電力電子基于buck電路直流伺服電機(jī)

1、 電力電子課程設(shè)計(jì) 課程題目 基于buck電路直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的簡單設(shè)計(jì) 摘要直流伺服電機(jī),它包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測速電機(jī)繞組、和測速電機(jī)換向器等,所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成7。作為能方便進(jìn)行無級調(diào)速且有著良好調(diào)速特性的有刷直流電動機(jī)，20世紀(jì)80年代起隨著科技的進(jìn)步，交流凋速(變頻)、無刷直流電動機(jī)迅速發(fā)展，有逐漸取代有刷直流調(diào)速之趨勢。但是由于有刷直流調(diào)速有其獨(dú)特的優(yōu)良性能，直到現(xiàn)在尚未被全部取代。有刷直流電動機(jī)調(diào)速范圍寬，很容易做到l：20(例如：60一l 200 rmin)；調(diào)速特性硬成本低(電機(jī)、電路)。其缺點(diǎn)是電

2、刷需經(jīng)常更換，維護(hù)較為麻煩。有刷直流調(diào)速電動機(jī)又分為普通直流電動機(jī)和伺服電動機(jī)。直流伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于軋鋼、造紙機(jī)、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動控制系統(tǒng)中，它能在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度、速度和位置控制。所以要求系統(tǒng)性能高的場合都廣泛地使用直流伺服系統(tǒng)。因此，設(shè)計(jì)成本低、性能可靠的直流伺服系統(tǒng)仍然很重要。本設(shè)計(jì)針對調(diào)速的可靠性和經(jīng)濟(jì)性來設(shè)計(jì)基于buck電路直流伺服電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，工作可靠，成本低。該系統(tǒng)主電路采用單相橋式整流電路和低通濾波器，使輸入的220V交流電整流為直流電。本調(diào)速系統(tǒng)采用buck調(diào)壓斬波電路，通過PI調(diào)節(jié)器改變輸出波形的占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)在不同速度、不同負(fù)載下電動機(jī)的

3、平穩(wěn)運(yùn)行。對于調(diào)速指標(biāo)要求不高的簡單直流調(diào)速系統(tǒng)，采用四個場效應(yīng)管兩組輪換導(dǎo)通的方式，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正傳和反轉(zhuǎn)，加大調(diào)速范圍，提高了調(diào)速系統(tǒng)的控制領(lǐng)域。最后試驗(yàn)結(jié)果也很好的證明了本次控制方案的可行性。關(guān)鍵詞：直流伺服電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)，晶閘管二極管整流橋，buck電路，PI調(diào)節(jié)器，電機(jī)正反轉(zhuǎn) AbstractDC servo motor includes a stator, a rotor core, motor shaft, servo motor winding commutator , servo motor winding, speeding motor winding, and spe

4、ed motor commutator .The rotor core by punching laminated silicon steel fixed constitute the motor shaft.As can be convenient to carry out stepless speed regulation and good speed regulation characteristic of brush DC motor, starting in twentieth Century 80 with the progress of science and technolog

5、y, AC withered speed (Bian Pin), the rapid development of Brushless DC motor, is gradually replacing the trend of brush DC speed regulation. But because the brush DC speed regulation has its unique and excellent performance, until now has not been completely replace. A brushless DC motor with wide s

6、peed range, easy to do l:20 (for example: 60 l 200 R / min); the speed regulating characteristics of hard at low cost (motor, circuit). Its disadvantage is that the brush need to be replaced frequently, maintenance more trouble. DC speed regulating motor is divided into ordinary DC motor and servo m

7、otor. Automatic control system for DC servo system is widely used in many field of steel rolling, paper machine, metal cutting machine tools, etc., it can realize the precision, speed and position control in a large range. So the requirements of high system performance occasions are widely used in D

8、C servo system. Therefore, the DC servo system design of low cost, reliable performance is still very important.The design for the reliability and economics of speed control to design the speed control system, buck circuit of DC servo motor based on reliable work, low cost. The main circuit of the s

9、ystem adopts a single-phase bridge rectifier circuit and a low pass filter, the 220V AC input into a DC power rectifier. The system uses buck voltage chopper circuit, by adjusting the duty ratio of the PI output voltage regulation device to change the output waveform, so as to realize the smooth run

10、ning of the different speed and load of the motor. For simple DC speed regulating system speed index requirements is not high, with four field effect tube two group rotation conduction mode, the motor can be realized the direct and reverse, enlarge the speed range, and improve the control field of s

11、peed control system. Finally, the experimental results prove the feasibility of this control scheme.目錄摘要2第1章 緒言51.1伺服電動機(jī)的分類51.2直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用、意義51.3 直流電機(jī)的調(diào)速51.4 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢6第2章 直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性、特點(diǎn)和調(diào)速原理72.1直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性72.2直流電機(jī)的調(diào)速方法82.3 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法82.4 直流伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)9第3章 直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)93.1.主電路的選型93.2整流電路：103.3調(diào)壓電路：11第4章

12、基于PSIM的直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真12第5章 缺點(diǎn)和不足12第6章 結(jié)論13第7章 參考文獻(xiàn)13第1章 緒言1.1伺服電動機(jī)的分類 伺服電動機(jī)按其使用的電源性質(zhì)不同一，可分為直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)兩大類，其中直流伺服電機(jī)分為傳統(tǒng)型和低慣量型兩種類型。 傳統(tǒng)型直流伺服電動機(jī)就是微型的他勵直流電動機(jī)，也是用定轉(zhuǎn)子兩部分組成，按定子的種類可以分為兩種：永磁式和電磁式。低慣量型直流伺服電動機(jī)的明顯特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子輕，轉(zhuǎn)動慣量小，快速響應(yīng)好。按照電樞形式的不同分為：盤形電樞直流伺服電動機(jī)、空心杯永磁式直流伺服電動機(jī)和無槽電樞直流伺服電動機(jī)1.2直流伺服電動機(jī)的應(yīng)用、意義直流電動機(jī)具有良好的起動性

13、能和調(diào)速性能，因此，廣泛地用于驅(qū)動軋鋼機(jī)、金屬切削機(jī)床、起重設(shè)備和電氣機(jī)車中，它尤其適用于高精度、高性能地電力拖動系統(tǒng)。近年來，世界各國的機(jī)械制造業(yè)都處在數(shù)量化、數(shù)控化、自動化和半自動化的潮流中。微電子技術(shù)的應(yīng)用，尤其是微型計(jì)算機(jī)的普及，給數(shù)控化生產(chǎn)才來了很大的發(fā)展空間。作為高精度伺服元件的伺服電機(jī)被廣泛地應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)跟蹤、冶金機(jī)械、紡織機(jī)械等各個領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國市場對直流電機(jī)的需求以每年21的速度遞增，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因是自動化設(shè)備的高速發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備的不斷擴(kuò)大，其次是軍事設(shè)備電子化的發(fā)展趨勢和電子玩具的應(yīng)用。在我國，70年代才開始這方面的研究?，F(xiàn)已基本上形成

14、了系列產(chǎn)品電機(jī)可同軸裝配的高靈敏度直流發(fā)電機(jī)和脈沖編碼器8，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)。為我國數(shù)控機(jī)床及機(jī)床行業(yè)產(chǎn)品的更新、舊機(jī)床的改進(jìn)提供了可靠的執(zhí)行元件，它對提高加工質(zhì)量和精度，大幅度降低廢品率和成本起很大的作用。我國現(xiàn)在有大量的機(jī)床需改進(jìn)、更新，因此有很大的市場。1.3 直流電機(jī)的調(diào)速調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動，簡稱為直流調(diào)速。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求9。從機(jī)械特性上看，就是通過改變電動機(jī)的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機(jī)的機(jī)械特性，從而改變電動機(jī)機(jī)械特性和工

15、作特性的交點(diǎn)，使電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。 直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程是一個從簡單到復(fù)雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調(diào)速到可逆調(diào)速的不斷豐富完善的過程。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型電力電子功率器件不斷出現(xiàn)更是加速了這一過程。采用全控型開關(guān)功率元件進(jìn)行 PWM 控制方式已成為絕對主流，這種控制方式也已作為直流電動機(jī)數(shù)字控制的基礎(chǔ)。但是我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。目前，國內(nèi)對 DSP 在直流伺服電機(jī)控制方面的應(yīng)用處于研發(fā)階段，作為產(chǎn)品，

16、以 DSP 為核心的直流伺服電機(jī)的控制器尚未形成成熟的市場，研究與開發(fā)以 DSP 為核心的直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是直流伺服電機(jī)控制方面的一個較新的領(lǐng)域，也是直流伺服電機(jī)控制發(fā)展趨勢10。1.4 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 在現(xiàn)在伺服系統(tǒng)中無論是交流伺服還是直流伺服都獲得了廣泛的應(yīng)用，在電力拖動系統(tǒng)中也大有傳統(tǒng)的液壓、直流、步進(jìn)和AC變頻被基于稀土永磁交流永磁伺服系統(tǒng)所取代的趨勢。采用了新技術(shù)和新材料而制造出來的新的型號也層出不窮，在交流伺服方面有：YASKAWA 交流伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)由安川電機(jī)株式會社（日本）YASKAWA Electric Corporation研制。其主要技術(shù)特點(diǎn)有：高速、高精度的

17、運(yùn)轉(zhuǎn)；安裝簡易；配線數(shù)減少為原來的1/2；參數(shù)設(shè)定內(nèi)藏；擴(kuò)展性、靈活性更充實(shí)；耐振性提高；平均無故障時間達(dá)400000小時以上；具有高速高精度的運(yùn)轉(zhuǎn)特性；采用速度observer控制；最高回轉(zhuǎn)速度5000r/min；馬達(dá)速度波動更??；定位時間縮短了1/3；安裝十分簡單；可自動判別伺服馬達(dá)的容量及形式，并設(shè)定馬達(dá)參數(shù)；配線數(shù)減少為原來的1/2從驅(qū)動器本身可直接設(shè)定參數(shù)轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、位置控制三機(jī)一體；主回路/控制回路的電源完全分離；Win軟件再現(xiàn)監(jiān)測方便檢查；設(shè)置外加回生電阻的接線端子；馬達(dá)規(guī)格多，對應(yīng)CE、UL規(guī)格；提高了保護(hù)構(gòu)造、耐震性；內(nèi)置DC電抗器接線端子。全數(shù)字交流伺服電機(jī)系統(tǒng)該系

18、統(tǒng)由北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司Beijing HollySys Electric Tech. Co., Ltd.自主開發(fā)。全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)采用全新設(shè)計(jì),通過改進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)和采用先進(jìn)的材料,為更加快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造了良好條件。在全數(shù)字控制方式下,實(shí)現(xiàn)了伺服控制的軟件化，通過采用智能控制算法使系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可操作性都達(dá)到了很高的水平.適用于高動態(tài)響應(yīng)、精密定位、精密調(diào)速的場合。電機(jī)采用正弦波磁路設(shè)計(jì)，運(yùn)行平穩(wěn)，低噪聲。采用高能密度設(shè)計(jì)和高性能永磁材料，體積小，轉(zhuǎn)矩大，效率高。采用高熱容技術(shù)設(shè)計(jì)，電機(jī)溫升低。啟動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強(qiáng)。采用高分辨率編碼器反饋。速度/位置/

19、電流 全數(shù)字化閉環(huán)控制，高動態(tài)響應(yīng)和位置精度。三種控制模式：脈沖串、模擬電壓、數(shù)字鍵盤設(shè)定。采用位置脈沖/方向輸入方式，可取代步進(jìn)電機(jī)達(dá)到功能升級。內(nèi)置鍵盤及LED數(shù)碼管顯示。內(nèi)置電子齒輪控制功能。自動增益調(diào)整功能。保護(hù)功能完善。內(nèi)/外置制動回饋能量吸收電路。RS-232通訊接口，可通過與PC機(jī)聯(lián)接，進(jìn)行伺服控制參數(shù)設(shè)定與監(jiān)控。具備CANBUS接口，方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊控制。直流伺服電機(jī)中有：SEM直流伺服電機(jī)，SEM直流伺服電機(jī)是一種性能優(yōu)良的由英國SEM直流伺服公司研制。其主要技術(shù)指標(biāo)有：輸出扭矩0。5Nm-37Nm，對于高低壓驅(qū)動器均適用，具有最優(yōu)電流速度特性，所有MT馬達(dá)按標(biāo)準(zhǔn)均配備高精度

20、的測速發(fā)電機(jī)。最高轉(zhuǎn)速：1400-5000RPM，型號MT20/30/40/52編碼器可選。中國臺灣仕彰直流伺服驅(qū)動器具有轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用和多功能速度控制，具有過載、超溫、過壓、斷電等保護(hù)功能，還具有異常跳脫，TG故障等全方位人機(jī)操作安全保護(hù)特形裝置，同類DC伺服中最優(yōu)性價比。IRT直流伺服系統(tǒng)、定位型和速度型可選，輸入指令可切換為位置、速度及轉(zhuǎn)矩不同控制模式。屬歐規(guī)高速馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)，選配英國SEM馬達(dá)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6000轉(zhuǎn)/分，出力大，托架式安裝，帶12+電子過載保護(hù)PWM正弦波，16KHZ斬波頻率可調(diào)式電流限定，適用50/60HZ，110V/220V電源內(nèi)置濾波器和滑差補(bǔ)償適用于輸送機(jī)，給料

21、器，包裝設(shè)備，印刷設(shè)備等。BL系列永磁無刷直流調(diào)速系統(tǒng)該系統(tǒng)由北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司Beijing HollySys Electric Tech. Co., Ltd.研制。主要技術(shù)指標(biāo)有：015000轉(zhuǎn)/分大范圍內(nèi)無極調(diào)速；低速扭矩大，運(yùn)行平穩(wěn)；低噪音，高效率；DSP芯片為內(nèi)核，驅(qū)動器數(shù)字化、智能化。 BL系列永磁無刷直流電動機(jī)驅(qū)動單元使用交流220V電源供電，采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，適用于多種需要調(diào)速的應(yīng)用場合。永磁無刷直流電機(jī)與普通直流電機(jī)的運(yùn)行性能類似，不同的是永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷和機(jī)械換相器，因此消除了機(jī)械換相器所帶來的一系列弊病。成為當(dāng)今受關(guān)注和發(fā)展非常迅速的一種新型電動

22、機(jī)。無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)包括：（1） 永磁無刷直流電機(jī)：轉(zhuǎn)子為具有多對磁極的永磁體、定子繞組為三相星接。（2） 功率驅(qū)動：全數(shù)字控制功率電路。（3） 位置傳感器（裝于電機(jī)內(nèi)部）：開關(guān)型雙極性霍爾傳感器，用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，同時提供電機(jī)轉(zhuǎn)速信號。新型永磁無刷直流電機(jī)主要優(yōu)越性 ：（1） 電機(jī)可以無級調(diào)速，工作轉(zhuǎn)速范圍很大，可滿足各種運(yùn)行模式下的轉(zhuǎn)速要求。（2） 永磁無刷直流電機(jī)可以在超低轉(zhuǎn)速保持輸出力矩，這一點(diǎn)超越了交流變頻器的性能，所以新型永磁無刷直流電機(jī)完全可以取代小功率交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。（3） 永磁無刷直流電機(jī)起動力矩大，幾乎不受電網(wǎng)電壓波動的影響。（4） 由于采用了永磁材料，永磁無刷直

23、流電機(jī)比交流變頻系統(tǒng)效率還要高。（5） 永磁無刷直流電機(jī)溫升較低，與同功率交流電機(jī)相比溫升可低30%左右，因而其壽命要大大高于交流電機(jī)。（6）永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低。第2章 直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性、特點(diǎn)和調(diào)速原理2.1直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性 直流伺服電機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式為1 （ 1 ） 分別為電機(jī)的電勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為電樞回路電阻。 直流伺服電機(jī)的磁路一般不飽和，不必考慮交軸電樞反應(yīng)的去磁作用。 根據(jù)式 1，可以得出直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性圖，如圖1所示。 圖 1直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性圖 從圖 1中可看出，機(jī)械特性是線性的。特性曲線與縱軸的交點(diǎn)為電磁轉(zhuǎn)矩為零時，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速

24、，即。在實(shí)際電機(jī)中，當(dāng)電機(jī)空載時，因它本身有空載損耗，電磁轉(zhuǎn)矩不可能為零，因此靠電機(jī)本身的作用是不可能使其轉(zhuǎn)速上升到的。2.2直流電機(jī)的調(diào)速方法 根據(jù)電機(jī)機(jī)械特性公式即轉(zhuǎn)速公式 (1) 可知：直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速在實(shí)際應(yīng)用中有多種控制方法可以達(dá)到調(diào)速的目的，一般可以采用以下三種方法2： （1）改變勵磁電流來改變磁通 ； （2）改變加于電樞回路的端電壓U ； （3）改變傳入電樞回路中的電阻R 。 2.3 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法我們選擇改變加于電樞回路的端電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。由機(jī)械特性方程式（1）可知，改變電動機(jī)端電壓U 的大小，即改變電動機(jī)機(jī)械特性的理想空載轉(zhuǎn)速的大小，而轉(zhuǎn)速降 n是不受影響的，

25、即機(jī)械特性的硬度不變。圖 2 改變電樞電壓調(diào)速特性所以改變電動機(jī)供電電壓U ，其機(jī)械特性基本上是平行的上下移動。如圖2 所示。 改變電樞電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)節(jié)平滑，并且在整個調(diào)速范圍內(nèi)機(jī)械特性硬度不變，穩(wěn)定性較好，可以調(diào)節(jié)至較低轉(zhuǎn)速。調(diào)速范圍寬。而且控制功率較小，效率較高，配上各種調(diào)節(jié)器可組成性能指標(biāo)較高的調(diào)速系統(tǒng)，因此在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用3-4。2.4 直流伺服電機(jī)的主要特點(diǎn) 直流伺服電機(jī)主要有以下幾個特點(diǎn)5-6： （1）可以方便地實(shí)現(xiàn)在寬范圍內(nèi)的無級調(diào)速，故多采用在對電動機(jī)的調(diào)速性能要求較高的場合； （2）啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，直流伺服電動機(jī)的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性其它直流電動

26、機(jī)電樞控制時相應(yīng)特性類似，所以它的啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，調(diào)節(jié)范圍寬； （3）電動機(jī)輸出功率高； （4）調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)：制動特性良好，動態(tài)性能好； （6）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)速度快：相同功率電機(jī)可以顯著減小電機(jī)的體積和重量； （7）結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，維修與保養(yǎng)簡單； （8）高效率，其效率比同容量異步電動機(jī)高。第3章 直流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3.1.主電路的選型要實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，只要對加在電機(jī)兩端的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。 我們先確定了一個方案，先是用一個二極管整流橋?qū)⒔尤氲?20V交流電整流為直流，再用一個buck電路實(shí)現(xiàn)對加在電機(jī)兩端電壓的調(diào)節(jié)。對于調(diào)速的實(shí)現(xiàn)通過一個外加電位器控制對buck電路的觸發(fā)脈沖的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)。對于電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制，可以用四個IJBT 運(yùn)用觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。主電路如圖3所示：圖3 直流伺服電機(jī)調(diào)速主電路圖3.2整流電路：整流采用二極管整流，輸入電壓為220V交流電，輸出電壓為198V。電感L和電容C的值取經(jīng)驗(yàn)值。3.3調(diào)壓電路：調(diào)壓電路采用buck降壓電路，可以實(shí)現(xiàn)電壓的平滑過渡，使得電機(jī)在運(yùn)行時平穩(wěn)運(yùn)行，不會出現(xiàn)過大的震動，電路的脈沖采用