课程游戏化建设及课程设计单闭环直流电机控制系统

第一章绪论1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2设计内容和要求1.2.1设计内容1.电路功能（1）用晶闸管整流实现直流调压，控制直流电动机的转速连续可调。采用转速调节器构成单闭环控制系统。（2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、调节器电路、驱动电路、检测与故障保护电路。（3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管。（4）系统具有完善的保护2.系统总体方案确定3.主电路设计与分析（1）确定主电路方案（2）主电路元器件的计算及选型4.控制电路设计与分析（1）检测电路设计（2）功能单元电路设计（3）触发电路设计（4）调节器参数的设计1.2.2设计要求1.设计思路清晰，给出整体设计框图；2.单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3.分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析；4.绘制总电路图；5.写出设计报告。1.2.3设计参数（1）输入输出电压：三相（AC）220（1+15%）、（2）最大输出电压DC300V、电流根据电机功率予以选择（3）要求电机能实现单向无级调速，稳态性能指标D=10,静差率s≤5%。（4）电机型号电机型号Z2-71,功率10KW,额定电压为220V,额定电流为55A,额定转速为1000r/min，飞轮力矩为1.0kg*m2,效率为η=83%，电枢电阻Ra=0.5Ω。

第二章系统设计方案对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：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。静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。本次设计就是采用直流PWM调速。PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。2.1闭环调速系统的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。2.1.1系统组成图3-1采用转速负反馈的闭环调速系统调解原理：在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压DUn，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc，用以控制电动机转速n。2.1.2静特性图3-2转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。运用结构图运算法同样可以推出式（3-1）所表示的静特性方程式，如下：（3-1）2.2稳态参数计算1.负载时的稳态速降:（3-2）2.闭环系统的开环放大倍数：（3-3）开环系统额定速降为：则闭环系统的开环放大倍数为：（3-4）因为：（3-5）转速反馈系数:电压放大系数:运算放大器的放大倍数:，（3-6）2.3传递函数图3-3反馈控制闭环调速系统的动态结构图由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是：(3-7)应用PI调节器校正，其传递函数为：，(3-8)其中，，.校正后传递函数为：应用MATLAB编程画伯德图：其程序为：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)结果为：Gm=101.7770Pm=111.6555Wcg=3.2053e+003Wcp=14.1

第三章主电路设计与分析3.1转速单闭环直流调速系统原理图图3.1给定电压电路

3.2系统元件介绍（1）74HC0874HC08为四组2输入端与门1A-4A

输入端1B-4B

输入端1Y-4Y

输出端Vcc=+5v（2）LM311地到负电源电压（v14)30V输出到负电源电压（V74）40V总电源电压（V84）36V输入电压（V13）±15VLM311双列8引脚图引脚功能：

引脚1：接地引脚2：正向输入端

引脚3：反向输入端引脚7：输出端

引脚5：平衡引脚6：平衡/选通

引脚8：V++15V引脚4：V--15V（3）74HC14：六反相斯密特触发器Vcc=+5V（4）UPC4574V+=+15VV-=-15V（5）UPC4570V+=+15VV-=-15V（6）TLP250：光耦电源电流Icc=11mA电源电压Vcc=10~35V（7）TD62084引脚I1~I8：信号输入端引脚O1~O8：信号输出端引脚9：接地引脚10：公共端（8）2SK2661：MOSFET管漏极-源极额定电压（VDSS）：500V漏极-门极额定电压（RGS=20Ｋ时）（VDGR）：500V门极-源极额定电压（VGSS）：±30V第四章控制电路设计与分析4.1方波三角波发生器电路图图4.1方波三角波发生器电路图4.2PWM装置驱动电路图图4.2PWM装置驱动电路图

4.3PWM装置主电路图图4.3PWM装置主电路图

总结经过长达五天多的时间，此次设计终于完成了，心头禁不住喜悦之情，成功了，一切阴霾都随之而去。经过多天的奋斗，感想尤为深刻，就自己所经历的问题及感受如下：以往设计中，作业里用的调速系统的可控直流源大多为晶闸管装置，本次设计用的是脉宽调制装置，设计中不仅见识了其是如何实现的，对脉宽调制技术有了更新的认识，而且了解其实际应用。通过数据计算，更好的复习了《运动控制系统》中直流篇的内容，使自己对直流调速系统有了更深的理解。计算中，对方波发生器、三角波发生器、死区时间一些电路结构、参数调整了解更深刻。对以前所学的模电、数电，自动控制原理相关知识又回忆了一些。对电容串、并联关系更加清楚。连接电路时遇到的问题就更多了，当然也学到了不少解决问题的方法：知道了某些电容、电阻的读数方法学会了±15V电源的接法对脉宽调制原理及其实现方法有了更深的认识对桥式电路加深了认识对于光耦的作用及其功能有所了解对示波器原理，有了更加深刻的理解此外还用了Protel99、Matlab软件实现了一些画图及计算功能