直流电动机调速系统的设计
一直流电动机调速系统的设计
1 引言
在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。
早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
本设计主电路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由集成电路实现，系统中有速度调节器、电流调节器、触发器和电流自适应调节器等。
2 系统方案选择和总体结构设计
2.1调速方案的选择
本次设计选用的电动机型号Z2-71型，其具体参数如下表2-1所示
表2-1 Z2-51型电动机具体参数
2.1.1电动机供电方案的选择
变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的U，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系相位，即可改变
d
统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。
在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。
2.1.2调速系统方案的选择
C：
计算电动机电动势系数
e
由 125.01450
8
.061230=?-=-=
N A N N e n R I U C v min/r,
当电流连续时， 系统额定速降为:
8.780125
.08
.0261=??=?=
?e dN N C R I n r/min, a R R 2=. 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:
%35%1008
.78014508
.780=?+=?+?=
N N N N n n n S ，大大超过了S ≤5%.
若D=10，S ≤5%.，则()()
min /6.705.011005
.014501r s D s n n N N =-?≤-=
??，可知开环调
速系统的额定速降是780.8min /r ，而工艺要求的是7.6min /r ，故开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。
因调速要求较高，故选用转速负反馈调速系统，采用电流截止负反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装载体积小，宜用KJ004组成的六脉冲集成触发器。
该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定。采用三相全控桥式整流电路供电。
2.2总体结构设计
采用双闭环调速系统，可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，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，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dN I 时表现为转速无静差，这
时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。
直流调速系统的框图如图2-1所示：
图2-1 直流双闭环调速系统结构图
3主电路设计与参数计算
电动机的额定电压为230V ，为保证供电质量，应采用三相降压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y 联结。
3.1整流变压器的设计
3.1.1变压器二次侧电压U2的计算
U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：
)
(cos 22min max 2N
sh T
d I I
CU A nU U U -+=
αε （3-1）
式中max d U --整流电路输出电压最大值； nUT --主电路电流回路n 个晶闸管正向压降； C -- 线路接线方式系数；
Ush --变压器的短路比，对10～100KVA ，Ush =0.05～0.1； I2/I2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。 在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：
()
B
A U U d
ε2.1~12= （3-2） 式中A--理想情况下，α=0°时整流电压0d U 与二次电压2U 之比, 即A=0d U /2U ；B--延迟角为α时输出电压2U 与0d U 之比，即B=d U /0d U ； ε——电网波动系数；
(1～1.2)——考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式：
()
B
A U U d ε2.1~12=
8
(3-3)
由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cos α=0.985
()V U 133~111985
.09.034.2230
2.1~12=??=
取U2=120V 。
电压比K=U1/U2=380/120=3.17。
3.1.2 一次、二次相电流I1、I2的计算
由表查得 1I K =0.816, 2I K =0.816 考虑变压器励磁电流得：
A K I K I d I 49.1617
.361
816.005.105
.111=?== A I K I d I 776.4961816.022=?==
3.1.3变压器容量的计算
1111I U m S = （3-4） 2222I U m S =； （3-5） )(2121S S S +?=； （3-6） 式中21,m m --一次侧与二次侧绕组的相数； 由表查得3,321==m m
1111I U m S ==3×380×16.49=18.799 KVA
2222I U m S ==3×120×49.776=17.919 KVA )(2121S S S +?==1/2（18.799+17.919）
=18.395 KVA
取S=18.4 KVA
3.2晶闸管元件的选择
3.2.1晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压TN U ，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压TN U ，即TN U =（2～3）m U
整流电路形式为三相全控桥，查表得26U U m =，则
()()()V U U U m TN 8.881~9.58712063~263~23~22=??=== （3-7） 取700=TN U V. 3.2.2 晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TN I 大于实际流过管子电流最大有效值T I ，即
TN I =1.57)(AV T I >T I 或 )(AV T I >
57.1T
I =57.1T I d
d I I =K d I （3-8） 考虑（1.5～2）倍的裕量
)(AV T I =（1.5～2）K d I （3-9）
式中K=T I /（1.57d I ）--电流计算系数。
此外，还需注意以下几点：
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。 ②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 ③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。
由表查得 K=0.367，考虑(1.5～2)倍的裕量
()()d
AV T KI I 2~5.1= （3-10）
()A
896.44~672.3361368.02~5.1=??=
取A I T 40=。故选晶闸管的型号为KP20-7。
3.3晶闸管保护环节的计算
晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。 3.3.1过电压保护
以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。
（1）交流侧过电压保护
1）阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R 和电容C 进行保护。 本系统采用D-Y 连接。S=18.4KVA, 2U =120V
em I 取值：当 S=50~100KVA 时，对应的em I =4~1，所以em I 取3。
C ≥6em I S/U 22
=6×3×18.4×103/1202
=23μF 耐压≥1.5Um =1.5×120×2=254.6V 选取10μF,耐压300V 的铝电解电容器。
sh U 选取: S=18.4KVA, S=50~100KVA ，sh U =1~5，所以 sh U =3
R ≥2.3 U 22
/S em
sh I U =2.3×1202/18.4×10333=34.48Ω
取 R=35Ω
I C =2πfCU C ×10-6=2π×50×10×120×10-6=0.376 A P R ≥(3-4)I C 2
R=(3～4) ×0.3762
×35=（14.84～19.79）W 选取电阻为2.2Ω，20W 的金属膜电阻。
2）压敏电阻1RV 的计算
mA U 1=223.1U =1.3×2×120=220.6V
流通量取5KA 。选MY31-330/5型压敏电阻（允许偏差+10％）作交流侧浪涌过电压保护。
（2）直流侧过电压保护
直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成dt di 加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。
Ma U 1≥(1.8～2)DC U =(1.8～2.2) ×230=414～460V
选MY31-660/5型压敏电阻(允许偏差+10％)作直流侧过压保护。
（3）闸管及整流二极管两端的过电压保护 查下表：
表3-1 阻容保护的数值一般根据经验选定
抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值m U 的1.1～1.15倍。
由于 A I T 140=
由上表得C=0.5μF，R=10Ω，
电容耐压≥1.5m U =1.5×26U =1.5×6×120=441V 选C 为0.15μF 的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V 。
62
210-?=c R fcU P =50×0.15×6210)1203(-??=0.324W
选R 为80Ω，1W 的普通金属膜电阻器。 3.3.2 过电流保护
快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。
快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。
（1） 晶闸管串连的快速熔断器的选择
接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值
3/2093/==d T I I =120.7 A
选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150A 。 （2）过电流继电器的选择
因为负载电流为209A ，所以可选用吸引线圈电流为30A 的JL14-11ZS 型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×209=261.25A ≈260A 3.4平波电抗器的计算
为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器d L ，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。
（1）算出电流连续的临界电感量1L 可用下式计算，单位mH 。 min
2
1
1d I U K L = （3-11） 式中1K 为与整流电路形式有关的系数，可由表查得； min
d I 为最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。
根据本电路形式查得1K =0.695所以
1L =%5209120
695.0??=7.98mH
（2）限制输出电流脉动的临界电感量2L
由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量2L （单位为m Ｈ）可用下式计算
d
i I S U K L 2
2
2= （3-12） 式中2K －系数，与整流电路形式有关，i S －电流最大允许脉动系数，通常三相电路i S ≤（5～10）％。 根据本电路形式查得2K =1.045, 所以
d i I S U K L 22
2==209
%10120
045.1??=6mH （3）电动机电感量D L 和变压器漏电感量T L 电动机电感量D L （单位为mH ）可按下式计算 3102?=D
D
d
D pnI U K L （3-13） 式中D D I U ,,n －直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入； P －电动机的磁极对数；D K －计算系数。一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。本设计中取D K =8、D U =n U =230V 、
D I =n I =209A 、n=1450r/min 、p=1
3102?=D D d
D pnI U K L =310209
145012230
8?????=3.036mH 变压器漏电感量T L （单位为mH ）可按下式计算
D
sh T T I U U K L 1002
= （3-14） 式中 T K －计算系数，查表可得 Sh U －变压器的短路比，取3。 本设计中取T K =3.9、sh U =3
所以 T L =3.9×3×120/（100×209）=0.067mH
（4）实际串入平波电抗器的电感量 考虑输出电流连续时的实际电感量：
()mH L L L L L T D d 81.4)067.02036.3(98.7)2(,m ax 12=?+-=+-=
如上述条件均需满足时，应取d L 作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取d L =60 mH 作为平波电抗器的电感值。
3.5励磁电路元件的选择
整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V 。额定电流可查得K=0.367， 取L I =1.2 A
)(AV D I =(1.5～2)K L I =(1.5～2)×0.367×1.2A=0.6～0.88A
可选用ZP 型3A 、700V 的二极管。
ex RP 为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。
为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器2KA ，动作电流通过I RP 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A ，可选用吸引线圈电流为2.5A 的JL14-11ZQ 直流欠电流继电器。
图3—1主电路图电路
4 触发电路选择
选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如电气原理总图所示。
从产品目录中查得晶闸管KP20-7的触发电流为=GT I (5～100)mA 触发电压
≤GT U 3.5V 。由已知条件可以计算出
V
n U nm 15.101450007.0max *=?==α，
V I U dm im 18.1020905.0*=?==β
触发器选用±15V 电源，则：Ks=
≈=15
220
max max C d U U 15 V K R I n C U s d e c 36.4715
4
.225.181450115.0=?+?=+=
。
因为V U c 36.47=，≤GT U 3.5V ，所以触发变压器的匝数比为
2.143
36
.47≈==
GT c G V U K 取14:1。设触发电路的触发电流为100mA ，则脉冲变压器的一次侧电流只需大于100/14=7.14mA 即可。这里选用3DG12B NPN 管作为脉冲功率放大管，其极限参数mA I V CM 300,45V 200MHz,f 700m W,P CEO T CM ====.
触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个电压U 、V 、W 同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成DY 型。同步电压二次侧取30V ，一次侧直接与电网连接，电压为380V,变压比为380/30=12.7。
5.1电流调节器的设计和校验
（1）确定时间常数 在三相桥式全控电路有：
已知s T s 0017.0=，s T oi 002.0=，所以电流环小时间常数
oi s i T T T +=∑=0.0017+0.002=0.0037S 。
（2）选择电流调节器的结构
因为电流超调量%5≤i σ，并保证稳态电流无静差，可按典型Ⅰ型系统设计
电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI 型电流调节器
()()
s
s K s W i i i ACR ττ1+=
。 ---i K 电流调机器的比例系数 ---i τ电流调节器的超前时间系数 （3）电流调节器参数计算：
电流调节器超前时间常数i T =l T =0.03s ，又因为设计要求电流超调量
%5≤i σ，查得有i I T K ∑?=0.5，所以I K =
i
T ∑5.0=
11.1350037
.05
.0-=S ，电枢回路总
电阻R=2a R =2.4Ω，所以ACR 的比例系数 βτ???=
s i I i K R K K =97.1205
.0154
.203.01.135≈???
（4）校验近似条件
电流环截止频率ci W =I K =135.11
-S 。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
11.1960017
.03131-=?=S T s > ci W ，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ci l m W S T T <≈??=?-1792.1203
.084.11
313
，满足条件。 电流环小时间常数近似处理条件：
=??i s T T 131ci W S >=?-18.180002
.00017.0131，满足条件。 （5） 计算调节器的电阻和电容
取运算放大器的0R =40Ωk ，有o i i R K R ?==11.97?40=511.68Ωk ，取520Ωk ，
F k R C i
i
i μτ057.052003.0≈Ω=
=
，取0.1F μ，F k R T C oi oi μ2.040002
.0440=Ω
?==，取
0.2F μ。故()()s K s W i i i ACR ττ1+=
=()
s
s 03.0103.097.12+?，其结构图如下所示：
图5—1电流调节器
5.2 转速调节器的设计和校验
（1） 确定时间常数： 有,5.0=?∑i I T K 则
s s T K i I
0074.00037.0221
=?==∑，已知转速环滤波时间常数on T =0.01s ，故转速环小时间常数s T K T on I
n 0174.001.00074.01
=+=+=
∑。 （2）选择转速调节器结构： 按设计要求，选用PI 调节器
()()
s
s K s W n n n ASR ?+=
ττ1
---N K 转速调节器的比例系数
---n τ转速调节器的超前时间常数
（3）计算转速调节器参数：
按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=4,则ASR 的超前时间常数为：
s hT n n 0696.00174.04=?==∑τ，
转速环开环增益 12
2221.5160174
.0425
21-∑=??=+=
s T h h K n N 。 ASR 的比例系数为：()62.220174
.04.2007.04284
.1115.005.0521=???????=
?+=
∑n
m
e n RT h T C h K αβ。
（4）检验近似条件 转速环截止频率为92.350696.01.5161
=?=?==
n N N
cn K W K W τ。
电流环传递函数简化条件为
cn i I W s T K >==-∑17.630037
.01
.1353131，满足条件。
转速环小时间常数近似处理条件为：cn on I W s T K >==-17.3801
.01
.1353131，满足近
似条件。
（5）计算调节器电阻和电容：
取0R =40Ωk ，则Ω=?=?=k R K R n n 8.9044062.220，取1000Ωk 。
F k R C n
n
n μτ0696.010000696
.0=Ω
=
=
，取0.1F μ
F k C on μ14001
.04=AΩ
?=
，取1F μ。
故()()()
s
s s s K s W n n n ASR 0696.010696.062.221+?=?+=
ττ。其结构图如下：
图5—2 转速调节器
校核转速超调量：由h=4，查得%10%6.43>=n σ，不满足设计要求，应使ASR
退饱和，重计算n σ。设理想空载z=0，h=4时，查得
b
C C max
?=77.5%，所以 1450
115.04
.225.185.1%5.772))((
2max ????=?-?=∑*m
n
N b n T T
n n z C C λσ
=0.00792 =0.79% < 10% 满足设计要求.
图6—1直流稳压电源原理图
6.3 反馈电路参数的选择与计算
本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主
电路。
6.3.1测速发电机的选择
因为V n U nm
15.101450007.0max *
=?==α，故这里可选用ZYS-14A 型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。
表6—2ZYS-14A 型永磁直流测速发电机
取负载电阻G R =2ΩK ,P=2W 的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。 6.3.2 电流截止反馈环节的选择
选用LEM 模块LA25-NP 电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A ，匝数比1：1000，额定输出电流为25mA 。选测量电阻M R =120Ω,P=1W 的绕线电位器。
负载电流为1.2N I 时。让电流截止环节起作用，此时LA25-NP 输出电流为1.2N I /250=1.2×18.25/1000=0.099A ，输出电压为120×0.099=11.88V ，再考虑一定的余量，可选用1N4240A 型的稳压管作为比较电压，其额定值为10V 。
7 直流调速系统电气原理总图
Q 1
V 7V 8V 9
V 10
K 3
R 7R 8R 9
R U 1R U 2R U 3V 1
V 2
V 3V 4V 5
V 6C 6C 4C 2
C 1C 3C 5
R 1R 3R 5
R 6R 4R 2
R U 4
V
R 10
A
R n
K >
K 1L d
M
+
+_
_
G
Q 2
U 11V 11W 11
U
V
W
F O 1F O 2F O 3
T O 1T O 2T O 3
4
3
21R o n R o n
C o n
-15
+15R o n
R o n C o n
T O 1
T O 2
T O 3
+15V -15V R n
C n
R o i
R o i C o i
-15
+15R o i
R o i
C o i
F O 1
F O 2
F O 3
+15V
I
9
B3B4B5
B6B7B8
AT BT CT KO V U11V11
W 11
V11
V12
V13V14
A
I<
V
3
2
直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理：在电枢线圈中通入直流电流，电枢在磁场中旋转，换向器和电枢一起旋转。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab，cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是从电刷A流入的方向，在S极下，电流总是从电刷B流出的方向。由此保证了每个磁极线圈边中的电流始终是一个方向，使电动机连续旋转。 直流发电机的工作原理：把电枢线圈感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用， 使之从电刷端引出时为直流电动势。 直流电机的结构：定子（主磁极，换向极，机座，端盖，电刷装置）作用：产生磁场 转子（电枢铁心，电枢绕组，换向器，轴，风扇） 主要是电枢，作用：产生电磁转矩和感应电动势 可逆原理：同一台电机，既能做电动机运行，又能做发电机运行的原理，称为可逆原理。 直流电机的励磁方式：4种，串励，并励，他励，复励。 直流电机的空载磁场：直流电机不带负载时运行的状态称为空载运行。空载运行时电枢电流为零或近似为零，所以空载磁场是指主磁极励磁磁动势单独产生的励磁磁场。电枢磁动势：由电枢电流所建立的磁动势. 电枢反应：电枢磁动势对励磁磁动势所产生的气隙磁场的影响，称为电枢反应。 电枢反应影响电动机转速，发电机端电压。 电枢反应的作用：1负载时气隙磁场发生了畸变。2呈去磁作用。 改变电动机转向的方法：1改变电枢两端电压极性。2互换励磁绕组极性。 电机圆周在几何上分成360度，这个角度成为机械角度或空间角度。 导体切割磁场，经过N，S一对磁极，因而一对磁极占有的空间是360度 直流电机的3种调速方法:1改变电枢电压调速，2电枢回路串电阻调速，3改变励磁调速。 并励直流发电机的自励条件：1电机磁路中有剩磁 2励磁绕组并联到电枢两端 3励磁回路的总电阻小于临界点组 换向:元件内电流方向改变的过程。 变压器的分类：电力变压器，特种变压器. 变压器的主要部件：铁心，绕组，油箱。铁心和绕组装配组成器身。 变压器的特性指标：变压器二次侧的电压变化，变压器的效率 三相异步电动机的工作原理：就是通过一种旋转磁场与由这种旋转磁场借助于感应作用在转 子绕组内所感生的电流互相作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。 旋转磁场：一种极性不和大小不变，以一定转速旋转的磁场。 三相异步电动机的结构：定子（定子铁心，定子绕组，机座，端盖，风扇） 转子（转子铁心，转子绕组，转轴，气隙） 机械角度：电机圆周在几何上分成360度，机械角度总是360度。 电角度=P×机械角度=p×360 p:极对数
直流电动机调速课程设计
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
永磁无刷直流电动机的基本工作原理
永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图一所示： 永磁无刷直流电动机的基本工作原理 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。 永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 2. 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流： Tm=KtIav （N·m） 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度： ELL=Keω （V） 所以电动机绕组中的平均电流为： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。
直流电动机调速设计
目录 1．直流电动机简介 (1) 2．直流电动机的相关内容 (1) 3．直流电动机调速简介 (4) 4．他厉直流电动机的调速方法 (6) 5．设计内容 (10) 6．结论 (12) 7．参考文献 (13) 8．致谢 (14) 9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计 一. 直流电动机 直流电动机是人类最早发明和应用的电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。它是实现了电能转换成机械能的电机。 二.有关内容： 〈一〉直流电动机的分类 1、他励直流电动机 2、并励直流电动机 3、串励直流电动机 4、复励直流电动机 〈二〉直流电动机用途 直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。 直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。但目前仍有不少场合使用直流电动机。
〈三〉直流电动机的结构 图1 直流电机装配结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。 （1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
直流电动机的调速
一概述 随着电力电子器件的发展，大功率变流技术前进到一个以弱电为控制，强电为输出的新时代。直流电机调速系统由于它在技术性能与经济指标上具有优越性，实施技术上也比较成熟，因此在冶金、机械、矿山、铁道、纺织、化工、造纸及发电设备等行业都得到了广泛的应用，已成为工业自动控制领域一个及其重要的组成部分。一般工业生产中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，三相交流桥式全控整流是目前在各种整流电路中应用最为广泛的电力电子电路，在运用到在直流电机调速时可以采用这种电路。 三相交流桥式全空整流最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是各种直流电源设计。前者是三相交流桥式全控整流电路的传统领域，后者则是它当前和未来发展的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。 从我国的实际情况来看很好地采用三相桥式全控整流给直流电机调速仍然有很广泛的应用市场。这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用，所以研究三相桥是全控整流直流调速系统有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，在解决目前国际各国所面临的能源无谓的消耗起到立竿见影的效果。
二设计的总体思路 2.1 直流电动机的调速方法 采用改变电动机端电压调速的方法。当额定励磁保持不变，理想空载转速 n随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实 现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。变电压调速要有可调的直流电源，根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。 晶闸管变流装置输出的直流脉动电压 U加在电抗器L和电动 d 机电枢两端，L起滤波作用以及保持电流连续。改变晶闸管触发电 U，就可改变触发脉冲的控制角。，从而改变输路的移相控制电压 g U的大小，实现平滑的调压调速。 出平均电压 d 2.2 调速系统的确定 双闭环调速
#直流电机调速系统分析与设计
第一部分并励直流电动机的工作原理 并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 转速电流双闭环原理 转速、电流双闭环直流调速系统的组成，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电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 限幅的作用： 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im －－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流； τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm －－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第二部分 PID算法的基本原理 PID调节器各校正环节的作用 1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节 器立即产生控制作用以减小偏差。 2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 小调节时间。 下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
直流电动机调速系统设计综述
概述 (2) 1 设计任务与分析 (3) 1.1 任务要求 (3) 1.2 任务分析 (3) 2方案选择及论证 (4) 2.1 三相可控整流电路的选择 (4) 2.2 触发电路的选择 (4) 2.3 电力电子器件的缓冲电路 (5) 2.4 电力电子器件的保护电路 (5) 3主电路设计 (7) 3.1 整流变压器计算 (7) 3.1.1 U2的计算 (7) 3.1.2一次侧和二次侧相电流I1和I2的计算 (8) 3.1.3变压器的容量计算 (8) 3.2 晶闸管元件的参数计算 (9) 3.2.1晶闸管的额定电压 (9) 3.2.2晶闸管的额定电流 (9) 3.3 电力电子电路保护环节 (10) 3.3.1交流侧过电压保护 (10) 3.3.2直流侧过电压保护 (11) 3.3.3晶闸管两端的过电压保护 (11) 3.3.4过电流保护 (11) 4触发电路设计 (11) 4.1 触发电路主电路设计 (11) 4.2 触发电路的直流电源 (13) 5电气原理图 (14) 小结与体会 (15) 参考文献 (16) 附录 (16)
直流电动机具有良好的起动和制动性能，广泛应用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。随着电力电子技术的发展，晶闸管在直流电动机的调速系统中得到广泛应用。晶闸管直流电动机调速系统，可实现电动机的无级调速，具有调节范围宽，控制精度高，使用寿命长、成本低等优点。正确掌握晶闸管直流电动机调速系统的设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大意义。 本设计以晶闸管直流电动机调速装置为主，介绍了系统的各个部件的组成及主要器件的参数计算。调速装置以可控整流电路作为直流电源，把交流电变换成大小可调的单一方向直流电。通过改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚来改变直流电压的平均值。 关键词：可控整流晶闸管触发电路保护电路
直流电动机调速设计
综述 直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。 直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。
1 直流电动机调速原理 1.1直流电动机的定义 输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。 1.2直流电动机的基本结构 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 图1-1直流电动机的基本结构 1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。 1.3直流电动机的工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转
直流电动机工作原理
7.2.2 直流电动机工作原理与结构 图7-4 直流电动机模型 图7-4是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。
图7-5 换向器在直流电机中的作用 当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图7-5（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。 当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图7-5（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。
直流电动机的电气调速方法
直流电动机的电气调速方法 直流电动机的电气调速方法下的调速性能及其应用。关键卸电机调违方法性能化较基本调速方法电机的电磁转炬和转速是表征电机运斤状态的主要物理量直流他励电机的电磁转矩和转速。 在恒负载转矩始下，若改变电枢回路所串联电阻化，改变电枢两端电压，或改变磁通，都可改变直流电机的机械特性，达到调速的目的。 因此，人为的改变电机的运行参数而实现的调速方法有：电枢回路串联电阻调速；改变电枢电压调速；减弱通调速这种人为的改变电机的运斤参数而得到的机械特性称人工机械特化电枢回路串联电阻调速持电源电压和磁通H为额定值不变，控制触点。 接通或断开可得到定负载转矩下电机的不同转速，电枢回路串接不同电阻下的空载转速。保持不变，而负载时的转速降将随电枢串联电阻的增加而大，电机的转速随电枢回路串联电阻的加而减小。 由于电枢电阻为恒值旧而电机的转速只能在额定转速下调整，电机的机械特性变软，在负载转炬变化时，转速降落较大，保持磁通为额定值，电枢回路不串入电阻，通过改变调压装置改变电枢电压，使其在额定电压凹下变化，其调速特性改变电枢电压的人工机械特性为条平行于自然机械特性的直线。随着电枢电压下降电机的空载转速降低，负载时的转速降保持不变，电机转速随电枢电压降低而下降。由
于电枢电压只能在额定电压化判下变化，因此改变电枢电压调速只能在额定转速下调整，电机的机械特性硬，在负载转矩变化时，转速降落较小。 以上两种调速方法在拖动恒转矩负载，稳定在不同转速下运行时，在采用电枢回路串入电阻调速或改变电枢电调速时，力辉电动机的负载能力具有恒转矩特化改变域通调速于额定磁通下，磁路系统已接近饱和，因此改变磁通只能在额定磁通巧下减小。在某负载转矩化下，保持电枢电压为额定电压化，电枢回路不串入电阻，调整励磁电阻况使励磁电流减小，从而减小磁通。随着磁通的减小，电机的空载转速将加内，电机的转速将随着磁通的减弱而增加内内减弱磁通调速只能得到高于额定转速的转速，且电机的机械特性变软，在负载转矩变化时，转速降落较大采用弱磁调速方法时，若拖动恒转炬负载，电动机运行于不同转速下的电枢电流。 调速的相对稳定性调速的相对稳定性亦称静差率，是衡量调速精度的指示它是指负载转矩变化时，转速变化的程度，其定义为：电动机由理想空载到额定负载时转速降落n.与理想空载转速《之比的百分数，常用来表示式中心电动机的额定转速。越小调速的相对稳定性越好，越大调速的相对稳定性就越差。电动机受负载变化所引起的转速降。系统的相对稳定性就越好，调速的精度就越高；电动机的理想空载转速。越低，义就越大，系统的相对稳定性就越差，调速的精度就越低。
他励直流电动机的调速
摘要 随着工业的不断发展，电动机的需求会越来越大，电动机的应用越来越广泛，电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业、家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台，而且能提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大幅度的提高，摆脱了人力劳作的模式。而电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中电动机调速方法的应用过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向，为工业生产提供理论依据和实践指导。 关键词：他励直流电动机；调速；机械特性
目录 1 引言 (1) 2 直流电动机 (1) 2.1 直流电动机的介绍 (1) 2.2 直流电动机的分类 (1) 3 他励直流电动机 (2) 3.1 他励直流电动机的基本工作原理 (2) 3.2 他励直流电动机的机械特性 (3) 4 他励直流电动机的调速 (5) 4.1 调速的基本概念 (5) 4.2 调速的指标 (5) 4.3 调速的方式 (7) 4.3.1 电枢串电阻调速 (7) 4.3.2 改变电枢电源电压调速 (7) 4.3.3改变励磁电流调速 (8) 5实例分析 (9) 6结论 (11) 参考文献 (12) 致谢 (13)
1 引言 现代工业中，有大量的生产机械，要求能改变工作速度。例如金属切削机床，由于加工工件的材料和精度要求不同，速度也就不同。又如轧钢机，当轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须采用不同的最佳速度。所谓调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。所以直流电动机的调速在生产工作中起着至关重要的作用。 2 直流电动机 2.1 直流电动机的介绍 直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电动机以其结构复杂、价格较贵、体积较大、维护较难而使得其应用受到了影响。随着交流电动机变频调速系统的发展，在不少应用领域中已为交流电动所取代。但是直流电动机又以起动转矩大、转速性能好、自动控制方便而著称，因此，在工业等应用领域中仍占有一席之地。在四种直流电动机中，他励直流电动机应用最广泛。 2.2 直流电动机的分类 根据直流电动机的励磁方式，可以将其分为以下几种类型。 1、他励直流电动机 励磁绕组与电枢绕组采用两个电源供电，各有了各的电源开关，没有直接的电源联系，如图2-1（a）所示，电枢电流Ia由电枢端电压U决定，而励磁电流I f由励磁绕组端电压 U1决定。 2、并励直流电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，采用同一个电源U供电，由一个开关控制，如图2-1（b）所示。其特点是励磁绕组的电压即为电枢电压，电源电流为电枢电流Ia与励磁电流I f之和。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为电枢电流的5%；为保证足够的磁通，励磁绕组一般导线较细，匝数多，电阻大。 3、串励直流电动机 励磁绕组与电枢绕组串联之后，外接一个直流电源，由一个开关控制，如图2-1（c）所示。其特点是励磁电流I f与电枢电流Ia相同，这个电流一般较大，所以串励直流电动机的励磁绕组导线较粗，匝数少，电阻小。 4、复励直流电动机 这种电动机中既有串励又有并励，一部分励磁绕组与电枢绕组串联，另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，如图2-1（d）所示。其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共
单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
直流电动机调速系统设计方案
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)
直流小电动机调速系统
题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工
摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚
2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。
显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图
无刷直流电动机简介和基本工作原理
无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介和基本工作原理 无刷直流电动机简介 直流无刷电机 :又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统” 。是将交流电源整流后变成直流， 再由逆变器转换成 频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。 无刷直流电动机Brushless Direct Current Motor ,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控 制,是当今最理想的调速电机。 无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳 选择。 基本工作原理 无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速 度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始
直流电动机调速设计
直流电动机调速设计
直流电动机调速设计 一、要点： 加深对《电机与拖动》这门学科的理解，拓展知识面，并了解直流电动机调速在实际生产中的应用。 要在设计的过程中充分利用已经掌握的《电机与拖动》的知识来解决问题，要做到理论联系实践。 通过计算和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术指标资料等，培养电机设计的基本技能。 掌握对直流电动机的三中调速方法； 掌握各种方法对直流电机调速的原理和步骤； 理解各种方法电机调速的优缺点； 培养独立思考问题和独立解决问题的能力。 二、原理： (一)、直流电动机的物理模型： 直流电动机的物理模型图 这是分析直流电机的物理模型图。 其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 （二）、直流电动机的工作原理
（三）、直流电动机的励磁方式： （1）定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式，实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何连接，就决定了它是什么励磁方式。 （2）分类：他励式和自励式 他励式：若励磁绕组不和电枢绕组连接，励磁绕组单独有其他电源供电的直流电机称为他励式直流电机。 自励式：分为串联式、并励式、复励式三种。 （四）、直流电动机的分类： 1、他励直流电动机； 2、并励直流电动机； 3、串励直流电动机； 4、复励直流电动机。 （五）、调速的含义： 在实际的生产过程中，很多方面都要求能改变电机的工作速度。例如金属切削机床，由于加工工件的精度要求不同，对电机工作时的速度的要求也就不同。所谓调速就是根据电力拖动系统的负载特系的特点，通过改变电动机的电源电压、电枢回路电阻或减弱磁通而改变来改变电动机的特性来人为的达到给系统调速的目的，以满足实际的工作需要的一种方法。 （六）、调速的方法有三种： 1、改变电枢电阻调速；
直流电动机调速课程设计教学提纲
直流电动机调速课程 设计
电机与拖动课程设计报告 （2014—2015学年第二学期） 题目直流电动机调速系统设计 系别信息与控制系 专业电气工程及其自动化 班级 1103 学号 311101423 姓名周军 指导教师顾波 完成时间 评定成绩
目录 第一章直流电动机....................................................... - 0 - 第二章直流电动机的结构与工作原理....................................... - 1 - 2.1 直流电动机的结构................................................ - 1 - 2.2 直流电动机的工作原理............................................ - 2 - 第三章他励直流电动机的调速............................................. - 3 - 3.1电机调速指标.................................................... - 4 - 3.2 电枢串电阻调速.................................................. - 6 - 3.3改变电枢电源电压调速............................................ - 7 - 3.4弱磁调速........................................................ - 8 - 第四章课程设计内容.................................................... - 10 - 4.1 采用电枢串电阻调速............................................. - 10 - 4.2 采用电枢电压调速............................................... - 11 - 4.3 采用改变励磁电流调速........................................... - 11 - 结论................................................................... - 12 - 设计体会............................................................... - 13 - 参考文献............................................................... - 15 -
直流电动机设计方案
直流电动机设计方案 第1章前沿 1.1 课题研究的背景及意义 直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽范围内平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。 从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、张力控制系统等多种类型。而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。 从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。 1.2 课题发展历程及趋势 在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系
直流电机调速方法
1.改变电枢回路电阻调速 当负载一定时，随着串入的外接电阻R的增大，电枢回路总电阻增大，电动机转速就降低。 2.改变电枢电压调速 连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。 3.采用晶闸管变流器供电的调速方法 变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。 4.采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法 我比较喜欢这种调速方法。 5.改变励磁电流调速 当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。 电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速升高；反之，则降低。由于电动机的转矩是磁通和电枢电流的乘积，电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。典型恒功率调速。 2. 从调整的部位来讲有： 1.调整电枢电流。
2.调整励磁电流。 从调整电流的方式来讲有： 1.电阻调速。 2.斩波调速。 常用的有：磁场消弱，磁极减对，电枢串联电阻降压。 直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算