课程设计单闭环直流电机控制系统

运动控制课程设计题单闭环直流电机控制系统院系：工学院专业：电气工程及其自动化班级：电气工程1402姓名：汤安琪学号：201402012011指导教师：王玮二〇一七年二月运动控制系统课程设计任务书一、基本情况学时：1 周学分：1 学分适应班级：电气工程1402二、进度安排本设计共安排1 周，合计30学时，具体分配如下：实习动员及准备工作：2 学时总体方案设计：4 学时硬件设计：12 学时撰写设计报告：8 学时答辩：4 学时教师辅导：随时三、基本要求1、课程设计的基本要求运动控制系统课程设计的主要内容包括：理论设计与撰写设计报告等。

其中理论设计又包括总体方案选择，硬件系统设计、硬件设计包括单元电路，选择元器件及计算参数等；课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。

2、课程设计的教学要求运动控制系统课程设计课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。

做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到2 节以上，或者迟到、早退累计达到4 次以上的学生，该课程考核按不及格处理。

在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。

课程设计的任务相对分散，每5-6 名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。

小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。

但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过60%的课程设计考核按不及格处理。

四、设计题目及控制要求题目：单闭环直流电机控制系统设计参数：( 1 ) 直流电机：P N 20W、U N 12V 、I N 1.5A、nN 300r/min、电枢电阻R a 4.5 Ω 、电枢电感L a 6.76mH、GD2 15.68N.cm 2T m 30ms、( 2)双闭环直流调速系统：U n 5V、Uim 5V、Idm 1.5I N 、σi 5% 设计要求：(1) 、根据题目的技术要求，分析并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。

(2) 、调速系统主电路元部件的确定及其参数的计算(包括电力电子器件、平波电抗器与保护电路等)(3) 、动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定调节器的结构形式及进行参数计算，使调节系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

五、设计报告设计完成后，必须撰写课程设计报告。

设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字(不含图形、程序)不少于3000 字，图形绘制规范。

设计报告的格式如下：1、封面2、摘要3、目录4、正文(1) 所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；(2) 方案选择及论证；(3) 硬件电路设计及描述(包括硬件的选型及电路图、输入输出接线图等的设计)；5、心得体会6、参考文献不少于5 篇。

要至少有2 篇近5 年的参考文献。

六、考核方法运动控制系统课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100 之间为优秀，80-89 分之间为良好，70-79 分之间为中等，60-69 分之间为及格，60 分以下为不及格。

考核分三个方面进行：平时表现20%；设计答辩30%，设计报告50% 。

有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：1 、设计期间累计迟到、早退达4 次；2 、设计期间累计旷课达2 节；3 、设计报告雷同率超过50%或无设计报告；4 、不能完成设计任务，达不到设计要求。

摘要直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。

直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。

针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速, 以满足工作机械的要求。

从机械特性上看, 就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性, 从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点使电动机的稳定运转速度发生变化。

直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。

关键词：直流电动机，调速目录第一章绪论 (1)1.1 直流调速系统的概述 (1)1.2 设计内容和要求 (2)1.2.1 设计内容 (2)1.2.2 设计要求 (2)1.2.3 设计参数 (3)第二章系统设计方案 (4)2.1 闭环调速系统的组成及其静特性 (5)2.1.1 系统组成 (5)2.1.2 静特性 (6)2.2 稳态参数计算 (6)2.3 传递函数 (7)第三章主电路设计与分析 (10)3.1 转速单闭环直流调速系统原理图 (10)3.2 系统元件介绍 (11)第四章控制电路设计与分析 (15)4.1 方波三角波发生器电路图 (15)4.2 PWM装置驱动电路图 (15)4.3 PWM装置主电路图 (16)第五章测试结果及问题............ 错误! 未定义书签。

5.1 实测电路中的波形 .......... 错误! 未定义书签。

5.2 连接电路中遇到的问题 ......... 错误! 未定义书签。

总结 (17)参考文献 (18)第一章绪论1.1 直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。

首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。

同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。

直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的IGBT 大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。

适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。

该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

1.2 设计内容和要求1.2.1 设计内容1. 电路功能（1）用晶闸管整流实现直流调压，控制直流电动机的转速连续可调。

采用转速调节器构成单闭环控制系统。

（2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路及保护电路。

控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、调节器电路、驱动电路、检测与故障保护电路。

（3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管。

（4）系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析（1）确定主电路方案（2）主电路元器件的计算及选型4. 控制电路设计与分析（1）检测电路设计（2）功能单元电路设计（3）触发电路设计（4）调节器参数的设计1.2.2 设计要求1. 设计思路清晰，给出整体设计框图；2. 单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3. 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析；4. 绘制总电路图；5. 写出设计报告。

1.2.3 设计参数（1）输入输出电压：三相（AC）220（1+15%）、（2）最大输出电压DC300V、电流根据电机功率予以选择（3）要求电机能实现单向无级调速，稳态性能指标D=10,静差率s≤5%。

（4）电机型号电机型号Z2-71 , 功率10KW,额定电压为220V,额定电流为55A, 额定转速为1000r/min ，飞轮力矩为1.0kg*m2,效率为η =83%，电枢电阻Ra=0.5Ω。

第二章系统设计方案对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。

常用的可控直流电源有以下三种：旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。

直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。

直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M 系统成为主要的直流调速方式。

本次设计就是采用直流PWM调速。

PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

2.1 闭环调速系统的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。

图3-1 采用转速负反馈的闭环调速系统调解原理：在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压U*n 相比较后，得到转速偏差电压Un ，经过放大器A ，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速n。

2.1.2 静特性图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。

运用结构图运算 法同样可以推出式（ 3-1 ）所表示的静特性方程式，如下：n K p K s U *nRI dnC e (1 K ) C e (1 K )3-2)2. 闭环系统的开环放大倍数：U N I N R a 24 1.5 1.8 C eV min/r 0.0071V min/r(3-3 )en N3000开环系统额定速降为：IN R 1.5 4.5r / min 950.70r / min,(R 4.5 )C e 0.00713-1)2.2 稳态参数计算 1. 负载时的稳态速降n cln N S D(1 S)3000 0.05 20(1 0.05)7.89r/ min图 3-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图运算放大器的放大倍取 K p 164 2.3 传递函数图 3-3 反馈控制闭环调速系统的动态结构图则闭环系统的开环放大倍数为：n op950.70（3-4）K op 11 119.49n cl7.89因为： T m 30ms,T s10.1ms,T l 2.2ms2KT ml (T l T s ) T s 230(2.2 0.1)0.12314,取KT l T s2.2 0.1120(3-5 )转速反馈系数 :U5nV min/r 0.00167V min/ r n N 3000电压放大系数 : K sU do 0U cm 0247.73.12, (U cm 7.7V) 数: K pKK s /C e120 0.0071 0.00167 3.12 163.52 ，3-6)由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：K2(T s s 1) (T m T l s2T m s 1)1202(0.0001s 1) (0.000066s20.03s 1)120( 0.0001s 1) (0.002391s 1) (0.027610s 1)应用PI 调节器校正，其传递函数为：K pi s 1W pi (s) pi，(3-8)s校正后传递函数为：7.186s 217.75s(0.0001s 1)(0.002391s 1)(0.02761s 1)应用MATLAB编程画伯德图：其中，Kpi100K10K10K 0.33 F 0.0033s .W(s)(3-7) W(s)标准文档其程序为：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) 结果为：Gm = 101.7770Pm = 111.6555Wcg = 3.2053e+003Wcp = 14.1标准文档第三章主电路设计与分析3.1 转速单闭环直流调速系统原理图3.2 系统元件介绍1)74HC0874HC08为四组2 输入端与门1A-4A输入端输入端1B-4B1Y-4Y输出端Vcc=+5v（2）LM311地到负电源电压（v14） 30V 输出到负电源电压（V74）40V 总电源电压（V84）36V输入电压（V13）LM311双列8引脚图引脚功能：引脚1：接地引脚3：反向输入端引脚5：平衡引脚8：V+ +15V（3）74HC14：六反相斯密特触发器Vcc=+5V±15V引脚2：正向输入端引脚7：输出端引脚6：平衡/选通引脚4：V- -15V4)UPC4574V+=+15VV-=-15V5)UPC4570V+=+15V V-=-15V（6）TLP250：光耦 电源电流 Icc=11mA7)TD62084引脚 I1~I8 ：信号输入端引脚 O1~O8：信号输出端 引脚 9：接地 引脚 10：公共端（8）2SK2661：MOSFE 管T 漏极- 源极额定电压（ VDSS ）：500V 漏极-门极额定电压（ RGS=2Ｋ0 时）（VDG ）R ：500V 门极- 源极额定电压（ VGSS ）：±30V电源电压 Vcc=10~35V第四章控制电路设计与分析4.1 方波三角波发生器电路图图4.1 方波三角波发生器电路图4.2 PWM装置驱动电路图图4.2 PWM装置驱动电路图4.3 PWM装置主电路图图4.3 PWM装置主电路图总结经过长达五天多的时间，此次设计终于完成了，心头禁不住喜悦之情，成功了，一切阴霾都随之而去。