《运动控制系统》课程设计说明书直流电动机调速系统设计

武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化080 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流电动机调速系统设计 初始条件：用晶闸管整流器供电的V-M系统，主电动机额定功率。要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构；（2）设计出触发系统和功率放大电路；（3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。(4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗器选择、晶闸管保护设计参考文献：1 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社，2005:41-49、105-114时间安排：2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容12.5指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求12.612.9开始查阅资料，完成方案的初步设计12.1012.11由指导老师审核仿真模型，学生修改、完善并对仿真结果进行分析12.1212.13撰写课程设计说明书12.14上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，最大转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。与交流调速相比，直流电机结构复杂，生产成本高，维护工作量大。随着大功率晶体管的问世以及矢量控制技术的成熟，使得矢量控制变频技术获得迅猛发展，从而研制出各种类型、各种功率的变频调速装置，并在工业上得到广泛应用。适用范围：直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医疗设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。高性能的交流传动应用比重逐年上升，在工业部门中，用可调速交流传动取代直流传动将成为历史的必然。尽管如此，我认为设计一个直流电机调速系统，不论是从学习还是实践的角度，对一名电子信息工程专业的大学生都会产生积极地作用，有利于提高学习热情。关键词：直流电动机 调速1 设计综述采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图1-1，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。图1-1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。目前都采用由内向外，一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。设计多环系统的一般方法是，由内环向外环一环一环地进行设计。对双闭环调速系统而言，先从内环（电流环）开始，根据电流控制要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环后，就把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用同样的方法进行转速环的设计。然后通过MATLAB进行动态分析，根据分析情况更改实现方案，对参数进行调整等。开环和转速单闭环是转速电流双闭环设计的一部分，是设计转速电流双闭环的基础，2硬件电路设计2.1 三相全控桥式整流电路如图2-1所示：其中阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、 VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5， 共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4、VT6、VT2。从后面的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为 VT1VT2VT3VT4VT5VT6。图2-1 三相桥式全控整流电路原理图整流电路的负载为带反电动势的阻感负载。假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况也就相当于晶闸管触发角=0o时的情况。此时，对于共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳极组的3个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2-2所示。图2-2 反电动势=0o时波形=0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二绕组相电压与线电压波形的对应关系看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。在分析ud的波形时，既可从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压 ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压ud = ud1ud2是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的晶闸管对应的最大（正得最多）的相电压，而共阳极组中处于通态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压，输出整流电压 ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线。由于负载端接有电感且电感的阻值趋于无穷大，电感对电流变化有抗拒作用。流过电感器件的电流变化时，在其两端产生感应电动势U，阻止电流的变化。当电流增加时，它的极性阻止电流增加，当电流减小时，它的极性反过来阻止电流减小。电感的这种作用使得电流波形变得平直，也就是说电感趋于无穷大时负载中流过的电流是平的一条直线。为了说明各晶闸管的工作的情况，将波形中的一个周期等分为6段，每段为60o，如图2-2所示，每一段中导通的晶闸管及输出整流电压的情况如表所示。由该表可见，6个晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3VT4VT5VT6。2.2触发电路 触发电路有三个基本环节组成：锯齿波形成和同步移相控制环节，脉冲形成、整形放大和输出环节，强触发和双脉冲输出环节。 图 2-3触发电路的工作原理图2.2.1锯齿波形成和同步移相控制环节 图 2-4恒流源电路方案锯齿波同步移相的原理是利用受正弦同步信号电压控制的锯齿波电压作为同步电压，再与直流控制电压与直流偏移电压组成并联控制，进行电流叠加，去控制晶体管的截止与饱和导通来实现的。图2-2所示为恒流源电路方案，由、和等无件组成，其中、和为一恒流源电路。当截止时，恒流源电流对电容充电，所以两端电压为 =按线性增长，即的基极电位按线性增攻。调节电位器，即改变的恒定充电流，可见是用来调节锯齿波斜率的。当导通时，由于阻值很小，所以迅速放电，使电位迅速降到零伏附近周期性的导通和关断时，便形成了一个锯齿波，同样也是锯齿波电压，如图2-5所示。射极跟随器的作用是减小控制回路的电流对锯齿波电压的影响。管的基极电位由锯齿波电压、直流控制电压,直流偏移电压三个电压作用的叠加值所确定，它们分别通过电阻和与基极相接。设为锯齿波电压单独作用在基极时的电压，其值为=可见仍为一锯齿波，但斜率比低。同理偏移电压单独作用时的电压为： 可见仍为一条与平行的直线，但绝对值比小。 直流控制电压单独作用时的电压为：=可见仍为与平行的一直线，但绝对值比小。如果=0,为负值时,点的波形由确定，如图2-5所示。当为正值时，点的波形由确定。由于的存在，上述电压波形与实际波形有出入，当点电压等于0.7V后，导通。之后一直被钳位在0.7V。所以实际波形如图2-5所示。图中M点是由截止到导通的转折点。由前面分析可知经过M点时使电路输出脉冲。因此当为固定值时,改变便可改变M点的时间坐标，即改变了脉冲产生的时刻，脉冲被移相。可见，加的目的是为了确定控制电压=0时脉冲的初始相位。当接阻感负载电流连续时三项全控桥的脉冲初始相位应定在=90度;如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，这时要求脉冲的移相范围理论上为180度，由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿波的宽度大于180度，例如240度，此时，令=0，调节的大小使产生脉冲的M点移至锯齿波240度地的中央(120度)，对应于=90度的位置。这时，如为正值，M点就向前移，控制角90度，晶闸管电路处于逆变状态。在锯齿波同步的触发电路中，触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。从图2-2可知，锯齿波是由开关管来控制的。由导通变截止期间产生锯齿波，截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，开关的频率就是锯齿波的频率。要使触发脉冲与主电路电源同步，使开关的频率与主电路电源频率同步就可达到。如图2-2中的同步环节，是有同步变压器TS和作同步开关用的晶体管组成的。同步变压器和整流变压器接在同一电源上，用同步变压器的二次电压来控制的通断作用，这就保证了触发脉冲与主电路电源同步。同步变压器TS二次电压经二极管间接加在的基极上。当二次电压波形在负半周的下降段时，导通，电容被迅速充电。因O点接地为零电位，R点为负电位，Q点电位与R点相近，故在这一阶段基极为反向偏置，截止。在负半周的上升段，+电源通过给电容反向充电,为电容反向充电波形，其上升速度比波形慢，故截止，如图2-5所示。当Q点电位达1.4V时，导通，Q点电位被钳位在1.4V.直到TS二次电压的下一个负半周到来时，重新导通，迅速放电后又被充电，截止。如此周而复始。在一个正弦波周期内，包括截止和导通两个状态，对应锯齿波波形恰好是一个周期,与主电路电源频率和相位完全同步，达到同步的目的。可以看出，Q点电位从同步电压负半周上升段开始时刻到达1.4V的时间越长，截止时间就越长，锯齿波就越宽。可知锯齿波的宽度是由充电时间常数决定的。2.2.2 脉冲形成，整形放大和输出环节脉冲形成环节由晶闸管、组成，、起脉冲放大作用。控制电压加在基极上，电路的触发脉冲有脉冲变压器TP二次侧输出，起一次绕组接在集电极电路中。 当控制电压=0时，截止。+（+15V）电源通过供给一个足够大的基极电流，使饱和导通，所以的集电极电压接近于-(-15V)。、处于截止状态，无脉冲输出。另外，电源的+(15V)经、发射结到-(-15V)，对电容充电，充满后电容两端电压接近2 (30V),极性如图2-5所示:当控制电压近似等于0.7V时，导通，A点电位由+(+15V)迅速降低至1.0V左右，由于电容两端电压不能突变，所以基极电位迅速将至约-2E1(-30V),由于发射结反偏置，立即截止。它的集电极电压由-(-15V)迅速上升到钳位电压+2.1V（、三个PN结正向压降之和），于是、导通，输出触发脉冲。同时，电容经电源+、放电和反向充电，使基极电位又逐渐上升，直到-(-15V),又重新导通。这时又立即将到-,使、截止，输出脉冲终止。可见，脉冲前沿由导通时刻确定，(或)截止持续时间即为脉冲宽度。所以脉冲宽度与反向充电回路时间常数有关。2.2.3强触发和双脉冲形成环节 强触发环节有单相桥式整流获得近似50V直流电压作电源，在导通前，50V电源经对充电，N点电位为50V。当导通时，经脉冲变压器一次侧，与迅速放电，由于放电回路电阻很小，N点电位迅速下降，当N点电位下降到14.3V时，导通，脉冲变压器TP改由+15V稳压电源供电。这时虽然50V电源也在向再充电使它电压回升，但由于充电回路时间常数较大，N点电位只能被15V电源钳位在14.3V。电容的作用是为了提高强触发脉冲前沿。加强触发后，脉冲变压器TP一次电压 近似如图2-5所示。如图2-2中、两个晶体管构成一个“或”门。当、都导通时,约为-15V，使、都截止，没有脉冲输出。但只要、中有一个截止，都会使变为正电压，使、导通，就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制或的截止（前后间隔60度），就可以产生符合要求的双脉冲。其中，第一个脉冲有本相触发单元的对应的控制角所产生，使由截止变为导通造成瞬间截止，于是输出脉冲。相隔60度的第二个脉冲是由滞后60度相位的后一相触发单元产生，在其生成第一个脉冲时刻将其信号引至本相触发单元的基极，使瞬时截止，与是本相触发单元的管又导通，第二次输出一个脉冲，因而得到间隔60度的双脉冲。其中和的作用，主要是防止双脉冲信号相互干扰。3软件仿真利用matlab软件的simulink功能对直流调速系统进行软件仿真3.1开环控制开环控制系统的原理方框图如图3-1所示图3-1开环控制仿真图运行该仿真图，双击scope1，观察示波器波形如图3-2所示图3-2开环控制转速波形图从仿真波形可以看出转速先开始缓慢上升，经过0.4秒后转速指数上升，上升很快。3.2转速单闭环控制转速单闭环控制系统仿真方框图如图3-3所示图3-3转速单闭环控制系统仿真方框图相比于开环控制，转速单闭环控制系统多了一个转速负反馈，系统通过对给定信号和反馈信号进行比较，得到偏差信号作为控制器的输入信号，实现对转速的闭环控制。转速的仿真结果如图3-4所示图3-4转速仿真图由仿真结果可以看出转速有超调，由于采用了PI调节器，转速无静差。3.3转速外环电流内环控制转速外环电流内环控制系统仿真方框图如图3-5所示图3-5转速外环电流内环控制系统仿真方框图系统仿真结果波形如图3-6所示图3-6双闭环仿真结果图3-6中峰值高的的曲线是转速曲线，另一条是电流曲线，由仿真结果可以看出ASR调节器经过了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，最后稳定运行于给定转速。4 器件选择 晶闸管的选择主要是根据整流器的运行条件，计算晶闸管电压、电流值，选出晶闸管的型号规格。额定电压的选择要分析电路运行时晶闸管可能承受的最大电压值，并考虑实际情况留有足够的裕量，通常可考虑23倍的安全裕量，按计算值算出晶闸管的标准电压等级值。额定电流通常考虑1.52倍的安全裕量。晶闸管的串联使用不仅要挑选型号相同的器件，还要采取均压措施，通常在串联元件上并联阻值相等的电阻实现均压。元件两端并联阻容吸收电路。晶闸管的并联使用应采用同型号的晶闸管，而且要采取均流措施。方法有电阻均流法和电抗均流法晶闸管保护分为过电流保护和过电压保护。电流保护有快速熔断器保护、电子线路控制的过电流保护、过电流继电器保护、直流快速开关。过电压保护包括交流侧过电压保护和直流侧过电压保护、晶闸管换相过电压保护。交流侧过电压保护有阻容吸收保护和非线性电阻保护方式。直流侧过电压保护措施一般采用压敏电阻作过电压保护。晶闸管换相过电压保护通常在晶闸管两端并联阻容保护电路。总结 一开始接触这个课程设计时，觉得并不会很困难，无论是参数计算还是动态仿真都能在教材中找到相关的资料，觉得完成课设并不会需要太多时间。但在真正的设计过程中发现，参数的计算并不会太过复杂，只需要花一定时间，以认真细致的态度对待就可以。而动态仿真过程中却出现了一系列问题。由于教材中是介绍使用原理图进行仿真，于是我也利用Matlab的Simulink功能将相关模块一样的画下来，参数也一样地设置，却无法进行仿真，这个问题一直无法解决，直到后面发现可以利用动态函数进行仿真。于是我放弃原本想法，改用动态函数进行仿真。相对于原理图仿真，动态函数比较简单些，只需要在Matlab中画下相关传递函数模块，并进行连线即可。仿真也能够实现。在调速系统中，双闭环直流调速系统具有较广泛的应用。作为自动化专业的专业课，学好电机学及电机调速系统等相关知识，并熟练掌握其控制规律及设计方法，将使我们受益匪浅。而本次课设在这方面起到极大作用。通过本次课设，学会使用Matlab进行动态函数的分析使用，学会对双闭环调整系统限幅值采用三种不同方法得到不同结果，最重要的是学会遇到问题时寻找方法解决，从而得到最好的结果。16