運(yùn)動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)--單閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　課程名稱 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) </p><p>　　課題名稱 單閉環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng) </p><p>　　專 業(yè) </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　學(xué)

2、 號(hào) </p><p>　　姓 名 </p><p><b>　　指導(dǎo)教師 </b></p><p>　　2011 年 12 月 8 日</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p>　　課程

3、名稱： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題 目：?jiǎn)伍]環(huán)直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　專業(yè)班級(jí)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué)號(hào)： </p><p><b>　　指導(dǎo)老師： </b></p

4、><p>　　審 批： </p><p>　　任務(wù)書下達(dá)日期 2011年11月 28日</p><p>　　設(shè)計(jì)完成日期 2011年 12月 9 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒

5、論1</b></p><p>　　1．1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述1</p><p>　　1．2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求2</p><p>　　1.2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容2</p><p>　　1.2.2 設(shè)計(jì)要求3</p><p>　　1.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)3</p><p>　　第二章 系統(tǒng)

6、設(shè)計(jì)方案4</p><p>　　2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性4</p><p>　　2.1.1系統(tǒng)組成5</p><p>　　2.1.2 靜特性5</p><p>　　2.2 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算6</p><p>　　2.3 傳遞函數(shù)7</p><p>　　第三章 主電路設(shè)計(jì)與分析

7、9</p><p>　　3.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖9</p><p>　　3.2 系統(tǒng)元件介紹9</p><p>　　4.1 方波三角波發(fā)生器電路圖14</p><p>　　4.2 PWM裝置驅(qū)動(dòng)電路圖14</p><p>　　4.3 PWM裝置主電路圖15</p><p&g

8、t;　　第五章測(cè)試結(jié)果及問題16</p><p>　　5.1 實(shí)測(cè)電路中的波形16</p><p>　　5.2 連接電路中遇到的問題19</p><p><b>　　總 結(jié)20</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)21</p><p><b>　　第一章 緒論&l

9、t;/b></p><p>　　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)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，目前國內(nèi)外也研究了一些調(diào)速的控制器。例如已經(jīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的直流電機(jī)無級(jí)電子調(diào)速控制器采用國際先進(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

10、軌機(jī)車、礦山井下窄軌機(jī)車、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)。</p><p>　　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調(diào)速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，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。</p><p&g

11、t;　　1．1 直流調(diào)速系統(tǒng)的概述</p><p>　　三十多年來，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

12、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,以滿足工作機(jī)械的要求。從機(jī)械特性上看,就是通過改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動(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)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)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(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

13、中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)系統(tǒng)無論在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的</p><p>　　1．2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求</p><p><b>　　1.2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p><b>　　電路功

14、能</b></p><p>　　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)。</p><p>　　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。</p><p>　　主電路電力電子開關(guān)器件采用晶閘管。&l

15、t;/p><p><b>　　系統(tǒng)具有完善的保護(hù)</b></p><p>　　2. 系統(tǒng)總體方案確定</p><p>　　3. 主電路設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　　1）確定主電路方案</b></p><p>　　2）主電路元器件的計(jì)算及選型</p><

16、;p>　　4. 控制電路設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　　檢測(cè)電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　功能單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　觸發(fā)電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計(jì)</b><

17、/p><p>　　1.2.2 設(shè)計(jì)要求</p><p>　　1．設(shè)計(jì)思路清晰，給出整體設(shè)計(jì)框圖；</p><p>　　2. 單元電路設(shè)計(jì)，給出具體設(shè)計(jì)思路和電路；</p><p>　　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。</p><p>　　4. 繪制總電路圖</p><

18、;p>　　5. 寫出設(shè)計(jì)報(bào)告；</p><p>　　1.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)</p><p>　　輸入輸出電壓：三相（AC）220（1+15%）、</p><p>　　最大輸出電壓DC300V、電流根據(jù)電機(jī)功率予以選擇</p><p>　　要求電機(jī)能實(shí)現(xiàn)單向無級(jí)調(diào)速，穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10,靜差率s≤5%。</p><p

19、><b>　　電機(jī)型號(hào)</b></p><p>　　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*m2,效率為η=83%，電樞電阻Ra=0.5Ω。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案</p><p>　　對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)

20、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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)電樞電壓需要有專門向電動(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：</p>

21、<p>　　旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——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。</p><p>　　靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。</p><p>　　直流斬波器或脈寬調(diào)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(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。</p><p>　　直流PWM調(diào)速系統(tǒng)

22、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。</p><p>　　2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性</p><p>　　根據(jù)自動(dòng)控

23、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。</p><p>　　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，顯然，引入轉(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。</p><p><b>　　2.1.1系統(tǒng)組成</b></p><p>　　圖 3-1 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系

24、統(tǒng)</p><p>　　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。</p><p><b>　　2.1.2 靜特性</b></p>

25、<p>　　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</p><p>　　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：，</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　2.2 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算</p><p>　　負(fù)載時(shí)的穩(wěn)

26、態(tài)速降: （3-2）</p><p>　　閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)： （3-3）</p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)額定速降為：</p><p>　　則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為： （3-4）</p><p><b>　　因?yàn)椋?lt;/b></p><p><b>　?。?-5

27、）</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù):</b></p><p><b>　　電壓放大系數(shù):</b></p><p>　　運(yùn)算放大器的放大倍數(shù):， （3-6）</p><p><b>　　2.3 傳遞函數(shù)</b></p><

28、p>　　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</p><p>　　由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是：</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　應(yīng)用PI調(diào)節(jié)器校正，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　，

29、(3-8)</p><p><b>　　其中，，.</b></p><p><b>　　校正后傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　應(yīng)用MATLAB編程畫伯德圖：</p><p><b>　　其程序?yàn)椋?lt;/b></p><p>　　num=[ 7.1

30、86,217.75];</p><p>　　den=conv([1,0],conv([0.0001,1],conv([0.002391,1],[0.02761,17])));</p><p>　　bode(num,den)</p><p>　　[Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den)</p><p><b>　

31、　結(jié)果為：</b></p><p>　　Gm = 101.7770</p><p>　　Pm = 111.6555</p><p>　　Wcg = 3.2053e+003</p><p>　　Wcp = 14.1</p><p>　　第三章 主電路設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　3

32、.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　給定電壓電路圖</b></p><p>　　圖3.1給定電壓電路</p><p>　　3.2 系統(tǒng)元件介紹</p><p><b>　?。?）74HC08</b></p><p>　　74HC08為四組2輸入端

33、與門 </p><p>　　1A-4A      輸入端 </p><p>　　1B-4B      輸入端</p><p>　　1Y-4Y      輸出端

34、 </p><p><b>　　Vcc=+5v</b></p><p><b>　　（2）LM311</b></p><p>　　地到負(fù)電源電壓（v14) 30V</p><p>　　輸出到負(fù)電源電壓（V74） 40V</p

35、><p>　　總電源電壓（V84） 36V</p><p>　　輸入電壓（V13） ±15V</p><p>　　LM311 雙列8引腳圖 </p><p>　　引腳功能：引腳1：接地

36、 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</p><p>　　（3）74HC14：</p><p><b>　　六反相斯密特觸發(fā)器</b></p><p><b

37、>　　Vcc=+5V </b></p><p>　?。?）UPC4574</p><p><b>　　V+=+15V </b></p><p><b>　　V-=-15V</b></p><p>　?。?）UPC4570</p><p>　　V+=+15

38、V V-=-15V</p><p>　?。?）TLP250：光耦</p><p>　　電源電流 Icc=11mA </p><p>　　電源電壓Vcc=10~35V </p><p>　?。?）TD62084</p><p>　　引腳I1~I8：信號(hào)輸入端 </p>&

39、lt;p>　　引腳O1~O8：信號(hào)輸出端</p><p>　　引腳9：接地 </p><p><b>　　引腳10：公共端</b></p><p>　?。?）2SK2661：MOSFET管</p><p>　　漏極-源極額定電壓（VDSS）：500V</p><p>　　

40、漏極-門極額定電壓（RGS=20Ｋ時(shí)）（VDGR）：500V</p><p>　　門極-源極額定電壓（VGSS）：±30V</p><p>　　第四章 控制電路設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　4.1 方波三角波發(fā)生器電路圖</p><p>　　圖4.1 方波三角波發(fā)生器電路圖</p><p>　　4.2 PW

41、M裝置驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　　圖4.2 PWM裝置驅(qū)動(dòng)電路圖</p><p>　　4.3 PWM裝置主電路圖</p><p>　　圖4.3 PWM裝置主電路圖</p><p><b>　　測(cè)試結(jié)果及問題</b></p><p>　　5.1 實(shí)測(cè)電路中的波形</p><p

42、>　　圖5.1 UPC4570—1端口輸出電壓波形</p><p>　　圖5.2 UPC4570—7端口輸出電壓 波形</p><p>　　圖5.3調(diào)節(jié)占空比后的LM311輸出電壓波形</p><p>　　圖5.4 74HC08與門輸出電壓波形</p><p>　　圖5.5 TD62084輸出端B+、B-波形</p>&

43、lt;p>　　圖5.6 TD62084輸出端A+、B-波形</p><p>　　5.2 連接電路中遇到的問題</p><p>　　1、三角波不標(biāo)準(zhǔn) 解決對(duì)策：電容原因，電容容量在一定范圍內(nèi)才可以，2800~3000pf波形是符合要求的。</p><p>　　2、LM311波形問題 解決對(duì)策：測(cè)LM311波形時(shí)，必須把5V電源

44、和電阻加上，才能得到需要的波形。</p><p>　　3、死去時(shí)間3us處理 解決對(duì)策：對(duì)于電阻、電容的選擇要適當(dāng)，滿足公式R*C=3us。</p><p>　　4、±15V電源處理 解決對(duì)策：把V1、V2的G結(jié)一起，V1輸出電壓+15V，V2輸出電壓-15V。</p><p>　　5、地線問題 解決對(duì)策：

45、注意控制電路，和驅(qū)動(dòng)電路的地，不是同一個(gè)地線，不能共地，應(yīng)分別共地。</p><p>　　6、光耦波形有一路的波形不對(duì)稱 解決對(duì)策：檢查電路的連接，發(fā)現(xiàn)是電阻的選擇選錯(cuò)，本來是22，結(jié)果接的是22k。</p><p>　　7、電動(dòng)機(jī)電樞兩端不存在壓差 解決對(duì)策：重新檢查電路，一步步的檢測(cè)之前測(cè)過的波形，用萬用表檢查芯片是不是有燒毀的。</p><p>&

46、lt;b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過長達(dá)五天多的時(shí)間，此次設(shè)計(jì)終于完成了，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)那一刻我不由得鼓掌慶賀，心頭禁不住喜悅之情，成功了，一切陰霾都隨之而去，第一次在實(shí)驗(yàn)室度過了如此長的時(shí)光，經(jīng)過多天的奮斗，感想尤為深刻，就自己所經(jīng)歷的問題及感受如下：</p><p>　　以往設(shè)計(jì)中，作業(yè)里用的調(diào)速系統(tǒng)的可控直流源大多為晶閘管裝置，本次設(shè)計(jì)用的是脈寬調(diào)制

47、裝置，設(shè)計(jì)中不僅見識(shí)了其是如何實(shí)現(xiàn)的，對(duì)脈寬調(diào)制技術(shù)有了更新的認(rèn)識(shí)，而且了解其實(shí)際應(yīng)用。</p><p>　　通過數(shù)據(jù)計(jì)算，更好的復(fù)習(xí)了《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》中直流篇的內(nèi)容，使自己對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)有了更深的理解。計(jì)算中，對(duì)方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、死區(qū)時(shí)間一些電路結(jié)構(gòu)、參數(shù)調(diào)整了解更深刻。對(duì)以前所學(xué)的模電、數(shù)電，自動(dòng)控制原理相關(guān)知識(shí)又回憶了一些。對(duì)電容串、并聯(lián)關(guān)系更加清楚。</p><p>　　連

48、接電路時(shí)遇到的問題就更多了，當(dāng)然也學(xué)到了不少解決問題的方法：</p><p>　　知道了某些電容、電阻的讀數(shù)方法</p><p>　　學(xué)會(huì)了±15V電源的接法</p><p>　　對(duì)脈寬調(diào)制原理及其實(shí)現(xiàn)方法有了更深的認(rèn)識(shí)</p><p>　　對(duì)橋式電路加深了認(rèn)識(shí)</p><p>　　對(duì)于光耦的作用及其功能有所

49、了解</p><p>　　對(duì)示波器原理，有了更加深刻的理解</p><p>　　此外還用了Protel99、Matlab軟件實(shí)現(xiàn)了一些畫圖及計(jì)算功能</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳伯時(shí)主編. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 2003</p><

50、p>　　[2] 樊立萍主編. 電力電子技術(shù). 北京: 中國林業(yè)出版社 2006</p><p>　　[3] 王建輝主編. 自動(dòng)控制原理. 北京: 清華大學(xué)出版社 2007</p><p>　　[4] 華成英主編. 模擬電子技術(shù). 北京: 高等教育出版社 2006</p><p>　　[5] 閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù). 北京: 清華大學(xué)出版社 2007</