直流电机调速电路的设计

电力电子技术课程设计报告单相桥式可控整流电路的设计

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系（院）

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设计任务

一、设计内容：

1、根据给定参数设计直流电机调速电路。

2、根据给定参数设计环式直流电机调速电路，使用模拟电路元件实现环式直流电机调速系统。

二、设计要求：

1、根据设计要求完成系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结

构图。

2、按工程设计方法设计转速直流调速系统的调节器，选择调节器结构、利用伯德图

完成系统动态校正、计算系统的稳定余量γ及GM、计算调节器参数、绘制系统动态结构图。

3、设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电

路及主电路电路图。

4、测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、PWM电压波形、电机电流波形、转速反

馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。

提交完整的直流电动机转速单闭环、转速电流双环闭环调速系统设计、测试报告书。

三、设计参数：

1、直流电动机参数：P

N =20W、U

N

=24V、I

N

=1.5A、n

N

=3000r/min、电枢电阻R

a

=1.8Ω

电枢电感L

a

=9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms

2、测速发电机参数：U

n =80V，n

N

=3000r/min，P

N

=16W，I

N

=200mA，负载电阻R=400Ω

3、PWM主电路：驱动频率f≥100kHz，R=2.7+1.8=4.5Ω

4、设计指标：转速电流双闭环直流调速系统：U *

n =10V，U

im

=10V，I

dm

=1.5I

N

，σ

i

≤5%，

σn≤10%。

直流电机调速电路的设计

一、直流调速电路的组成及其静态结构图 1、直流调速系统的组成

直流电机调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图2-1中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流dm I , 其启动时间为1t 。

图2-1 带有截止负反馈系统启动电流波形

实际的调速系统, 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图2.1启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值dm I , 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要2t 就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值dm I , 并且保持不变, 在这个条件下, 转速n 得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流fz I 值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为dm I R ∑, 随着转速n 的上升, dm e U I R C n ∑=+ 也上升, 达到稳定转速时, fz e U I R C n ∑=+。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值dm I , 并保持不变。这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图2-2

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2-2所示。这就是说把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流

I时表现为转速无静差，这时，

d

max

转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到

I后，转速调节器饱和，电流调节器起

max

d

主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

2、稳态结构框图

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2-4所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。