力矩电机调速控制器的设计.docx
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力矩电机调速控制器的设计
力矩电机调速控制器的设计
学校:
昆明理工大学
学院:
应用技术学院
姓名:
***
专业班级:
电子信息工程081
指导教师单位:
应用技术学院
指导教师姓名:
仉月仙
指导教师职称:
讲师
Torquemotorspeedcontrollerdesign
University:
KunmingUniversityofScienceandTechnology
Faculty:
FacultyofAppliedTechnology
Name:
WuWenYa
Professionalclass:
ElectronicInformationEngineering081
FacultyAdviserUnit:
FacultyofAppliedTechnology
FacultyAdviserName:
ZhangYueXian
ProfessionalTitle:
Lecturer
摘要
力矩电动机,是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机,具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。
力矩电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒转矩输出动力。
力矩电机的特性使其适用于卷绕,开卷、堵转和调速等场合及其他用途,它广泛应用于机械制造、纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等工业中。
而力矩电机的的调速方法以调压调速的方法为最佳的调速方法。
本课题是一种主回路用双向晶闸管,控制回路由运算放大器、集成触发器组成的调压调速控制器和三相力矩电机构成的调压调速系统。
关键词:
调压调速三相力矩电机控制器
Abstract
Torquemotor,withasoftmechanicalpropertiesandthewidespeedrangeofspecialmotor,withlowrotationspeedtorqueoverloadabilityoffastresponsecharacteristicsgoodlinearitytorquefluctuationcharacteristicsofsmalltorquemotorshaftisnotconstantpoweroutputpowerbutwithconstanttorqueoutputpower.
TorquemotorofpropertiesthatmakeitapplytowindingopenbookstallandspeedregulationandsoonandheUSES,itiswidelyusedinmechanicalmanufacturingtextilepaperrubberplasticmetalwireandcableandotherindustry
Andthetorquemotorspeedcontrolmethodtopressureregulatingspeedmethodisthebestcontrolmethod
Thistopicisamaincircuitwithtwo-waythyristorandcontrolcircuitbyoperationalamplifierintegrationoftriggerpressureregulatingspeedcontrollerandthree-phasetorquemotorconsistsofthesurgespeedregulationsystem.
Keywords:
variablevoltagecontrolThree-phasetorquemotorcontroller
前言
力矩电机具有软机械特性和宽调速范围的特种电机,具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。
力矩电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒转矩输出动力。
力矩电机的机械特性可以在现代伺服驱动装置的控制下实现较高的刚度,因此可以代替原来机械传动装置实现直接驱动。
目前已经有采用力矩电机为核心动力元件的数控回转工作台和数控摆角铣头等产品。
这些产品在体积功率比上还不如机械传动装置当,但由于其没有传动间隙,没有磨损,传动精度和效率高等优势,已经开始在精密装备上推广使用行。
堵转:
在某些特殊场合中,有时要求电机在一段时间内保持一静止的力矩,如电缆收卷起始阶段须保持张紧;大型锻压机的锻件夹持装置等。
由于力矩电机的阻抗较大;其堵转电流较小,同时采用了强迫通风,所以能满足一定时间内的堵转要求。
允许堵转时间应按铭牌上标定值,如需较长的堵转时间,可选用较大的力矩电机,通过降低力矩电机的端电压来获得。
力矩电机还可根据其多种特点灵活应用,如本身具有直流串励电机特性,可部分代替直流电机使用;又如根据其转子具有高电阻特性,起动(堵转)转矩大,故可应用在启闭闸(阀)门以及阻力矩大的拖动系统中;也可利用其起动(堵转)转矩大,起动(堵转)电流小,实心转子的机械强度高的特点,而使用于频繁正、反转的装置或其他类似动作的各种机械上。
近年来,由于新型功率半导体器件、集成电路及微处理机的开发应用。
交流调速已取得新的进展。
目前对容量较大、要求较高的交流调速装置,大部分采用带微型机的控制系统,单为小型交流异步电动机提供结构简单、廉价、运行可靠的调速装置也是一个不容忽视的问题。
变频调速、矢量变换控制等系统能获得良好的调速性能,大多线路复杂、成本高、维护不变;串级调速只适用于线绕式异步电动机,在一定程度上影响了它的推广。
交流调压调速系统基本上没有以上缺点,在要求不太高的场合能满足调速需要。
本课题就是一种主回路采用三只双向晶闸管,控制回路有集成芯片构成的调压调速线路。
第一章绪论
1.1力矩电机
力矩电机的特点是具有软的机械特性,可以堵转。
当负载转矩增大时能自动降低转速,同时加大输出转矩。
当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速。
但转速的调整率不好!
因而在电机轴上加一测速装置,配上控制器。
利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比,来自动调节电机的端电压.使电机稳定!
具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点,可直接驱动负载省去减速传动齿轮,从而提高了系统的运行精度。
为取得不同性能指标,该电机有小气隙、中气隙、大气隙三种不同结构形式,小气隙结构,可以满足一般使用精度要求,优点是成本较低;大气隙结构,由于气隙增大,消除了齿槽效应,减小了力矩波动,基本消除了磁阻的非线性变化,电机线性度更好,电磁气隙加大,电枢电感小,电气时间常数小,但是制造成本偏高;中气隙结构,其性能指标略低于大气隙结构电机,但远高于小气隙结构电机,而体积小于大气隙结构电机,制造成本低于大气隙结构电机。
力矩电动机输出低转速、大力矩的伺服电动机。
为了省去或简化机械变速机构,往往在驱动控制系统中采用力矩电动机来驱动机械负载。
力矩电动机反应速度快,转速波动小,能在高转矩低转速下稳定运行,机械特性和调节特性线性度好,具有高耦合刚度。
因此,它特别适合于在位置控制系统和宽调速系统中作执行元件,也适用于需要大转矩、低速、转速调节、转速反馈和需要一定张力的场合。
根据所用电源,力矩电动机可分为直流力矩电动机和交流力矩电动机。
直流力矩电动机一种特殊形式的直流伺服电动机。
大多采用永磁励磁。
其基本要求与直流伺服电动机相似。
为了获得大的输出转矩和低的转速,一般作成扁平结构。
电机电枢铁心长度和外径之比很小。
为了使电机工作稳定,电机的输出转矩不能超过最大堵转转矩。
后者又称峰值堵转转矩。
与峰值堵转转矩相应的电枢电流称为峰值堵转电流。
如果电枢电流超过峰值堵转电流,电机便去磁,需要重新充磁才能正常工作。
为了减小转矩和转速的脉动,定子采用多对磁极,电枢选用较多的槽数、换向片数和串联导体数。
力矩波动△M表示电枢处于不同位置时的输出力矩的变化。
连续堵转转矩直流力矩电动机采用大内孔扁平结构,有利于电机直接套在负载轴上,提高系统的耦合刚度,使系统反应迅速,频带展宽,稳定工作,满足动态要求。
电机常数KL是力矩电动机的一个重要指标,它表示峰值堵转转矩与输入峰值堵转功率平方根之比,(千克力米/瓦1/2)。
KL既反映了电机本身的利用率,又考虑到电机所消耗的功率。
交流力矩发动机主要运行在大负载、低转速状态,也可短期或长期运行在堵转状态,其速度控制主要通过测速电机速度反馈和控制张力大小二种方法来实现。
交流力矩发动机目前已广泛用于电影胶片冲洗、轻工化纤、纺织、电缆、塑料及造纸等卷绕装置中。
力矩电机广泛应用于机械制造、纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等工业中。
1.2调压调速
调压调速是异步电动机调速系统中比较简单的一种。
由电机原理可知,当转差率S基本不变时,电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比,因此,改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性,从而达到调节电机转速的目的。
近年来,随着电力电子技术的发展多用双向晶闸管来实现交流调压。
双向晶闸管调压的触发控制方法有两种:
一种是相控技术,通过改变晶闸管的触发相位改变电压输出波形以实现调压。
采用相位控制技术的问题在于其输出电压所含谐波分量比较大。
另一种方法是整周波通断控制,即将双向晶闸管用作交流过零开关,交替地接通和阻断n个周波的电源交流电压,用改变接通时间和阻断时间之比来控制输出电压的有效值。
但是晶闸管的通断控制用于异步电动机定子时,通断的频率不能太低,否则一方面会引起电机转速的波动,另一方面会引起大电流冲击。
这时因为每次的接通相当于依次重合闸过程,当电源开断时电机气隙中磁场由转子中的瞬态电流维持,并随转子旋转;磁场在定子绕组中感应的电势频率将有所变化.
1.3课题研究的背景及其意义
随着科学技术的发展,三相交流力矩电动机市场竞争越来越激烈,这使得力矩电机得到了飞速的发展,同时,也就需要力矩电机的调速控制器要得到相应的发展和创新。
根据国家统计局、工商局、税务局、海关总署、国务院发展研究中心、发改委、商务部、国家信息中心、各大商用数据库、相关行业协会、报刊杂志及各市调公司所公布的资料撰写,本报告是相关企业、相关研究单位及银行政府等准确、全面、迅速了解目前该行业发展动向、把握企业战略发展定位方向不可或缺的专业性报告,即:
《2011-2016年中国三相交流力矩电动机市场分析及发展前景研究报告》也对力矩电机未来发展前景进行了分析。
它广泛应用于机械制造、纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等工业中。
在机械制造、纺织、造纸、橡胶、塑料、金属线材和电线电缆等工业中,需要将产品卷绕在卷筒上。
卷绕的直径从开始至末了是越卷越大,为保持被卷物张力均匀,就要求卷筒转速越卷越小,卷绕力越卷越大。
这也促使了力矩电机的发展。
也促使了力矩电机的调速控制器的发展。
1.4设计的主要目标任务
本文的研究课题是力矩电机的调速控制,力矩电机的调速控制是通过调节电压的大小来调节力矩电机的转速的快慢的。
主要内容是使用双向晶闸管来控制主回路。
控制回路由运算放大器、移相触发器和测速电机等来构成。
可总结主要内容可以分为以下几步:
1、掌握主回路中双向晶闸管的作用;
2、了解掌握移相触发器结构和原理;
3、掌握运算放大器的作用
4、了解掌握测速电机和力矩电机;
5、根据所学的基础知识,以及对移相触发器、双向晶闸管、运算放大器的掌握,设计完成力矩电机调速控制器。
6、调整子电路的结构和参数,使其满足设计要求。
本课题在完成制作的时候包括:
主回路、控制回路和电源三个部分。
第二章设计方案及其论证
力矩电机调压调速系统的原理框图如下:
图2-1系统原理
由异步电动机的转差率与转速之间的关系:
其中:
S为转差率,n为转子转速f为电源频率,p为极对数。
由此可知,改变极对数p、电源频率f及转差率s都可以改变转速n。
而改变定子端电压是一种比较简单的调速方法。
由高转差率的三相力矩电动机带测速发电机和控制器组成闭环控制系统,通过控制晶闸管的导通角来改变加在电机上的定子电压“进行调速”。
一般异步电动机在调压时的机械特性如图1,图中100%Un是指在电动机绕组上所加的额定电压。
由图可见,在一定的负载Tn时,改变定子电压只能使电动机的转速在不太范围内变化,变化范围最大只是O~Sm,如果电机在S>Sm的低速运行,一方面电机运行不稳,另一方面电机过热而易损坏。
当它拖动恒转矩负载时,调速范围很窄,因而只能拖动风机、泵类负载。
如果拖动恒转矩性质的负载,并希望有较宽的调速范围,则应采用高转差率电动机三相力矩电动机就是其中的一种三相力矩电机具有图2的调压特性,从图中可以看出.在负载转矩Tu恒定的情况下,只要连续地调节电机的端电压U,就可以有效地凋节电机的转速n,达到了无级调速的目的。
本调压调速系统属于改变转差率的诵速方式,深调速时(S比较大)消耗在电路中的转差功率比较大,电动机运行效率降低,发热厉害。
对电机采用力矩电机的设计方法。
电磁参数的设计保证在高速时获得额定的输出转矩。
同时考虑到低速时电机发热严重,故采用强迫风冷。
图2所示,力矩电机的机械特性比较软,负载转矩稍有波动,转速将作大范围波动,在低速时转速稳定性较差。
为了提高转速的稳定性.在调速系统中通常采用闭环调压方式,以获得比较硬的机械特性,减小静差度,加大调速范围。
图1改变电动机定子电压的机械特性
图2高转子电阻电动机在不同定子电压时的电动机机械特性
因此本课题我采用了调压调速的方法来对力矩电机进行调速的。
本方案设计主要分为三个部分:
1、主电路
主要是由双向晶闸管、电阻、电容等组成的。
通过控制双向晶闸管的导通角来控制力矩电机定子电压的大小来控制力矩电机转速的快慢,来构成主电路部分的。
2、控制电路
把测速反馈电压和电源电压通过运算放大器后得到一个电压,再把这个电压经过移相触发器产生一个脉冲,再通过脉冲变压器,传送给双向晶闸管,控制力矩电机的转速。
3、电源
把220V交流电降压整流滤波稳压后,变成双15V的电源电压。
第三章系统硬件电路设计
3.1电源模块设计
3.1.1电源的方案设计
我想要设计一个±15V的电源。
首先通过变压器把220V电压降为可用的双电压,经过整流桥的整流,完后通过电容滤波,再经过7815和7915芯片的稳压就可以得到±15V的电压了。
3.1.2元器件的选择
1.变压器的选择
根据整流前后的电压可知U后=0.9U前,要得到正负15V的电压,变压器降压后的电压就要大于15V,应该选220V降为17V的变压器为好,但是实验室没有这一型号的变压器,于是我就是用了I/P:
220VAC50HzO/P:
15x2的变压器了。
2.整流部分的选择
这部分我使用了整流桥。
整流桥堆一般用在全波整流电路中,它又分为全桥与半桥。
全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的,图是其外形。
全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A等多种规格,耐压值(最高反向电压)有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。
选择整流桥要考虑整流电路和工作电压。
根据考虑到整流电路和工作电压,我这部分的整流桥应该选择1A/50V的整流桥,但是实验室只有2A/1000V的整流桥,其型号为2W10,我就选择了实验室有的整流桥了。
3.滤波稳压部分的选择
这部分的滤波电容是根据资料和经验来选择的。
而稳压部分则使用三端稳压器7815和7915,其介绍如下:
7815:
功能介绍
7815为三端正稳压器电路,TO-220F封装,能提供多种固定的输出电压,应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时,输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路,但使用外接元件,可获得不同的电压和电流。
一般的双电源(正负对称电源)都没有连续可调的功能,给使用带来一定程度上的不便。
用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接,可获得一组正负对称的正负15V稳压电源。
如果能够提供足够的散热片,它们就能够提供大于1.5A的输出电流。
虽然是按照固定电压值来设计的,但是当接入适当的外部器件后,就能能获得各种不同的电压和电流。
主要特点:
图3-17815引脚图
过热保护、短路保护、输出晶体管SOA保护
输出电压有:
5V、6V、8V、9V、10V、11V、12V、15V、18V、24V
输出电流可达1A
7815极限值(Ta=25℃)
VI——输入电压(VO=5~18V)……………………………35V
(VO=24V)………………………………40V
RθJC——热阻(结到壳)………………………………5℃/W
RθJA——热阻(结到空气)…………………………65℃/W
TOPR——工作结温范围……………………………0~125℃
TSTG——贮存温度范围…………………………-65~150℃
7915:
功能介绍:
7915为三端负稳压器电路,TO-220F封装,能提供多种固定的输出电压,应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时,输出电流可达1A。
一般用78XX和一块79XX三端稳压器对称连接的双电源(正负对称电源)没有连续可调的功能,但是可以外接电阻实现输出电压值可各自单独调节。
主要特点:
过热保护
短路保护
输出晶体管SOA保护
输出电压有:
79XX系列有5V、6V、8V、9V、10V、11V、12V、15V、18V、24V
输出电流可达1A
7915极限值(Ta=25℃)
VI——输入电压(VO=-5~18V)…………………………35V
(VO=24V)………………………………40V
RθJC——热阻(结到壳)…………………………5℃/W
RθJA——热阻(结到空气)………………………65℃/W
TOPR——工作结温范围…………………………0~125℃
TSTG——贮存温度范围…………………………-65~150℃
引脚示意图
图3-27915引脚图
3.1.3电源电路的电路图
图3-3电源电路图
3.1.4元器件明细表
表1电源电路元件明细表
名称
型号数量
总数量
变压器
I/P:
220VAC50Hz
OP:
15Vx2
1
整流桥
W10
(1)
1
电解电容
1000uF/25V
(2)、10uF/25V
(2)
4
芯片
7815
(1)、7915
(1)
2
3.2主电路的模块设计
3.2.1主电路方案设计
这部分电路就是用控制电路中送来的脉冲信号,来控制双向晶闸管的导通角来控制加在力矩电机上的定子电压大小,从而控制了力矩电机的快慢。
由于加在晶闸管上的正向电压上升率dv/dt也应该有所限制,如果dv/dt过大,由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流,该电流可以实际上起到触发电流的作用,使晶闸管正向阻断能力下降,严重时引起晶闸管误导通。
为抑制dv/dt的作用,可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路。
3.2.2元器件的选择
本科题选用BT136的原因有:
1、它符合课题所需求的条件;2、实验室里有这个型号的可控硅,可以节约成本。
熔断器我是使用的实验室有的空气开关代替的。
R-C阻容吸收回路的电阻我使用的是5W120欧的电阻,电容则是用CJ10型金属化纸介电容0.22uF±10%/400V来组成的。
电容的选择:
C=(2.5-5)×10的负8次方×If
If=0.367Id
Id-直流电流值。
电阻的选择:
R=((2-4)×535)/If
PR=(1.5×(pfv×2πfc)的平方×10的负12次方×R)/2
Pfv=2u(1.5-2.0)
u-三相电压的有效值
双向可控硅的介绍
双向可控硅是在普通可控硅的基础上发展而成的,它不仅能代替两只反极性并联的可控硅,而且仅需一个触发电路,是比较理想的交流开关器件。
其英文名称TRIAC即三端双向交流开关之意。
尽管从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合,但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。
小功率双向可控硅一般采用塑料封装,有的还带散热板。
典型产品有BCMlAM(1A/600V)、BCM3AM(3A/600V)、2N6075(4A/600V),MAC218-10(8A/800V)等。
大功率双向可控硅大多采用RD91型封装。
双向可控硅属于NPNPN五层器件,三个电极分别是T1、T2、G。
因该器件可以双向导通,故除门极G以外的两个电极统称为主端子,用T1、T2。
表示,不再划分成阳极或阴极。
其特点是,当G极和T2极相对于T1,的电压均为正时,T2是阳极,T1是阴极。
反之,当G极和T2极相对于T1的电压均为负时,T1变成阳极,T2为阴极。
双向可控硅由于正、反向特性曲线具有对称性,所以它可在任何一个方向导通。
BT136双向可控硅的主要用途及特点:
家用电器控制电路、变频电路、调光、调温、调速电路。
封装形式:
TO-220
特点:
击穿电压高、输出电流大。
参数特:
断态重复峰值电压VDRM:
600V
反向重复峰值电压VRRM:
600V
通态平均电流IT:
4A
通态不重复浪涌电流ITSM:
40A
最高结温Tjm:
110℃
贮存温度Tstg:
-55~150℃
图3-4BT136引脚图
3.2.3主电路电路图
图3-5主电路电路图
3.2.4元器件明细表
表2主电路元件明细表
名称
型号大小数量
总数量
电容
01uF/400V(3)
3
电阻
120(3)
3
双向可控硅
BT136(3)
3
力矩电机
YLJ5638-1380V0.35A50Hz670r/min
1
1uF/400V的电容我就用CJ10型金属化纸介电容0.022uF±10%/400V来组成,由5个这种电容并联组成。
3.3控制电路部分设计
3.3.1控制电路方案设计
把给定信号和测速反馈信号从集成运放的输入端输入,经过集成运放后输出端则会按一定比例放大。
再把放大了的信号送给可控硅触发电路(这部分我用的是KC05芯片来实现的).通过可控硅触发电路把前一部分送来的放大信号与移相控制电压进行比较放大,再有KC05芯片的9脚输出一触发脉冲给脉冲变压器,使的脉冲变压器产生双脉冲(一组供自身使用,另一组去补充其他一相)来控制来控制主电路中双向晶闸管的导通。
3.3.2控制电路元件的选择
测速反馈这部分我就是直接使用的直流测速发电机来测得反馈信号。
而直流测速发电机是一种测速元件,它把转速信号转换成直流电压信号输出。
直流测速发电机广泛地应用于自动控制、测量技术和计算机技术等装置中。
对直流测速发电机的主要要求是:
(1)输出电压要严格地与转速成正比,并且不受温度等外界条件变化的影响;
(2)在一定的转速下,输出电压要尽可能的大;(3)不灵敏区要小。
集成运放器我选择的UA74
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