直流伺服电机控制系统

《电机与拖动》课程设计

直流伺服电机控制系统的设计

The design of Dc servo motor control

system

学生姓名张志新

学院名称信电工程学院

专业名称电气工程及其自动化

指导教师韩成春

2012年01月04日

摘要

作为电能传输或信号传输的装置，变压器在电力系统和自动化控制系统中得到了广泛的应用，在国民经济的其他部门，作为特种电源或满足特殊的需要，变压器也发挥着重要的作用。变压器是通过电磁耦合关系传递电能的设备，用途可综述为：经济的输送电能、合理的分配电能、安全的使用电能。实际上，它在变压的同时还能改变电流，还可改变阻抗和相数。它的种类很多，容量小的只有几伏安，大的可达到数十万千伏安；电压低的只有几伏，高的可达几十万伏。

小型变压器指的是容量1000V.A以下的变压器。最简单的小型单相变压器由一个闭合的铁芯(构成磁路)和绕在铁芯上的两个匝数不同、彼此绝缘的绕组(构成电路)构成。这类变压器在生活中的应用非常广泛。

关键词电机与拖动；小型；单向；变压器

目录

1 绪论 (1)

1.1 设计总纲 (1)

1.1.1设计任务 (1)

1.1.2 设计要求 (1)

1.1.3设计用设备和器件 (1)

2变压器结构 (1)

2.1 铁芯 (1)

2.2 绕组 (1)

2.3 其他结构部件 (2)

3 变压器的工作原理 (2)

3.1 电压变换 (2)

3.2电流变换 (2)

4 设计内容及数据的测量 (3)

4.1 设计内容 (3)

4.2 铁芯尺寸的选定 (4)

4.3 绕组的匝数与导线直径 (5)

5 实例计算 (8)

结论 (10)

心得 (11)

参考文献 (12)

附录 (13)

附录1 (13)

附录2 (13)

1 绪论

1.1 设计总纲

1.1.1设计任务

设计一个直流伺服电机控制系统

1.1.2 设计要求

1）说明直流伺服电机的基本结构和工作过程

2）说明直流伺服电机的控制方法

3）设计直流伺服电机控制系统，并分析运行特性

4）撰写设计报告、总结以及心得

1.1.3设计用设备和器件

功率表、万用表.直流电流表、直流电压表

2 变压器的结构

2.1 铁芯

铁芯是变压器磁路部分。为减少铁芯内磁滞损耗涡流损耗，通常铁芯用含硅量较高的、厚度为0.35或0.5mm、表面涂有绝漆的热轧或冷轧硅钢片叠装而成。

铁芯分为铁柱和铁轭两部分，铁芯中套装绕组的部分是铁芯柱，连接铁芯柱形成闭合磁路的部分称为铁轭。铁柱上套装有绕组线圈，铁轭则是作为闭合磁路之用，铁柱和铁轭同时作为变压器的机械构件。

铁芯结构有两种基本形式：芯式和壳式。

2.2 绕组

变压器一般采用同芯式绕组，即低压绕组和高压绕组同芯地套装在铁芯柱上。通常低压绕组在里面，高压绕组在外面。绕组是变压器的电路部分。一般采用绝缘纸包的铝线或铜线绕成。为了节省铜材，我国变压器线圈大部分是采用铝线。

图（1）

2.3其它结构部件

1）储油柜和油表 2）气体继电器 3）安全气通 4）绝缘套管

3变压器的工作原理

3.1电压变换

当一次绕组加上交流电压1u 时，绕组中通过交流电流1i ，在铁芯中将产生既与一次绕组交链，由于二次绕组交链的主磁通Φ，还会产生少量的仅与一次绕组交链的主要经过空

气等非磁性物质闭合的一次绕组漏磁通1σΦ

。

dt

d N

e u Φ

=-=1

11 (3-1) dt

d N

e u Φ

=-=2

22 (3-2) k N N E E U U ===2

1

2121 (3-3) 说明只要改变原、副绕组的匝数比,就能按要求改变电压。

3.2电流变换

变压器在工作时，二次电流2I 的大小主要取决于负载阻抗模1

Z 的大小，而一次电流1

I 的大小则取决于2I 的大小。

2211U I U I = 又 (3-4)

k

I

I U U I 22121==

(3-5) 说明变压器在改变电压的同时,亦能改变电流。

小型变压器的原理：小型单相变压器一般是指工频小容量单相变压器。

4 设计内容及数据的测量

4.1 设计内容

计算内容有四部分：额定容量的确定；铁芯尺寸的选定；绕组的匝数与导线直径；绕组（线圈）排列及铁芯尺寸的最后确定。

4.1.1额定容量的确定

变压器的容量又称表现功率和视在功率，是指变压器二次侧输出的功率，通常用KVA 表示。

4.1.1.1 二次侧总容量

小容量单相变压器二次侧为多绕组时，若不计算各个绕组的等效的阻抗及其负载阻抗的幅角的差别，可认为输出总视在功率为二次侧各绕组输出视在功率之代数和，即

I U I U I U S n n +++=......33222 （4-1）

式中 S 2——二次侧总容量（V ·A ）

U 2

,U 3

,……U n

——二次侧各个绕组电压的有效值（V ）；

I 2

,I 3

,……I n

—— 二次侧各个绕组的负载电流有效值（A ）。

4.1.1.2 一次绕组的容量

对于小容量变压器来说，我们不能就认为一次绕组的容量等于二次绕组的总容量，因为考虑到变压器中有损耗，所以一次绕组的容量应该为

（单位为V ·A ）

（4-2）

式中 S 1——变压器的额定容量；

η——变压器的效率，约为0.8～0.9，表3-1 所给的数据是生产时间的统计

数据，可供计算时初步选用。

表1 小容量变压器计算参考数据

4.1.1.3变压器的额定容量

由于本次设计为小型单相变压器，所以不考虑在三相变压器中的情况，只考虑在小型单相变压器的情况。

小型单相变压器的额定容量取一、二绕组容量的平均值，

S=2

1

*（S 1+S 2）（单位为V·A ） （4-3） 4.1.1.4 一次电流的确定

11)

2.1~1.1(U S

I = （4-4） 式中(1.1～1.2)考虑励磁电流的经验系数，对容量很小的变压器应取大的系数。

4.2 铁芯尺寸的选定

4.2.1 计算铁芯截面积A

为了减小铁损耗，变压器的铁芯是用彼此绝缘的硅钢片叠成或非晶材料制成。其中套有绕组的部分称为铁芯柱，连接铁芯柱的部分称为铁轭，为了减少磁路中不必要的气隙，变压器铁芯在叠装时相临两层硅钢片的接缝要相互错开。

小容量变压器铁芯形式多采用壳式，中间芯柱上套放绕组，铁芯的几何尺寸如图（2）所示。

图（2）

小容量芯柱截面积A 大小与其视在功率有关，一般用下列经验公式计算单位为(cm 2)。

S

A K 0= （4-5）

A——铁芯柱的净面积，单位为cm2

K0——截面计算系数，与变压器额定容量S n有关，按表3-2选取，当采用优质冷轧K0可取小些截面积计算系数K0

硅钢片时

K0的估算值

表2截面积计算系数

计算芯柱截面积A后，就可确定芯柱的宽度和厚度，根据图3可知

K c

=

=

A'

ab

ab

（4-6）式中a——芯柱的宽度（mm）；

b——芯柱的净叠厚（mm）；'b——芯柱的实际厚度（mm）；

K c——叠片系数，是考虑到铁芯叠片间的绝缘所占空间引起铁芯面积的减小

K c=0.93；对于0.35mm厚两面所引入的。对于0.5mm厚，两面涂漆绝缘的热轧硅钢片，

K c =0.91；对于0.35mm厚，不涂漆的冷轧钢片，K c=0.95。涂漆绝缘的热轧硅钢片，

按A的值，确定a和b的大小，答案是很多的，一般取b=(1.2~2.0)a，,并尽可能选用通用的硅钢片尺寸。表3-3列出了通用的小型变压器硅钢片尺寸。

表3小型变压器通用的硅钢片尺寸

4.3绕组的匝数与导线直径

4.3.1 计算每伏电压应绕的匝数

从变压器的电势公式E=4.44fNBmA,若频率f=50Hz,可得出每伏所需的匝数

A A f E N

B B N m m 3

80105.444.410?=

== （4-7）

式中0N

——对应于每伏电压的匝数，单位：匝/V B m ——铁芯柱内工作磁密最大值，单位：T A ——铁芯柱截面积，单位：cm 2

当铁芯材料国热轧硅钢片时，取Bm=1.0~1.2T ；采用冷轧硅钢片时，可取Bm=1.2~1.5T 然后根据N 和各线圈额定电压求出各线圈的匝数

U N N 101= （4-8） 202)10.1~05.1(U N N = （4-9）

U N N 303)10.1~05.1(= （4-10）

式中N1、N 2 ……Nn ——各线圈的匝数。

为补偿负载时漏阻抗压降，副边各线圈的匝数均增加了5%~10%。

4.3.2 计算导线直径d

小型变压器的线圈多采用漆包圆铜线(QZ 型或QQ 型)绕制。为限制铜损耗及发热，按各个绕组的负载电流，选择导线截面，如选的小，则电流密度大，可节省材料，但铜耗增加，温升增高。小容量变压器是自然冷却的干式变压器，容许电流密度较低，根据实践经验，通过导线的电流密度J 不能过大，对于一般的空气自然冷却工作条件，J=2—3A/mm2。 对于连续工作时可取J=2.5A/mm 2 导线的截面积：A c =I/j.

导线的直径： mm

j I j I d 13.14==π

导线直径可根据工作电流计算 ，式中： d —原、副边各线圈导线直径，单位：mm ；

I —原、副边各线圈中的工作电流，单位：A ；

根据算出的直径查电工手册或表3-4选取相近的标准线径。当线圈电流大于10A 时，可采用多根导线并联或选用扁铜线。

表4导线材料的选取

4.3.3 绕组（线圈）排列及铁芯尺寸的最后确定。

绕组的匝数和导线的直径确定后，可作绕组排列。绕组每层匝数为

')]4~2([9.0d h N c

-=

（4-11）

式中 d '—绝缘导线外径（mm ）； h ——铁芯窗高（mm ）；

0.9——考虑绕组框架两端厚度的系数； （2～4）——考虑裕度系数。 各绕组所需层数为

c N m N =

（4-12）

各绕组厚度为

()i i i i t m d δγ

'=++ i=1,2,…,n （4-13）

式中 σ——层间绝缘厚度（mm ），导线较细（0.2mm 以下），用一层厚度为0.02～0.04mm 白玻璃纸，导线较粗（0.2mm 以上），用一层厚度为0.05～0.07mm 的电缆纸（或牛皮纸），更粗的导线，可用厚度为0.12mm 的青壳纸；

γ——绕组间的绝缘厚度（mm ），当电压不超过500V 时，可用2～3层电缆纸夹

1～2层黄蜡布等。

绕组总厚度为

)

2.1~1.1()...(210?++++=t t t t n t （4-14） 式中 t 0——绕组框架的厚度（mm ）；

1.1～1.2——考虑裕度的系数。

计算所得的绕组总厚度t 必须略小于铁芯窗口宽度c ，若t>c,可加大铁芯叠装厚度，减小绕组匝数或重选硅钢片的尺寸，按上述步骤重复计算和核算，至合适时为止。

5实例计算

图（3）

如上图所示，取V U 2201= V U 3002= V U 503= A I 2.02= A

I 1.03= 计算变压器的主要参数，并选择可行的材料。

解：1、计算变压器的额定容量S N

1）计算副边的容量：S 2=U 2 I 2 + U 3 I 3=300*0.2+50*0.1=65(V·A )

2)计算原边的容量：21S S =/η

根据表1：小型单相变压器的效率η的估算值可以取η=0.82 因此，21S S =/η=65/0.82=79.3(V·A )

3）计算变压器的额定容量

N S =1/2（21S S +）=0.5*（65+79.3）=72.2(V·A )

考虑到存在着一定的损耗，故可以定变压器的额定容量近似取75V·A

2、 铁芯尺寸的选定

1）计算铁芯截面积A

A ＝K 0N S

根据表2. 截面积计算系数K0的估算值可以取K0=1.40

因此，A ＝K 0N S

（cm2）

2）铁芯中柱宽度a 与铁芯叠厚b 的计算

根据表3.参数a 、b 的选取可以近似取a=28mm 因此，b=110F/a=110*12.1/28=47.5 mm.

此时b/a=47.5/28=1.7满足b=(1.2~2)a 的通常要求。

3、计算绕组线圈匝数

1）求出每伏电压应绕的匝数

m

m AB A fB E N N 450000

44.41030====3.4（匝/V ）

式中的m B =1.1T (铁芯材料国热轧硅钢片)

2) 根据0N 和各线圈额定电压求出各线圈的匝数 1N =0N U1=3.4*220=748

2N =（1.05~1.10）0N U 2=1.10*3.4*300=1122

3N =（1.05~1.10）0N U 3=1.10*3.4*50=187

4、计算导线直径d

导线的截面积：Ac=I/j.

11)

2.1~1.1(U S

I = =1.15*79.3/220=0.415(A)

Ac1=0.415/2.5=0.17 mm 2

1d =

=

=0.46 mm

同理：Ac2=0.08 mm 2 2d =0.32 mm

Ac3=0.04 mm 2 3d =0.23 mm

根据所求解的数据：可以取原边的材料为高强度聚酯包线QZ0.06副边的材料为高强度聚酯包线QZ0.05

结论

在本次的课程设计也是以《电机与拖动》我们的教材为主要参考资料，并查阅了大量的复习资料我们基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行设计。

在设计过程中我们认真理解并掌握了每一个相关知识点，就是在掌握这些知识点的前提下通力合作，我才能有这个规范的设计。

通过上面的设计可知：一般的小容量单相变压器的计算内容有四种部分：容量的确定；铁芯尺寸的确定；绕组的计算；绕组排列及铁芯尺寸的最后确定。变压器的效率80%~90% 。对小容量变压器应考虑内部压降，为使在额定负载时二次侧有额定电压应适当的增加二次侧绕组匝数，约增加5%~10%的匝数。

通过铜损的测定可知，小型变压器的的质量可以从他的空载损耗和短路损耗判断出来，越小越好，同时工作温度也会低，并有很好的负载，通过空载电流的测定，铁损较大的变压器，发热量大，安培匝数设计要是不合理，空载电流会大增，就会造成温升增大，有损寿命。

单相变压器是具有两个线圈的变压结构：变压器主要是由铁心和绕组组成：

1铁心是变压器的主磁路，又作为绕组的支撑骨架。铁心分铁心柱和铁轨两不分，铁心柱上装有绕组，铁轨是联系两个贴心柱的部分。

2变压器绕组构成设备的内部电路，它与外界的电网直接相接，是变压器中最重要的部件，常把绕组比做变压器的核心。

心得

通过学习电机与拖动，我们对变压器有了一些初步了解，但那都是一些理论的东西，我们所掌握的还只是流于表面。通过这次小型单相变压器的课程设计，我们才把学到的知识与实践相结合。从而加深了我们对锁学的知识的理解，更使我们加深了对所学知识的记忆。

在此次的小型单相变压器的设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。在此次的设计中，我感受了同学们认真完成课程设计的态度和热情。设计中，同学们积极交流，找出设计中的不足，完善提高自己的作品质量。大家积极合作，共同提高。在做课程设计的过程中，我感到自己学到的知识十分有限，所以查阅了大量资料，通过这次设计任务的学习，我的知识增长了很多。更深刻地了解有关变压器的知识，同时也弄明白了以前不明白的知识点。

通过这次课程设计，我们了解了课程设计的一般步骤和设计中应注意的问题，同时我们也掌握了做设计的基本流程，为我们以后进行更复杂的设计奠定了坚实的基础。设计本身并不是有很重要的意义，而是同学们对待问题时的态度和处理事情的能力。设计的结果不是最重要的，设计的过程最值得回味，设计的思想中的每一个环节，设计中各个部分的功能是如何实现的。各个部分能够完成什么样的功能，使用材料时应该注意那些要点。同一个部分可以用哪些材料实现，各种材料实现同一个功能的区别。另外，我们设计要从市场需求出发，既要有强大的功能，又要在价格方面比同等档次的便宜。这些问题都值得我们注意并解决。

参考文献

[1] 戴文进、陈瑛等编著，《电机与拖动》，清华大学出版社出版

[2] 许建国编著，《电机与拖动基础》

[3]唐介编著，《电机与拖动》，北京：高等教育出版社，2003年

[4]李海发编著，《电机学》，北京：科学出版社，2001年

附录

附录1 用试验方法测定变压器的参数

1、 空载试验

a)单相变压器 b)三相变压器

图2.18空载试验接线图

??????

???????-==

==

22

2

001201m m

m m N m N R Z X I p R I U Z U U K

2、短路试验

图2.19短路试验接线图

图2.20 短路试验简化等值电路

????

?????-===

222K

K K K

KN

k k

k k R Z X I P R I U Z

附录2 变压器的运行特性

1、 外特性与电压变化率

图2.1变压器的外特性 图 2.2变压器带电感性负载时的简化相量图

%

100)(

%100)(%100%10012

121121211121?+=?+=?=?'-=?N

k N k N N k k N N N U Sin x I Cos R I U Sin x I Cos R I U ab U U U u ??β??

式中的β=I 1/I 1N ，为负载系数。 2、效率及效率特性

这样，就可得到变压器效率的表达式为

KN

N KN

P P Cos S P P p P p P p P P P 2022

02111211β?ββη+++-

=+-=-==

∑∑∑

KN

m P P 0=

β

也就是Po=β

2

m P KN ，说明最大效率发生在不变损耗（铁损耗）与可变损耗（铜损耗）相等的时候。