課程設(shè)計(jì)單閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)

1、實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案文檔大全煙幺茹亠兮底Yantai Nanshan University運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)伍]環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)院 系：專(zhuān) 業(yè)：班 級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：201402012011指導(dǎo)教師：二一七年二月運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)一、基本情況學(xué)時(shí)：1周學(xué)分：1學(xué)分適應(yīng)班級(jí)：電氣工程1402二、進(jìn)度安排本設(shè)計(jì)共安排1周，合計(jì)30學(xué)時(shí)，具體分配如下：實(shí)習(xí)動(dòng)員及準(zhǔn)備工作：2學(xué)時(shí)總體方案設(shè)計(jì)：4學(xué)時(shí)硬件設(shè)計(jì)：12學(xué)時(shí)撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告：8學(xué)時(shí)答辯：4學(xué)時(shí)教師輔導(dǎo)：隨時(shí)三、基本要求1、課程設(shè)計(jì)的基本要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：理論設(shè)計(jì)與撰寫(xiě)設(shè)計(jì) 報(bào)告等。其中理論設(shè)計(jì)又包括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)、硬件 設(shè)計(jì)包括單元電路，選擇元器件及計(jì)算參數(shù)等；課程設(shè)計(jì)的最后要 求是寫(xiě)出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，把設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行全面的總結(jié)，若有實(shí)踐條件，把實(shí)踐內(nèi)容上升到理論高度。2、課程設(shè)計(jì)的教學(xué)要求運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)采用相對(duì)集中的方式進(jìn) 行，以班為單位全班學(xué)生集中到設(shè)計(jì)室進(jìn)行。做到實(shí)訓(xùn)教學(xué)課堂化， 嚴(yán)格考勤制度，在實(shí)訓(xùn)期間累計(jì)曠課達(dá)到 2節(jié)以上，或者遲到、早 退累計(jì)達(dá)到4次以上的學(xué)生，該課程考核按不及格處理。在實(shí)訓(xùn)期 間需要外出查找資料，必須在指定的時(shí)間內(nèi)方可外出。課程設(shè)計(jì)的任務(wù)相對(duì)分散，每 5-6名學(xué)生組成一個(gè)小組，完成一個(gè) 課題的設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)。 但每個(gè)學(xué)生必須單獨(dú)完成設(shè)計(jì)任務(wù)，要有完整的設(shè)計(jì)資料，獨(dú)立撰 寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告雷同率超過(guò) 60%的課程設(shè)計(jì)考核按不及格處 理。四、設(shè)計(jì)題目及控制要求題目：?jiǎn)伍]環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù):(1)直流電機(jī)：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(shè)計(jì)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(huà)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(jì)算(包括電力 電子器件、平波電抗器與保護(hù)電路等)(3) 、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，確 定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿(mǎn) 足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。五、設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)完成后，必須撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告。設(shè)計(jì)報(bào)告必須獨(dú)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(shè)計(jì)報(bào)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(shè)計(jì)及描述(包括硬件的選型及電路圖、輸入輸出接 線(xiàn)圖等的設(shè)計(jì))；5

5、、心得體會(huì)6、參考文獻(xiàn)不少于5篇。要至少有2篇近5年的參考文獻(xiàn)。六、考核方法運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)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?jǐn)?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?？己朔秩齻€(gè)方面進(jìn)行：平時(shí)表現(xiàn) 20% ;設(shè)計(jì)答辯30%，設(shè)計(jì)報(bào) 告 50%。有下列情形之一者，課程設(shè)計(jì)考核按不及格處理：1、設(shè)計(jì)期間累計(jì)遲到、早退達(dá)4次；2、設(shè)計(jì)期間累計(jì)曠課達(dá)2節(jié)；3、設(shè)計(jì)報(bào)告雷同率超過(guò)50%或無(wú)設(shè)計(jì)報(bào)告；4、不能完成設(shè)計(jì)任務(wù)，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。摘要直流電機(jī)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(yīng)

6、用。直 流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)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(duì)直流電機(jī)調(diào)速的方法也很多， 目前國(guó)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(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿(mǎn)足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上 看，就是通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的 機(jī)械特性，從而改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和工作特性機(jī)械特性的交點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法，分別是改變電樞供電電壓、勵(lì)磁 磁通和電樞回路電阻來(lái)調(diào)速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速 的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(dòng)機(jī)，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(shè)計(jì)內(nèi)容和要求21.2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容21.2.2設(shè)計(jì)要求31.2.3設(shè)計(jì)參數(shù)3第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算82.3傳遞函數(shù)9第三章主電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(dòng)電路圖 184.3 PWM裝置主電路圖19第五章 測(cè)試結(jié)果及問(wèn)題 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。5.1實(shí)測(cè)電路中的波形 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。5.2連接電路中遇到

8、的問(wèn)題 錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽?？偨Y(jié) 20參考文獻(xiàn) 21第一章緒論1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的概述三十多年來(lái)，直流電機(jī)調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實(shí)現(xiàn) 了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習(xí)用已久的直流發(fā) 電機(jī)電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置使直流電氣傳動(dòng)完成了一次大的躍 進(jìn)。同時(shí)，控制電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成 本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用 范圍不斷擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中仍然難 以替代。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi) 平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海

9、洋鉆機(jī)、金屬切削 機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到 了廣泛的應(yīng)用。例如已經(jīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的直流電機(jī)無(wú)級(jí)電子調(diào)速控 制器采用國(guó)際先進(jìn)的IGBT大功率模塊器件和獨(dú)特自行設(shè)計(jì)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(hù)功能控制電路。 適用于無(wú)軌機(jī)車(chē)、礦山井下窄軌機(jī)車(chē)、磨床、木工機(jī)械、服裝制作、 紡織、造紙印刷等場(chǎng)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(jī)正反轉(zhuǎn)控制簡(jiǎn)便；可以與計(jì)算機(jī)連接控制等特點(diǎn)。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)論在理 論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又 是交流拖動(dòng)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(shè)計(jì)內(nèi)容和要求1.2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 電路功能（1）用晶閘管整流實(shí)現(xiàn)直流調(diào)壓，控制直流電動(dòng)機(jī)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(hù)電路?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：觸發(fā)電路、電壓電流檢測(cè)單元、 調(diào)節(jié)器電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與故障保護(hù)電路。（3）主電路電力電子開(kāi)關(guān)器件采用晶閘管。（4）系統(tǒng)具有完善的保護(hù)2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電路設(shè)計(jì)與分析（1 ）確定主電路方案（2）主電路元器件的計(jì)算及選型4. 控制電路設(shè)計(jì)與分析（1）檢測(cè)電路設(shè)計(jì)（2）功能單元電路設(shè)計(jì)（3）觸發(fā)電路設(shè)計(jì)（4

11、）調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)1.2.2設(shè)計(jì)要求1. 設(shè)計(jì)思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)框圖；2. 單元電路設(shè)計(jì)，給出具體設(shè)計(jì)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(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告。1.2.3設(shè)計(jì)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(jī)功率予以選擇（3）要求電機(jī)能實(shí)現(xiàn)單向無(wú)級(jí)調(diào)速，穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10,靜差率 SW5%。（4 ）電機(jī)型號(hào)電機(jī)型號(hào)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(shè)計(jì)方案對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jí)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(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，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。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(zhuān)門(mén)向電動(dòng)機(jī)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(jī)組一一用交流電動(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。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(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)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(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。本次設(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)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(jìn) 行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)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(fù)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(yīng)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(fù)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(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)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(guò)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。2.1.2靜特性圖3-2轉(zhuǎn)速負(fù)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(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)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(jì)算1負(fù)載時(shí)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(kāi)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(kāi)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(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為:,950.7017.89nopnd1119.49(3-4)因?yàn)椋篢m30ms,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(pán)V min/r 0.00167V min/r電壓放大系數(shù)：KsUdo oU cm 0247.73.12, (U cm7.7V)運(yùn)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖由圖可見(jiàn)，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)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(yīng)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(yīng)用MATLAB編程畫(huà)伯德圖：其程序?yàn)椋簄um= 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(shè)計(jì)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(mén)1A-4A輸入端1B-4B輸入端1Y-4Y輸出端Vcc=+5v1A1B1Y2A2B2YGNDO13312408115106978VCC4B4A43B3A3Y(2) LM311地到負(fù)電源電壓（v14）30V輸出到負(fù)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(xí)護(hù)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(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案/PC4S7UC.OUT JT 5文檔大全I(xiàn) 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(shí)用標(biāo)準(zhǔn)文案(7) TD62084II 1213 Id IS 1617GND引腳I1T8 :信號(hào)輸入端引腳0108 :信號(hào)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(mén)極額定電壓（RGS=20 K時(shí)）（VDGR ）: 500V門(mén)極-源極額定電壓（VGSS）:30V第四章控制電路設(shè)計(jì)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(dòng)電路圖圖4.2 PWM 裝置驅(qū)動(dòng)電路圖4.3 PWM