工业电磁制动器控制方法的研究_本科毕业设计论文(编辑修改稿)

工业电磁制动器控制方法的研究_本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

，通过灵活、精确地控制晶闸管的导通角或 IGBT 的占空比来调节电磁线圈中电流的大小，实现对电 磁制动器的数字化控制。 其优点是用到的器件较少，一块单片机可以代替大量的数字 和模拟 器件，成本低；其缺点是稳定性问题一直让可编程器件在工业控制领域止步不前。 2 利用运算放大器、三极管、逻辑门电路等数字、模拟器件组成的硬件电路作为控制电路，主回路由整流二极管、晶闸管、续流二极管组成。 其优点是稳定性高，能够适应复杂的工作环境，执行速度快；其缺点是电路复杂，设计开发周期长 [1618]。 3 对于稳定性、节能性和功率器件产生的 “电力公害 ”的研究，主要是针对工业电磁制动器在复杂的工业环境中稳定运行和节能控制以及减少器件产生的谐波对电网的影响所进行的研究 [1920]。 4 对于系统自动智能控制方向的研究， 随着科学技术的发展，自动化技术在工业领域的应用越来越广泛 [2122]。 保护、监测和控制逐步达到自动化，对于工业电磁制动器的安全、稳定运行是十分重要的，且其重要性和作用正逐渐增大。 在某些方面，比如温度监测、无线数据传输、数字化控制 自动化技术 是必不可少的。 实现工业电磁制动器自动化控制 就是 采用现代电子、通信和计算机等技术和装备对工业电磁制动器 实行自动 控制 ， 方便用户对工业电磁制动器在正常运行和事故情况下进行监测、保护、控制和 管燕山大学本科生毕业设计（论文） 4 理，大大提高 控制系统的稳定性、安全性、 可操作性，提高了工作效率。 本论文的主要内容 论文的主要内容如下： 1 主要阐述工业电磁制动器的 运行 规律， 设计了 单片机对于晶闸管的控制方法，其中包括单片机过零检测电路的实现、晶闸管的选型和 单片机控制 程序的编写。 2 阐述了 “电力公害 ”的产生原因以及 常用的抑制方法。 3 提出了控制系统保护电路的设计方案、单片机抗电磁干扰的电路设计方案、自动复位及报警电路的设计方案，目的是最大限度的保证控制系统稳定运行。 通过实际调试总结了装置存在的硬件原因，并提出了修改方案 ， 提出 了人机交互界面的设计方案，包括 LCM12864 液晶的控制、主从机通信的实现方案。 提出了信息无线传输的设计方案，利用 无线通信模块 24L01 将工业电磁制动器的运行状态信息实时反馈到主控室，大大方便了用户操作。 4 介绍了电路仿真软件 Multisim，并用 Multisim 进行了主控电路的仿真，通过反复调节电路参数得到了 理想的 仿真数据 及其图像。 介绍了 PCB制作软件 Altium Designer，用 Altium Designer 软件绘制出控制电路和信号电路的原理图、 PCB 图，并用热转印的方法制作出了实物硬件电 路，经过测试，电路运行状态良好。 第 2 章 系统方案的选择与论证 5 第 2章 系统方案的选择与论证 设计要求 产品 应用于 工业控制场合，要求具有较高的稳定性，因此在选用器件时要注意预留一定的余量。 为了实现对工业电磁制动器的精确控制，需要实现数字化控制。 为了保证系统稳定可靠运行，系统的电源要求用市电即220V 交流电，其电源质量一定要符合工业要求。 为了方便用户管理和操作，系统的人机交互界面要求简洁实用，可以实时显示控制系统的运行状态。 为了 监测 主控芯片的 状态，需要设计温度 监测 模块，防止芯片因温度过高而烧毁。 为了实现远距离监控，系统需要设 计信息无线传输部分。 工业电磁制动器控制方案的 选择 工业电磁制动器的控制规律是 高电压或大电流启动，低电压或小电流维持。 根据实际参数得出工业电磁制动器在启动时需要一个大约持续 的高电压或大电流，之后只需要一个小的电流维持其运行即可。 因此决定采用晶闸管作为主控器件，在工业电磁制动器开始启动时给予晶闸管一个大的导通角， 后在给予晶闸管一个较小的导通角，让其维持运行状态。 目前的控制方案有两种：一种是采用模拟器件组成控制电路，另一种是采用可编程数字器件组成 的控制电路。 1 采用模拟器件组成控制电路 模拟电路具有抗干扰能力强的优点， 在可编程数字器件广泛应用之前都是应用模拟器件搭建控制电路， 但其缺点是 电路复杂， 修改参数困难，开发周期长，控制精度不高、易受温度漂移的影响。 2 采用可编程数字器件组成控制电路 数字式触发电路是通过脉冲定时计数的方式实现触发角的延迟计算。 与模拟方式相比，其控制精度高，但其主要缺点是稳定性较差，在复杂的工业环境中，程序容易出现跑飞现象，因此采用可编程数字器件组成的控制电路需要充分考虑电磁兼容的问题，提高 可编程数字器件的 稳定性。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 考虑到模拟和数字电路各自的优缺点， 为了调试系统方便 ，得到较高的控制精度， 本次 毕业 设计决定采用可编程数字器件组成控制电路，即采用单片机作为主控芯片，通过调节晶闸管导通时刻的相位来达到控制 晶闸管 输出 电流大小 的目的。 晶闸管的移相触发方式具有调节周期短，调节分辨率高的特点。 晶闸管型号的选择 根据实际测量数据得到工业电磁制动器的阻抗约为 ，其供电电源采用 220V 交流电，因此器件大约要经受住 40A 电流。 为了减小晶闸管产生的电流谐波问题，决定采用双向晶闸管，根据仔细分析比较决定采用BTA40600B， 其中 BT 的含义是双向可控硅系列， A 的含义是绝缘， 40 的含义是可流过的最大电流为 40A， 600 的 含义是耐受电压为 600V， B 的含义是触发电流 50mA， BTA40 适用于通用交流电源，可以很好的对抗冲击电流， 器件温度范围为 40~+150℃ ，封装类型为 TOP3，可以加装散热片。 晶闸管 触发 方案的选择 晶闸管作为一种可靠的控制器件，广泛地被用作各种控制系统的执行器件。 晶闸管是一种大功率的半导体器件，具有弱电控制，强电输出的特点，只需要很小的功率，就可以控制较大的电流。 晶闸管的 触发 方案 通常有两种，一种是 经脉冲变压器 触发，一种是用光耦合器隔离触发。 1 使用光 耦隔离器的触发方案 在要求触发脉冲较宽的晶闸管控制系统中，常用光耦合器组成晶闸管触发电路。 常用的触发器件有 MOC304 MOC3061 等，但是 MOC3061自带过零检测电路，不能实现移相控制， 所以 不能实现对工业电磁制动器的精确控制。 因此决定采用 MOC3041 作为触发器件。 MOC3041 是双向晶闸管输出型的光耦合器，输出端的额定电压为 400V，最大输出电流为 1A，最大隔离电压 7500V，输入端控制电流小于 15mA。 MOC3041 作用是隔离单片机系统和触发外部的双向晶闸管。 当负载为感性负载时，由于电压上升率 dtdv 较大，有可能超出 MOC3041 允许的范围。 在阻断的状态下，晶闸管的 PN 结相当于一个电容，如果突然收到正向电压，充电电流 流过门极第 2 章 系统方案的选择与论证 7 PN 结时，起到了触发电流的作用。 当电压上升率 dtdv 较大时，就会造成MOC3041 的输出晶闸管误导通。 因此，在 MOC3041 的输出回路中加入电阻和电容组成的 RC 回路，降低电压上升率 dtdv ， 使 dtdv 在允许的范围内。 按照 MOC3041 的技术指标，允许最大电压上升率 dtdv =10V/us。 结温上升时 ， dtdv 下降，在极端的工作条件下， dtdv =。 在实际应用中 ，太大的电压上升率，对于双向晶闸管是不允许的，所以在控制功率较大的使用场合，双向晶闸管需要加电阻电容串联的 RC 回路。 2 使用脉冲变压器的触发方案 脉冲变压器触发方式可以减少晶闸管门极的功耗以及触发信号放大电路的功耗。 脉冲变压器用于隔离主回路与触发电路， 并把触发脉冲加到晶闸管的门极上。 使用 脉冲变压器，可以把脉冲电压升高或降低，改变脉冲的极性以及使阻抗匹配。 脉冲变压器在结构上与普通变压器相似，但其工作情况却有很大区别。 普通变压器一次侧加的是正弦电压，而脉冲变压器一次侧加的是周期脉冲电压。 因而它们的电磁过程各有特点，计算方法也不相同。 脉冲变压器在传送脉冲信号时，脉冲波形不应发生畸变，因此对于传送一定宽度矩形脉冲的脉冲变压器，在矩形脉冲电压作用期间，铁心不能饱和。 这也是确定脉冲变压器铁心截面积的基本条件。 脉冲变压器工作时，加在脉冲变压器上 的电压 为单向脉冲电压。 由于铁磁材料具有磁滞和剩磁特性，在单向脉冲电压 作用下，铁心中的磁感应强度 cB 是在剩余磁感应强度 rB 和未饱和时最大磁感应强度 mB 之间变化。 铁心中的磁感应强度变化量为 cB = mB rB 因此 脉冲变压器工作期间，其铁心中磁 感应强度变化范围较窄，铁心利用率不高。 触发脉冲的宽度 由单片机设定。 为了保证触发晶闸管可靠导通，要求触发脉冲具有一定 宽度。 一般晶闸管导通时间为 6us，故触发脉冲的宽度应有 6us 以上，一般取 2050us。 对于感性负载，触发脉冲宽度还应加大，否则在脉冲终止时，主回路电流还未上升到晶闸管的维持电流以上，则晶闸管又重新关断，故脉冲宽度不应小于 100us，一般用 1ms。 由于脉冲变压器的体积较大，价格较贵，控制复杂，从经济性和实用性的角度考虑决定采用光耦器件 MOC3041 作为晶闸管的触发元件。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 电力公害的 产生 原因 及其抑制方法 电力公害的产生原因及其分类 电力电子装置如整流器、逆变器和斩波器等对于电网来说属于非线性负载，它产生的有害高次谐波电流 “注入 ”电网，造成电网 的 严重污染。 在高频开关器件大量应用电力电子装置中，由于高电压和大电流脉冲的前后沿很陡峭，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些电磁信号是严重的电磁干扰源，对电力系统的正常运行和其他设备构成相当大的危害。 整流器等电力电子装置往往使网侧电流滞后于网侧电压，造成电力电子装置功率因数降低，使电网无功功率增加，给电网带来额外的负担，并影响供电质 量。 电力 公害的分类： 1 谐波公害：会使电网供电电压波形畸变，供电质量降低，产生网侧过电压和过电流，使供用电系统的能量损耗增加，供用电设备的寿命缩短。 2 电磁干扰公害：高频开关变换器工作时，内部的高电压或大电流波形以极短的时间上升或下降，这些具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰信号。 这些电磁干扰信号一方面会污染电网，通过电网干扰其他用电设备；另一方面通过传输线的传导或经过空间进行辐射而对电子设备的正常工作造成威胁。 3 功率因数公害： 按照定义，功率因数是变流装置电网侧有功功率与视在功率之比。 电网接变流装置之后 ，功率因数必然降低，导致网侧输入电流有效值增大，使得熔断器、断路器及传输线的规格及电源滤波器的容量增大。 在三相四线制整流电源中不但使网侧功率因数降低，而且由于它的三次谐波电流在零线中相位相同，这些谐波电流合成后使零线电流增大，有时可能超过各相相电流。 因为按安全标准规定，零线不能装设保护装置，所以可能使零线因过热而损坏。 谐波的产生 机理 在电力电子变换电路中存在着周期性非正弦电流，它使得供电系统中不仅有基波电流，而且还有大量谐波电流，在本次毕业设计中，采用晶闸管作为控制电流的器件其产生的主要电力公 害就是谐波公害。 其谐波产生第 2 章 系统方案的选择与论证 9 原因与带电感性负载的单相桥式整流电路相似。 当触发角为 α 时，变压器次级电压和电流波形如图 21 所示，对次级电流波形 2i 进行傅里叶分解，得 2 4 1 1(si n s i n 3 s i n 5 ... )35di I t t t      (21) 基波电流有效值为： 21 224 2d dIII (22) 所以： 21222    (23) 式中 ： 21I / 2I 为电流基波有效值同变压器次级电流有效值之比，它表示了电流波形含高次谐波的程度，称为畸变因数，用  表示。 u 2 ti 2 i21I dO 图 21 整流变压器次级电压和电流波形 谐波的抑制对策 1 LC 无源滤波器 利用 LC 电路串联谐振特点抑制向电网注入的谐波电流。 在谐振频率上电路的阻抗最小，而非谐振频率上，阻抗增大。 将谐振点调整至某特征谐波频率，即可滤去某一高次谐波。 LC 无源滤波器如图 22 所示，图中包含有 5 次谐波滤波器， 7 次谐波滤波器， 11 次谐波滤波器。 在工业电磁制动器运行的电网中加入 LC 无源滤波器能有效的抑制谐波电流对电网的危 害。 L r5 次谐波滤波器 7 次谐波滤波器 11 次谐波滤波器 图 22 LC 无源滤波器 燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 2 静止无功补偿器 在网侧设置无功补偿装置 (Static Var Compensator， SVC)用于 补偿谐波造成 的无功功率，以提高功率因数。 合理设置无功补偿装置中 的 电感 L 和电容 C，使其能在某次频率产生谐振，从而滤除该频率的谐波。 L电力电子设备或其他谐波源。