220V直流电机调速硬件实现

目录

一、设计要求和方案选型 (1)

1.1 设计要求 (1)

1.2 方案选型 (1)

二、电路设计 (3)

2.1 电机参数设置 (3)

2.2 主电路设计 (4)

2.3 励磁系统设计 (5)

2.4 控制器设计 (5)

2.4.1 电流环ACR整定与设计： (5)

2.4.2 速度环ASR整定与设计： (6)

2.4.3 抗饱和限幅器 (7)

2.4.4 运放选择 (7)

2.5 PWM发生器 (8)

2.6 光耦隔离电路 (9)

2.7 驱动电路 (10)

2.8 电流传感器 (11)

三、仿真测试 (11)

3.1 MATLAB/Simulink平台仿真 (11)

3.2 Saber平台仿真 (13)

四、实物的制作与调试 (14)

4.1 制作与调试 (14)

4.2 成本分析 (16)

五、硬件测试 (16)

5.1 静态测试 (16)

5.2 空载启动测试 (16)

5.3 带载启动测试 (17)

5.4 负载扰动测试 (17)

5.5 电压波动测试 (18)

六、总结与展望 (19)

七、心得体会 (19)

参考文献 (21)

附录A 电路设计原理图 (22)

附录B 电路设计PCB布局图 (23)

重庆大学硕士研究生考核试卷

双闭环直流电机调速系统的设计与实现

一、设计要求和方案选型

1.1 设计要求

设计制作一套双闭环直流调速系统，并满足以下指标：

（1）变换器额定：输入单相交流220V ，输出直流电压0~300V 可调；

（2）电机：他励，单象限即可，220V/1.2A ，调速范围0~1600rpm ；

（3）模拟控制实现（数字控制实现，可选，以做出来为准）；

（4）用面包板完成（基本要求）；PCB 电路板（拓展部分）；

（5）动态响应速度：≤2s ；

（6）转速超调量：≤50%；

（7）不同工况下的稳态转速偏差率：(n0–n)/n0 ≤5%；

（8）过流保护：200%，停机；

（9）失步保护：150%～200%，停机；

发挥部分：自由创新，PCB 电路板设计制作，软开关电路，卸荷电路、通信部分等。

除技术指标外，设计过程还应考虑到系统的安全可靠性、经济实用性、简单便捷性等适用于生产的性能。

1.2 方案选型

直流电动机转速n 与其他参量的关系可表示为：

a a e U I R n C −=Φ

式(1.1) 式中：

a U ——电枢电压，V ；

a I ——电枢电流，A ；

R ——电枢回路总电阻，Ω；

Φ——励磁磁通，Wb ；

e C ——与电机结构有关的电动势常数。

由上式可知，改变电枢电压、电枢回路电阻、励磁磁通均可以调节电机转速。 降低电枢电压调速必须有可调压的直流电源，转速随电压降低而下降，人为特性硬度不变、转速运行稳定，可无级调速。

电枢回路串电阻调速，串入电阻越大，机械特性越软，转速越不稳定。低速

双闭环直流电机调速系统的设计与实现

时串电阻越大，损耗能量也越多，效率变低。调速范围受负载大小影响，负载大调速范围广，轻载调速范围小。

弱磁调速控制方便，能量损耗小，调速平滑。受最高转速限制，调速范围不大。

对比上述三种调速方法，对于要求在一定范围内无级调速的直流传动系统，最好的选择是改变电枢电压调节转速。

改变电枢电压调速需要可调压的直流电源，常见的可控直流电源有以下三种：（1）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；

（2）静止可控整流器，如晶闸管整流装置，产生可调的直流电压；

（3）直流斩波器或脉宽调制变换器，用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

由于采用全控型器件的PWM调速系统的开关频率高，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗干扰能力强；系统的低俗性能好，稳速精度高，调速范围广，同时电机的损耗和发热较小。主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小、效率高，主回路所需功率元件少，线路简单、控制方便。因此本次设计采用先将工频交流电经不可控整流桥整成直流，再利用PWM技术实现脉宽调压作为可控直流电源。

控制电路分为模拟电路和数字电路。与模拟电路相比，数字电路具有精度高、可靠性高、抗干扰能力强、稳定性好、便于信号计算等优点，市场上多数直流调速系统采用数字控制电路。模拟电路是控制电路的基础，具有成本低、电路实现简单等优势，在精度要求不太高的场合容易实现。因此，在直流调速系统中我们选择了模拟电路控制。实现脉宽调制可以采用buck电路或H桥电路，buck斩波电路只需一个开关管，不用考虑死区时间，控制简单，但在单象限运行。而且由于管子少，对开关管的耐压耐流要求较高。H桥电路需要四个开关管，电路结构复杂，需要考虑死区时间，控制电路复杂。但H桥电路可以在四个象限工作，实现电机正反转运行，而且对管子的耐压耐流要求不高。由于课程要求电机单象限运行，从经济性的角度和控制简单的方向出发，使用buck斩波电路是最好的选择。

为了既能实现转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应，采用转速、电流双闭环调速。双闭环调速系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接如图所示：

重庆大学硕士研究生考核试卷

图1.1 系统结构框图

二、电路设计

2.1 电机参数设置

根据实际测量标定的电机参数，见下表：

表1.1 电机参数表 参数名称

参数数值 参数名称 参数数值 电枢电阻(R a )

42.5Ω 电磁时间常数(T s ) 0.01s 电枢电感(L a )

440.91mH 机械时间常数(T m ) 0.05 励磁电阻(R f )

2.031k Ω 转动惯量(J) 0.00233kg*m^2 励磁电阻(L f )

49.376H 励磁电阻互感(L af ) 12.994H 电机电磁常(C e )

0.1474V*min/r 电机机械常数(C m ) 1.408N*m/A 电机额定电流 1.2A 励磁额定电压 DC-220V

测速电机反馈系数：0.005.电流互感器选择CHB-25NP/SP6宇波模块，它是变比为1000:16闭环霍尔元件，输出的为电流信号。若前极运放输出最大值为13V ，则为了匹配此电压，可以适当的配置测量电阻的值。本设计中当电机电流饱和为额定值1.2A 的时候电流互感器输出为0.0192A ，这时输出电压因达到运放的饱和输出，也就是13V . 所以：

13/0.0192677.0833m R == 式(2.1)

采样电阻选为680Ω.

电流反馈系数为：

13/1.5 1.27.22β=×=（） 式(2.2)