎn)；工作態(tài)度及工作量；總體評價(jià)及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日xxxxx大學(xué)畢業(yè)論文評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及

3、創(chuàng)新點(diǎn)；寫作的規(guī)范程度；總體評價(jià)及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日xxxxx大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正確基本正確有一般性錯(cuò)誤有原則性錯(cuò)誤沒有回答答辯委員會(huì)評語及建議成績：答辯委員會(huì)主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘 要直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，過載能力大，因此在傳動(dòng)控制性能要求較高的場合仍被廣泛應(yīng)用。脈寬調(diào)制(pwm)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可節(jié)省能量。plc作為新型的自動(dòng)化控制裝置，用其實(shí)現(xiàn)直流

4、電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速，具有系統(tǒng)控制精度高，經(jīng)濟(jì)可靠，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究了用s7-200 plc實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速的控制技術(shù),詳細(xì)介紹了24伏100瓦直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)包括電源回路、功率驅(qū)動(dòng)回路、轉(zhuǎn)速檢測及顯示回路。功率驅(qū)動(dòng)采用單極性h橋式功率驅(qū)動(dòng)，測速采用霍爾開關(guān)，轉(zhuǎn)速顯示采用四位共陰極數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。該硬件系統(tǒng)與相應(yīng)的s7-200 plc軟件配合，實(shí)現(xiàn)對24伏100瓦直流電動(dòng)機(jī)的pwm控制。該控制系統(tǒng)功能包括電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，調(diào)速、測速及轉(zhuǎn)速顯示，所有系統(tǒng)功能都己運(yùn)行通過，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，工作狀態(tài)良好。文中對直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、工作原理、基本方程、機(jī)械特性和調(diào)速方法

5、以及pwm調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成、s7-200 plc程序設(shè)計(jì)思路部分做了簡單介紹。關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī)；pwm調(diào)速；s7-200 plc；轉(zhuǎn)速檢測；掃描顯示abstract dc motor has a good characteristic of starting and regulating the speed. it has the high overloading capability. so it is widely applied in the occasion that require higher characteristic of starting and regulating. p

6、ulse width modulation (pwm) is an effective technology that be used in digital output to control analog circuits, especially in controlling the speed of motor, which can save energy. plc as a new type of automatic controlling devices, which be used in the dc motor, it makes the pwm regulating the sp

7、eed system more accurately, economically, reliability and steadily and so on. the article introduces the control system of dc motor that is based on pwm with s7-200 plc. a dc motor whose rated parameters are 24v, 100w and 2700rps of the hardware circuit system is detailed. the hardware of this pwm c

8、ontrolling system includes power supply, power drive, speed detection and display. power drive has been realized by h-bridge/hall switch. speed detection has been realized by hall switch. four led is used display speed. coordinated with the corresponding software this hardware can realize the contro

9、l function of a 24v, 100w and 2700rps dc motor with pwm technology of s7-200 plc. the function of this system includes the following sections: the rotation of dc motor, speed controlling and scan display. all functions of this controlling system have been completed and the system has good work condi

10、tion. in this article, it clarifies some related content, such as the structure of dc motor, working principle, the related basic equation, mechanical properties, and the velocity modulation characteristics and the composition of pwm speed controlling system.keywords: dc motor; pwm speed control; s7

11、-200 plc; speed detection; scan display目 錄1 緒論11.1 直流電動(dòng)機(jī)概述11.2 西門子s7-200 plc概述21.2.1 s7-200的基本組成和接口模塊21.2.2 s7-200的功能及特點(diǎn)41.3 本設(shè)計(jì)所需要做的主要內(nèi)容52 直流電動(dòng)機(jī)的原理及拖動(dòng)52.1 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理52.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類52.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理72.2 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程82.3 直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)92.3.1 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性92.3.2 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的性能指標(biāo)102.3.3 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速112.4 直流電動(dòng)機(jī)的

12、啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)132.4.1 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)132.4.2 直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)133 直流電動(dòng)機(jī)的pwm控制系統(tǒng)143.1 直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速概述143.2 直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成153.2.1 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器153.2.2 pwm控制與變換器的數(shù)學(xué)模型163.3 pwm系統(tǒng)的主要問題分析173.3.1 pwm變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形173.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性193.4 s7-200plc實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速204 24伏100瓦直流電動(dòng)機(jī)的pwm控制系統(tǒng)硬件224.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述224.2 控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)234.2.1 系統(tǒng)的主電

13、源回路設(shè)計(jì)234.2.2 系統(tǒng)的顯示電源設(shè)計(jì)264.2.3 系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)274.3 控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量及顯示294.3.1 霍爾開關(guān)的測速原理294.3.2 霍爾開關(guān)的測速電路設(shè)計(jì)304.3.3 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速顯示設(shè)計(jì)304.4 控制系統(tǒng)的保護(hù)及硬件抗干擾設(shè)計(jì)324.4.1 控制系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)324.4.2 控制系統(tǒng)的硬件抗干擾考慮324.5控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)335 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的其它方案考慮375.1 控制系統(tǒng)主電源回路的設(shè)計(jì)375.2 控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量回路的設(shè)計(jì)37結(jié) 論39參考文獻(xiàn)40附錄1：硬件電路設(shè)計(jì)原理圖41翻譯部分42英文原文42中文譯文49致 謝59 xxxxx大學(xué)2

14、009屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第57頁1 緒論本章簡要介紹了直流電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用領(lǐng)域和西門子s7-200 plc的組成、工作原理，并簡單描述了本設(shè)計(jì)所需要做的主要內(nèi)容。1.1 直流電動(dòng)機(jī)概述直流電動(dòng)機(jī)是由直流電源供電，將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，從而拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械完成生產(chǎn)任務(wù)。它具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速特性，過載能力大，因此在啟動(dòng)、調(diào)速性能要求較高的場合，如大型礦井提升機(jī)、挖掘機(jī)、軋鋼機(jī)、城市電車等，通常選用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。在許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中，小容量直流電機(jī)也被廣泛應(yīng)用。電機(jī)的發(fā)明和廣泛應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)第二次工業(yè)革命的車輪，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展史上留下一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展軌跡。今天從只有0.1w的小型錄音機(jī)電機(jī)

15、到煉鋼廠的數(shù)萬千瓦的大型電動(dòng)機(jī)，60%-70%的電力就是通過這些大大小小的電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，為人們的生產(chǎn)和生活服務(wù)，提高了生產(chǎn)效率，創(chuàng)造了現(xiàn)代文明。電動(dòng)機(jī)的發(fā)明，主要依賴于電磁理論的發(fā)展。從1820年早期電學(xué)及磁學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)到電動(dòng)機(jī)的誕生大約經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)。這些重大發(fā)現(xiàn)包括如何制造電磁鐵以及如何利用電磁現(xiàn)象使物體運(yùn)動(dòng)。1821年，法拉第制作了一臺(tái)帶電導(dǎo)體圍繞磁鐵旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。這就是近代電動(dòng)機(jī)的“雛形”。1831年，美國科學(xué)家亨利利用一些簡單的基本零件，包括一個(gè)電池、一個(gè)電磁鐵和一個(gè)換向器構(gòu)成連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)。戴文波特（thomas davenport）于1837年第一個(gè)取得電動(dòng)機(jī)專利

16、，并發(fā)明了多種電動(dòng)機(jī)。但是在電動(dòng)機(jī)大規(guī)模應(yīng)用方面，他的努力始終未取得任何突破。造成這一現(xiàn)象的原因是當(dāng)時(shí)電力成本太高，無法與廉價(jià)的蒸汽動(dòng)力相比。直到19世紀(jì)60-70年代，在發(fā)電機(jī)中發(fā)明了自激原理，由此帶來電力供應(yīng)的商品化。由于這些理論的發(fā)展，工程師制造出更有效率的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)。對發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)作用原理的可逆性認(rèn)識，使得直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)在這一時(shí)期得到發(fā)展。19世紀(jì)70年代是電力時(shí)代的開始，當(dāng)時(shí)已經(jīng)有實(shí)用化的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。在一定條件下，同一臺(tái)電機(jī)可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，也可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是電機(jī)的不同運(yùn)行工況。但是，在19世紀(jì)人們認(rèn)識這一現(xiàn)象卻是由于法國工程師佛唐在觀察一名工

17、人誤接兩部發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生的靈感。這一時(shí)期，直流電動(dòng)機(jī)獲得飛速發(fā)展。20世紀(jì)60年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速的方法不斷進(jìn)步和完善，其調(diào)速性能可與直流調(diào)速相媲美, 目前，在很多應(yīng)用場合交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。然而，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流電動(dòng)機(jī)的控制仍然很重要。直流電機(jī)由于具有起動(dòng)轉(zhuǎn)距大、體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速容易控制，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等十分優(yōu)良的特性，因而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)就是體積大、價(jià)格昂貴、維護(hù)復(fù)雜，頻繁啟動(dòng)容易引

18、起故障，以及直流電的傳輸距離有限。1.2 西門子s7-200 plc概述西門子公司的s7-200 plc是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型plc。它指令豐富、功能強(qiáng)大、可靠性高、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)緊湊、便于擴(kuò)展、性能價(jià)格比高，深受用戶歡迎，可以應(yīng)用于各種小型自動(dòng)化系統(tǒng)。s7-200的接口模塊有數(shù)字量模塊、模擬量模塊、智能模塊等。1.2.1 s7-200的基本組成和接口模塊cpu模塊由中央處理單元(cpu)、電源以及數(shù)字量輸入輸出單元組成。這些都被緊湊地安裝在一個(gè)獨(dú)立的裝置中。在cpu模塊的頂部端子蓋內(nèi)有電源及輸出端子；在底部端子蓋內(nèi)有輸入端子及傳感器電源；在中部右側(cè)前蓋內(nèi)有cpu工作模式開關(guān)(runstop)

19、、模擬量調(diào)節(jié)電位器和擴(kuò)展i/o連接接口;在模塊的左側(cè)分別有狀態(tài)led指示燈、存儲(chǔ)卡及通信口。圖1-1為s7-200 plc的cpu模塊。s7-200的cpu224模塊可帶7塊擴(kuò)展模塊，且7個(gè)擴(kuò)展模塊中最多只能帶2個(gè)智能擴(kuò)展模塊。cpu224模塊提供的主機(jī)i/o點(diǎn)有24個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和16個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。cpu224xp模塊集成了兩路模擬量輸入和一路模擬量輸出，有兩個(gè)rs-485通信口。cpu224模塊集成了6個(gè)有12種工作模式的高速計(jì)數(shù)器和兩點(diǎn)高速脈沖發(fā)生器/脈沖寬度調(diào)制器。cpu224xp的高速計(jì)數(shù)器的最高計(jì)數(shù)頻率為200khz，高速脈沖輸出的最高頻率為100khz。s7-200主機(jī)的內(nèi)部電

20、源單元提供dc+5v電源和dc+24v電源,它可以作為cpu模塊和擴(kuò)展模塊用于檢測直流信號輸入點(diǎn)狀態(tài)的dc+24v電源。如果用戶使用傳感器的話，也可作為傳感器的電源。如果使用cpu模塊內(nèi)部的dc+24v電源的話，應(yīng)注意該dc+24v電源的負(fù)載能力。使cpu模塊及各擴(kuò)展模塊所消耗電流的總和不超過該內(nèi)部dc+24v電源所提供的最大電流(400ma)。通信電纜是plc用來與個(gè)人計(jì)算機(jī)(pc)實(shí)現(xiàn)通信的?？梢杂胮c/ppi電線；使用通信處理器(cp)時(shí)，可用多點(diǎn)接口(mpi)電纜；使用mpi卡時(shí)，可用mpi卡專用通信電纜。通過不同的通信模塊，s7-200可以連接到以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線profibus-dp

21、、as-i，可以使用tcp/ip和s7協(xié)議。通過modem模塊em241，可以用模擬電話線實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程設(shè)備的通信。s7-200的接口模塊有數(shù)字量模塊、模擬量模塊、智能模塊等。（1）數(shù)字量模塊：包括數(shù)字量輸入模塊（em221）、數(shù)字量輸出模塊（em222）和數(shù)字量輸入輸出模塊（em223）三種；（2）模擬量模塊：包括模擬量輸入模塊（em231）、模擬量輸出模塊（em232）和模擬量輸入輸出模塊（em235）三種；（3）智能模塊：常用的智能模塊有pid調(diào)節(jié)模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊、溫度傳感器模塊、通信模塊等。智能模塊為plc的功能擴(kuò)展和性能提高提供了極為有利的條件。高速計(jì)數(shù)器模塊專門對現(xiàn)場的高速脈沖信號

22、計(jì)數(shù)。由于plc主機(jī)的計(jì)數(shù)操作要受掃描速度的影響，當(dāng)計(jì)數(shù)頻率很高，計(jì)數(shù)脈沖信號寬度小于掃描周期時(shí)，會(huì)發(fā)生計(jì)數(shù)脈沖的丟失。這時(shí)，只有使用高速計(jì)數(shù)器模塊進(jìn)行計(jì)數(shù)。因?yàn)樗敲撾xplc主機(jī)的掃描周期而獨(dú)立進(jìn)行計(jì)數(shù)操作的，所以它能準(zhǔn)確地對高速脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)操作。1.2.2 s7-200的功能及特點(diǎn)s7-200有兩種工作方式，即run(運(yùn)行)模式與stop(停止)模式。在cpu模塊的面板上用“run”和“stop”led顯示當(dāng)前的操作模式。在run模式，通過執(zhí)行反映控制要求的用戶程序來實(shí)現(xiàn)控制功能；在stop模式，cpu不執(zhí)行用戶程序，可以用編程軟件創(chuàng)建和編輯用戶程序，設(shè)置plc的硬件功能，并將用戶程序

23、和硬件設(shè)置信息下載到plc?？梢酝ㄟ^以下三種途徑來改變工作模式：（1）用模式開關(guān)改變工作模式；（2）在程序中改變工作模式；（3）用step7-mico/win32編程軟件改變工作模式。如果程序存在致命錯(cuò)誤，在消除它之前不允許從停止模式進(jìn)入運(yùn)行模式。plc操作系統(tǒng)儲(chǔ)存非致命錯(cuò)誤供用戶檢查，但不會(huì)從運(yùn)行模式自動(dòng)進(jìn)入停止模式。plc的工作方式為掃描工作方式。s7-200的主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）功能強(qiáng)大（2）先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)（3）靈活方便的尋址方法（4）功能強(qiáng)大、使用方便的編程軟件（5）簡化復(fù)雜編程任務(wù)的向?qū)Чδ埽?）強(qiáng)大的通信功能（7）品種豐富的配套人機(jī)界面（8）有競爭力的價(jià)格（9）完善的網(wǎng)上技術(shù)

24、支持1.3 本設(shè)計(jì)所需要做的主要內(nèi)容設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：1. 系統(tǒng)主回路設(shè)備理論計(jì)算及選型2. 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)3. 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真4. 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)5. 系統(tǒng)的軟件流程圖 通過此畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生充分掌握數(shù)字控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論和直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，為今后工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2 直流電動(dòng)機(jī)的原理及拖動(dòng)本章的主要內(nèi)容為直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本方程及機(jī)械特性，并分別介紹了流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法、啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)，詳細(xì)介紹了調(diào)電壓調(diào)速方法。2.1 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與分類直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上是由固定部分（定子）和旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）組成的。定子主要用來產(chǎn)生

25、磁通和作電機(jī)的機(jī)械支撐，其主要部件有主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置；轉(zhuǎn)子通常稱為電樞，用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩其主要部件有電樞鐵心、電樞繞組和換向器。圖2-1給出了直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。各主要部件的作用如下：（1）主磁極：作用是產(chǎn)生主磁通建立氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定的波形沿空間分布。（2）換向極：作用是改善換向，消除或減小電刷與換向器之間的火花。（3）機(jī)座：機(jī)座既作為電機(jī)的機(jī)械支撐，又是磁極間磁通的通路，稱為定子磁軛。（4）電樞鐵心：電樞鐵心是主磁路的一部分。當(dāng)電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，鐵心中的磁通方向不斷變化，因而會(huì)產(chǎn)生渦流及磁滯損耗。為了減少磁損耗，鐵心通常用0.5mm厚硅

26、鋼片疊成。（5）電樞繞組：電樞繞組是直流電機(jī)的主要電路，是直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。當(dāng)電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢；當(dāng)電樞繞組中流過電流時(shí)，它在磁場中受力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。（6）換向器：將輸入的直流電流轉(zhuǎn)換成為電樞繞組元件中的交變電流，產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)形式可分為開啟式、防護(hù)式、封閉式和隔爆式幾種；按容量大小可分為小型、中型和大型直流電動(dòng)機(jī)；按勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。2.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律和電磁力定律基礎(chǔ)上的。從本質(zhì)上看，直流電機(jī)實(shí)際上就是一臺(tái)裝有換向器的交流電機(jī)，借助

27、換向器的作用，把交流電變換為直流電，或把直流電變換成交流電。如圖2-2所示，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由直流電源把直流電能經(jīng)電刷a、b引人電機(jī)，在圖2-2(a)所示的瞬間，導(dǎo)體a的電流方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?，?dǎo)體b的電流方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力作用，方向由左手定則確定，a、b導(dǎo)體所受的電磁力對軸形成一個(gè)順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)矩(電磁轉(zhuǎn)矩)。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時(shí)，電樞沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在圖2-2(b)所示的瞬間，線圈轉(zhuǎn)過180°，由于換向器的作用，電刷a只與處于n極下的導(dǎo)體相接觸，電刷b只與處于s極下的導(dǎo)體相接觸，導(dǎo)體a的電流方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶铮瑢?dǎo)體b的電流方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?，可見引?/p>

28、線圈中的電流是交變的。在導(dǎo)體位置對換的同時(shí)導(dǎo)體中電流的方向也同時(shí)改變，而所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向不會(huì)改變，始終為順時(shí)針方向，從而保證電動(dòng)機(jī)沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。綜上所述，直流電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換過程為：外加直流電源輸人直流電能電樞線圈的交變電能轉(zhuǎn)子的機(jī)械能。實(shí)際直流電機(jī)的電樞繞組是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，由多個(gè)線圈構(gòu)成，線圈平均分布于電樞鐵心表面的不同位置的槽中，并按照一定的規(guī)律連接。磁極也是根據(jù)需要，n、s極交替放置多對。2.2 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)性能和調(diào)速性能，因此在啟動(dòng)、調(diào)速性能要求高的場合常常選用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，從電路、力學(xué)和能量守恒等三個(gè)方面考慮，可以建

29、立電壓、轉(zhuǎn)矩和功率三種平衡方程式。下面以他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)來討論這些方程。一、電壓平衡方程式由電機(jī)可逆原理知，電樞電勢ea的方向與電樞電流人相反，具有反抗電源電壓的性質(zhì)，稱之為反電勢。根據(jù)電路的基爾霍夫電壓定律，可以寫出電樞回路的電壓平衡方程式： （2-1）式中ia為電樞電流；ra為電摳回路總電阻(包括電樞回路中各串聯(lián)繞組的電阻和電刷與換向器電阻)。由直流電動(dòng)機(jī)的電勢平衡方程式可知：對于直流電動(dòng)機(jī)來說，u>ea。二、轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩tem為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)它與軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩t2和空載轉(zhuǎn)矩t0相平衡時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)的轉(zhuǎn)矩方程式為： （2-2）式中te

30、m=ctia是電磁轉(zhuǎn)矩。三、功率平衡方程式（1）功率平衡方程式根據(jù)功率流程圖可以很容易列出直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式 （2-3）式中為電動(dòng)機(jī)的總損耗。（2）功率傳遞與損耗之間的關(guān)系當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接上電源時(shí)，電樞繞組中流過電流ia，電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入的電功率為p1，輸入的電功率一部分被電樞繞組消耗（電樞銅耗pcu），其余部分便是電樞所吸收的電功率，此功率通過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)換成電機(jī)的機(jī)械功率(電磁功率) pem，轉(zhuǎn)子獲得機(jī)械功率。一部分被由電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的機(jī)械損耗(pm)、鐵耗(pfe)和附加損耗(ps)消耗，其余便是通過電機(jī)的軸向負(fù)載輸出的機(jī)械功率p2。以上關(guān)系可以用功率流程圖2-3表示。直流電動(dòng)機(jī)的

31、效率為電動(dòng)機(jī)輸出功率p2與電樞端輸入的電功率p1之比。即 （2-4）2.3 直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)2.3.1 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指當(dāng)電源電壓u、氣隙磁通及電樞回路總電阻（ra+rc）均為常數(shù)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，即n=f(tem)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為： （2-5）當(dāng)電動(dòng)機(jī)外加電壓為額定值un，氣隙磁通也為額定值n，且電樞回路不外串電阻rc，即rc=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性（也稱自然機(jī)械特性），如圖2-4中直線1所示。它是一條略微向下傾斜的直線。當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)外加電壓u、主磁通或外串電阻rc三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)時(shí)，就可得到人工機(jī)

32、械特性。圖2-4中直線2為電樞串電阻人工機(jī)械特性、直線3為改變電動(dòng)機(jī)外加電壓人工機(jī)械特性、直線4為減小磁通的人工機(jī)械特性。2.3.2 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的性能指標(biāo)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有多種，各種調(diào)速方法性能的好壞，常用調(diào)速的性能指標(biāo)來衡量。主要的調(diào)速性能指標(biāo)有以下幾種，現(xiàn)分別說明。 （1）調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，用d表示，即 （2-6）最高轉(zhuǎn)速受電動(dòng)機(jī)換向條件及機(jī)械強(qiáng)度的限制；最低轉(zhuǎn)速則受生產(chǎn)機(jī)械對轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性要求的限制。（2）靜差率靜差率是表示電動(dòng)機(jī)在某一機(jī)械特性上運(yùn)行時(shí)，由理想空載到額定負(fù)載所出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速之比，用百分

33、數(shù)表示為 （2-7） 顯然、在相同的n0情況下，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性越硬靜差率就越小，相對穩(wěn)定性就越好。靜差率和機(jī)械特性的硬度有關(guān)系，但又有不同之處。例如，兩條互相平行的機(jī)械特性其硬度相同，但靜差率不同。同樣硬度的特性，轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，越難滿足生產(chǎn)機(jī)械對靜差率的要求。（3）調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)調(diào)速的級數(shù)越多，則認(rèn)為調(diào)速的平滑性越好。調(diào)速的平滑程度用平滑系數(shù)來衡量，是指兩個(gè)相鄰調(diào)速級(如第級與級)的轉(zhuǎn)速之比，即 （2-8） 值越接近于1，調(diào)速的平滑性越好。時(shí)稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，級數(shù)接近無窮多，此時(shí)調(diào)速的平滑性最好。不同的生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的平滑性要求不同，例如，龍門刨床要求基本

34、上近似無級調(diào)速（即)。（4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性是指對調(diào)速設(shè)備的投資、電能消耗和調(diào)速效率等經(jīng)濟(jì)效果的綜合比較。2.3.3 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速調(diào)速的方法有機(jī)械調(diào)速、電氣調(diào)速、機(jī)械電氣配合調(diào)速。究竟用何種方案要全面考慮，有時(shí)要進(jìn)行各種方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，才能決定。本節(jié)只討論在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用最多的電氣調(diào)速。所謂電氣調(diào)速就是通過人為改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。從直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和負(fù)載機(jī)械特性的交點(diǎn)，即工作點(diǎn)決定。在調(diào)速過程中，如果電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以連續(xù)地加以調(diào)節(jié)，稱為無級調(diào)速。根據(jù)機(jī)械特性方程式： ，可知，人為改變電樞電壓u、電樞回路電阻rc和主磁通都

35、可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。所以，調(diào)速的方法有電樞回路串電阻調(diào)速、降低電樞電壓調(diào)速和減弱磁調(diào)速三種。保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值，電樞回路不串電阻，若將電源電壓降低為u1、u2等不同數(shù)值時(shí)，則可得到與固有機(jī)械特性互相平行的人為機(jī)械特性，如圖2-5所示。從機(jī)械特性上可看到，降低電源電壓后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將降低。降低電源電壓調(diào)速的物理過程是：設(shè)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在電源電壓為u1的機(jī)械特性上的a點(diǎn)，當(dāng)電源電壓突然降低為u2時(shí)，瞬間n及ea不能突變，ia及tem減小，在圖2-5中，運(yùn)行點(diǎn)即在相同的轉(zhuǎn)速下由a點(diǎn)過渡到人為機(jī)械特性上的b點(diǎn)。在b點(diǎn)，由于tem<tl,電動(dòng)機(jī)減速。隨著neaiatem,直到tem

36、=tl，電動(dòng)機(jī)以較低的轉(zhuǎn)速在c點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。降低電源電壓調(diào)速的特點(diǎn):第一，調(diào)速范圍廣。當(dāng)降低電源電壓時(shí)機(jī)械特性的硬度不變。電機(jī)在低速下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化的幅度較小。與電樞回路串電阻的調(diào)速方法比較，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要好得多。第二，調(diào)速的平滑性好，是無級調(diào)速。因?yàn)殡娫措妷嚎蛇B續(xù)調(diào)節(jié)，所以這種調(diào)速方法可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。第三，調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性好。因?yàn)榻祲赫{(diào)速是通過減小輸人功率來降低轉(zhuǎn)速的，低速時(shí)，損耗小，所以降低電源電壓調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性好。第四，調(diào)壓電源設(shè)備較復(fù)雜。降低電源電壓調(diào)速是一種性能較好的調(diào)速方法，目前被廣泛用于對調(diào)速性能要求較高的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，如軋鋼機(jī)、龍門刨床等。2.4 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和正反轉(zhuǎn)2.

37、4.1 直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先給電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組通入額定勵(lì)磁電流，以便在氣隙中建立額定磁通，然后再接通電樞回路。在啟動(dòng)時(shí)，對直流電動(dòng)機(jī)有兩條最基本的要求：一是要有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩tk (即轉(zhuǎn)速為零時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩)，使電動(dòng)機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下能順利啟動(dòng)。并且啟動(dòng)過程所需的時(shí)間能盡量縮短一些：二是要把啟動(dòng)電流ik限制在允許的范圍之內(nèi)，使電動(dòng)機(jī)能在不發(fā)生換向障礙、不產(chǎn)生電機(jī)過熱、不受到過大沖擊等條件下安全啟動(dòng)，并且對電網(wǎng)也不產(chǎn)生有害的影響。實(shí)際工作中掌握的原則是在保證足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下，盡量減小啟動(dòng)電流。把他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組直接接到額定電壓的電源上，這種啟動(dòng)方法稱為直接啟動(dòng)。

38、采用直接啟動(dòng)方法時(shí)，在電樞剛接到電源的瞬間，因n=0，ea=0，若忽略電樞回路電感，則電樞電流瞬間達(dá)到最大值ia=u/ra。由于ra很小，ia可能達(dá)到額定電流的1030倍。這么大的電樞電流將使換向器產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花，甚至產(chǎn)生環(huán)火，燒壞換向器及電刷；而且這個(gè)瞬間大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩沖擊也會(huì)造成拖動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損壞。所以，只有容量為數(shù)百瓦的微型直流電動(dòng)機(jī)，才允許采用直接啟動(dòng)方法(因力這類直流電動(dòng)機(jī)有較大的電樞電阻轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也較小，啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速上升較快)。一般直流電動(dòng)機(jī)的最大允許電流為 （1.52）in，所以不能采用直接啟動(dòng)方法，必須把啟動(dòng)電流限制在允許范圍之內(nèi)。為了限制啟動(dòng)電流，可以采用降低電源電壓或在電樞

39、回路中串電阻的方法。2.4.2 直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向與電磁轉(zhuǎn)矩的方向一致。為了改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，就要改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。從轉(zhuǎn)矩公式tem = ctia可知，電磁轉(zhuǎn)矩取決于磁通和電樞電流的相互作用。只要磁通和電樞電流的方向有一個(gè)發(fā)生改變，則電磁轉(zhuǎn)矩和電樞轉(zhuǎn)向也隨之改變。具體方法有二：（1）保持電樞端電壓的極性不變，將勵(lì)磁繞組反接，使勵(lì)磁電流反向，而改變磁通的方向： （2）保持勵(lì)磁繞組的電壓極性不變，將電樞繞組反接，使電樞電流的方向改變。顯而易見，如果電樞繞組和勵(lì)磁繞組同時(shí)反接，使磁通和電樞電流都改變方向，則電磁轉(zhuǎn)矩和電樞旋轉(zhuǎn)方向都達(dá)不到反向

40、的目的。 由于直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的匝數(shù)較多，電感較大，反向勵(lì)磁的建立過程緩慢，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的過程不能迅速進(jìn)行。同時(shí)，當(dāng)勵(lì)磁繞組斷開時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢，可能使絕緣擊穿，所以在實(shí)際應(yīng)用中，多采用反接電樞繞組的方法來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)。 3 直流電動(dòng)機(jī)的pwm控制系統(tǒng)本章主要介紹直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制（pwm）式調(diào)速方法，具體討論直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成，及s7-200plc實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速的控制原理和控制電路的實(shí)現(xiàn)。3.1 直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速概述直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制(pwm)

41、技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的電極端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)被稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制(pulse-width modulation，縮寫為pwm)式直流調(diào)速系統(tǒng)，是一種在vc-m直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以脈寬調(diào)制式可調(diào)直流電源取代晶閘管相控整流電源后構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。脈寬調(diào)制的基本原理是利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率為14khz的方波電壓，加到直流電動(dòng)機(jī)的電樞上，通過對方波脈寬的控制，改變電樞的平均電壓，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速

42、和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主,而調(diào)壓調(diào)速又以pwm調(diào)速為主。pwm（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)速方法。pwm可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在pwm驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，pwm又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。3.2 直流電動(dòng)機(jī)pwm調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主

43、要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要專門的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止式可控整流器。用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。3.2.1 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖如圖3-1(a)所示，在原理圖中，vt表示電力電子開關(guān)器件，vd表示續(xù)流二極管。當(dāng)vt導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓us加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)vt關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)vd續(xù)流，兩端電壓接

44、近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖3-1(b)，好像是電源電壓us在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在 t-ton時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為： （3-1）式中t - 晶閘管的開關(guān)周期；ton - 開通時(shí)間；r - 占空比， r = ton /t = ton f，其中f為開關(guān)頻率。為了節(jié)能并實(shí)行無觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、gto、igbt等。采用簡單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器。與晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相比，pwm系統(tǒng)具有以下優(yōu)越性：（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電

45、流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。根據(jù)對輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：1）t不變，變ton-脈沖寬度調(diào)制（pwm）；2）ton不變，變t-脈沖頻率調(diào)制（pfm）；3）ton和t都可調(diào)，改變占空比-混合型。上述三種可控直流電源，v-m系統(tǒng)在上世紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用，

46、目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流pwm調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)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。3.2.2 pwm控制與變換器的數(shù)學(xué)模型pwm控制和變換器的框圖如圖3-2示，其驅(qū)動(dòng)電壓都由pwm控制器發(fā)出，pwm控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)整流裝置基本一致。因此pwm控制與變換器（簡稱pwm裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成： （3-2）式中ks-pwm裝置的放大系數(shù)；ts-pwm裝置的延遲時(shí)間，ts t0 。當(dāng)開關(guān)頻率為10khz時(shí)t = 0.1ms，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似

47、看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此： （3-3）與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。但須注意，式（3-3）是近似的傳遞函數(shù)，實(shí)際上pwm變換器不是一個(gè)線性環(huán)節(jié)，而是具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)。繼電控制系統(tǒng)在一定條件下會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，這是采用線性控制理論的傳遞函數(shù)不能分析出來的。如果實(shí)際中遇到這種問題，可以改變調(diào)節(jié)器或控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。3.3 pwm系統(tǒng)的主要問題分析3.3.1 pwm變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形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(jī)轉(zhuǎn)速。pwm變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與

48、可逆兩大類，由于不可逆pwm變換電路只能工作在第一、二象限，與本論文所討論的問題無關(guān)，所以下面只闡述可逆pwm變換器電路的工作原理?？赡鎝wm變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱h型）電路，如圖3-3所示。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)m兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只詳細(xì)分析最常用的單極式控制的可逆pwm變換器。單極式控制可逆pwm變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形如圖3-4所示。在單極式變換器中，左邊兩個(gè)管子vt1、vt2的驅(qū)動(dòng)脈沖ub1=-ub2，右邊兩管vt3、vt4的驅(qū)動(dòng)脈沖ub3=-ub4。它們的波形圖如圖3-4所示

49、。ub1=-ub4四個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖信號是由脈寬調(diào)制器電路生成，從圖上可以看出，在一個(gè)開關(guān)周期t內(nèi)，vt1和vt4并不時(shí)時(shí)導(dǎo)通，在0tt1期間，ub1和ub4同為高電平，vt1和vt4同時(shí)導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓uabus，電流方向?yàn)檎颍辉趖1tt2期間，ub1和ub3同為高電平，但此時(shí)vt3不能直接導(dǎo)通，由于在電樞電感釋放儲(chǔ)能的作用下，此時(shí)電樞電流通過vt1和vd3 續(xù)流，使得vt3承受反壓而不能導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)電摳端電壓uab0；在t2tt3間，ub1和ub4同為高電平，vt1依舊導(dǎo)通，vt4又導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓uabus；在t3tt4期間， ub2和ub4同為高電平，但此時(shí)vt2不能直接導(dǎo)通，

50、電樞電流通過vt4和vd2續(xù)流，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓uab0。電壓、電流波形如圖3-4所示。從上面的波形圖可以看出，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為正，所以在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；如果要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值則為負(fù)，就需要改變4個(gè)功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖來實(shí)現(xiàn)。3.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。其機(jī)械特性方程式為： （3-4）或用轉(zhuǎn)矩表示為： （3-5）式中： - 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；- 理想空載

51、轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)g成正比。對于電動(dòng)機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向的電路，輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時(shí)，id=0，理想空載轉(zhuǎn)速回翹到n0s=us/ce。目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于igbt已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10khz左右，這時(shí)，最大電流脈動(dòng)量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計(jì)。3.4 s7-200plc實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速本設(shè)計(jì)所使用的plc的cpu型號為224，它有兩個(gè)模擬電位器,用特殊存儲(chǔ)器smb28和smb29來標(biāo)志，分別對應(yīng)于模擬電位器0和模擬電位器1動(dòng)觸電的位置（只讀），通過調(diào)節(jié)對應(yīng)的電

52、位器就可以改變pwm波的脈寬，來實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速。s7-200實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的pwm調(diào)速的硬件接線圖如下圖3-6所示。本系統(tǒng)采用s7-200plc的cpu224模塊，cpu224產(chǎn)生兩路（正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)）pwm波經(jīng)接口模塊送至功率驅(qū)動(dòng)電路，pwm信號經(jīng)放大輸出到電動(dòng)機(jī)兩端，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的控制；轉(zhuǎn)速檢測回路用霍爾開關(guān)來檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)掃描脈沖，將產(chǎn)生的脈沖經(jīng)接口模塊送至cpu224內(nèi)部的高速脈沖計(jì)數(shù)器；通過cpu224運(yùn)算處理，其輸出經(jīng)接口電路模塊輸出到74ls48譯碼/驅(qū)動(dòng)電路，到數(shù)碼管顯示電路實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。外部電路有功率驅(qū)動(dòng)電路、dc24v電源電路和轉(zhuǎn)速檢測及顯示回路組成

53、，功率驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速顯示回路均采用各自的電源供電，霍爾開關(guān)直接使用plc的內(nèi)部電源，避免產(chǎn)生干擾，plc的輸出經(jīng)光耦合器進(jìn)行光電隔離到控制系統(tǒng)。4 24伏100瓦直流電動(dòng)機(jī)的pwm控制系統(tǒng)硬件本章主要介紹了24v100w直流電動(dòng)機(jī)的pwm控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括控制系統(tǒng)的電源回路、驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速檢測及顯示回路、電路保護(hù)及硬件的抗干擾考慮。4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述s7-200實(shí)現(xiàn)pwm控制直流電動(dòng)機(jī)，使用s7-200的cpu224模塊和em223接口模塊，外部電路dc+24v電源dc+5v電源均自行設(shè)計(jì)，功率驅(qū)動(dòng)電路采用4只功率達(dá)林頓管組成的h橋式驅(qū)動(dòng)電路，測速元件采用霍爾開關(guān)，轉(zhuǎn)速顯示電路使用一個(gè)

54、四位數(shù)碼管實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掃描顯示，數(shù)碼管由74ls48來譯碼驅(qū)動(dòng)，其控制系統(tǒng)方框圖如圖4-1所示。在控制系統(tǒng)中，通過軟件使cpu224產(chǎn)生兩路pwm波經(jīng)接口模塊送至功率驅(qū)動(dòng)電路，功率驅(qū)動(dòng)電路有四個(gè)功率達(dá)林頓管組成的“h”橋電路，其電源由外部電源dc+24v提供，pwm信號經(jīng)放大輸出到電動(dòng)機(jī)兩端；轉(zhuǎn)速檢測回路用霍爾開關(guān)來檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)掃描脈沖，將產(chǎn)生的脈沖經(jīng)接口模塊送至cpu224內(nèi)部的高速脈沖計(jì)數(shù)器，通過cpu224運(yùn)算處理，經(jīng)接口模塊輸出到74ls48譯碼/驅(qū)動(dòng)電路，到數(shù)碼顯示電路進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。4.2 控制系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的電源分為dc+24v電源和dc+5v電源兩種，其中dc+24v電源供給功率驅(qū)動(dòng)電路和霍爾開關(guān)電路，dc+5v電源為轉(zhuǎn)速顯示回路提供電源。直流穩(wěn)壓電源主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路所組成，如圖4-2所示。（1）電源變壓器：用變壓器將市電的電壓變換成所需要的交變電壓，再將變換后的交變電壓整流、濾波和穩(wěn)壓，最后獲得所需要的直流電壓。（2）整流電路：整流電路是利用具有單向?qū)щ娦缘恼髟?如整流二極管、晶閘管)，