2KW直流电动机调速系统电源系统研究开题报告

在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现调速。

在可调速系统中，按照电动机的类型来分，可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。

直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为：

根据公式可以知道实现调速有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U，改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

（2）减弱励磁磁通，改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 变化时间遇到的时间常数同 变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

对于要求在一定范围内的无级平滑调速系统来说。以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。

直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。调节主磁通 一般还是通过调节励磁电压来实现，所以，不管是调压调速，还是调磁调速，都需要可调的直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：

（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流电动机组成机组，获得可调的直流电压。由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流 即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。

（2）静止式可控整流器。用静止式可控整流器获得可调的直流电压。晶闸管问世以后，变流技术出现了根本性的变革。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管－电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。图1所示是V-M系统的原理框图，图中V是晶闸管可控整流器，它可以是任意一种整流电路，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流输出电压平均值 ，实现电动机的平滑调速。

  图1 晶闸管－电动机调速系统原理框图（V-M系统）

（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定电流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。

图2为直流斩波器的原理电路和输出电压波型，图中VT代表开关器件。当开关VT接通时，电源电压U。加到电动机上；当VT断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图2（b）所示。

图2　直流斩波器原理电路及输出电压波型 

（a）原理图　　（b）电压波型

电动机电枢端电压的平均值为：     

式中，T     开关器件的通断周期；

          开关器件的导通时间；

         占空比；

           开关频率。

 由公式可知，直流斩波器的输出电压平均值可以通过改变占空比，即通过改变开关器件导通或关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种：

（1）脉冲宽度调制（pulse width modulation，简称PWM）。开关器件的通断周期T保持不变，只改变器件每次导通的时间 ，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽。

（2）脉冲频率调制（pulse frequency modulation，简称PFW）。开关器件每次导通的时间 不变，只改变通断周期T或开关频率 ，也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频。

（3）两点式控制。开关器件的通断周期T和导通时间 均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的。

构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断的能力，必须有附加的关断电路，增加了装置的体积和复杂性，增加了损耗，而且由它们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动较大，调速范围有限。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产了多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管（GTO），电力电子晶体管（GTR），电力场效应管（P-MOSFET），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系统（简称PWM调速系统）近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，与V-M调速相比，PWM调速系统有以下优点：

（1）采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。

（2）由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。

（3）PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。

（4）主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。

1.2研究意义。

1.2.1直流电机调速系统的意义

直接电动机具有良好的起、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。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。

1.2.2电源系统的意义

    直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。调节主磁通 一般还是通过调节励磁电压来实现，所以，不管是调压调速，还是调磁调速，都需要可调的直流电源。

1.3国内外相关研究情况

1.3.1国内发展情况

我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。用于中、小功率的 0.4～200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。

目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：

（1）直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。

（2）直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。

（3）单神经元自适应智能控制的方法。该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。

（4）模糊控制方法。该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。

1.3.2国外发展情况

随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。

目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。如西门子公司生产的SIMOREG-K 6RA24 系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量

针对一个大功率直流电动机，建立一个单片机系统，分析直流调速原理。分析常用的直流电机调速电源系统。设计一个调速电源。给出控制电路和控制软件。

2.2采用的研究方法或措施

闭环控制系统在反馈控制系统中，不管出于什么原因，只要是被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些有点因此选用闭环系统。

变压调速是直流调速系统的主要方法，随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径来实现，其中PWM便是常用的改变电枢电压的一种方法。PWM是按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，改变逆变电路的输出电压的大小和输出的频率。

通过单片机控制器产生PWM矩形波，PWM矩形波经过驱动电路的放大对直流电机进行PWM控制，由速度传感器对电机进行厕所，并将测得的速度到输入端让反馈信号跟给定量进行比较，从而达到对直流电机的较为精确的控制。

图3直流电动机PWM调速系统原理图

3.2设计直流电动机调速系统之电源硬件系统电气原理图

3.3编写单片机应用程序，给出流程图和部分软件。

重点：直流电机调速系统的电源系统设计。

难点：单片机自动控制电动机恒速旋转，驱动电路的设计

4.2前期已开展工作

1.收集直流调速系统的电源系统的设计资料，查阅相关文献。

2.资料总结，与指导老师交流，直流调速系统的电源系统的设计方法综述。

指导教师：                   

                                                       年   月   日

                                教研室主任：                   

                                                 年   月   日