电力电子课程设计-基于buck电路直流伺服电机调速系统的简单设计

电力电子课程设计 课程题目 基于buck电路直流伺服电机调速系统的简单设计 摘要直流伺服电机,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、和测速电机换向器等,所述的转子铁芯由矽钢冲片叠压固定在电机转轴上构成7。作为能方便进行无级调速且有着良好调速特性的有刷直流电动机，20世纪80年代起随着科技的进步，交流凋速(变频)、无刷直流电动机迅速发展，有逐渐取代有刷直流调速之趋势。但是由于有刷直流调速有其独特的优良性能，直到现在尚未被全部取代。有刷直流电动机调速范围宽，很容易做到l：20(例如：60一l 200 rmin)；调速特性硬成本低(电机、电路)。其缺点是电刷需经常更换，维护较为麻烦。有刷直流调速电动机又分为普通直流电动机和伺服电动机。直流伺服系统广泛应用于轧钢、造纸机、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中，它能在较大范围内实现精度、速度和位置控制。所以要求系统性能高的场合都广泛地使用直流伺服系统。因此，设计成本低、性能可靠的直流伺服系统仍然很重要。本设计针对调速的可靠性和经济性来设计基于buck电路直流伺服电机的调速系统，工作可靠，成本低。该系统主电路采用单相桥式整流电路和低通滤波器，使输入的220V交流电整流为直流电。本调速系统采用buck调压斩波电路，通过PI调节器改变输出波形的占空比来调节输出电压，从而实现在不同速度、不同负载下电动机的平稳运行。对于调速指标要求不高的简单直流调速系统，采用四个场效应管两组轮换导通的方式，可以实现电动机的正传和反转，加大调速范围，提高了调速系统的控制领域。最后试验结果也很好的证明了本次控制方案的可行性。关键词：直流伺服电机，调速系统，晶闸管二极管整流桥，buck电路，PI调节器，电机正反转 AbstractDC servo motor includes a stator, a rotor core, motor shaft, servo motor winding commutator , servo motor winding, speeding motor winding, and speed motor commutator .The rotor core by punching laminated silicon steel fixed constitute the motor shaft.As can be convenient to carry out stepless speed regulation and good speed regulation characteristic of brush DC motor, starting in twentieth Century 80 with the progress of science and technology, AC withered speed (Bian Pin), the rapid development of Brushless DC motor, is gradually replacing the trend of brush DC speed regulation. But because the brush DC speed regulation has its unique and excellent performance, until now has not been completely replace. A brushless DC motor with wide speed range, easy to do l:20 (for example: 60 l 200 R / min); the speed regulating characteristics of hard at low cost (motor, circuit). Its disadvantage is that the brush need to be replaced frequently, maintenance more trouble. DC speed regulating motor is divided into ordinary DC motor and servo motor. Automatic control system for DC servo system is widely used in many field of steel rolling, paper machine, metal cutting machine tools, etc., it can realize the precision, speed and position control in a large range. So the requirements of high system performance occasions are widely used in DC servo system. Therefore, the DC servo system design of low cost, reliable performance is still very important.The design for the reliability and economics of speed control to design the speed control system, buck circuit of DC servo motor based on reliable work, low cost. The main circuit of the system adopts a single-phase bridge rectifier circuit and a low pass filter, the 220V AC input into a DC power rectifier. The system uses buck voltage chopper circuit, by adjusting the duty ratio of the PI output voltage regulation device to change the output waveform, so as to realize the smooth running of the different speed and load of the motor. For simple DC speed regulating system speed index requirements is not high, with four field effect tube two group rotation conduction mode, the motor can be realized the direct and reverse, enlarge the speed range, and improve the control field of speed control system. Finally, the experimental results prove the feasibility of this control scheme.目录摘要2第1章 绪言51.1伺服电动机的分类51.2直流伺服电动机的应用、意义51.3 直流电机的调速51.4 国内外现状和发展趋势6第2章 直流伺服电机的机械特性、特点和调速原理72.1直流伺服电机的机械特性72.2直流电机的调速方法82.3 控制电机转速的方法82.4 直流伺服电机的主要特点9第3章 直流伺服电机调速系统93.1.主电路的选型93.2整流电路：103.3调压电路：11第4章 基于PSIM的直流伺服电机调速系统的仿真12第5章 缺点和不足12第6章 结论13第7章 参考文献13第1章 绪言1.1伺服电动机的分类 伺服电动机按其使用的电源性质不同一，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类，其中直流伺服电机分为传统型和低惯量型两种类型。 传统型直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，也是用定转子两部分组成，按定子的种类可以分为两种：永磁式和电磁式。低惯量型直流伺服电动机的明显特点是转子轻，转动惯量小，快速响应好。按照电枢形式的不同分为：盘形电枢直流伺服电动机、空心杯永磁式直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机1.2直流伺服电动机的应用、意义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。在我国，70年代才开始这方面的研究。现已基本上形成了系列产品电机可同轴装配的高灵敏度直流发电机和脉冲编码器8，广泛应用于各种自动化控制系统。为我国数控机床及机床行业产品的更新、旧机床的改进提供了可靠的执行元件，它对提高加工质量和精度，大幅度降低废品率和成本起很大的作用。我国现在有大量的机床需改进、更新，因此有很大的市场。1.3 直流电机的调速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9。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。随着电力电子技术的发展，新型电力电子功率器件不断出现更是加速了这一过程。采用全控型开关功率元件进行 PWM 控制方式已成为绝对主流，这种控制方式也已作为直流电动机数字控制的基础。但是我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。目前，国内对 DSP 在直流伺服电机控制方面的应用处于研发阶段，作为产品，以 DSP 为核心的直流伺服电机的控制器尚未形成成熟的市场，研究与开发以 DSP 为核心的直流伺服电机控制系统是直流伺服电机控制方面的一个较新的领域，也是直流伺服电机控制发展趋势10。1.4 国内外现状和发展趋势 在现在伺服系统中无论是交流伺服还是直流伺服都获得了广泛的应用，在电力拖动系统中也大有传统的液压、直流、步进和AC变频被基于稀土永磁交流永磁伺服系统所取代的趋势。采用了新技术和新材料而制造出来的新的型号也层出不穷，在交流伺服方面有：YASKAWA 交流伺服系统，该系统由安川电机株式会社（日本）YASKAWA Electric Corporation研制。其主要技术特点有：高速、高精度的运转；安装简易；配线数减少为原来的1/2；参数设定内藏；扩展性、灵活性更充实；耐振性提高；平均无故障时间达400000小时以上；具有高速高精度的运转特性；采用速度observer控制；最高回转速度5000r/min；马达速度波动更小；定位时间缩短了1/3；安装十分简单；可自动判别伺服马达的容量及形式，并设定马达参数；配线数减少为原来的1/2从驱动器本身可直接设定参数转矩控制、速度控制、位置控制三机一体；主回路/控制回路的电源完全分离；Win软件再现监测方便检查；设置外加回生电阻的接线端子；马达规格多，对应CE、UL规格；提高了保护构造、耐震性；内置DC电抗器接线端子。全数字交流伺服电机系统该系统由北京和利时电机技术有限公司Beijing HollySys Electric Tech. Co., Ltd.自主开发。全数字交流伺服系统采用全新设计,通过改进电机结构和采用先进的材料,为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了良好条件。在全数字控制方式下,实现了伺服控制的软件化，通过采用智能控制算法使系统响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平.适用于高动态响应、精密定位、精密调速的场合。电机采用正弦波磁路设计，运行平稳，低噪声。采用高能密度设计和高性能永磁材料，体积小，转矩大，效率高。采用高热容技术设计，电机温升低。启动转矩大、过载能力强。采用高分辨率编码器反馈。速度/位置/电流 全数字化闭环控制，高动态响应和位置精度。三种控制模式：脉冲串、模拟电压、数字键盘设定。采用位置脉冲/方向输入方式，可取代步进电机达到功能升级。内置键盘及LED数码管显示。内置电子齿轮控制功能。自动增益调整功能。保护功能完善。内/外置制动回馈能量吸收电路。RS-232通讯接口，可通过与PC机联接，进行伺服控制参数设定与监控。具备CANBUS接口，方便实现网络通讯控制。直流伺服电机中有：SEM直流伺服电机，SEM直流伺服电机是一种性能优良的由英国SEM直流伺服公司研制。其主要技术指标有：输出扭矩0。5Nm-37Nm，对于高低压驱动器均适用，具有最优电流速度特性，所有MT马达按标准均配备高精度的测速发电机。最高转速：1400-5000RPM，型号MT20/30/40/52编码器可选。中国台湾仕彰直流伺服驱动器具有转矩控制应用和多功能速度控制，具有过载、超温、过压、断电等保护功能，还具有异常跳脱，TG故障等全方位人机操作安全保护特形装置，同类DC伺服中最优性价比。IRT直流伺服系统、定位型和速度型可选，输入指令可切换为位置、速度及转矩不同控制模式。属欧规高速马达驱动系统，选配英国SEM马达，最高转速可达6000转/分，出力大，托架式安装，带12+电子过载保护PWM正弦波，16KHZ斩波频率可调式电流限定，适用50/60HZ，110V/220V电源内置滤波器和滑差补偿适用于输送机，给料器，包装设备，印刷设备等。BL系列永磁无刷直流调速系统该系统由北京和利时电机技术有限公司Beijing HollySys Electric Tech. Co., Ltd.研制。主要技术指标有：015000转/分大范围内无极调速；低速扭矩大，运行平稳；低噪音，高效率；DSP芯片为内核，驱动器数字化、智能化。 BL系列永磁无刷直流电动机驱动单元使用交流220V电源供电，采用PWM技术实现无级调速，适用于多种需要调速的应用场合。永磁无刷直流电机与普通直流电机的运行性能类似，不同的是永磁无刷直流电机没有电刷和机械换相器，因此消除了机械换相器所带来的一系列弊病。成为当今受关注和发展非常迅速的一种新型电动机。无刷直流电机调速系统包括：（1） 永磁无刷直流电机：转子为具有多对磁极的永磁体、定子绕组为三相星接。（2） 功率驱动：全数字控制功率电路。（3） 位置传感器（装于电机内部）：开关型双极性霍尔传感器，用于检测电机转子位置，同时提供电机转速信号。新型永磁无刷直流电机主要优越性 ：（1） 电机可以无级调速，工作转速范围很大，可满足各种运行模式下的转速要求。（2） 永磁无刷直流电机可以在超低转速保持输出力矩，这一点超越了交流变频器的性能，所以新型永磁无刷直流电机完全可以取代小功率交流变频调速系统。（3） 永磁无刷直流电机起动力矩大，几乎不受电网电压波动的影响。（4） 由于采用了永磁材料，永磁无刷直流电机比交流变频系统效率还要高。（5） 永磁无刷直流电机温升较低，与同功率交流电机相比温升可低30%左右，因而其寿命要大大高于交流电机。（6）永磁无刷直流电机运行平稳、噪音低。第2章 直流伺服电机的机械特性、特点和调速原理2.1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1 （ 1 ） 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。 根据式 1，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。2.2直流电机的调速方法 根据电机机械特性公式即转速公式 (1) 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2： （1）改变励磁电流来改变磁通 ； （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R 。 2.3 控制电机转速的方法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（1）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 n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3-4。2.4 直流伺服电机的主要特点 直流伺服电机主要有以下几个特点5-6： （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3.1.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IJBT 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3.2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。3.3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。3.4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1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第5章 缺点和不足由于我们的设计是一种理想化模型的设计，并没有考虑到实际应用时的各种影响因素，例如抖动和震动，所以在设计中没有添加抗干扰、消震荡环节。另外我们也忽略了过电流、过电压等实际应用时会面临的问题，所以没有设计相应的保护措施和保护回路。这些在实际的电路设计中都是应该重点研究的。第6章 结论第7章 参考文献1 邓星钟.机电传动控制M.武汉:华中科技大学出版社,2001. 2 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,2005.4 谢卓辉.直流调速系统的全数字控制D.湖南:湖南大学,2001.5 杨兴瑶.电动机调速的原理及系统.水利电力出版社,1995. 6 周希章,周全.电动机的启动、制动和调速M.北京:机械工业出版社,2001.432-440.7 张曼若.无刷直流电动机的发展与应用J.微电机,1995,28(1):23-25.8 倪忠远.直流调速系统M.北京:机械工业出版社,1996. 9 张世铭,王振和.电力拖动直流调速系统(第二版)M.武汉:华中科技大学出版社， 1995.12-34. 10 史孝文.基于 DSP 的直流伺服电机控制系统研究开发D.昆明:昆明理工大学，2005