直流电动机调速系统课程设计
直流电动机调速设计
综述直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。
与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。
但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。
随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。
直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。
本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。
1 直流电动机调速原理1.1直流电动机的定义输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。
1.2直流电动机的基本结构直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。
其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。
直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。
其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。
直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。
其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。
电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。
换向器是一种机械整流部件。
由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。
各换向片间互相绝缘。
换向器质量对运行可靠性有很大影响。
图1-1直流电动机的基本结构1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。
1.3直流电动机的工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。
基于单片机的直流电机调速系统的课程设计
一、总体设计概述本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。
二、直流电机调速原理根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速，总满足下式：式中U——电压；Ra——励磁绕组本身的内阻；——每极磁通（wb ）;Ce——电势常数；Ct——转矩常数。
由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。
传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。
随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。
如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。
调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电．压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。
平均转速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。
直流电动机双闭环调速系统设计
1 设计方案论证电流环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。
方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。
转速环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。
方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。
2双闭环调速控制系统电路设计及其原理综述随着现代工业的开展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。
相对于单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程的弱点。
双闭环控制那么很好的弥补了他的这一缺陷。
双闭环控制可实现转速和电流两种负反应的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。
其良好的动态性能主要表达在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。
正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进展深入的探讨和研究。
本次课程设计目的就是旨在对双闭环进展最优化的设计。
整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。
共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。
变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。
三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。
为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。
三相桥式全控整流电路的工作原理是当a=0°时的工作情况。
交直流调速系统课程设计
目录交直流调速课程设计任务书 (2)前言 (4)关键词 (4)交直流调速课程设计说明书 (5)一、总体方案确实定 (5)1.1 现行方案的讨论与比拟 (5)1.2 选择PWM控制系统的优越性 (6)1.3采用转速电流双闭环的理由 (6)1.4起动过程电流和转速波形 (9)1.5 H桥双极式逆变器的工作原理 (9)1.6 PWM调速系统静特性 (11)二、双闭环直流调速系统的硬件结构 (12)2.1主电路 (13)2.2 电流调节器 (14)2.3转速调节器 (14)2.4控制电路设计 (15)2.5、控制环节电源设计 (16)2.6、限幅电路 (16)2.7转速检测电路 (17)2.8、电流检测电路 (17)2.9、泵升电压限制 (18)三、电机参数及设计要求 (19)3.1电路根本信息如下： (19)3.2计算反响关键参数 (19)四、课程设计心得体会 (23)五、系统主要硬件结构图 (24)参考文献： (25)交直流调速课程设计任务书一、题目：双闭环可逆直流PWM调速系统设计二、设计目的1、对先修课程〔电力电子学、自动控制原理等〕的进一步理解与运用2、运用?电力拖动控制系统?的理论知识设计出可行的直流调速系统，通过建模、仿真验证理论分析的正确性。
也可以制作硬件电路。
3、同时能够加强同学们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。
到达综合提高学生工程设计与动手能力的目的。
三、系统方案确实定自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能〔动、静〕→电机参数→主电路→控制方案〞〔系统方案确实定〕→“系统设计→仿真研究→参数整定→直至理论实现要求→硬件设计→制板、焊接、调试〞等过程，其中系统方案确实定至关重要。
为了发挥同学们的主观能动作用，且防止方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数由同学自已选定。
1、主电路采用二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器;2、速度调节器和电流调节器采用PI调节器；U*nm=U*i m =U cm=10V3、机械负载为对抗性恒转矩负载，系统飞轮矩〔含电机及传动机构〕GD2 ＝1.5Nm2；4、主电源：可以选择三相交流380V供电，变压器二次相电压为52V；5、他励直流电动机的参数：见习题集【4-19】〔p96〕n N=1000r/min，电枢回路总电阻R=2Ω，电流过载倍数λ=2；6、PWM装置的放大系数K s=11；PWM装置的延迟时间T s=0.4ms。
直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计
电力拖动课程设计题目：直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统姓名：学号：班级：指导老师：课程评分：日期目录一、设计目标与技术参数二、设计基本原理（一）调速系统的总体设计（二）桥式可逆PWM变换器的工作原理（三）双闭环调速系统的静特性分析（四）双闭环调速系统的稳态框图（五）双闭环调速系统的硬件电路（六）泵升电压限制（七）主电路参数计算和元件选择（八）调节器参数计算三、仿真（一）仿真原理（含建模及参数）（二）重要仿真结果（目的为验证设计参数的正确性）四、结论参考文献附录1：调速系统总图附录2：调速系统仿真图一、设计目标与技术参数直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下：额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min；电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s；电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01V*min/r；允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A；电流超调量：σi≤5%；转速超调量：σi≤10%；运算放大器：R0=4KΩ；晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。
PWM变换器的放大系数：K S=20。
二、设计基本原理（一）调速系统的总体设计在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。
这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。
如图2-1所示。
图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。
单片机课程设计PWM直流电动机调速控制系统方案
单片机原理及应用—— P W M直流电机调速控制系统概括直流电动机具有良好的启动性能和调速特性。
具有起动转矩大、调速平稳、经济大范围、调速容易、调速后效率高等特点。
本文设计的直流电机调速系统主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路和独立按键组成的电子产品组成。
电源采用78系列芯片，采用PWM波方式实现电机+5V、+15V调速，PWM为脉宽调制，通过51单片机改变占空比实现。
通过独立的按键实现电机的启停、调速和转向的手动控制，LED实现测量数据（速度）的显示。
电机转速采用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机统计1秒内方波脉冲个数，计算电机转速，实现直流电机的反馈控制。
关键词：直流电机调速； H桥驱动电路； LED显示屏; 51单片机目录摘要2摘要错误!未定义书签。
目录3第 1 章引言41.1 概述41.2 国外发展现状41.3 要求51.4 设计目的及6第 2 章项目论证与选择72.1 电机调速模块72.2 PWM调速工作模式72.3 PWM脉宽调制方式错误!未定义书签。
2.4 PWM 软件实现错误!未定义书签。
第三章系统硬件电路设计83.1 信号输入电路83.2 电机PWM驱动模块电路9第 4 章系统的软件设计104.1 单片机选型104.2 系统软件设计分析10第 5 章 MCU 系统集成调试135.1 PROTEUS 设计与仿真平台错误!未定义书签。
18传统开发流程对比错误!未定义书签。
第一章简介1.1 概述现代工业的电驱动一般要求部分或全部自动化，因此必须与各种控制元件组成的自动控制系统相联动，而电驱动可视为自动电驱动系统的简称。
在这个系统中，生产机械可以自动控制。
随着现代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动电驱动正朝着计算机控制的生产过程自动化方向发展。
以实现高速、高质量、高效率的生产。
在大多数集成自动化系统中，自动化电力牵引系统仍然是不可或缺的组成部分。
直流电动机调速课程设计
直流电动机调速课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解直流电动机的基本构造、工作原理和调速方法；2. 使学生掌握直流电动机调速的相关理论知识，如电枢电压调速、励磁电流调速和串电阻调速；3. 帮助学生了解直流电动机调速在实际应用中的关键作用和价值。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析和解决实际直流电动机调速问题的能力；2. 让学生学会使用相关仪器、设备进行直流电动机调速实验，提高动手操作能力；3. 培养学生团队协作、沟通交流的能力，以小组合作形式完成实验任务。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对直流电动机调速技术的兴趣，培养科技创新精神；2. 培养学生严谨、务实的科学态度，关注实际问题的解决；3. 增强学生的环保意识，认识到调速技术在节能减排方面的重要性。
课程性质：本课程为高二年级物理课程，旨在让学生掌握直流电动机调速的基本原理和实际应用。
学生特点：高二年级学生已具备一定的物理知识基础，具有较强的逻辑思维能力和动手操作能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和问题解决能力。
通过课程学习，使学生能够达到上述课程目标，并为后续相关课程的学习奠定基础。
在教学过程中，关注学生的学习进度，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 理论知识：（1）直流电动机的基本构造、工作原理及分类；（2）直流电动机调速原理，包括电枢电压调速、励磁电流调速和串电阻调速；（3）调速性能指标及影响调速性能的因素。
2. 实践操作：（1）使用仿真软件或实验设备进行直流电动机调速实验；（2）学习并掌握相关仪器、设备的使用方法；（3）小组合作完成实验任务，分析实验结果，探讨调速方法在实际应用中的优缺点。
3. 教学大纲：（1）第1课时：介绍直流电动机的基本构造、工作原理及分类；（2）第2课时：讲解直流电动机调速原理及调速方法；（3）第3课时：分析调速性能指标及影响调速性能的因素；（4）第4课时：实践操作，进行直流电动机调速实验；（5）第5课时：总结实验结果，讨论调速方法在实际应用中的优缺点。
直流电机调速系统课程设计报告指导书
直流电机调速系统课程设计指导书一、实验目的1、通过对KZ－D系统开环机械特性和闭环机械特性的实测及研究，加深对负反应控制的根本原理的理解。
2、掌握操作实际系统的方法和必要参数的测定方法。
3、研究系统各参数间的根本关系及各参数变化对系统的影响。
4、加深比照例积分调节器动态传输特性的认识，了解其在无静差自动控制系统中的作用。
5、通过实践掌握工程实践中常见的双闭环无静差调速系统参数设计计算和ST调试方法。
5 DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表6 DJ13 直流复励发电机7 DJ15 直流并励电动机8 D42 滑线变阻器串联形式：0.41A，1.8kΩ并联形式：0.82A，900Ω9 数字存储示波器自备10 万用表自备三、实验线路及原理晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。
在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压U g作为触发器的移相控制电压U ct，改变U g的大小即可改变控制角α，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。
实验系统的组成原理图如图5-1所示。
图1-1 实验系统原理图四、实验容(1) 测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R,电感值L,s K , 测定直流电动机电势常数C e 测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M (2) 转速调节器的调试,电流调节器的调试(3) 设计调速系统。
调速指标为D =10，S <10%；测定系统开环机械特性和∆n nom ，判断能否满足调速指标；如果不能满足，可采用转速负反应；计算及整定比例调节器参数、反应系数；测定闭环系统的机械特性。
(4) 设计及调试双闭环无静差KZ －D 调速系统要求额定转速时S ≤2%，电流超调量σi %<5%，转速起动到额定转速时，超调量σn ed n %<10%，负载扰动恢复时间小于05.s ，电动机过载倍数λ=12.，电流反应系数A V 615.4=β。
双闭环直流调速系统(课程设计)
4•仿真实验95•仿真波形分析13三、心得体会14四、参考文献161•课题研究的意义从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。
双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。
直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。
就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。
且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。
2•课题研究的背景电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。
从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件-IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。
每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。
同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。
正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。
(3-16) 取：(3-17) ◎i=4.3%<5%，满足课题所给要求。
3.3速度调节器设计电流环等效时间常数1/K。
取KT乙=0.5,贝IJ：1二2X0.0067二0.0134K(3-15)转速滤波时间常数T on。
晶闸管直流电动机调速系统设计设计
晶闸管直流电动机调速系统设计目录1设计概述 (1)1.1 设计意义及要求 (1)1.2 方案分析 (1)1.2.1 可逆调速方案 (1)1.2.2 控制方案的选择 (2)2主电路的设计与分析 (3)2.1 整流电路 (3)2.2 斩波调速电路 (4)3控制电路的设计与分析 (5)3.1 触发电路的设计与分析 (6)3.2脉宽调制（PWM）控制的设计与分析 (6)3.2.1 欠压锁定功能 (7)3.2.2系统的故障关闭功能 (7)3.2.3软起动功能 (7)3.2.4 波形的产生及控制方式分析 (8)3.3 延时、驱动电路的设计 (8)3.4 ASR和ACR调节器设计 (9)3.4.1 ASR（速度调节器） (9)3.4.2 ACR（电流调节器） (10)结束语 (12)参考文献 (12)附录 (13)晶闸管直流电动机调速系统设计1设计概述1.1 设计意义及要求有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。
改变电枢电压的极性，或改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。
当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统1.2 方案分析1.2.1 可逆调速方案使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。
电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。
电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。
电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。
直流调速系统课程设计摘要
直流调速系统课程设计摘要一、课程目标知识目标：1. 学生能理解直流调速系统的基本原理，掌握其组成部分及功能。
2. 学生能掌握直流调速系统中速度反馈、电流反馈等基本控制环节的工作原理。
3. 学生了解不同类型直流电动机的调速方法，并能分析其优缺点。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，设计简单的直流调速系统电路。
2. 学生能够通过实验，观察并分析直流调速系统在不同参数下的性能变化。
3. 学生能够熟练使用相关仪器设备进行实验操作，掌握实验数据的处理方法。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对电气工程领域的学习兴趣，增强对工程技术应用的认知。
2. 学生培养团队协作精神，提高沟通与交流能力。
3. 学生树立安全意识，养成严谨的科学态度，注重环境保护。
课程性质：本课程为电气工程及其自动化专业本科课程，旨在帮助学生掌握直流调速系统的基本原理、设计和应用。
学生特点：学生已具备一定的电路原理和电机控制基础知识，具有较强的动手能力和探究精神。
教学要求：结合课程性质和学生特点，注重理论与实践相结合，通过课堂讲解、实验操作、课后巩固等环节，提高学生的知识水平和实践能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行教学设计和评估。
二、教学内容1. 直流调速系统原理及组成- 直流电动机调速原理- 直流调速系统的组成部分及其功能- 速度反馈与电流反馈在调速系统中的作用2. 直流电动机调速方法- 晶闸管直流调速系统- 闭环直流调速系统- 不同调速方法的优缺点分析3. 直流调速系统电路设计- 速度反馈环节设计- 电流反馈环节设计- 调速系统电路连接与调试4. 直流调速系统性能分析- 系统稳定性分析- 负载扰动对系统性能的影响- 参数调整对系统性能的影响5. 实验教学- 直流调速系统实验操作方法- 实验数据的采集与处理- 实验结果分析及报告撰写教学内容安排与进度：第一周：直流调速系统原理及组成第二周：直流电动机调速方法第三周：直流调速系统电路设计第四周：直流调速系统性能分析第五周：实验教学（含实验报告撰写）教材章节及内容关联：第一章：电气传动控制系统概述第二章：直流电动机及其调速原理第三章：闭环控制系统的组成与设计第四章：直流调速系统性能分析第五章：直流调速系统实验教学内容根据课程目标和教学要求，结合教材章节进行科学性和系统性的组织，确保学生能够循序渐进地掌握直流调速系统的相关知识。
直流电动机双闭环调速系统课程设计
直流电动机双闭环调速系统课程设计一、引言直流电动机是一种常见的电动机，广泛应用于工业生产和日常生活中。
在实际应用中，为了满足不同的工作要求，需要对电动机进行调速。
传统的电动机调速方法是通过改变电源电压或者改变电动机的极数来实现，但这种方法存在调速范围小、调速精度低、调速响应慢等问题。
因此，现代工业中普遍采用电子调速技术，其中双闭环调速系统是一种常用的调速方案。
二、直流电动机双闭环调速系统的原理直流电动机双闭环调速系统由速度环和电流环组成。
速度环是通过测量电动机转速来控制电动机的转速，电流环是通过测量电动机电流来控制电动机的负载。
两个环路相互独立，但又相互联系，通过PID控制器对两个环路进行控制，实现电动机的精确调速。
三、直流电动机双闭环调速系统的设计1.硬件设计硬件设计包括电源模块、电机驱动模块、信号采集模块和控制模块。
其中电源模块提供电源，电机驱动模块将电源转换为电机驱动信号，信号采集模块采集电机转速和电流信号，控制模块根据采集到的信号进行PID控制。
2.软件设计软件设计包括PID控制器设计和程序编写。
PID控制器是直流电动机双闭环调速系统的核心，其作用是根据采集到的信号计算出控制量，控制电机的转速和负载。
程序编写是将PID控制器的计算结果转换为电机驱动信号，实现电机的精确调速。
四、直流电动机双闭环调速系统的实现1.电路连接将电源模块、电机驱动模块、信号采集模块和控制模块按照设计要求连接起来。
2.参数设置根据电机的参数和工作要求，设置PID控制器的参数，包括比例系数、积分系数和微分系数等。
3.程序编写根据PID控制器的计算结果，编写程序将其转换为电机驱动信号，实现电机的精确调速。
五、直流电动机双闭环调速系统的应用直流电动机双闭环调速系统广泛应用于工业生产和日常生活中，如机床、风机、水泵、电梯等。
其优点是调速范围广、调速精度高、调速响应快、负载能力强等。
六、总结直流电动机双闭环调速系统是一种常用的电子调速方案，其原理是通过速度环和电流环相互独立但相互联系的方式，通过PID控制器对两个环路进行控制，实现电动机的精确调速。
单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》
单片机原理及应用课程设计报告设计题目：学院：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：年月日目录设计题目 (1)1 设计要求及主要技术指标： (1)1.1 设计要求 (1)1.2 主要技术指标 (2)2 设计过程 (2)2.1 题目分析 (4)2.2 整体构思 (4)2.3 具体实现 ................... 错误!未定义书签。
3 元件说明及相关计算 (5)3.1 元件说明 (5)3.2 相关计算 (6)4 调试过程 (6)4.1 调试过程 (6)4.2 遇到问题及解决措施 (7)5 心得体会 (7)参考文献 (8)附录一：电路原理图 (9)附录二：程序清单 (9)设计题目：PWM直流电机调速系统本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。
电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。
通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。
电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。
关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；PWM波形；LED显示器；51单片机1 设计要求及主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。
1.1 设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。
（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。
（3）设计一个4个按键的键盘。
K1:“启动/停止”。
K2：“正转/反转”。
K3：“加速”。
K4:“减速”。
（4）手动控制。
在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。
直流电机斩波调速控制系统设计
湖南工程学院课程设计任务书课程名称：电力电子技术题目：直流电机斩波调速控制系统设计专业班级电气工程及其自动化0603学生姓名：刘清学号：200601010314指导老师：蔡斌军审批：任务书下达日期2009 年 6 月8 日设计完成日期2009 年 6 月19 日设计内容与设计要求一．设计内容：1．电路功能：1）用直流斩波实现直流调压，控制直流电动机的转速。
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、斩波电路及保护电路。
控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、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IGBT或MOSFET。
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3）主电路保护环节设计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）控制电路参数确定二．设计要求：1．设计思路清晰，给出整体设计框图；2．用(UCX637、TL598、TD340、SG3525、TDA1085C)产生脉冲。
3．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；4．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。
5．绘制总电路图6．写出设计报告；主要设计条件1．设计依据主要参数1）输入输出电压：（AC）220（1+15%）、2）最大输出电压、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4）电机型号布置任务时给定2. 可提供实验与仿真条件说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5．单元电路设计（各单元电路图）；6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。
7．总结与体会；8．附录（完整的总电路图）；9．参考文献；10.课程设计成绩评分表进度安排第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献1．石玉栗书贤．电力电子技术题例与电路设计指导．机械工业出版社，19982．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000 3．浣喜明姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2000 4．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000 5．郑琼林．耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996 6．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996 7．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995 8．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999 9. 刘星平.一种新型双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用。
电机拖动课程设计直流电动机调速系统设计
直流电动机调速系统设计直流电动机直流电机是生产和使用直流电能的机电能量转换机械;直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械;它与交流电动机如三相异步电动机相比,虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等,目前已不如交流电动机应用普遍,但由于它具有优良的调速性能和较大的启动转矩,得到广泛应用;本节仅就直流电动机的结构与工作原理、直流电动机的分类及在印刷设备中的应用、直流电动机的启动与调速做一简单介绍;下图为直流电动机的结构原理图,图中的N和S是一对固定不动的磁极,用以产生所需要的磁场;容量较大一些的电机,磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁心上的励磁绕组产生;为了清晰,图中只画出了磁极的铁心,没有画出励磁绕组;在N极和S极之间有一个可以绕轴旋转的绕组;直流电机这部分称为电枢,而实际电机的电枢绕组嵌在铁心槽内,电枢绕组的电流称为电枢电流;线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接,铜片上有各压着一个固定不动的电刷;在直流电动机中,为了产生方向始终如一的电磁转矩,外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流,这一过程称为电流的换向;换向的铜片称为换向片;互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器;图1：直流电动机原理图一、直流电动机的结构与工作原理直流电动机的结构直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成;1磁极;磁极是电动机中产生磁场的装置,如图2所示;它分成极心1和极掌2两部分;极心上放置励磁绕组3,极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适,并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的,固定在机座4即电机外壳上,机座也是磁路的一部分;机座常用铸钢制成;图2直流电动机的磁极及磁路1-极心 2-极掌 3-励磁绕组 4-机座2电枢;电枢是电动机中产生感应电动势的部分;直流电动机的电枢是旋转的,电枢铁心呈圆柱状,由硅钢片组成,表面冲有槽,槽中放有电枢绕组;3换向器整流子;换向器是直流电动机的一种特殊装置,其外形如图3所示,主要由许多换向片组成,每两个相邻的换向片中间是绝缘片;在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷,使转动的电枢绕组得以同外电路联结;换向器是直流电动机的结构特征,易于识别;图3：换向器1—换向片 2—连接部分图4 直流电机装配结构图图5 直流电机纵向剖视图1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心直流电动机的工作原理U + -ABNSII FFCabd图6 直流电动机原理图图6是直流电动机的示意图;若在A、B之间外加一个直流电压,A接电源正极,B接负极,则线圈中有电流流过;当线圈处于图5所示位置时,有效边ab在N 极下,cd在s极上,两边中的电流方向为a→b,c→d;由安培定律可知,ab边和cd 边所受的电磁力为：F=BIL式中,I为导线中的电流,单位为安A;根据左手定则知,两个F的方向相反,如图6所示,形成电磁转矩,驱使线圈逆时针方向旋转;当线圈转过180°时,cd边处于N极下,ab边处于S极上;由于换向器的作用,使两有效边中电流的方向与原来相反,变为d→c、b→a,这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变,因而其受力方向、电磁转矩方向都不变;由此可见,正是由于直流电动机采用了换向器结构,使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变,在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转;这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转,即由电动机向机械负载输出机械功率;在直流电动机中,除了必须给电枢绕组外接直流电源外,还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场;电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电,也可以由一个公共电源供电;按励磁方式的不同,直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式;由于励磁方式不同,它们的特性也不用;他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电,如图7所示;他励电动机由于采用单独的励磁电源,设备较复杂;但这种电动机调速范围很宽,多用于主机拖动中;图7 他励电动机二、 他励直流电动机的调速与交流电动机相比,直流电动机具有较好的调速性能,它能在宽广的范围内平滑而经济的调速,因此多用于调速要求较高的场合;根据直流电动机调速公式n=ψ+-Ce Rpa Ra Ia U )(可见,当电枢电流不变时即负载不变,只要在电枢电压U 、电枢电路附加电阻和每极磁通ф三个参数中,任意改变一个,都能引起转速的变化;因此,他励直流电动机可以有三种调速方法;为了评价各种调速方法的优缺点,对对调速方法提出了一定的技术经济指标,通常称为调速指标;下面下面对调速指标做一简要说明;调速指标1调速范围调速范围是只指电动机在额定负载下调素时,其最高转速与最低转速之比,用D 表示,即 D=m in m axn n不同的生产机械对对调速范围的要求不同,如车床D=20~100,龙门刨床D=10~40,扎钢机D=~3等;电动机最高转速nmax 受电动机的换向及机械强度限制,最低转速相对稳定即静差率要求的限制;2静差率调速的相对稳定性静差率或转速变化率是指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落△n 与该机械特性的理想空载转速n0之比,用表示,即σ=0n n∆=00n n n -式中,n 为额定负载转矩Tem=TL 时的转速图8从上式可以看出,在△n相同时,机械特性越“硬”,额定负载时转速降越小,静差率σ越小,转速的相对稳定性越好,负载波动时,转速变化也越小;图3-1中机械特性1比机械特性2“硬”;静差率除了与机械特性硬度有关外,还与理想空载转速n0成反比;对于同样“硬度”的特性,如图3-2中特性1和特性3,虽然转速将相同,但其静差率却不同;为了保证转速的相对稳定性,常要求静差率应不大于某一允许值允许值;图9调速范围D与静差率σ两项性能指标是相互制约的,当采用同一种方法调速时,静差率要求较低时,则可以得到较低的调速范围；反之,静差率要求较高时,则调速范围小;如果静差率要求一定时,采用不同的调速方法,其调速范围不同,如果改变电枢电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大;调速范围与静差率是相互制约的,因此需要调速生产机械,必须同时给出静差率与调速范围这两项指标,以便选择适当的调速方法;3调速的平滑性调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度,用平滑系数ψ表示,即Ψ=1 i inn平滑系数Ψ越接近1,说明调速的平滑性越好;如果转速连续可调,其级数趋于无穷多,称为无级调速,Ψ=1,其平滑性最好；调速不连续,级数有限,称为有级调速;4调速的经济性经济性包含两方面的内容,一是指调速所需的设备和调速过程中的能量损耗,另一方面是指电动机调速时能否得到充分的利用;一台电动机当采用不同的调速方法时,电动机容许输出的功率和转矩随转速变化的规律是不同的,但电动机实际输出的功率和转矩是有负载需要所决定的,而不同的负载,其所需要的功率和转矩随转速的变化的规律也是不同的,因此在选择调速方法时,既要满足伏在要求,又要尽可能是电动机得到充分利用;经分析可知,电枢回路串电阻调速以及降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速,而若此调速适用于恒功率负载的调速;电枢串电阻调速他励直流电动机拖动负载运行时,保持电源电压及励磁电流为额定值不变,在电枢回路中串入不同阻值的电阻,电动机将运行于不同的转速,如图3—3所示,图中的负载为恒转矩负载;从图10可以看到,当电枢回路串入电阻R时,电动机的机械特性的斜率将增大,电动机和负载的机械特性的交点将下移,即电动机稳定运行转速降低;nnT L T em a +R 1图10电枢串电阻调速机械特性如图10中传入的电阻2R >1R ,交点2A 的转速2n 低于交点1A 的转速1n ,它们都比原来没有外串电阻的交点A 的转速n 低;电枢回路串电阻调速方法的优点是设备简单,调节方便,缺点是调速范围小,电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”,使负载变动时电动机产生较大的转速变化,即转速稳定性差,而且调速效率较低改变电枢电源电压调速他励直流电动机的电枢回路不串接电阻,由一可调节的直流电源向电枢供电,最高电压不应超过额定电压;励磁绕组由另一电源供电,一般包保持励磁磁通为额定值;电枢电压不同时,电动机拖动负载将运行于不同的转速上从图11中可以看出,当电枢电源电压为额定值时,电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n ；电压降到1U 后,交点为1A ,转速为`1n ；电压为2U ,交点为2A ,转速为2n ；电压为3U ,交点为3A ,转速为3n ；电枢电源电压越低,转速也越低;同样,改变点数电源电压调速方法的范围也只能在额定转速与零转速之间调节;改变电枢电源电压调速时,电动机机械特性的“硬度”不变,因此,集市电动机在低速运行时,转速随附在变动而变化的幅度较小,即转速稳定性好;当电枢电源电压连续调节时,转速变化也是连续的,所以这种调速称为无级调速;n0nn nU1U23U NT L T em 图11改变电枢电源电压调速方法的有电视调速的平滑性好,即可实现无级调速,调速效率高,转速稳定性好,缺点是所需的可调电源设备投资较高;这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛使用;弱磁调速励直流电机电枢电流电压不变,电枢回路也不串接电阻,在电动机拖动负载转矩不很大小于额定转矩时,减少直流电动机的励磁磁通,可使电动机的转速提高;他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速,如图12所示;从图12中可以看出,当励磁磁通为额定值ΦN时,电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n:励磁磁通减少为Φ2时,理想空载转速增大,同时机械特性斜率也变大,交点为A1,转速为n1;励磁电流减少为Φ1,交点为A2,转速为n2;弱磁调速的范围是在额定转速与电动机的所允许最高转速之间进行调节,至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制,一般约为1.2m左右,特殊设计的调速电动机,可达3 nN或更高;弱磁调速的优点是设备简单,调节方便,运行效率也较高,适用于恒功率负载,缺点是励磁过弱时,机械特性的斜率大,转速稳定性差,拖动恒转矩负载时,可能会使电枢电流过大;在实际的电力拖动系统中可以将几种调速方法结合起来,这样,可以得到较宽的调速范围,电动机可以在调速范围之内任何转速上运行,而且调速时的损耗较小,运行效率较高,能很好的满足各种生产机械对调速的要求;n o2n o1n oT L T em图12弱磁调速机械特性三、课程设计内容第四章课程设计内容一台他励直流电动机,参数如下：P N=6KWU aN=200VI aN=42An N=1500r/minR L=Ω1. 用其拖动通风机负载运行,若采用电枢串电阻调速时,要使转速降至200r/min,试设计电枢电路中的调速电阻;2. 用其拖动恒转矩负载运行,负载转矩等于电动机的额定转矩,采用改变电枢电压调速时,要使转速降至1000r/min,试设计电枢电压值;3. 用其拖动恒功率负载运行,采用改变励磁电流调速,要使转速增至1800r/min,试设计CeΦ的值;内容解析：1.采用电枢串电阻调速：电动机的电枢电阻Ra=U aN - P N I aN/ I aN =200-6000/42/42Ω=Ω在额定状态运行时E= U aN -R a I aN =×42V=CeΦ=E/ n N =1500=C TΦ=60CeΦ/2π=60/2××=T N=60 P N /2πn N =60/2××6000/=. m由于通风机负载的转矩与转速的平方成反比,故n=1200r/min时的转矩为T=n/ n N2T N=1200/1500 2×n0= U aN/ CeΦ=200/min=2100r/min∆n= n0-n=2100-1500r/min =600r/min由于∆n= Ra +RrT/ C T CeΦ2由此求得Rr=∆n CT CeΦ2/T- Ra =600××采用电枢电压调速：由上题求得：Ra=ΩCeΦ=C TΦ=T N =电枢电压减小后∆n=Ra T N / C T CeΦ2=××r/min=minn0=n+∆n=1000+r/min=min由此求得Ua= CeΦn0=×=3.采用改变励磁电流调速由上求得R a=ΩT N=由于恒功率负载的转矩与转速成正比关系,故忽略空载转矩时,调速后的电磁转矩为T= n N T N /n=1500×= 1800=200/ CeΦ×C T CeΦ2得CeΦ=或结论三种调速方法各有优缺点,改变电枢电阻调速的缺点较多,所以只适用于调速范围不大,调速时间不长的小容量电动机中；改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法,被广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中；改变励磁电流调速通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力拖动系统中,来扩大调速范围和实现双向调速;对容量较大的直流电动机,通常采用降电压起动;即由单独的可调压直流电源对电机电枢供电,控制电源电压既可使电机平滑起动,又能实现调速;此种方法电源设备比较复杂;本设计采用增加电枢电阻启动非常简单,设备轻便,广泛应用于各种中小型直流电动机中;设计体会经过一周的奋战,课程设计完成了,在没有做课程设计之前觉得课程设计只是对这个学科所学知识的总结,但通过这次课程设计发现自己的看法片面;课程设计不仅是对所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的提高;通过课程设计,让我更加明白学习是一个长期的积累过程,经后的工作、生活中应该不段的学习,努力提高知识和综合能力;设计过程中,我查阅了大量的有关资料,并与同学交流,学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获还是很多的;在设计中培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心;让我充分体会到在创造过程中探索的艰辛和成功的喜悦;经过对这些资料的整理、理解和消化,使我对直流电机的调速尤其是对他励直流电动机的串电阻调速有了更深一层的理解;这次课程设计也许会又很多不足的地方,希望老师多多批评,我也会在以后的日子里不断学习提高自己动手的能力,使以后的设计会更好,也使自己得到更全面的提高参考文献1.唐介. 电机与拖动. 北京：高等教育出版社.2.唐介. 控制微电机. 北京：高等教育出版社.3.周绍英.电机与拖动.中国广播电视大学出版社1995年出版4.李海发. 电机学.科学出版社2001年出版5.刘起新. 电机与拖动基础. 中国电力出版社2005年出版。
直流电机调速控制系统设计
成绩电气控制与PLC课程设计说明书直流电机调速控制系统设计.Translate DC motor speed Control system design学生王杰学号学院班级信电工程学院13自动化专业名称电气工程及其自动化指导教师肖理庆2016年6月14日目录1 ××11.1 ××××××11.1.1 ××××错误!未定义书签。
1.1.2 ××××1……1.2 ××××××11.2.1 ××××8……2 ×××××82.1 ××××××102.1.1 ××××10……3 ×××××123.1 ××××××123.1.1 ××××12……参考文献13附录14附录114附录2141 直流电机调速控制系统模型1.1 直流调速系统的主导调速方法根据直流电动机的基础知识可知，直流电动机的电枢电压的平衡方程为：R I E U a +=式(1.1)公式中：U 为电枢电压；E 为电枢电动势；R I a 为电枢电流与电阻乘积。
由于电枢反电势为电路感应电动势，故：n C E φe =式(1.2)式中：e C 为电动势常数；φ为磁通势；n 为转速。
由此得到转速特性方程如下：φe a C R I U /)(n -=式(1.3)由式（1.3）可以看出,调节直流电动机的转速有以下三种方法：1.改变电枢回路的电阻R ——电枢回路串电阻调速。
61KW直流电动机不可逆调速系统_电力电子课程设计
题目：6.1KW直流电动机不可逆调速系统设计方案某生产机械负载功率Pl=6.1千瓦，最大冲击负载功率不大于10千瓦，最高转速nl=3000转/分，系统要求调速范围D=10，静差率小于等于5%，拟用直流电动机拖动，设计一套晶闸管-电动机不可逆调速系统以满足生产机械的需求。
二、电机的选择依据P1=6.1千瓦，nl=3000转/分要求满足1、弱磁转速>生产机械最高转速2、额定功率*过载能力>最大冲击负载功率3、额定功率>生产机械功率。
由N P=(1.1～1.3)1P= (1.1～1.3)*6.1=(6.71～7.93) KW故取N P=7.5 KW通过查产品目录选择Z4-112/2-2型号电动机，额定功率为P1=7.5千瓦UN=220伏，IN=39.5安，弱磁转速nN=3100转/分，最高转速n=3600转/分，电枢电阻R=0.189欧，励磁功率为390瓦，电枢电感3.2mH，磁场电感19H，过载能力2，效率83.2%，惯性矩GD^2=0.088㎏.㎡直流电动机。
三、电动机供电方案与变流机组相比，晶闸管可控整流装置无噪声，无磨损，响应快，体积小，重量清，投资省；而且工作可靠，功耗小，效率高，因此采用晶闸管可控整流装置供电。
由于电动机小（仅3.7KW），故选用单相整流电路。
又因是不可逆系统，所以可选用单相桥式半控整流电路供电。
为省去续流二极管在一侧的方案。
电动机的额定电压为220V，若用电网直接供电，会造成导通角小，电流脉动大，并且功率因数抵，因此，还是用整流变压器供电方式为宜。
四、反馈方式选择因调速指标D=10 静差率小于等于5%△nN=（nNS）/[D（1-S）]=（3100*0.05）/（10*0.95）=16.31转/分采用电压反馈方案时△nN={R1/[CEΦ（1+K）]}Id+Ra/ CEΦIdCEΦ=(uN- IN Ra)/ nN=[220-(39.5*0.189)]/3100=0.068(Ra/CEΦ) Id =(0.267/0.069)*29.4=109.78转/分已经远远大于调速指标16.31转/分因此加上电流正反馈补偿，为实现高速启动还必须加上电流截止环节。
IGBT斩波控制的直流电机调速系统设计课程设计
知识掌握程度
15
书写规范性
10
工作量
10
总成绩
100
评语：
任课教师
时 间
年 月 日
备 注
摘 要
在工业生产和机械制造中，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分励磁控制法与电枢电压控制法两类。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。这种传统的调压调速方法效率低。
2.2基本直流斩波电路原理图
系统的基本直流斩波电路原理图如图2.1所示：
图2.1降压斩波电路原理图
此电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。并设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。
关键词：直流电动机；IGBT；直流斩波；调速
前言
随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到了广泛的应用。直流电动机的启动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要。IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。因此，在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。
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直流调速系统设计报告学生姓名:学号:班级:专业：自动化指导教师：2012年12月5日目录1.前言 (3)2.设计参数 (4)3.双闭环调速系统的工作原理3.1.系统的组成 (5)3.2.系统的原理图 (6)3.3.系统的稳态结构框图和静特性 (8)3.3.1.系统静特性 (8)3.4.各变量稳态工作点和稳态参数的计算 (9)4.设计双闭环调速系统电流调节器和转速调节器 (10)4.1 调节器的设计 (10)4.2 电流调节器的设计 (10)4.2.1 确定时间常数 (10)4.2.2 选择电流调节器的结构 (11)4.2.3 计算电流调节器的参数 (11)4.2.4 校验近似条件 (12)4.2.5 计算电流调节器的电容和电阻 (13)4.3 转速调节器的设计 (14)4.3.1 确定时间常数 (14)4.3.2 选择转速调节器的结构 (14)4.3.3 计算转速调节器的参数 (14)4.3.4校验近似条件 (14)4.3.5 计算调速调节器的电容和电阻 (15)4.4 校核转速超调量 (17)5. 调速系统性能指标的数字仿真 (18)5.1双闭环调速系统的动态结构图 (18)5.2 系统仿真模型 (19)5.3 仿真结果 (19)6心得 (20)7．参考文献 (21)前言20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。
尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。
因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。
直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。
本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。
电力电子器件的不断进步，为电机控制系统的完善提供了物质保证，新的电力电子器件正向高压，大功率，高频化和智能化方向发展。
智能功率模块（IPM）的广泛应用，使得新型电动机自动控制系统的体积更小，可靠性更高。
传统直流电动机的整流装置采用晶闸管，虽然在经济性和可靠性上都有一定优势，但其控制复杂，对散热要求也较高。
电力电子器件的发展，使称为第二代电力电子器件之一的大功率晶体管（GTR）得到了越来越广泛的应用。
由于晶体管是既能控制导通又能控制关断的全控型器件，其性能优良，以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统在直流传动中使用呈现越来越普遍的趋势。
设计参数直流电动机参数：功率PN=555KW，额定电压UN=750V，额定电流IN=760A，nN=3000r/min，电枢绕组电阻Ra=0.9Ω，主电路总电阻R=0.14Ω，晶闸管装置放大系数Ks=75,电磁时间常数Tl=0.031ms,机电时间常数Tm=0.112ms ,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s,过载倍数=1.5，电流给定最大值Uim=10V，速度给定最大值U *n=10V。
3. 双闭环调速系统的工作原理3.1 系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
采用PI调节的单个转速闭环调节系统可以在保证系统稳定的前提下实现无静差调速。
但对于系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足要求了。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1所示。
把转速调节器的输出当作电流调机器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环结构上看，电流环在里，称作内环；转速换在外，称作外环。
这就形成了转速电流双闭环调速系统。
3.2 系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。
图中标出了两个为调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图中还标出了两个调节决定了电流给器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U*im定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压U限制了电力电子变换器的cm。
最大输出电压Udm3.3 系统的稳态结构框图和静特性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图，如图3所示。
它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。
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——输出达到限幅值：当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的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——输出未达到限幅值：当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。
3.3.1系统静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到 Idm 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。
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，特别是为了避免零点飘移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图4中虚线所示。
3.4 各变量稳态工作点和稳态参数的计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压U*n 决定的；ASR 的输出量U*i 是由负载电流 IdL 决定的；控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id ，或者说，同时取决于U*n 和 IdL 。
由已知条件，带入公式（4）和公式（5），得rV r V n U min/.270.0min/37510max *nm ===αAV AVI U /0.00877605.110dm*im =⨯==β4.设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器4.1 调节器的设计第一步：选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。
第二步：设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。
4.2 电流调节器的设计 4.2.1 确定时间常数PWM 装置的延长时间T s=0.1ms=0.0001s 。
（2）电流滤波时间常数T oi =0.002s 。
（3）电流环小时间常数之和T ∑i 。
按小时间常数近似处理，取 T ∑i = T s +T oi =0.0017+0.002=0.0037s 。
（4）电磁时间常数T l =0.031ms 。
4.2.2 选择电流调节器的结构根据设计要求5%i σ≤，电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型调节器，其传递函数为 ()(1)i i ACR s i K s W sττ+=式中 Ki------电流调节器的比例系数； τi-----电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：8.373700.0310.0==∑s s T T i l,参照表1的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I 型系统设计。
表1 典型I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系4.2.3 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：s T l i 310.0==τ。
电流开环增益:要求5%i σ≤时,按表2可取 0.5I i K T ∑=，因此， ∑=i0.5T K I 1135.13700.05.0-==s s K I PWM 装置的放大系数： 75=sK于是，ACR 的比例系数为：0.90.0087750.14310.0135.1=⨯⨯⨯==βτs i I i K R K K表2典型I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系4.2.4 校验近似条件电流环截止频率：1135.1-==s K Ici ω (1)PWM 装置传递函数的近似条件：ci s s T ω>=⨯=-1196.11700.03131 满足近似条件。
(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：ci l m s T T ω<=⨯⨯=-150.91310.0112.01313满足近似条件。
(3)电流环小时间常数近似处理条件cioi s s T T ω>=⨯⨯=-1180.8200.07001.0131131满足近似条件。
4.2.5 计算调节器电阻和电容由图6，按所用运算放大器取R 0=40k Ω，各电阻和电容值为,36400.90Ω=Ω⨯==K K R K R i i 取36ΩKF K sRiiCi μτ080.036310.0=Ω==，取0.008F μ,2.040200.0440F K sR T C oi oi μ=Ω⨯==取0.2F μ 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 4.3%5%i σ=<，满足设计要求。
图6含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器4.3 转速调节器的设计 4.3.1 确定时间（1）电流环等效时间常数1/K I。
由前述已知，0.5I i K T ∑=，则:s s T K i I7400.03700.0221=⨯==∑ （2）转速滤波时间常数on T ，根据所用测速发电机纹波情况，取 s T on 20.0=（3）转速环小时间常数n T ∑。
按小时间常数近似处理，取ss s T T T on n 0274.002.00074.02i =+=+∑=∑4.3.2 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数式为(1)()n n ASR n K s W s sττ+=4.3.3 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s s hT n n 371.02740.05=⨯==∑τ则转速环开环增益22222259.812740.0521521--∑=⨯⨯+=+=s s T h h K nN 可得ASR 的比例系数为30.12740.00.14270.0520.112.8210.0087)15(2)1(=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯+=+=∑n m e n RT h T C h K αβ式中电动势常数 r V r V n R I U C N a N N e min/.1.82min/.7530.09760750=⨯-=-=4.3.4 检验近似条件转速截止频率为11121.9137.0159.8--=⨯===s s K K n N Ncn τωω（1）电流环传递函数简化条件为∑≤i T 51cn ω ，cn W s T >=⨯=∑1-1.540037.051i 51 满足简化条件。