《直流电机调速控制系统设计课程设计论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流电机调速控制系统设计课程设计论文（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 课程设计报告 设计题目：直流电机调速控制系统设计学 校： 重庆邮电大学移通学院 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 目录（一） 直流电动机的综述3（二）他励直流电动机5（三）直流电动机调速系统设计14（四）结论31参考文献32直流电机调速控制系统课程设计一、 直流电动机的综述直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。直流电动机是将直流电转换成机械能的而带动生产机械运转的电器设备。与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，但是它具有良好的起动、调速和制动性能，
2、因此在速度调节要求较要、正反转和起动频繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。在工业领域直流电动机仍占有一席之地。因此有必要了解直流电动的运行特性。在四种直流电动机中，他励电动机应用最为广泛。直流电机它能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。1.1直流电机调速控制原理图1.1所示点数电压为U，电枢电流为I，电枢回路总电阻为R，电机常数为K，励磁磁通
3、量是。直流电机的转速计算公式：n=（U-IR）/K （1）其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说，电机常数为K=pN/60a （2） 意味着电机确定后，该值是不变的。而在（U-IR）中，由于R仅为绕组电阻，导致IR非常小，所以（U-IR）约等于U。由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变，同时可以看出，转速和U、I有关，并且可控量只有这两个，因此我们可以通过调节这两个量来改变转速。公式（1）中的I可以通过改变电压进行改变，而我们常提到的PWM控制也就是用来调节电压波形的常用方法，这里我们也用PWM控制来进行点击转速调节。通过单片机输出一定频率的方波，方波的占空比大小决定电
4、压的大小，也决定了电机的转速大小。直流电机原理图如下所示：本次设计所采用的电机为Z2-11：Z2系列电动机技术参数（220伏，1500转/分）序号电机型号额定功率(千瓦)额定电压（伏）额定转速（转/分）额定电流（安培）最高转速（转/分）飞轮矩（公斤-米2）重量（公斤）1Z2-110.422015002.6430000.01230二、 他励直流电动机2.1直流电动机机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指当电动机电源电压、磁通为额定值，且电枢回路不串联电阻时的机械特性，其表达式为 因为机械特性为一条向下倾斜的直线，故斜率较 小，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，他励直流电动机固有机械特性
5、如下图所示：2.2直流电动机启动条件、启动方法2.2.1 直流电动机的启动条件电动机拖动负载启动的一般条件是：（1） I（22.5）I,因为换向最大允许电流为（22.5）I，式中I为启动电流。（2） T（1.11.2）T,这样系统才能顺利启动。2.2.2直流电动机的启动方法 1. 电枢回路串电阻启动如图2-2-1所示为电枢回路串电阻启动的原理图。启动时，触点KM1、KM2、KM3断开，分级电阻全部串入电枢回路，在启动的过程中，依次闭合触点KM1、KM2、KM3。启动结束时，触点KM1、KM2、KM3全部闭合，电动机稳定运行。图2-2-1 电枢回路串电阻启动的原理图电枢回路串电阻启动的机械特性如
6、图2-2-2所示。电枢回路串电阻启动的优点是操作简单、可靠，缺点是启动时电阻消耗的电能较大、效率较低。图2-2-2 电枢回路串电阻启动的机械特性2. 降压启动所谓降压启动，是指启动前降低电动机电枢绕组两端的电压，以减小启动电流的启动方法。当直流电源电压可调时，可以采用此方法，降压启动机械特性如图2-2-3所示。图2-2-3 降压启动机械特性 降电压启动，有时为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小，可以逐渐升高电压U，直至最后升到U，特性如上图所示。E点为稳定运行点。实际上，电源电压可以连续升高，启动更快，更稳。他励直流电动机空载启动或拖动反抗性恒转矩负载启动，改变电源电压U的方向
7、或改变励磁电流的方向，电动机都要反方向启动，然后稳定运行。本次设计中采用降电压启动。2.3直流电动机调速方法 常见的调速方法有电枢回路串电阻调速、降低电源电压调速和减弱磁通调速。1. 电枢回路串电阻调速 当他励直流电动机运行于额定电压和额定励磁电流时，通过在电动机电枢回路中串入不同的电阻而实现调速的方法称为电枢回路串电阻调速。如图2-3-1所示为他励直流电动机串电阻调速的电路原理图。电动机正常运行时，触点KM1、KM2闭合，当需要调速时，依次断开KM1、KM2，此时电枢回路串入电阻， 从而实现调速。其机械特性如图2-3-2所示。电枢回路串电阻调速的优点是方法简单、操作方便；缺点是相对稳定性差，
8、而且串入电阻使能耗增大，经济性较差。常用于电动机拖动的电车、炼钢车间等生产机械上。图2-3-1 他励直流电动机串电阻调速的电路原理图图2-3-2 串电阻调速时的机械特性2.降低电源电压调速当他励直流电动机在额定励磁电流下运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节电动机电枢两端的电压而实现调速的方法称为降低电源电压调速。由于电动机的工作电压不允许超过额定电压，故电枢电压只能在额定电压以下进行调节，如图2-3-3所示为降低电源电压调速时的机械特性。图2-3-3 降低电源电压调速时的机械特性降低电源电压调速的优点：由于电源电压可连续调节，故可以实现无级调速。调速前后机械特性的斜率不变，负载变化时，转速稳定
9、性好。调速范围较宽，一般为 2.512。调速过程能耗低，且经济性好。降低电源电压调速的缺点：调速时需要一套电压可连续调节的直流电压，设备投资大。3.减弱磁通调速当他励直流电动机在额定电压运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节励磁电流（磁通）而实现调速的方法称为减弱磁通调速。由于电动机在额定状态下运行时，磁路已基本饱和，即使励磁电流增大很多，磁通也增加很少，而且一般也不允许磁路过饱和，故改变磁通只能在额定值以下的范围调节。如图2-3-4所示为减弱磁通调速时的机械特性。图2-3-4 减弱磁通调速时的机械特性 减弱磁通调速的优点：由于励磁电流IfIa，因而控制方便且能耗较小。设备简单，平滑性好，可实现
10、无级调速。减弱磁通调速的缺点：由于受到电动机机械强度和换向火花限制，调速范围D不大，一般为1.21.5。2.4 PWM控制技术 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控
11、制技术发展的主要方向之一。PWM控制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。简单的PWM型变频器工作原理如下图：2.5 H桥驱动电路 H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。所谓 H 桥驱动电路是为直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动。实际应用中很少用开关构成桥臂，通常使用晶体管，因为控制更为方便，速度寿命都长于有接点的开关（继电器）。细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路（例如L298）只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。双极性晶体管构成的 H 桥：MOS管构成的 H 桥： 使能控制
12、和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管TA和TB同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。图2-5-1所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（图
13、2-5-1所示不是一个完整的电路图。）图2-5-1具有使能控制和方向逻辑的H桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图2-5-2所示）；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。图2-5-2 使能信号与方向信号的使用实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。分立元件的H桥驱动电路图集成电路L298驱动电路图三、 直流电动机调速系统设计本设计是利用一块单片机，实现对一部直流电机的启动、停止、加速、减速和转向的控制，具体硬件部分由晶振电路、复位电路、显示电路、键盘电路、电源电路、单片机、电机驱动电路、测速电路和电源电路等组成，系统框图由图3.1所示。图3.1 直流调
