課程游戲化建設及課程設計單閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)

第一章緒論1.1直流調速系統(tǒng)的概述三十多年來，直流電機調速控制經歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。例如已經用于實際生產的直流電機無級電子調速控制器采用國際先進的IGBT大功率模塊器件和獨特自行設計的PWM微電子控制技術，以及節(jié)能反饋電路和豐富的保護功能控制電路。適用于無軌機車、礦山井下窄軌機車、磨床、木工機械、服裝制作、紡織、造紙印刷等場所。該控制器具有調速平穩(wěn)，安全可靠，提高生產效率；直流電機正反轉控制簡便；可以與計算機連接控制等特點。近年來，交流調速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以直流調速系統(tǒng)在生產生活中有著舉足輕重的作用。1.2設計內容和要求1.2.1設計內容1.電路功能（1）用晶閘管整流實現(xiàn)直流調壓，控制直流電動機的轉速連續(xù)可調。采用轉速調節(jié)器構成單閉環(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)：整流電路及保護電路。控制電路主要環(huán)節(jié)：觸發(fā)電路、電壓電流檢測單元、調節(jié)器電路、驅動電路、檢測與故障保護電路。（3）主電路電力電子開關器件采用晶閘管。（4）系統(tǒng)具有完善的保護2.系統(tǒng)總體方案確定3.主電路設計與分析（1）確定主電路方案（2）主電路元器件的計算及選型4.控制電路設計與分析（1）檢測電路設計（2）功能單元電路設計（3）觸發(fā)電路設計（4）調節(jié)器參數(shù)的設計1.2.2設計要求1.設計思路清晰，給出整體設計框圖；2.單元電路設計，給出具體設計思路和電路；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.寫出設計報告。1.2.3設計參數(shù)（1）輸入輸出電壓：三相（AC）220（1+15%）、（2）最大輸出電壓DC300V、電流根據電機功率予以選擇（3）要求電機能實現(xiàn)單向無級調速，穩(wěn)態(tài)性能指標D=10,靜差率s≤5%。（4）電機型號電機型號Z2-71,功率10KW,額定電壓為220V,額定電流為55A,額定轉速為1000r/min，飛輪力矩為1.0kg*m2,效率為η=83%，電樞電阻Ra=0.5Ω。

第二章系統(tǒng)設計方案對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主。調壓調速是直流調速系統(tǒng)的主要方法，而調節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：旋轉變流機組——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調的直流電壓。直流斬波器或脈寬調制變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。直流PWM調速系統(tǒng)作為一種新技術，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調速方式。本次設計就是采用直流PWM調速。PWM變換器的作用是：用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、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，以調節(jié)電機轉速。2.1閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性根據自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調量出現(xiàn)偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。調速系統(tǒng)的轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環(huán)將使調速系統(tǒng)應該能夠大大減少轉速降落。2.1.1系統(tǒng)組成圖3-1采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)調解原理：在反饋控制的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓Un，與給定電壓U*n相比較后，得到轉速偏差電壓DUn，經過放大器A，產生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc，用以控制電動機轉速n。2.1.2靜特性圖3-2轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖圖中各方塊內的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結構圖運算法同樣可以推出式（3-1）所表示的靜特性方程式，如下：（3-1）2.2穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算1.負載時的穩(wěn)態(tài)速降:（3-2）2.閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)：（3-3）開環(huán)系統(tǒng)額定速降為：則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為：（3-4）因為：（3-5）轉速反饋系數(shù):電壓放大系數(shù):運算放大器的放大倍數(shù):，（3-6）2.3傳遞函數(shù)圖3-3反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是：(3-7)應用PI調節(jié)器校正，其傳遞函數(shù)為：，(3-8)其中，，.校正后傳遞函數(shù)為：應用MATLAB編程畫伯德圖：其程序為：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)結果為：Gm=101.7770Pm=111.6555Wcg=3.2053e+003Wcp=14.1

第三章主電路設計與分析3.1轉速單閉環(huán)直流調速系統(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1A-4A

輸入端1B-4B

輸入端1Y-4Y

輸出端Vcc=+5v（2）LM311地到負電源電壓（v14)30V輸出到負電源電壓（V74）40V總電源電壓（V84）36V輸入電壓（V13）±15VLM311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）UPC4574V+=+15VV-=-15V（5）UPC4570V+=+15VV-=-15V（6）TLP250：光耦電源電流Icc=11mA電源電壓Vcc=10~35V（7）TD62084引腳I1~I8：信號輸入端引腳O1~O8：信號輸出端引腳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-門極額定電壓（RGS=20Ｋ時）（VDGR）：500V門極-源極額定電壓（VGSS）：±30V第四章控制電路設計與分析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4.2PWM裝置驅動電路圖圖4.2PWM裝置驅動電路圖

4.3PWM裝置主電路圖圖4.3PWM裝置主電路圖

總結經過長達五天多的時間，此次設計終于完成了，心頭禁不住喜悅之情，成功了，一切陰霾都隨之而去。經過多天的奮斗，感想尤為深刻，就自己所經歷的問題及感受如下：以往設計中，作業(yè)里用的調速系統(tǒng)的可控直流源大多為晶閘管裝置，本次設計用的是脈寬調制裝置，設計中不僅見識了其是如何實現(xiàn)的，對脈寬調制技術有了更新的認識，而且了解其實際應用。通過數(shù)據計算，更好的復習了《運動控制系統(tǒng)》中直流篇的內容，使自己對直流調速系統(tǒng)有了更深的理解。計算中，對方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、死區(qū)時間一些電路結構、參數(shù)調整了解更深刻。對以前所學的模電、數(shù)電，自動控制原理相關知識又回憶了一些。對電容串、并聯(lián)關系更加清楚。連接電路時遇到的問題就更多了，當然也學到了不少解決問題的方法：知道了某些電容、電阻的讀數(shù)方法學會了±15V電源的接法對脈寬調制原理及其實現(xiàn)方法有了更深的認識對橋式電路加深了認識對于光耦的作用及其功能有所了解對示波器原理，有了更加深刻的理解此外還用了Protel99、Matlab軟件實現(xiàn)了一些畫圖及計算功能