电力电子设计基于buck电路直流伺服电机调速系统的简单设计要点

得分：得分：《电力电子技术大作业》作业题目：基于buck电路直流伺服电机调速系统的简单设计姓名：班级：学号：同组人：摘要直流伺服电动机具有优良的调速特性，调速平滑、简单，具有较大的启动转矩和良好的启、制动性能以及能在较大范围内实现精度、速度和位置控制。同时其过载能力大，能承受频繁的冲击负载，所以在要求系统性能高的场合都广泛地使用直流伺服系统。20世纪80年代后，随着科技的进步，交流调速系统、无刷直流电机的迅速发展，有逐渐取代有刷直流电机调速的趋势。但是直流有刷伺服电机具有独特的优良性能，它可以方便的进行无级调速且有着良好的调速性能，所以直到现在尚未被取代。对一些成本敏感的普通工业和民用场合仍广泛应用。本设计针对调速的可靠性和经济性来设计小功率直流伺服电动机调速系统，不仅工作可靠，成本低，并且具有软启动、恒转矩、宽调速、硬特性等功能，实现了小功率直流伺服电机的平滑无级调速以及电机的保护。该系统主电路采用单相桥式半控整流线路，具有电压负反馈。本系统调压电路采用buck降压电路，可以实现电压的平滑过渡，使得电机在运行时平稳运行，不会出现过大的震动。对于电机转向的控制，可以用四个IJBT来实现对电机正反转的控制。关键词：直流伺服电机；直流调速；晶闸管；电压负反馈AbstractDCservomotorhasexcellentspeedcontrolcharacteristicssmoothandsimple.Ithasstrongstartingtorqueandexcellentstartingandbrakingperformance.Itcancontrolalargerangeofaccuracy,speedandposition.Atthesametime,ithasagoodoverloadcapacityandcanbearfrequentimpactloads.Therefore,theDCservosystemiswidelyusedinthosehighperformancesystems.After20thcentury80s,withthedevelopmentofscienceandtechnology,ACspeedcontrolsystemandbrushlessDCmotorhasbeendevelopedrapidly.AndtheyhavegraduallyreplacedthebrushDCmotorspeedtrend.ButthankstoDCbrushservo’suniquehighperformance,itcaneasilybevariablespeedandhasgoodspeedperformance,sountilnow,ithasnotbeenreplaced.Itisstillwidelyusedingeneralindustrialandciviloccasionswhichiscost-sensitive.ThisarticleistodesignaeconomicandreliablespeedcontrolsystemofDCservomotor.Thesystemnotonlyhasreliableandlowcost,butalsohassoftstart,constanttorque,widespeed,hardfeaturesandotherfunctions,achievesmoothvariablespeedofDCmotorandprotectionofthemotor.Thesystemofmaincircuitusessingle-phasehalf-controlledrectifierbridgecircuit,withvoltagenegativefeedback.ThesystemusesBuckCircuittorealizethesmoothtransitionofvoltage,whichmakesthemotorrunningsmoothinoperationanddoesnotappeartoolargevibration.Forthecontrolofsteering,weusefourIJBTtorealizethecontrolofthesterring.目录第1章绪论 4直流电机调速的背景和意义 4直流伺服电机的应用 4直流电机调速发展趋势 4第2章直流伺服电机调速原理 5直流伺服电机的组成及工作原理 5直流伺服电机的机械特性 5直流电机调速方法 7直流伺服电机速度控制指标 7伺服电机启动方法 8伺服电机特点 8第3章直流伺服电机调速系统 9闭环控制系统设计 9主电路的选型 9整流电路： 10调压电路： 11正反转控制电路： 12第4章基于PSIM的直流伺服电机调速系统的仿真结果 13第5章结论 14参考文献 14第1章绪论直流电机调速的背景和意义直流伺服电机具有调速范围宽、良好的稳定性，具有大的、较长的过载能力，能满足低速度大转矩的要求，反应速度快，能承受频繁的启动、制动和正反转，成本低等优良的特性。电动机的主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上千瓦。众所周知，直流电动机有运行效率高和调速性能好等诸多优点。尽管近年来不断受到其他电动机（如：交流变频电动机、步进电动机等）的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍然无其他电动机能比。并且在我国直流调速理论根深蒂固，并在发展中不断充实，所以直流调速仍占统治地位。在欧美等国家，大型成套生成装置和成套生产线也仍然多用直流调速。所以对直流调速系统的研究还是有很重要的意义。直流伺服电机的应用直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，因此，广泛地用于驱动轧钢机、金属切削机床、起重设备和电气机车中，它尤其适用于高精度、高性能地电力拖动系统。近年来，世界各国的机械制造业都处在数量化、数控化、自动化和半自动化的潮流中。微电子技术的应用，尤其是微型计算机的普及，给数控化生产才来了很大的发展空间。作为高精度伺服元件的伺服电机被广泛地应用在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械等各个领域。据统计，美国市场对直流电机的需求以每年21℅的速度递增，导致这一现象的根本原因是自动化设备的高速发展和电子计算机外围设备的不断扩大，其次是军事设备电子化的发展趋势和电子玩具的应用。直流电机调速发展趋势调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流调速系统的发展过程是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。第2章直流伺服电机调速原理在控制系统中，伺服系统是一种应用十分广泛的系统。直流伺服电机又称行电机，它是控制电机的一个种类，在系统中用作执行元件。直流伺服电机可以把输入的电压信号变换成为轴上的角位移和角速度输出。根据被驱动对象的不同，由直流伺服电机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式，即位置、速度和力矩控制方式。通常位置和速度用得最多。本文主要讨论的是速度控制。在伺服系统中，控制电路十分关键，它直接影响到系统的性能品质。在本章中我们首先讨论直流伺服电机的特性，然后介绍直流伺服电机结构和工作原理，最后介绍了调速原理及调速方法2.1直流伺服电机的组成及工作原理伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般0.1-100W,常用的是30W以下。伺服电动机有直流和交流之分。直流伺服电机,它包括定子、转子铁芯、电机转轴、伺服电机绕组换向器、伺服电机绕组、测速电机绕组、测速电机换向器,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成。传统直流伺服电动机的基本工作原理与普通直流电动机完全相同，依靠电枢电流与气隙磁通的作用产生电磁转矩，使伺服电动机转动。通常采用电枢控制方式，即在保持励磁电压不变的条件下，通过改变电枢电压来调节转速。电枢电压越小，则转速越低；电枢电压为零时，电动机停转。由于电枢电压为零时电枢电流也为零，电动机不产生电磁转矩，不会出现“自转”。直流伺服电机的机械特性直流伺服电机机械特性的一般表达式为分别为电机的电势系数和转矩系数；为电枢回路电阻。直流伺服电机的磁路一般不饱和，不必考虑交轴电枢反应的去磁作用。根据上式，可以得出直流伺服电机的机械特性图，如图1所示。图1直流伺服电机的机械特性图从图1中可看出，机械特性是线性的。特性曲线与纵轴的交点为电磁转矩为零时，电机的理想空载转速，即。在实际电机中，当电机空载时，因它本身有空载损耗，电磁转矩不可能为零，因此靠电机本身的作用是不可能使其转速上升到的。机械特性与横轴的交点为电机堵转时（n=0）的转矩，即电机的堵转转矩图1中机械特性曲线的斜率的绝对值为：它表示了电动机机械特性的硬度，即电机的转速随转矩T的改变而变化的程度。这个机械固有特性曲线的斜率，记为β，β用来衡量直流伺服电机的机械特性，根据β值的不同，可将电机的机械特性分为三类，（1）绝对硬特性；（2）硬特性；（3）软特性。β值越小，曲线越平缓，速度上升的越慢，说明直流电机固有的机械特性较“硬”。若β值越大，则机械特性较“软”。直流电机的机械特性是一条极为重要的特性，它与负载转矩特性的配合将决定直流伺服系统的稳定运行。直流电机调速方法根据电机机械特性公式即转速公式可知：直流伺服电机的转速在实际应用中有多种控制方法可以达到调速的目的，一般可以采用以下三种方法（1）改变励磁电流来改变磁通φ；（2）改变加于电枢回路的端电压U；（3）改变传入电枢回路中的电阻我们选择改变加于电枢回路的端电压来控制电机转速的方法。由机械特性方程式可知，改变电动机端电压U的大小，即改变电动机机械特性的理想空载转速的大小，而转速降Δn是不受影响的，即机械特性的硬度不变。图2改变电枢电压调速特性所以改变电动机供电电压U，其机械特性基本上是平行的上下移动。如图2所示。改变电枢电压来调节转速，可实现无级调速，调节平滑，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变，稳定性较好，可以调节至较低转速。调速范围宽。而且控制功率较小，效率较高，配上各种调节器可组成性能指标较高的调速系统，因此在工业中得到广泛应用。直流伺服电机速度控制指标一般情况下，调速和稳速在各种场合下都能碰到，我们给出调速系统的稳态性能指标。所谓稳态性能指标是指系统稳定运行时的性能指标，如调速系统稳定运行时的调速范围和静差率等。下面具体介绍调速系统中的稳态性能指标。调速范围：直流调速控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下，运行的最高转速Nmax与最低转速Nmin之比，称为调速范围，用D表示，即其中Nmax和Nmin对于调压调速系统来说，通常将电动机的最高转速Nmax视为其额定转速。不同的生产工艺，所要求的调速范围D是不同的，D越大，说明系统的调速范围越宽。静差率：系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所引起的额定转速降落与理想空载转速之比，称作静差率S，即静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化的程度，它与机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速稳定度越高。然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。动态特性：原来的稳定状态到新的稳定状态，存在一个过渡过程，这就是直流电机的动态特性。伺服电机启动方法直流伺服电机的启动方法大致有三种：直接起动法、起动电阻法、改变电源电压的压降法，直接起动法是将恒定电压的直流电源直接加到电动机上进行全电压起动的方法，仅用于1kW以下的电动机上，起动电阻法，不论手动还是自动都是逐渐将启动电阻切除的方法。这使结构复杂化。第三种调节电压法，把电压上升从零开始徐徐上升进行启动。这种方法十分方便，由控制卡发出控制信号使输出脉冲的高电平期间由0逐渐达到所要求转速的脉宽值。本次我们主要研究改变电源电压的压降法。伺服电机特点直流伺服电机主要有以下几个特点：（1）可以方便地实现在宽范围内的无级调速，故多采用在对电动机的调速性能要求较高的场合；（2）启动转矩大，启动电流小，直流伺服电动机的机械特性和调节特性其它直流电动机电枢控制时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调节范围宽；（3）电动机输出功率高；（4）调速精度高，调速范围广，过载能力强：制动特性良好，动态性能好；（6）转子转动惯量小，响应速度快：相同功率电机可以显著减小电机的体积和重量；（7）结构简单、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；（8）高效率，其效率比同容量异步电动机高。第3章直流伺服电机调速系统闭环控制系统设计由直流伺服电动机的转速方程可知，在转速不很低时,可忽略电枢两端压降，则直流电动机的转速与端电压近似成正比。因此，采用电压负反馈能够代替转速负反馈的作用。而电压的检测显然要比转速检测方便得多。这是由于采用电压负反馈只是用一个起分压作用的电阻作反馈检测元件就可以了。我们采用BUCK电路的PI调节控制来对电机电枢两端的电压进行控制，以实现对电机转速的控制。BUCK电路中电感L和电容C组成低通滤波器，此滤波器设计的原则是使us(t)的直流分量可以通过，而抑制us(t)的谐波分量通过；电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波uripple(t)。电路工作频率很高，一个开关周期内电容充放电引起的纹波uripple(t)很小，电容上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值总是小于输出电压,通常电感中的电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值.简单的BUCK电路输出的电压不稳定，会受到负载和外部的干扰，当加入PID控制器，实现闭环控制。3.2主电路的选型要实现对电机的调速，只要对加在电机两端的电压进行调节。我们先确定了一个方案，先是用一个二极管整流桥将接入的220V交流电整流为直流，再用一个buck电路实现对加在电机两端电压的调节。对于调速的实现通过一个外加电位器控制对buck电路的触发脉冲的调节来实现对电机电压的调节。对于电机转向的控制，可以用四个MOSFET运用触发脉冲来实现对电机正反转的控制。主电路如图3所示：图3直流伺服电机调速主电路图整流电路：整流采用二极管整流，输入电压为220V交流电，输出电压为198V。电感L和电容C的值取经验值。调压电路：调压电路采用buck降压电路，可以实现电压的平滑过渡，使得电机在运行时平稳运行，不会出现过大的震动，电路的脉冲采用30000Hz的三角波，电感L和电容C的值取经验值，对于电压的调节采用电压反馈闭环控制和通过电位器的调节共同控制，电压传感器的参数为0.05，电位器接11V的直流电压，当输出电压为220时传感器的得到的值刚好为11,通过一个比较器和PI调节器，再加一个限幅装置使得闭环控制回路能够有效可靠的控制输出电压的幅值，使得输出电压为想要得到的电压。正反转控制电路：这部分电路的主要功能是通过控制触发脉冲的高低来实现对电机正反转的控制当左侧的脉冲为高电平时，电机正转，为低电平时电机反转。通过控制四个IJBT的开通和关断，来实现对加在电机两端电压的正负的转换，这个电路还应加上保护电路，和缓冲电路保证在电压换相时不会出现短暂的高电压和高电流冲击。第4章基于PSIM的直流伺服电机调速系统的仿真结果前面章节分析了直流伺服电机数学模型，设计了直流伺服电机控制系统。在此基础上，为了缩短开发周期，验证控制算法乃至整个系统的可行性和有效性，需要有一个强大的仿真平台和一个直观、有效的仿真模型。本次我们采用PSIM6.0对电路进行仿真分析。PSIM是专业的电力电子与电机控制仿真软件，与其他通用性仿真软件相比，占用资源少，仿真速度快。该软件主要应用于基本电力电子电路设计、电气传动系统设计、电机设计、新能源发电系统设计等领域，基本覆盖了电力电子与电气传动领域的主要内容。PSIM软件在电力电子应用系统设计课程教学中有以下特点：特点一：PSIM软件的基本操作简单，学生能够较快掌握并进行简单的电路设计，易于入门。特点二：包含电力电子技术课程中涉及的全部元件，能够实现模拟控制和数字控制，便于将控制理论的基本方法应用于电力电子系统设计。特点三：对于复杂的电力电子应用系统，PSIM可以通过编写动态链接库（DLL）的方法实现控制算法，同时能够与其他仿真软件配合使用，增强了仿真系统的扩展性，为希望深入学习的学生提供了有力的工具支持。特点四：针对可再生能源领域，PSIM具有光伏电池模块和风机模块，通过配置参数得到设计所需的仿真模型，提高了仿真效率。电机电枢端电压：电机正反转转速：第5章结论这个课题具有很强的实用性，它在我们日常生活中无所不在，电力电子技术已发展成为一种应用极其广泛的技术。该课题属于电力电子方面，随着电力电子器件的不断向大容量化、高频化、易驱动、降低导通压降、模块化的发展，它的应用将更为广泛，同时，它集各优点于一身将在电力电子电路中表现出非凡的性能。通过对直流伺服电机及其调速系统理论的认真地学习和深入地研究，针对电机运行的可靠性及经济性设计完成了小功率直流伺服电机调速系统的设计。本选题设计了一种直流伺服电机的直流调速电路，该电路具有电压负反馈、限流设定、软起动等功能，并且体积小、调速范围宽、性能好、调速平滑、操作方便、成本低等优点。可广泛应用于各种要求调速指标不高的小功率直流伺服电机的调速场合中。参考文献[1]陈伯时.电力电子技术与电机调速[J].电机与控制应用,1993(01):45-48.[2]黄操军,陈润恩,王桂英.变流技术基础及应用[M].北京:中国水利水电出版社,2001.4-10,15-28.[3]孙慧贤.新型软开关PWMBuck电路研究[D].湖南：国防科技大学，2004.[4]龚伟家.基于BUCK电路的数字DC/DC变换器[D].电子科技大学，2013.[5]谢卓辉.直流调速系统的全数字控制[D].湖南:湖南大学,2001.[6]杨兴瑶.电动机调速的原理及系统.水利电力出版社,1995.[7]金楠杨存祥.PSIM软件在电力电子技术课程教学中的应用研究[A].中国电力教育，2013，27-0111-02[8]姜宇.直流电机调速系统的设计方法探讨[J].中山大学研究生学刊(自然科学、医学版),2007,28(2).91-105.[9]王桂英,贾兰英.电机与拖动[M].沈阳:东北大学出版社,2004.293-295.[3]曲世勃.纳米伺服电机的研究[D].吉林:长春理工大学,2005.[10]李晓秀.微机直流伺服系统的设计与研究[D].湖南:湖南大学,2004.[11]曹登场.基于单片机的磨片机直流调速系统[D].合肥:合肥工业大学,2008.[12]张金男.基于PLC控制技术的大功率直流电机调速系统的研究与设计[D].大连:大连海事大学,2007.[13]史国生,赵家璧.交直流调速系统(第二版)[M].北京:化学工业出版社,2006.1-22.[14]王淑芳.电机驱动技术[M].北京:科学出版社,2008.199-207.[15]张曼若.无刷直流电动机的发展与应用[J].微电机,1995,28(1):23-25.[16]杨琳琳.数字直流调速系统的设计与实现[D].安徽:合肥工业大学,2008.[17]张曼若.无刷直流电动机的发展与