得分：得分：《電力電子技術大作業(yè)》作業(yè)題目：基于buck電路直流伺服電機調速系統(tǒng)的簡單設計姓名：班級：學號：同組人：摘要直流伺服電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、簡單，具有較大的啟動轉矩和良好的啟、制動性能以及能在較大范圍內實現(xiàn)精度、速度和位置控制。同時其過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，所以在要求系統(tǒng)性能高的場合都廣泛地使用直流伺服系統(tǒng)。20世紀80年代后，隨著科技的進步，交流調速系統(tǒng)、無刷直流電機的迅速發(fā)展，有逐漸取代有刷直流電機調速的趨勢。但是直流有刷伺服電機具有獨特的優(yōu)良性能，它可以方便的進行無級調速且有著良好的調速性能，所以直到現(xiàn)在尚未被取代。對一些成本敏感的普通工業(yè)和民用場合仍廣泛應用。本設計針對調速的可靠性和經濟性來設計小功率直流伺服電動機調速系統(tǒng)，不僅工作可靠，成本低，并且具有軟啟動、恒轉矩、寬調速、硬特性等功能，實現(xiàn)了小功率直流伺服電機的平滑無級調速以及電機的保護。該系統(tǒng)主電路采用單相橋式半控整流線路，具有電壓負反饋。本系統(tǒng)調壓電路采用buck降壓電路，可以實現(xiàn)電壓的平滑過渡，使得電機在運行時平穩(wěn)運行，不會出現(xiàn)過大的震動。對于電機轉向的控制，可以用四個IJBT來實現(xiàn)對電機正反轉的控制。關鍵詞：直流伺服電機；直流調速；晶閘管；電壓負反饋AbstractDCservomotorhasexcellentspeedcontrolcharacteristicssmoothandsimple.Ithasstrongstartingtorqueandexcellentstartingandbrakingperformance.Itcancontrolalargerangeofaccuracy,speedandposition.Atthesametime,ithasagoodoverloadcapacityandcanbearfrequentimpactloads.Therefore,theDCservosystemiswidelyusedinthosehighperformancesystems.After20thcentury80s,withthedevelopmentofscienceandtechnology,ACspeedcontrolsystemandbrushlessDCmotorhasbeendevelopedrapidly.AndtheyhavegraduallyreplacedthebrushDCmotorspeedtrend.ButthankstoDCbrushservo’suniquehighperformance,itcaneasilybevariablespeedandhasgoodspeedperformance,sountilnow,ithasnotbeenreplaced.Itisstillwidelyusedingeneralindustrialandciviloccasionswhichiscost-sensitive.ThisarticleistodesignaeconomicandreliablespeedcontrolsystemofDCservomotor.Thesystemnotonlyhasreliableandlowcost,butalsohassoftstart,constanttorque,widespeed,hardfeaturesandotherfunctions,achievesmoothvariablespeedofDCmotorandprotectionofthemotor.Thesystemofmaincircuitusessingle-phasehalf-controlledrectifierbridgecircuit,withvoltagenegativefeedback.ThesystemusesBuckCircuittorealizethesmoothtransitionofvoltage,whichmakesthemotorrunningsmoothinoperationanddoesnotappeartoolargevibration.Forthecontrolofsteering,weusefourIJBTtorealizethecontrolofthesterring.目錄第1章緒論 4直流電機調速的背景和意義 4直流伺服電機的應用 4直流電機調速發(fā)展趨勢 4第2章直流伺服電機調速原理 5直流伺服電機的組成及工作原理 5直流伺服電機的機械特性 5直流電機調速方法 7直流伺服電機速度控制指標 7伺服電機啟動方法 8伺服電機特點 8第3章直流伺服電機調速系統(tǒng) 9閉環(huán)控制系統(tǒng)設計 9主電路的選型 9整流電路： 10調壓電路： 11正反轉控制電路： 12第4章基于PSIM的直流伺服電機調速系統(tǒng)的仿真結果 13第5章結論 14參考文獻 14第1章緒論直流電機調速的背景和意義直流伺服電機具有調速范圍寬、良好的穩(wěn)定性，具有大的、較長的過載能力，能滿足低速度大轉矩的要求，反應速度快，能承受頻繁的啟動、制動和正反轉，成本低等優(yōu)良的特性。電動機的主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種，其容量小到幾瓦，大至上千瓦。眾所周知，直流電動機有運行效率高和調速性能好等諸多優(yōu)點。盡管近年來不斷受到其他電動機（如：交流變頻電動機、步進電動機等）的挑戰(zhàn)，但到目前為止，就其性能來說仍然無其他電動機能比。并且在我國直流調速理論根深蒂固，并在發(fā)展中不斷充實，所以直流調速仍占統(tǒng)治地位。在歐美等國家，大型成套生成裝置和成套生產線也仍然多用直流調速。所以對直流調速系統(tǒng)的研究還是有很重要的意義。直流伺服電機的應用直流電動機具有良好的起動性能和調速性能，因此，廣泛地用于驅動軋鋼機、金屬切削機床、起重設備和電氣機車中，它尤其適用于高精度、高性能地電力拖動系統(tǒng)。近年來，世界各國的機械制造業(yè)都處在數(shù)量化、數(shù)控化、自動化和半自動化的潮流中。微電子技術的應用，尤其是微型計算機的普及，給數(shù)控化生產才來了很大的發(fā)展空間。作為高精度伺服元件的伺服電機被廣泛地應用在數(shù)控機床、機器人、雷達跟蹤、冶金機械、紡織機械等各個領域。據(jù)統(tǒng)計，美國市場對直流電機的需求以每年21℅的速度遞增，導致這一現(xiàn)象的根本原因是自動化設備的高速發(fā)展和電子計算機外圍設備的不斷擴大，其次是軍事設備電子化的發(fā)展趨勢和電子玩具的應用。直流電機調速發(fā)展趨勢調速系統(tǒng)是當今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調速性能要求較高的各類生產機械大多采用直流傳動，簡稱為直流調速。直流調速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉速，以滿足工作機械的要求。從機械特性上看，就是通過改變電動機的參數(shù)或外加電壓等方法來改變電動機的機械特性，從而改變電動機機械特性和工作特性的交點，使電動機的穩(wěn)定運轉速度發(fā)生變化。直流調速系統(tǒng)的發(fā)展過程是一個從簡單到復雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調速到可逆調速的不斷豐富完善的過程。第2章直流伺服電機調速原理在控制系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)是一種應用十分廣泛的系統(tǒng)。直流伺服電機又稱行電機，它是控制電機的一個種類，在系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件。直流伺服電機可以把輸入的電壓信號變換成為軸上的角位移和角速度輸出。根據(jù)被驅動對象的不同，由直流伺服電機組成的伺服系統(tǒng)一般有三種基本控制方式，即位置、速度和力矩控制方式。通常位置和速度用得最多。本文主要討論的是速度控制。在伺服系統(tǒng)中，控制電路十分關鍵，它直接影響到系統(tǒng)的性能品質。在本章中我們首先討論直流伺服電機的特性，然后介紹直流伺服電機結構和工作原理，最后介紹了調速原理及調速方法2.1直流伺服電機的組成及工作原理伺服電動機又叫執(zhí)行電動機，或叫控制電動機。在自動控制系統(tǒng)中，伺服電動機是一個執(zhí)行元件，它的作用是把信號（控制電壓或相位）變換成機械位移，也就是把接收到的電信號變?yōu)殡姍C的一定轉速或角位移。其容量一般0.1-100W,常用的是30W以下。伺服電動機有直流和交流之分。直流伺服電機,它包括定子、轉子鐵芯、電機轉軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器,所述的轉子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉軸上構成。傳統(tǒng)直流伺服電動機的基本工作原理與普通直流電動機完全相同，依靠電樞電流與氣隙磁通的作用產生電磁轉矩，使伺服電動機轉動。通常采用電樞控制方式，即在保持勵磁電壓不變的條件下，通過改變電樞電壓來調節(jié)轉速。電樞電壓越小，則轉速越低；電樞電壓為零時，電動機停轉。由于電樞電壓為零時電樞電流也為零，電動機不產生電磁轉矩，不會出現(xiàn)“自轉”。直流伺服電機的機械特性直流伺服電機機械特性的一般表達式為分別為電機的電勢系數(shù)和轉矩系數(shù)；為電樞回路電阻。直流伺服電機的磁路一般不飽和，不必考慮交軸電樞反應的去磁作用。根據(jù)上式，可以得出直流伺服電機的機械特性圖，如圖1所示。圖1直流伺服電機的機械特性圖從圖1中可看出，機械特性是線性的。特性曲線與縱軸的交點為電磁轉矩為零時，電機的理想空載轉速，即。在實際電機中，當電機空載時，因它本身有空載損耗，電磁轉矩不可能為零，因此靠電機本身的作用是不可能使其轉速上升到的。機械特性與橫軸的交點為電機堵轉時（n=0）的轉矩，即電機的堵轉轉矩圖1中機械特性曲線的斜率的絕對值為：它表示了電動機機械特性的硬度，即電機的轉速隨轉矩T的改變而變化的程度。這個機械固有特性曲線的斜率，記為β，β用來衡量直流伺服電機的機械特性，根據(jù)β值的不同，可將電機的機械特性分為三類，（1）絕對硬特性；（2）硬特性；（3）軟特性。β值越小，曲線越平緩，速度上升的越慢，說明直流電機固有的機械特性較“硬”。若β值越大，則機械特性較“軟”。直流電機的機械特性是一條極為重要的特性，它與負載轉矩特性的配合將決定直流伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。直流電機調速方法根據(jù)電機機械特性公式即轉速公式可知：直流伺服電機的轉速在實際應用中有多種控制方法可以達到調速的目的，一般可以采用以下三種方法（1）改變勵磁電流來改變磁通φ；（2）改變加于電樞回路的端電壓U；（3）改變傳入電樞回路中的電阻我們選擇改變加于電樞回路的端電壓來控制電機轉速的方法。由機械特性方程式可知，改變電動機端電壓U的大小，即改變電動機機械特性的理想空載轉速的大小，而轉速降Δn是不受影響的，即機械特性的硬度不變。圖2改變電樞電壓調速特性所以改變電動機供電電壓U，其機械特性基本上是平行的上下移動。如圖2所示。改變電樞電壓來調節(jié)轉速，可實現(xiàn)無級調速，調節(jié)平滑，并且在整個調速范圍內機械特性硬度不變，穩(wěn)定性較好，可以調節(jié)至較低轉速。調速范圍寬。而且控制功率較小，效率較高，配上各種調節(jié)器可組成性能指標較高的調速系統(tǒng)，因此在工業(yè)中得到廣泛應用。直流伺服電機速度控制指標一般情況下，調速和穩(wěn)速在各種場合下都能碰到，我們給出調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。所謂穩(wěn)態(tài)性能指標是指系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的性能指標，如調速系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的調速范圍和靜差率等。下面具體介紹調速系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)性能指標。調速范圍：直流調速控制系統(tǒng)的調速范圍是指電動機在額定負載下，運行的最高轉速Nmax與最低轉速Nmin之比，稱為調速范圍，用D表示，即其中Nmax和Nmin對于調壓調速系統(tǒng)來說，通常將電動機的最高轉速Nmax視為其額定轉速。不同的生產工藝，所要求的調速范圍D是不同的，D越大，說明系統(tǒng)的調速范圍越寬。靜差率：系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所引起的額定轉速降落與理想空載轉速之比，稱作靜差率S，即靜差率是用來表示負載轉矩變化時電動機轉速變化的程度，它與機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速穩(wěn)定度越高。然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調壓調速系統(tǒng)在不同轉速下的機械特性是互相平行的，對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。動態(tài)特性：原來的穩(wěn)定狀態(tài)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，存在一個過渡過程，這就是直流電機的動態(tài)特性。伺服電機啟動方法直流伺服電機的啟動方法大致有三種：直接起動法、起動電阻法、改變電源電壓的壓降法，直接起動法是將恒定電壓的直流電源直接加到電動機上進行全電壓起動的方法，僅用于1kW以下的電動機上，起動電阻法，不論手動還是自動都是逐漸將啟動電阻切除的方法。這使結構復雜化。第三種調節(jié)電壓法，把電壓上升從零開始徐徐上升進行啟動。這種方法十分方便，由控制卡發(fā)出控制信號使輸出脈沖的高電平期間由0逐漸達到所要求轉速的脈寬值。本次我們主要研究改變電源電壓的壓降法。伺服電機特點直流伺服電機主要有以下幾個特點：（1）可以方便地實現(xiàn)在寬范圍內的無級調速，故多采用在對電動機的調速性能要求較高的場合；（2）啟動轉矩大，啟動電流小，直流伺服電動機的機械特性和調節(jié)特性其它直流電動機電樞控制時相應特性類似，所以它的啟動轉矩大，啟動電流小，調節(jié)范圍寬；（3）電動機輸出功率高；（4）調速精度高，調速范圍廣，過載能力強：制動特性良好，動態(tài)性能好；（6）轉子轉動慣量小，響應速度快：相同功率電機可以顯著減小電機的體積和重量；（7）結構簡單、可靠性高，穩(wěn)定性好，適應性強，維修與保養(yǎng)簡單；（8）高效率，其效率比同容量異步電動機高。第3章直流伺服電機調速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)設計由直流伺服電動機的轉速方程可知，在轉速不很低時,可忽略電樞兩端壓降，則直流電動機的轉速與端電壓近似成正比。因此，采用電壓負反饋能夠代替轉速負反饋的作用。而電壓的檢測顯然要比轉速檢測方便得多。這是由于采用電壓負反饋只是用一個起分壓作用的電阻作反饋檢測元件就可以了。我們采用BUCK電路的PI調節(jié)控制來對電機電樞兩端的電壓進行控制，以實現(xiàn)對電機轉速的控制。BUCK電路中電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設計的原則是使us(t)的直流分量可以通過，而抑制us(t)的諧波分量通過；電容上輸出電壓uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小紋波uripple(t)。電路工作頻率很高，一個開關周期內電容充放電引起的紋波uripple(t)很小，電容上電壓宏觀上可以看作恒定。電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值總是小于輸出電壓,通常電感中的電流是否連續(xù)，取決于開關頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值.簡單的BUCK電路輸出的電壓不穩(wěn)定，會受到負載和外部的干擾，當加入PID控制器，實現(xiàn)閉環(huán)控制。3.2主電路的選型要實現(xiàn)對電機的調速，只要對加在電機兩端的電壓進行調節(jié)。我們先確定了一個方案，先是用一個二極管整流橋將接入的220V交流電整流為直流，再用一個buck電路實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的調節(jié)。對于調速的實現(xiàn)通過一個外加電位器控制對buck電路的觸發(fā)脈沖的調節(jié)來實現(xiàn)對電機電壓的調節(jié)。對于電機轉向的控制，可以用四個MOSFET運用觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)對電機正反轉的控制。主電路如圖3所示：圖3直流伺服電機調速主電路圖整流電路：整流采用二極管整流，輸入電壓為220V交流電，輸出電壓為198V。電感L和電容C的值取經驗值。調壓電路：調壓電路采用buck降壓電路，可以實現(xiàn)電壓的平滑過渡，使得電機在運行時平穩(wěn)運行，不會出現(xiàn)過大的震動，電路的脈沖采用30000Hz的三角波，電感L和電容C的值取經驗值，對于電壓的調節(jié)采用電壓反饋閉環(huán)控制和通過電位器的調節(jié)共同控制，電壓傳感器的參數(shù)為0.05，電位器接11V的直流電壓，當輸出電壓為220時傳感器的得到的值剛好為11,通過一個比較器和PI調節(jié)器，再加一個限幅裝置使得閉環(huán)控制回路能夠有效可靠的控制輸出電壓的幅值，使得輸出電壓為想要得到的電壓。正反轉控制電路：這部分電路的主要功能是通過控制觸發(fā)脈沖的高低來實現(xiàn)對電機正反轉的控制當左側的脈沖為高電平時，電機正轉，為低電平時電機反轉。通過控制四個IJBT的開通和關斷，來實現(xiàn)對加在電機兩端電壓的正負的轉換，這個電路還應加上保護電路，和緩沖電路保證在電壓換相時不會出現(xiàn)短暫的高電壓和高電流沖擊。第4章基于PSIM的直流伺服電機調速系統(tǒng)的仿真結果前面章節(jié)分析了直流伺服電機數(shù)學模型，設計了直流伺服電機控制系統(tǒng)。在此基礎上，為了縮短開發(fā)周期，驗證控制算法乃至整個系統(tǒng)的可行性和有效性，需要有一個強大的仿真平臺和一個直觀、有效的仿真模型。本次我們采用PSIM6.0對電路進行仿真分析。PSIM是專業(yè)的電力電子與電機控制仿真軟件，與其他通用性仿真軟件相比，占用資源少，仿真速度快。該軟件主要應用于基本電力電子電路設計、電氣傳動系統(tǒng)設計、電機設計、新能源發(fā)電系統(tǒng)設計等領域，基本覆蓋了電力電子與電氣傳動領域的主要內容。PSIM軟件在電力電子應用系統(tǒng)設計課程教學中有以下特點：特點一：PSIM軟件的基本操作簡單，學生能夠較快掌握并進行簡單的電路設計，易于入門。特點二：包含電力電子技術課程中涉及的全部元件，能夠實現(xiàn)模擬控制和數(shù)字控制，便于將控制理論的基本方法應用于電力電子系統(tǒng)設計。特點三：對于復雜的電力電子應用系統(tǒng)，PSIM可以通過編寫動態(tài)鏈接庫（DLL）的方法實現(xiàn)控制算法，同時能夠與其他仿真軟件配合使用，增強了仿真系統(tǒng)的擴展性，為希望深入學習的學生提供了有力的工具支持。特點四：針對可再生能源領域，PSIM具有光伏電池模塊和風機模塊，通過配置參數(shù)得到設計所需的仿真模型，提高了仿真效率。電機電樞端電壓：電機正反轉轉速：第5章結論這個課題具有很強的實用性，它在我們日常生活中無所不在，電力電子技術已發(fā)展成為一種應用極其廣泛的技術。該課題屬于電力電子方面，隨著電力電子器件的不斷向大容量化、高頻化、易驅動、降低導通壓降、模塊化的發(fā)展，它的應用將更為廣泛，同時，它集各優(yōu)點于一身將在電力電子電路中表現(xiàn)出非凡的性能。通過對直流伺服電機及其調速系統(tǒng)理論的認真地學習和深入地研究，針對電機運行的可靠性及經濟性設計完成了小功率直流伺服電機調速系統(tǒng)的設計。本選題設計了一種直流伺服電機的直流調速電路，該電路具有電壓負反饋、限流設定、軟起動等功能，并且體積小、調速范圍寬、性能好、調速平滑、操作方便、成本低等優(yōu)點。可廣泛應用于各種要求調速指標不高的小功率直流伺服電機的調速場合中。參考文獻[1]陳伯時.電力電子技術與電機調速[J].電機與控制應用,1993(01):45-48.[2]黃操軍,陳潤恩,王桂英.變流技術基礎及應用[M].北京:中國水利水電出版社,2001.4-10,15-28.[3]孫慧賢.新型軟開關PWMBuck電路研究[D].湖南：國防科技大學，2004.[4]龔偉家.基于BUCK電路的數(shù)字DC/DC變換器[D].電子科技大學，2013.[5]謝卓輝.直流調速系統(tǒng)的全數(shù)字控制[D].湖南:湖南大學,2001.[6]楊興瑤.電動機調速的原理及系統(tǒng).水利電力出版社,1995.[7]金楠楊存祥.PSIM軟件在電力電子技術課程教學中的應用研究[A].中國電力教育，2013，27-0111-02[8]姜宇.直流電機調速系統(tǒng)的設計方法探討[J].中山大學研究生學刊(自然科學、醫(yī)學版),2007,28(2).91-105.[9]王桂英,賈蘭英.電機與拖動[M].沈陽:東北大學出版社,2004.293-295.[3]曲世勃.納米伺服電機的研究[D].吉林:長春理工大學,2005.[10]李曉秀.微機直流伺服系統(tǒng)的設計與研究[D].湖南:湖南大學,2004.[11]曹登場.基于單片機的磨片機直流調速系統(tǒng)[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2008.[12]張金男.基于PLC控制技術的大功率直流電機調速系統(tǒng)的研究與設計[D].大連:大連海事大學,2007.[13]史國生,趙家璧.交直流調速系統(tǒng)(第二版)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.1-22.[14]王淑芳.電機驅動技術[M].北京:科學出版社,2008.199-207.[15]張曼若.無刷直流電動機的發(fā)展與應用[J].微電機,1995,28(1):23-25.[16]楊琳琳.數(shù)字直流調速系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].安徽:合肥工業(yè)大學,2008.[17]張曼若.無刷直流電動機的發(fā)展與