直流调速系统的设计.doc

摘 要

本文介绍了直流调速系统的设计方法，采用的是单闭环控制，而且为速度环。系统采用了LM324实现比例积分作用，完成相应的运算，采用LM331、测速发电机和光电编码器完成系统的反馈与检测环节。对系统的动态和静态的特性有比较好的优化，兼顾了跟随与抗扰特性。电路简单，易于连接、操控。系统主要由主电路与控制电路构成，主电路又由开关，交流接触器，晶闸管整流电路，压敏保护电路，阻容吸收保护电路等构成。控制电路有主要由运算放大器构成，采用较普遍的改变直流电动机电枢电压和改变励磁电流的方法进行调速。压敏电阻、阻容保护电路的应用对电路起到了较好的保护，先进的三相桥式全控整流电路供电稳定可靠，对系统的性能起到了一定的促进作用。

关键词：直流调速，控制，主电路

目 录
绪论 4
1 直流调速系统总体方案的选择 5
1.1拖动方案的确定 5
1.1.1系统技术性能指标 5
1.1.2直流调速方案的确定 6
1.1.3电力拖动方案及供电方案的确定和电动机的选择 7
1.1.3.1晶闸管变流装置主电路接线方式选择 7
1.1.3.2电动机的选择 9
1.2主电路器件的选择与计算 9
1.2.1整流元件额定电压 9
1.2.2整流元件额定电流 9
2 主电路保护环节的设计 10
2.1过电压保护 10
2.1.1压敏电阻保护 10
2.1.1阻容保护 10
3 调速系统单元 12
3.1检测环节 12
3.1.1光电编码器 12
3.1.2光电编码器的应用电路 12
3.2给定环节 14
3.3调节器参数、结构 14
3.3.1比例积分调节器 14
3.3.2系统结构图 15
3.3.3调速系统元件参数表 16
4 总结 16
附录A 18
附录B 19

绪 论
一 性质和目的
课程设计在学习过程中是非常的实践性环节。可以锻炼我们运用想关专业理论和方法处理实际问题的能力，帮助我们增强全局工程意识，逐步树立起现代工程设计概念。深化对课程基础知识和理论的理解和掌握，学会系统地运用所学知识理论，独立分析和解决工程技术问题的能力；在理论计算、制图、运用标准以及应用计算机等方面提高自己，使逐步树立正确的设计思想；加强理论与实际想结合，以科学严谨、实事求是的态度对待工程设计。
二 课程设计的任务
了解和学会三相桥式全控整流电路的原理与实现过程。系统各主要电路保护环节的设计。系统的动态工程设计，包括调节器的结构和参数选择。系统性能指标的计算。了解熔断器，以及熔断器的作用。压敏电阻在电路中的作用，以及各个器件的性能、参数以及选件原则。
三 调速系统的发展与前景

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1 直流调速系统总体方案的选择
1.1拖动方案的确定
1.1.1系统技术性能指标
稳态性能指标：
（1）调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围。用字母表示，即
（1.1）
其中和一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如机密磨床，也可以用实际负载时的转速。
（2）静差率
当系统在某一转速下运行时，负载有理想增加到额定值所对应的转速降落与理想空载转速之比，称作静差率，即
（1.2）
或用百分数表示 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
动态性能指标：
（1）上升时间
在典型阶跃响应跟随过程中，输出量葱岭起第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。
（2）调节时间
调节时间又称过度过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性控制系统来说，理论上要到才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取（或）的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间，定义为调节时间。
（3）超调量
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏差量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，
（1.3）
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。抗扰性能指标：
（1）动态降落
系统稳定运行时，突加一个约定的标准的负扰动量，在过度过程中所引起的输出量最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，是该系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作运态速降。
（2）恢复时间
从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的（或）范围之内所需的时间，定义为恢复时间，其中称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况而定。
1.1.2直流调速方案的确定
（1）调节电枢电压
直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。
（2）减弱励磁磁通
当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式 
（1.4）
式中为电枢供电电压（）；为电枢电流（）；为励磁磁通（）；
为电枢回路总电阻（）；为电势系数。
（1.5）
为电磁对数，为电枢并联支路数，为导体数）可看出，电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。与此同时，由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为1.5:1～3:1，特殊电动机可达到5:1。
1.1.3电力拖动方案及供电方案的确定和电动机的选择
1.1.3.1晶闸管变流装置主电路接线方式选择
本试验内容采用三相桥式可控整流电路连线方式。
主电路的开关控制电路为图1.1。

图1.1主电路的开关控制电路
（1）三相桥式全控整流电路

图1.2 三相桥式全控整流电路原理图
三相桥式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。6个晶闸管导通的顺序依此循环，每隔 60 度有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为 60 度。
（2）三相半波整流电路

图1.3三相半波整流电路原理图
在这个电路中每一相都单独形成了一个半波整流电路其整流出的三个电压半波在时间上一次相差120度叠加，并且整流输出波形不过0点。
1.1.3.2电动机的选择
电动机采用西安电机厂生产的型号为z4-100-1的电动机。其技术参数为：额定功率为1.5千瓦，额定电压为400伏，额定电流为4.7~9安，额定励磁电压为180伏。
1.2主电路器件的选择与计算
1.2.1整流元件额定电压
（1.6）
式中为晶闸管额定电压，晶闸管在电路中实际承受的最大电压，，为整流变压器二次侧相电压有效值。
取。
1.2.2整流元件额定电流
1.7）
式中=0.368，为最大负载电流，取。

2 主电路保护环节的设计
2.1过电压保护
常用的方法有：避雷针；接地电容；阻容保护；整流式电容式保护；压敏电阻保护。
2.1.1压敏电阻保护
压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。

图2.1压敏电阻的接法
压敏电阻的通流容量选择原则是：允许通过的最大电流应大于泄放过电压时流过压敏电阻的实际浪涌电流峰值。
2.1.1阻容保护
一般在感性负载侧要用阻容吸收器，我们知道感性负载断电的时候他有一部分的能量需要释放（电流滞后特性），如果没有吸收的话在部分能量就会返回到电路中，危害电路中的元气件。如好多大功率晶体管的输出端并联的阻容吸收器。

图 2.3.3 交流侧阻容吸收电路的几种接法
a)单相联接 b)三相星形接 c)三相三角形接 d)三相整流联接

3 调速系统单元
3.1检测环节
检测环节采用光电编码器和LM331芯片实现。
3.1.1光电编码器
光电编码器型号/输出回路如下图

图3.1光电编码器型号/输出回路
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图3.2所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。

图3.2光电编码器原理示意图
3.1.2光电编码器的应用电路

图3.3EPC－755A结构图
EPC－755A光电编码器具备良好的使用性能，在角度测量、位移测量时抗干扰能力很强，并具有稳定可靠的输出脉冲信号，且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号。
电压—频率变换器(LM331)：
图3.4是由LM331 组成的电压频率变换电路，LM331内部由输入比较器、定时比较器、R－S触发器、输出驱动、复零晶体管、能隙基准电路和电流开关等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式，因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。当输入端输入一正电压时，输入比较器输出高电平，使R－S触发器置位，输出高电平，输出驱动管导通，输出端为逻辑低电平，同时电源 也通过电阻对电容充电。当电容两端充电电压大于的2/3时，定时比较器输出一高电平，使R－S 触发器复位，输出低电平，输出驱动管截止，输出端为逻辑高电平，同时，复零晶体管导通，电容通过复零晶体管迅速放电；电子开关使电容对电阻放电。当电容放电电压等于输入电压时，输入比较器再次输出高电平，使R－S触发器置位，如此反复循环，构成自激振荡。输出脉冲频率与输入电压成正比，从而实现了电压－频率变换。其输入电压和输出频率的关系为：
(3.1)
由式知电阻、、、和直接影响转换结果，因此对元件的精度要有一定的要求，可根据转换精度适当选择。电阻和电容组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转换精度。

图3.4电压频率变换电路
3.2给定环节
系统给定环节是由一个滑动变阻器来改变阻值来实现改变 给定电压，每个电压量代表一个给定转速，从而实现控制电机转速。

图3.5给定环节电路
3.3调节器参数、结构
3.3.1比例积分调节器
比例控制 ：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 
积分控制 ：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例加积分控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。

图3.6比例积分调节器原理图
调节器用LM324来实现。LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图3.7所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

图3.6 LM324引脚图
3.3.2系统结构图

图3.7系统结构图
图3.7为该单闭环系统的结构图，能够实现无静差调速功能。
3.3.3调速系统元件参数表
表3.1调速系统元件参数表
电阻
电容C
电位器
10（10个）
0.1
5
75
0.1
10
100
0.1
20
550
0.01
100
5.1
470
100

表3.1为该系统的元件参数表，根据实际情况可以选取其他参数元件来改变调速系统的性能指标。

4 总结

附录A 主电路图

附录B 控制电路原理图

学生姓名
白云
学生班级
053031
学生学号
02
课设题目
直流调速系统的设计
指导教师评语：
课程设计过程中能够认真思考，积极发现并解决问题，遵守纪律;针对直流调速系统进行了系统的设计，对方案有整体的把握。 设计内容完整，系统主电路与控制电路设计准确完善，达到了各项性能指标，各保护电路作用显著，调节器设计合理运行可靠，跟随性与抗扰作用明显。能够按期完成所有任务；能很好地运用所学专业理论解决问题，按照任务书的要求完成规定的任务，电气原理图绘制准确无误，对于验收教师提出的问题回答准确，条理清晰。能在规定时间内简明、重点突出地阐述主要内容和结论，总结能力强。