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1、江西理工大学应用科学学院课程设计目录应用于某銑刀的直流电动机调速2设计任务分析21.1课题的内容与要求：21.2系统的概述与分析：2第2章 电力拖动系统的性能指标分析4.1机械特性4.2调速特性52.2.1稳态性能指标52.2.2 动态性能指标6第3章 电动机的选择73.1 电机容量的原则73.2电机电气线路9第四章 控制系统设计104.1 模拟式速度随动系统104.2 闭环系统分析及参数计算124.3直流调速系统用的可控整流装置13第五章 系统校正与参数整定165.1 拖动对象的参数计算165.2 预制参数设置165.3 调节器参数计算175.4 调节器的实现及器件选择185.5 检测电路参
2、数设置195.6 调节器限幅输出电路20总结23参考文献24应用于某銑刀的直流电动机调速设计任务分析1.1课题的内容与要求：某型铣床采用镶齿锯片铣刀，驱动电机采用直流电动机，铣刀最大直径500mm，最小直径100mm，铣刀允许最大切削速率20m/s，最高切削速度下最大许用切削力500N，铣刀最大许用切削力矩500N*M，铣刀卡盘、联动轴和铣刀飞轮矩为75N*m2。试设计此拖动系统，要求切削速率1-20m/s无级可调，设定速度后空载到最大吃刀深度速度波动小于10%。铣床工作现场有三相四线制380V交流电源，100A空开保护，最大电压波动，通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。1.2系统的概
3、述与分析：根据课题的要求该系统对电机的转速控制采用无静差直流调速系统进行控制。无静差直流调速系统可分为：1转速负反馈，2电压负反馈3电流正反馈等4附加电流正反馈的电压负反馈等几种直流调速系统。无静差直流调速系统如图1.1所示： 图1.1 采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流超过截止电流Idcl时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体管VBT导通，则PI调节器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压U d急剧下降，达到限流的目的。当电动机电流低于其截止值时，由如下系统稳态结构图框
4、图所示：图1.2第2章 电力拖动系统的性能指标分析电力拖动系统拖动的工艺设备总是对电力拖动系统提出一定的性能指标要求，包括技术性指标、可靠性指标、经济性指标等方面的指标。技术性指标作为电力拖动系统设计的主要遵循指标，主要包括了电力拖动系统的机械特性、转速指标及调速性能等方面。这些指标是设计电力拖动系统必须首先予以明确的。.1机械特性我们称n=f(T)为电动机的机械特性，n=f(Tz)为生产机械的负载转矩特性。对于拖动生产设备的电力拖动系统，只有当电动机与负载的机械特性配合适当，系统才能正常的运行。所以电力拖动系统的机械特性必须根据负载的转矩特性加以选定、设计，于是我们必须首先明确拖动对象的转矩
5、特性。负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。一 恒转矩负载特性当转速变化时，负载转矩的大小保持不变称为恒转矩负载特性。可分为：反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。二 恒功率负载特性恒功率负载是指负载的功率为常数，不随转速的变化而变化。由于 Pz=Tz=Tz=k,则 Tz=式中常数k1=9.55k.由式中可知，恒功率负载的转矩与转速成反比。以上三类负载机械特性是从各种实际负载中概括出来的典型化的负载机械特性，实际负载机械特性可能是以某种典型特性为主的几种典型特性的组合。如果拖动对象的负载特性没有给出，则需要通过分析、实验等方法求取，具体方法可查阅相关文献。当拖动对象的负载特性确定后，
6、电力拖动系统能够工艺设备正常工作的必要条件和充分条件是：1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在 。2.充分条件: 在交点处满足 。 或者说，在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在 。 由此，我们可大致解算出电力拖动系统需要具有的基本参数，包括选用电动机应该具有的输出转矩、输出功率、最大转速和拖动系统的人为机械特性。.2调速特性大多电力拖动系统都是需要调速运行的，对于任何需要控制转速的电力拖动设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速；
7、（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。2.2.1稳态性能指标我们给出调速范围和静差率的定义，这是电力拖动系统的主要稳态特性指标：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 D 表示，即静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 DnN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系
8、统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。 2.2.2 动态性能指标工艺设备还要求电力拖动系统具有满足工艺要求的动态指标，包括跟随指标和抗扰动指标：1、跟随指标：调速系统对给定信号的跟随性能一般用阶跃给定信号下，系统响应的最大超调量、调整时间和振荡次数三个指标来衡量。最大超调量：调整时间ts：从给定量作用于系统开始到被调量进入稳定区域止的时间。振荡次数：被调量在稳态值上下摆动的次数。2、抗扰动指标：对扰动量作用时的动态响应性能，一般用
9、最大动态速降nmax、恢复时间tf和振荡次数N来衡量。最大动态速降nmax反映了系统抗干扰的能力和稳定性恢复时间tf反映系统的抗扰能力振荡次数N定义同跟随特性，同样反映系统稳定性和抗扰能力扰动的来源可能包括以下方面，所有这些因素最终都要影响到转速。1）负载变化的扰动（使Id变化）；2）交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；3）电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）；4）放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；5）温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；第3章 电动机的选择计电力拖动系统首先要为生产机械的电力拖动系统选用电动机，主要内容包括确定电动机的种类、电动机的型式、电动机的额定电压、
10、额定转速和额定功率等。3.1 电机容量的原则（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有一定的调速范围及具有良好的起动和制动性能。（3）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周围的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受有害气体腐蚀等。由电机的选型手册可以看出我们即将选用的电机型号是90SZ64型。nN=1000r/min,PN =54w, GD2=0.25Kg.m2, UN=380V ,TL=510N/m, IN=0.62A 3.2电机电气线路第
11、四章 控制系统设计4.1 模拟式速度随动系统本次课程设计采用模拟式速度随动系统才典型的模拟式位置随动系统如图所示，一般是在调速系统基础上再外加一个位置环组成，工作原理图如图4.1转速调节（1） 系统的组成，该系统给定电位器RPG由转速环节输出电压控制，用以保证转速信号给定的信号精度。（2） 系统的工作原理和静特性，由系统的控制原理图我们可以看出，系统的转速调节是按给定量和反馈量的偏差进行调节，其偏差大小，该信号经过放大器放大后，去控制触发脉冲的移相角，调节整流电压和电动机的转速变化，只要系统的被调转速产生偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用，也起到了稳速的作用。通过定性的分析我们知道，开环系统中
12、，当负载增大的时候，电枢压降也增大，通过比较和放大，转速只能老老实实降低下来，闭环系统装置有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了。通过比较和放大，提高晶闸管整流输出的电压，使系统工作在新的机械特性下，因而转速又有所回升，这就是转速闭环系统的基本机理。要实现这转速系统的各个参数，要有放大器，而且放大器的倍数要足够大，才能保证一定的性能指标。因此在闭环系统中，引入转速反馈电压后，若要转速偏差小，就必须压的很低。所以设置放大器，才能获得足够的电压。此系统必须要求采用二极管限幅电路，限幅电路。电路如图转速环节参数计算：1 确定时间常数，（1） 电流环的等效时间常数为， （2） 转速滤波时间常数
13、 TON根据所用测速发电机的纹波情况，取TON =0.01（3）转速环小时间常数Tn按时间常数近似处理，取2选择转速调节器的结构按典型二型系统设计转速环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为：式中：Ka:调节器的比例参数，:转速调节器的超前时间常数，4.2 闭环系统分析及参数计算在双闭环调速系统中，电动机，晶闸管的整流装置，触发装置都可以按负载的工艺要求来选择和设计，根据生产机械和工业的要提出系统的稳态和动态性能指标。而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的修正环节来达到。校正方式有很多种类，所以对一个系统来说，能够满足性能指标的校正方案也不是唯一的，在直流调速系统中，常用
14、的校正方法有串联校正和并联校正两种，其中串联校正简便，其可利用系统固有部分中的运算放大器构成有源修正网络来实现。电动机：UN=380V nN =1000r/min Pn=54w In=0.62A主回路： 全控桥式整流： m=3负载及电动机: GD2=0.25 kg.m2固有参数计算电势系数;转矩系数:电磁时间常数 机电时间常数 晶闸管整流器滞后时间常数 取ASR限幅值:取转速给定的最大值 =10V取转速反馈滤波时间常数:4.3直流调速系统用的可控整流装置此次设计用的是V-M方式，步骤如下，(1) 根据电动机的额定电压不同，确定整流变压器的输出电压和可控整流电流的结构形式，一般请款，当控制角a为0时，整流输出电压的有效值U应约等于1.1倍的电动机额定电压UN,运算关系如下表。(2) 电路结构确定后既要进行晶闸管的型号选择，一般取晶闸管的额定电压的1.5倍2倍的UM，额定电流大于2倍的电动机额定电流IN确定，原理图如下， 图4.5 直流调速系统用地可控直流电源原理图（3）触发电路上设计，一般采用KC或KJ系列的集成触发器，触发电路需要三个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路，如图所示
