1、目录第 1 章 设计任务分析 11.1 课题的内容与要求 11.2 系统概述与分析 1第 2 章 电力拖动系统的性能指标分析 .22.1 静态性能指标 22.2 动态性能指标 2第 3 章 物转送车举升系统电机选型计算 .33.1 电机容量的选择 3第 4 章 控制系统设计 .54.1 位置、转速双环控制的位置随动系统 .54.2 位置随动系统组成部件 54.3 PWM 控制器设计 .74.4 转速环节参数整定 84.5 转速调节器的实现 104.6 桥式可逆直流脉宽调速系统 12第 5 章 总体设计电路图 13第 6 章 设计总结 14参考文献 15设计者- 1 -第 1 章 设计任务分析1
2、.1 课题的内容与要求设计题目：物转送车举升系统设计要求：（1）减速比 1000：1（电动机旋转 1000 转，平台上升/下降 1m） ，其传动效率 0.9，飞轮惯量可忽略。（2）举升平台自重 15kg，最大货物重 185,货架层高 2m，共 4 层。市设计电力拖动自动控制系统，使平台最大层间运行时间小于 60s。（3）工作现场有三相四线制 380v 交流电源，100A 空开保护，电网最大电压波动 5%，通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。1.2 系统概述与分析物转送车举升系统的主要部分有土建、机械和电气等组成，机械部分有动滑轮、臂杆、钢丝绳以及其他机械部分。 。采用具有现代先进技术水
3、平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能的多样性，采用 SG3525 芯片进行脉宽调制，可使曳引机在低噪声下运行，系统更加平稳。全面而完善的保护功能为系统提供了可靠而良好的保护性能，高性能的矢量控制技术，有多种控制方式灵活选用，适用不同的领域。拖动系统结构简图如图 货物电机1 层2 层3 层4 层图 1-1 拖动系统结构简图设计者- 2 -第 2 章 电力拖动系统的性能指标分析电力拖动系统拖动的工艺设备总是对电力拖动系统提出一定的性能指标要求，包括技术性指标、可靠性指标、经济性指标等方面的指标。2.1 静态性能指标静态指标代表调速系统在稳定运行中的各种性能
4、，主要指调速范围和静差率。1. 调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即 D= minax2. 静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 ，与理想空载转速 之比，称作静差率 s，即 S=Nn0 0nN调速范围和静差率不是彼此孤独的，必须同时提高才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。2.2 动态性能指标1. 跟踪指标：调速系统对给定信号的跟随性能一般用阶跃给定信号下，系统响应的最大超调量、调整时间和振荡次数三个指标来衡量。最大超调量：=n(max)-n(ref)n(ref)*100%调
5、节时间 ts：给定量作用于系统开始到被调量进入稳定区域的时间。振荡次数：被调量在稳定值上下摆动的次数。2. 抗扰动指标：对扰动量作用的动态响应性能，一般用最大动态速降 nmax、恢复时间 Tf 和振荡次数 N 来衡量。最大动态速降 nmax 反映了系统抗干扰的能力和稳定性。恢复时间 Tf 反映系统的抗扰能力。振荡次数 N 定义同跟随特性，同样反映系统稳定性和抗扰能力。1. 负载变化的扰动（使 Id 变化）2. 交流电源电压波动的扰动（使 Ks 变化）3. 电动机励磁的变化的扰动（使 Ce 变化）4. 放大器输出电压漂移的扰动（使 Kp 变化）5. 温度引起主电路电阻增大的扰动（使 R 变化）6
6、. 检测误差的扰动（使 变化）以上这些动、稳态指标为设计电力拖动系统的结构方案、控制方案、调节器形式以及调节器参数校正提供了依据，为系统的调试、评价提供了标准。设计者- 3 -第 3 章 物转送车举升系统电机选型计算3.1 电机容量的选择设计电力拖动系统首先要为生产机械的电力拖动系统选用电动机，主要内容包括确定电动机的种类、电动机的型号、电动机的电气参数等。选择电动机的基本原则如下：（1）电动机在工作过程中，其额定功率应得到充分利用。要求温升接近但不超过规定的允许数值。（2）电动机应满足生产机械需要的有关机械特性的要求。保证一定负载下的转速稳定，有以定的调速范围及具有良好的起动和制动性能。（3
7、）电动机的结构型式应满足设计提出的安装要求和适应周期的工作环境。例如防止灰尘进入电动机内部，或者防止绕组绝缘受有害气体腐蚀等。（1） 、电动机的额定转速 =1500r/minNn（2） 、本仓库货物转送车举升平台：自重 Kgm15最大货物重量 =185Kg2m举升平台启动开始加速，然后稳速运行，最后制动，最大层间运行时间小于100s。运行过程图如下：图3-1 运行过程图（3） 、平台的等效线速度： =1.2m/min1V（4） 、电动机的额定功率：WmsKgmvNP40in/2.1*/2.0)(100s设计者- 4 -参照电动机选型表如下：表 3.1 电机数据参数我们可以知道此次课程设计所选的
8、电机型号为： 90sz14 型号：GD2=J*4g+365*（1/40）=180V =1500r/min =50W =0.180 TL=323N/m 0.44ANUNnNP2GD2.mkgNI设计者- 5 -第 4 章 控制系统设计4.1 位置、转速双环控制的位置随动系统本次课程设计采用模拟式位置随动系统。典型的模拟式位置随动系统如图 4-1 所示，一般是在调速系统基础上再外加一个位置环组成。这类系统的各种参量都是连续变化的模拟量，其位置检测可采用伺服电位器、自整角机、旋转变压器或同步感应器等。它的工作原理与图 4-1 的系统类似。图 4-1 位置、转速双环控制的位置随动系统APR-位置调节器
9、 ASR-转速调速器 TG-测速发电机4.2 位置随动系统组成部件所谓位置随动系统就是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪系统。位置随动系统中的位置指令（给定量）和被控制量一样也是位移（或代表位移的电量） ，当然可以是角位移，也可以是直线位移，所以，位置随动系统必定是一个位置反馈控制系统。一般这个系统由以下几个部分组成：（1） 位置检测器：由电位器 RP1 和 RP2 组成位置（角度）检测器，其中电位器 RP1的转动轴与手轮相连，作为转角给定；通过电位器 RP2 选择不同的档位，可以实现控制不同的层数。转动轴通过机械连杆机构与负载部分相连，作为转角反馈。两个电位器由同一个直流电源 Us
10、供电，这样可将位置信号直接转换成电量输出。（2） 电压比较放大器：由放大器 1A、2A 组成，其中放大器 1A 仅起倒相作用，2A 则起电压比较和放大作用，其输出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。（3） 可逆功率放大器：为了推动随动系统的执行电动机，只有电压放大是不够的，设计者- 6 -还必须有功率放大。功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流电路，由它输出一个足以驱动伺服电动机 SM 的电压。（4） 执行机构：永磁式直流伺服电动机 SM 作为带动负载运动的执行机构，电动机到负载之间还需要通过减速器来匹配。图 4-2 位置随动系统一般结构图这四个部分是位置
11、随动系统的基本组成中不可或缺的，只是在具体元件和装置上有所不同。目前常用的角位移检测元件为伺服电位器、自整角机等等。下面简单介绍一下伺服电位器（RP）1） 、伺服电位器（RP）如图 4-2 为伺服电位器示意图，其中 RPs 为给定电位器，RPd 为检测电位器，在图 4-2 所示的联接中，其输出电压即偏差点压 U 为U=K（ - ）=Kio式中 -两电位器轴的角位移之差。图 4-3 伺服电位器输出伺服电位器较一般电位器精度高，线性度好，摩擦转矩也小。伺服电位器的特点是线路简单，惯性小，消耗功率小，所需电源也简单。若采用线绕电位器，虽然价格便宜，但有输出信号不平滑、接触不良和寿命短的缺点，设计者-
12、 7 -故通常用于精度要求较低的场合。若采用导电塑料电位器或光点照射式的光电电位器，则精度、线性度和寿命便明显提高。若将电位器做成圆形（如图 4-2 所示） ，则可测角位移；若做成直线形，则可测线位移。根据分析，此次课程设计采用的检测元件为伺服电位器。当我们用按钮选择 2V 时，举升平台上升第二层，当选择 3V 时，举升平台上升第三层，如此类推，按钮选择不同的档位，举升平台上升相应的层数。2） 、执行机构随动系统的执行机构通常由伺服电机和减速器构成，其作用是将控制电压信号转换成转轴上的角位移或角速度（转速对时间的积累便是角位移） 。伺服电动机是随动系统执行机构的主要组成部分，对系统精度和快速性
13、影响较大。为此，伺服电机必需具有良好的低速性能，以提高定位精度，此外，要求转动惯量小，过载转矩大以提高快速性。伺服电动机分为：交流伺服电动机、直流伺服电动机、小惯量无槽直流电动机和宽速力矩电机等等。就本设计用到的直流伺服电机作如下介绍：直流伺服电机的结构基本上与普通的直流电动机相同。其中又分为他激式（如 S 系列） 、并激式（如 SZ 系列）和永磁式（如 SY 系列） 。永磁式功率较小。直流伺服电机与交流伺服电机相比，体积小，效率高，控制性能好，功率范围较宽（几瓦到几千瓦） 。但因它有电刷，有火花，易出故障，维护困难，滑动摩擦大、死区大。这种电机适用于要求不太高的中、大功率随动系统。4.3 P
14、WM 控制器设计本设计的 PWM 生成电路采用 SG3525 芯片及其 IR2110 芯片。下面对芯片简介如下：1）SG3525 脉宽调制型控制器图 4-4 SG3225 引脚图开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压 Vr,送至 PWM 比较器的一个输入端,另一个则接锯齿波电压,由此可控制 PWM 比较器输出的脉宽调制信号。2）IGBT 驱动采用了集成芯片 IR2110，IR2110 采用 14 端 DIP 封装，引出端排列如图所设计者- 8 -示。 HOUBUsNcVccCOMNCVSSLINSDHINVDDNCLO图 4-5 IR21
15、10 引脚图IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的 CMOS 输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=50V/ns ，在 15V 下的静态功耗仅有 1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为1020V，逻辑电源电压范围为 515V，逻辑电源地电压偏移范围为5V5V。IR2110 采用 CMOS 施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A，负载为 1000pF 时，开关时间典型值为 25ns。两路匹配传输导通延时为 120ns，关断延时为 94ns。IR2110 的脚 10 可以承
16、受 2A 的反向电流。PWM1 PWM2VbHOVsLOHINLINSDCOMVb HO Vs LOHIN LIN SDCOMIR2110R9 R10 R11 R12VD10 VD11IR2110C4 C5PWM1 PWM2Ug1Ug2 Ug3 Ug4Vss Vss图 4-6 IGBT 驱动电路4.4 转速环节参数整定（1）系统的组成：该系统给定电位器 RP6 由转速环节输出电压控制，用以保证转速给定信号的精度。（2）系统的工作原理与静特性：由系统的控制原理图我们可以看出，系统的转速调节是按给定量和反馈量的偏差进行调节。其偏差大小 ，该信号经过放大器放大后，去控制触发器的脉冲移相角，nnU*调
17、节整流电压和电动机的转速变化。只要系统的被调量转速 n 产生偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用，也起到了稳速的作用。设计者- 9 -通过定性的分析我们知道，开环系统中，当负载增大时，电枢压降也增大了，通过比较和放大，转速只能老老实实的降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了。通过比较和放大，提高晶闸管整流输出的电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升，这就是转速闭环系统的基本机理。要实现该转速系统的各个参数，要有放大器，而且放大器的倍数要足够大，才能保证一定的性能指标.因此在闭环系统中,引入转速反馈电压 后，若要转速偏差小,nU就必须压得很低，所以必须设置放
18、大器，才能获得足够的控制电压 。nnU* ctU转速环节参数计算：1 确定时间常数（1）转速滤波时间常数 onT根据所用测速发电机纹波情况，取 =0.01son（2）转速环小时间常数 ：nT按小时间常数近似处理，取 Son01.2 选择转速调节器的结构按典型二型系统设计转速环，故 ASR 选用 PI 调节器，其传递函数为：()nASRsWK式中 ：转速调节器的比例系数；nK：转速调节器的超前时间常数。电动机： =180VNU=1500r/minn=50NP0.44AIVU20主回路： =0.3 =1.181HaRmin693.0dIUL全控桥式整流：m=3设计者- 10 -负载及电动机： =0
19、.182GD2.mkg固有参数计算：电势系数： =0.098nNaRIUeC1507*4.81min/RV转矩系数： 0.09503.1em.9Akg/电磁时间常数： RLlT016.758s机电时间常数： smeCGD3752 96.375*9晶闸管整流器滞后时间常数： fTs210.取 ASR 限幅值： 10V*imU取转速给定的最大值： 10V n取转速反馈滤波时间常数： Nnm*067.15)min/(1rV一般速度环节校正为典 系统，要求系统无静差时为 PI 调节器，则其时间常数和开环增益应为：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为SnhTn 05.1
20、.*5转速开环增益： =833.301.*362于是，ASR 的比例系数为：2.750.*892)1(nmenRThCK4.5 转速调节器的实现模拟式转速调节器的电路如下所示：设计者- 11 -转速调节器参数计算：图 4-7 转速调节器的电路为转速给定电压*nU为转速负反馈电压，调节器的输出是电 流调节器的给定电压*i取 ，则 2*40=800R=4K0RnKFCn625.8.634*0.1oTR设计者- 12 -4.6 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图 4 所示。PWM 变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容 滤波，以获得恒定的直流电压 。由于电容容量较大，突加
21、电源时相当6CsU于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻 Rz，合上电源后，用延时开关将 Rz 短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压” 。为了限制泵升电压，用镇流电阻 Rx 消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通 。5VTMABC压压VD1VD2VD3VD4VD5 VD7 VD9VD8VD6 VD10RzVT1VT2VT3VT4 VT5C6Rx图 4-8 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路设计者- 13 -第 5 章 总体
22、设计电路图设计者- 14 -第 6 章 设计总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。开始先认真审题，考虑设计系统的要求及条件，复习有关课程内容，如电力拖动自动控制系统、电力电子技术、电机与拖动 、 交流调速系统等，之后多方收集相关资料并截选，再与同学交流。近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的进步及功率半导体器件价格的降低，直流电机调速传动所需要的直流设备不仅在技术性能指标上已完全满足要求，而且在经济上直流电机调速装置的价格也逐年下降。这样，为直流电机调速传动的高性
23、能、高效率及减小装置体积，提高可靠性，降低成本等提供了广阔的前景。直流电机调速中有些调速方式其性能也能做到和交流调速一样，而且在节约能源提高产品产量和质量方面都取的了很大的效果。 回顾起此次电机拖动综合课程设计，今我仍感慨颇多。的确，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，
24、可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。设计者- 15 -参考文献1 王兆安，黄俊.电力电子技术，第四版.北京：机械工业出版社，20032 李正熙，白晶 .电力拖动自动控制系统，第二版北京：冶金工业出版社，20033 陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统，第三版.北京：机械工业出版社，20034 张东力、陈丽兰、仲伟峰.直流拖动控制系统.北京：机械工业出版社，19995 顾绳谷 电机及电力拖动基础。重庆大学出版社，200
25、56 孙亮等 自动控制原理。北京：北京工业大学出版社，20017 胡寿松等，自动控制原理.北京工业大学出版社 20018 陈伯时，陈敏逊.交流调速系统.北京：机械工业出版社，20069 林瑞光.电机与拖动基础.浙江：浙江大学出版社，200210 朱仁初、万伯任.电力拖动控制系统设计手册.北京：机械工业出版社，199411 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册第九卷自动控制系统.北京：机械工业出版社，198212 机械工程手册、电机工程手册编辑委员会，电机工程手册，第二版，基础卷（二）.北京：机械工业出版社，199613 李明辉、 卢帆兴 、钟国梁.电力拖动综合课程设计指导书.江西：江西理工大学应用科学学院，2010 14郭东栋 单片机控制的直流调速系统 可编程控制器与工厂自动化，2007 （03）15 浦海梅；李弘；A Resaearch About Deivce of DC-PWM Speed Adjustment by MCU Controlling,The Word of Inverters,2006 (03)
