三相桥式整流电路供电的速度闭环直流电力传动系统课程设计报告.docx
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三相桥式整流电路供电的速度闭环直流电力传动系统课程设计报告
专业课程设计一
课程设计报告书
系部：
班级：
姓名：
学号：
时间：
设计题目
三相桥式整流电路供电的速度闭环直流电力传动系统
设计要求
一、设计内容及要求
设计一个由三相桥式整流电路为直流电动机供电的，带有速度反馈环的直流电力拖动系统。
系统性能应满足要求的各项指标。
（1）画出系统框图
（2）根据电机参数选择晶闸管的容量（额定电压、考虑启动电流的晶闸管通态平均电流ITa）；
（3）设计晶闸管电路的触发电路，单结管、锯齿波、数字式均可。
如果在触发电路输入电压为0时晶闸管主电路输出电压也为0；触发电路输入电压为10时晶闸管主电路输出电压也为电机的额定电压，求出晶闸管环节的放大倍数KS。
（4）加入电流保护环节；
（5）求出直流电机的Ce、测速发电机的α。
（6）根据系统要求确定速度调节器的放大倍数KP，画出电路图。
（7）检验设计后的稳态性能指标，看是否满足要求。
（8）计算系统的电磁时间常数Tl和机械时间常数Tm。
；
（9）求出系统的动态传递函数和结构图。
（10）验证系统的稳定性。
设计过程
（包括：
设计方案、原理图绘制及实验结果、收获和体会等）
见附页。
成绩评定
（包括：
指导教师评语和课程设计等级）
课程设计任务书
题目三相桥式整流电路供电的速度闭环直流电力传动系统
系（部）
专业
班级
学生姓名
学号
6月21日至7月2日共2周
指导教师（签字）
系主任（签字）
2010年6月21日
一、设计内容及要求
设计一个由三相桥式整流电路为直流电动机供电的，带有速度反馈环的直流电力拖动系统。
系统性能应满足要求的各项指标。
（1）画出系统框图
（2）根据电机参数选择晶闸管的容量（额定电压、考虑启动电流的晶闸管通态平均电流ITa）；
（3）设计晶闸管电路的触发电路，单结管、锯齿波、数字式均可。
如果在触发电路输入电压为0时晶闸管主电路输出电压也为0；触发电路输入电压为10时晶闸管主电路输出电压也为电机的额定电压，求出晶闸管环节的放大倍数KS。
（4）加入电流保护环节；
（5）求出直流电机的Ce、测速发电机的α。
（6）根据系统要求确定速度调节器的放大倍数KP，画出电路图。
（7）检验设计后的稳态性能指标，看是否满足要求。
（8）计算系统的电磁时间常数Tl和机械时间常数Tm。
；
（9）求出系统的动态传递函数和结构图。
（10）验证系统的稳定性。
二、设计原始资料
直流电动机：
电机型号：
Z4-112/2-1；额定输出功率Pnom=3kW；额定电枢电压Unom=160V；额定电枢电流Inom=24A；额定转速nnom=1540rpm；电枢回路电阻Ra=0.785Ω；电枢回路电感La=2.4mH；转动惯量GD2=0.072kg.m2。
机械系统折算的转动惯量为GD21=0.3kg.m2。
测速发电机：
型号：
ZCF121A；转速为2400rpm时输出电压为51V。
调速系统指标要求：
S=1%；D=15；系统稳定。
PWM直流变换电路可视为一阶惯性环节，其时间常数TS为1ms。
三、设计完成后提交的文件和图表
1．计算说明书部分
（1）方案论证、设计报告书打印版或手写版;
（2）元件参数的计算;
（3）电路原理图分析说明；
2．图纸部分：
具体电路原理图；
四、进程安排
教学内容
学时
地点
备注
布置任务以及题目讨论、分析
1天
教室
资料查阅与学习，讨论
2天
图书馆、实验室
框图设计
1天
实验室
原理图设计
5天
实验室
如果设计数字控制器，包括流程图
成果验收
1天
实验室
五、主要参考资料
[1]李宁，《运动控制系统》，高等教育出版社.2009年12月。
[2]陈伯时，《电力拖动自动控系统》，机械工业出版社，2004年10月。
[3]徐邦荃．《直流调速系统与交流调速系统》．武汉：
华中理工大学出版社，2000。
目录
第一章：
系统的整体分析…………………………………………………………7
1..1课题要求…………………………………………………………………7
1.2设计思路…………………………………………………………………7
1.3系统框图…………………………………………………………………8
第二章：
系统各部分的设计………………………………………………………9
2.1集成触发电路（TC787）的用法………………………………………………9
2.2转速调节器ASR的设计………………………………………………………10
2.3光耦隔离的设计（电阻的选择及驱动适配）………………………………11
2.4电流保护模块的设计（霍尔传感器测电流，限幅电压）…………………12
2.5整流电路的设计（晶闸管的选择）…………………………………………13
2.6系统的总体电路图……………………………………………………………14
第三章：
计算及验证……………………………………………………………15
3.1Ce，α，Ks的确定…………………………………………………………15
3.2Tl，Tm的计算………………………………………………………………15
3.3
，
的计算……………………………………………………………15
第四章：
心得体会……………………………………………………………16
第五章：
参考文献……………………………………………………………16
第一章系统的整体分析
1.１课题要求：
三相桥式整流电路驱动的速度闭环直流电力传动系统
目的：
设计一个由三相整流电路的设备为直流电机供电，带有速度反馈的直流电力拖动系统。
系统性能应满足要求的各项指标。
直流电机：
电机型号：
Z4_112/2_1;额定输出功率P=3KW;额定电枢电压U=160V,额定电枢电流I=24A;额定转速n=1540rpm；电枢回路电阻R=0.785,电枢回路电感L=2.4mH；转动惯量GDD=0.072;机械系统折算的转动惯量为0.3
调速指标要求：
S=1%;D=15;系统稳定。
触发脉冲环节可以视为一阶惯性环节，其时间常数T为1s。
1.2设计思路：
选用器件：
PI调节器、集成脉冲触发器TC787、
本课题的研究内容主要是通过控制三相全控整流电路中晶闸管的对应导通将
三相交流电源转化成可变的直流电源，控制系统配以单闭环转速负反馈控制M，实现对直流电机的调速控制。
系统通过对集成脉冲触发器TC787第4引脚的电压给定，来控制三相桥晶闸管触发脉冲的触发相位角
的大小，从而改变直流电机的电枢电压，达到变电压调速的目的。
并且通过直流测速发电机，将转速信号转换为电压信号，达到转速负反馈的效果，使调速系统的速度趋于最终达到转速检测与转速给定相平衡，使系统达到稳态，进而实现调速的目的。
1.3系统整体框图如下：
第二章系统各部分设计
2.1集成触发电路（TC787）的用法
TC787是一种可靠性高，输出脉冲质量好的三相移相触发集成电路。
TC787已广泛应用于三相半波、三相全控、三相半控等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统。
本设计采用TC787作为触发芯片。
应用时的电路如下：
TC787为双列直插式18脚封装，各引脚的名称及功能如下：
1、同步电压输入端：
引脚1、2、18分别为c相、b相、a相三相同步输入电压连接端，三相同步电压经过滤波后接入这三个输入端。
2、脉冲输入端：
在TC787被设为全控双脉冲工作方式时，引脚8与三相同步电压中c相正半周及b相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中a相正半周及c相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚11为与三相同步电压中b相正半周及c相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚9为与三相同步电压中c相正半周及a相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚7为与三相同步电压中b相正半周及a相负半周对应的两个脉冲输出端;引脚10为与三相同步电压中b相正半周及a相负半周对应的两个脉冲输出端;应用时这些输出端均接到脉冲功率的放大环节的输入或脉冲变压器所驱动的开关管的控制极。
3、控制端：
引脚5为锁定端。
应用时接保护电路的输出。
引脚14、15、16分别为三相同步锯齿波电容连接端，电容的大小决定了锯齿波的斜率和幅值应用时分别链接一相同容量的电容接地。
引脚6为工作方式设置端，高电平为双脉冲列输出端。
引脚4为移相控制电压输入端，其输入电压大小决定移相的范围；引脚13为脉冲宽度控制端，其连接的电容大小决定输出脉冲的宽度，电容越大，宽度越宽。
４、通过改变电枢电压来调节直流电机的转速，而电压的改变可以通过改变脉冲的触发角度即控制角的大小。
TC787引脚4为移相控制电压输入端，其输入电压大小决定移相的范围；
本设计中的应用方法见上图，通过转速调节器输出的电压控制晶闸管的出发相位角，从而改变电机两边的电压，达到调速的目的。
不同的输入电压对应着不同的相位角触发。
2.2转速调节器ASR的设计
单闭环直流调速系统分为有静差调速系统和无静差调速系统两类。
单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环直流调速系统称为有静差调速系统，而按积分或比例积分控制的则称为无静差调速系统。
本设计采用单闭环无静差调速系统，原因是当用有静差调速时，系统达不到稳定。
当转速调节器采用比例调节器时，带转速负反馈的单闭环有静差调速系统的静态特性方程（即稳态时机械特性方程）为：
静态：
vmin/r,
r/min
动态特性方程（即稳态时机械特性方程）为：
动态：
K值要求是
静态K值与动态K值无交集。
由以上分析可得，单纯采用比例环节不能满足要求，故应采用比例积分环节。
由以上分析知，转速调节模块要用比例积分调节器。
原理图如下（带限幅电路）：
通过可变电阻的调节，就可以实现调节PI输出，从而达到无静差调速。
其中第一个运算放大器计算偏差，第二个运算放大器是进行“比例积分”的运算。
2.3光耦隔离的设计（电阻的选择及驱动适配）
光耦连接的电路图
前端电压，电阻的确定：
因为74LS06的电流不能超过48MA，前端的电压为30V,所以当导通时，电阻
，可取为700欧。
后端电压，电阻的确定：
因为晶闸管的触发电压是20V，所以后端的电源电压取为25V,
，故取电阻为700欧。
光电耦合器型号选为PC827。
2.4电流保护模块的设计（霍尔传感器测电流，限幅电压）
当电机的电流过大时，就有可能烧坏电机，故应该采取电流保护电路。
考虑电机的安全，电机的电流应小于电动机的允许最大电流（1.5—2）I。
故取截止电流为40A.经计算
可得门限电压为2.7V.选择电流传感器的型号为HKA20-NP，HKA20-NP输入端与电机输出相连，输出端连电压比较器（LM311），控制高电平的输出，当电机电流过大时，向TC787的引脚5输出高电平，进行管脚锁定。
电流保护电路如下：
2.5整流电路的设计（晶闸管的选择）
下图是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成
通过改变晶闸管的导通角，即
，就可以实现改变电机两边的电压，从而改变转速。
具体参数计算及晶闸管型号选择如下：
取二次侧的输入三相同步电压值为100V，则晶闸管的选取依据为：
V
V
A
A
及晶闸管的通态平均电流范围为39..7~52.9A，额定电压取值范围为489.9~734.9V。
根据
、
的取值，再考虑一定的电网波动，可选取晶闸管型号为IGBTGM30TF-12H（额定电压600v额定电流50A）
2.6系统的总体电路图
第三章参数的计算
3.1Ce，α，Ks的确定
因为
。
α是自己定的，在此定为当输入是5V时，转速为额定转速1540，则
，因为测速机的放大倍数为
，且
，则电阻的放大倍数为
。
则电阻应分别取为300Ω，1000Ω。
又课题参数要求又可知：
触发电路的放大倍数Ks=
=16
3.2Tl，Tm的计算
3.3
，
的计算
第四章心得体会
两周的课程设计结束了，在这两周的日子里，可以说过的相当痛苦。
本人运动控制系统这门课学得并不好，因此刚拿到课题时一筹莫展，没有一点头绪。
后来通过在网上查一些资料，以及跟我们小组的付先振，蔡凌超，吴旭等同学的讨论，慢慢的形成了自己的思路。
通过本次课程设计，我充分的意识到了网络的力量，这两周在网上查了关于很多芯片，器件的资料，它们的用法，结构，引脚等等。
知道了这些器件该怎么用，能实现什么样的功能，也学到了很多东西。
另外我也明白了，想要通过自己的努力设计出一个东西，基础知识是必要的。
不能每次设计之前先把课本翻一遍，这样很浪费时间和精力。
说实话，这次课程设计如果不是有以上提到的几个同学的帮助，我想我没有能力在两周的时间里设计出这个调速系统，很感谢他们，虽然我们几个最后的思路甚至包括一些器件的选择基本是一样，但也算是我们大家一起努力的结果。
在这两周的时间里，我们每天都会一起讨论，电路该怎么设计，各个模块怎么用，参数该怎么计算等等。
我也从他们身上学到了一些好的思维方式。
团结是一个团队取得成功的关键。
总而言之，这次课程设计让我对电机速度闭环控制系统有了进一步的了解，也对运动控制这门课产生了一定的兴趣。
在今后的学习道路上，我想我一定能学好自动化这个高难度的专业。
第五章参考文献
[1]李宁，《运动控制系统》，高等教育出版社.2009年12月。
[2]陈伯时，《电力拖动自动控系统》，机械工业出版社，2004年10月。
[3]徐邦荃．《直流调速系统与交流调速系统》．武汉：
华中理工大学出版社，2000。
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