電氣傳動課程設計報告

1、電氣傳動課程設計摘要：綜述了一種在給定系統(tǒng)設備的情況下，設計并調(diào)試雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)使其滿足要求的性能指標的工程方法。主要包括原始設備參數(shù)的測量、系統(tǒng)模型的建立及簡化處理、調(diào)節(jié)器的設計與仿真、系統(tǒng)的綜合調(diào)試。重點記錄了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試與測試的過程及結果，從初期的實驗設計，參數(shù)測定，到軟件仿真和最終的實際硬件調(diào)試等，最終得到符合要求的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。直流電動機具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精

2、度最高的調(diào)速方法。有效地控制電機，提高其運行性能，對國民經(jīng)濟具有十分重要的現(xiàn)實意義。關鍵字：雙閉環(huán)調(diào)速參數(shù)設計MATLAB仿真目錄1、課程設計任務書12、課題的發(fā)展狀況研究意義13、設備選型14、實驗臺簡介25、參數(shù)測試46、參數(shù)設計67、系統(tǒng)仿真調(diào)試88、系統(tǒng)測試結果119、實驗室安全及實驗過程注意事項1210、總結13附錄一：試驗中遇到的問題及解決辦法14附錄二：小組分工141、課程設計任務書內(nèi)容：設計并調(diào)試直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。硬件結構：電流環(huán)與轉速環(huán)（兩個PI調(diào)節(jié)器）。驅動裝置：晶閘管整流裝置。執(zhí)行機構：直流電機。性能指標：穩(wěn)態(tài)：無靜差。動態(tài)：電流超調(diào)量小于5%；空載啟動到額定轉速時的轉

3、速超調(diào)量小于10%。2、課題的發(fā)展狀況研究意義調(diào)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(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機械大多采用直流傳動，簡稱為直流調(diào)速。早在20世紀40年代采用的是發(fā)電機電動機系統(tǒng)，又稱放大機控制的發(fā)電機電動機組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應用，但是它的缺點是占地大，效率低，運行費用昂貴，維護不方便等，特別是至少要包含兩臺與被調(diào)速電機容量相同的電機。為了克服這些缺點，50年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。50年代末晶閘管出現(xiàn)，晶閘管變流技術日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成

4、為當今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應用于世界各國。 近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流調(diào)速理論基礎是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過最近研制成功的直流調(diào)速器，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高智能化特點。同時直流電機的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于運行性能要求很高的機床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)特性都很理想。3、設備選型直流伺服電動機(355W,110V,4.1A,1500R.P.M)型號:130SZ01功能:

5、體積小、重量輕、力能指標高、噪聲低、產(chǎn)品系列化程度高、零部件通用化程度強等特點，被廣泛應用于各種機械及自動化控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。市場價格:490元交直流電流（電壓）傳感器（IN：AC/DC 0-5A（0-500V）；OUT：DC 0-5V）型號:WBI125E01（WBV125E01）工作原理: 光電隔離原理、磁調(diào)制隔離原理功能:交直流電流傳感器可以將待檢測的電流（電壓）信號轉換為便于測量的直流信號并進行隔離傳送，構成一個具有隔離功能的檢測電路，以保證系統(tǒng)電路和操作人員的安全，可對電網(wǎng)或電路中的交直流電流進行實時測量。具有體積小、響應快、高精度、低漂移等特點。市場價格:200元4、實驗臺簡介

6、實驗臺主要分為給定、驅動、執(zhí)行、檢測、電源及保護幾個功能模塊。兩路開關分別控制實驗臺中的弱電及強電部分。4.1 電源開關及保護裝置面板圖4.1：電源開關及保護裝置包括實驗臺電源開關、弱電按鈕、強電按鈕以及緊急停車按鈕，還有各種報警提示燈等，為同學們安全實驗提供安全保障。4.2 弱電給定模塊給定模塊用于產(chǎn)生不同大小極性的階躍，斜坡信號。在本實驗中主要使用階躍信號，作為控制信號控制晶閘管的導通角，從而起到控制電樞電壓的作用。圖4.2：實驗臺給定模塊4.3 驅動模塊驅動模塊由晶閘管構成的三相橋式可控電路構成，在實驗中為電動機提供可控的電樞電壓，受給定模塊控制。圖4.3：驅動模塊：晶閘管整流器4.4

7、執(zhí)行機構執(zhí)行模塊由四個電樞接口，四個勵磁接口共八個接口被引導實驗臺面上，電動機和發(fā)電機模塊放置于地面上。圖4.4：執(zhí)行模塊4.5 檢測模塊試驗中用到的檢測模塊主要包括電流和轉速的檢測模塊，用于搭建反饋通道，其中反饋系數(shù)可以根據(jù)需要自行調(diào)整。圖4.5：檢測模塊5、參數(shù)測試5.1 測量電機兩條機械特性曲線，并得到靜差率。設計實驗電路圖如圖5.1.1：圖5.1.1：機械特性測試電路圖分別將電樞兩端電壓調(diào)至110V和55V時，測出兩條機械特性曲線。數(shù)據(jù)如下：Ua=110V：I(A）11.522.53空載n(r/min)163015451500145014201750Ua=55V：I(A）11.522.

8、53空載n(r/min)690630580500400860機械特性曲線如圖5.1.2：圖5.1.2：機械特性曲線由機械特性可知，電機靜差率為15%20%，無法滿足系統(tǒng)設計要求。5.2 測量電樞回路各個電阻。設計實驗電路如圖5.2.1：圖5.2.1：電樞回路電阻測量電路由和兩式聯(lián)立可得到：這個R指回路總電阻，主要包括電樞電阻Ra，電抗器電阻Rl，電源內(nèi)阻Rn。我們可以通過測得R，短路電動機得到R-Rm，短路電動機及電抗得到R-Rm-Rl。通過計算可得到R，Ra和Rn。經(jīng)過測量整理計算得到：R=7.6，Ra=3.8，Rn=1.555.3 測量電勢常數(shù)。調(diào)節(jié)負載使得不同電壓時電流始終相等，此時n=

9、Ud/ Ce，因此測得不同轉速下的整流電壓值可聯(lián)立方程得到：測得I=1.3A時兩組數(shù)據(jù)分別為：U=80V，n=1200r/min和U=66.2V，n=1000r/min。帶入公式得到Ce=0.069V/(rmin-1)。又Cm=9.55Ce=0.6595.4、計算飛輪矩GD2并計算機電時間常數(shù)：根據(jù)電磁轉矩平衡方程式，測試飛輪轉矩。當突然斷電時，電磁轉矩為0，此時若為容易算得的空載轉矩可得到公式：；其中首先測一組空載數(shù)據(jù)，即n=1000r/min，U=66.7V，I=0.39A，帶入式中計算得到T0=0.237NM。在空載情況下電機運行在1500r/min時突然斷電，由示波器測得n變化為零所用

10、時間為5.52s，可得到n的導數(shù)為273。代入上述兩個結果得到飛輪矩GD2=0.34NM2。根據(jù)以上結果及公式：，機電時間常數(shù)Tm=0.153s6、參數(shù)設計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構如圖6.0圖6.0：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)系統(tǒng)按照先內(nèi)后外的順序進行，首先確定反饋系數(shù)，然后整定電流環(huán)參數(shù)，最后整定轉速環(huán)參數(shù)。6.1 反饋系數(shù)和濾波時間常數(shù)(1)電流反饋系數(shù).取，控制電路電源電壓為，則得電流環(huán)限幅為5.8V。(2)轉速反饋系數(shù)取，得轉速環(huán)限幅為5V(3)電流濾波時間常數(shù) ，轉速濾波時間常數(shù)(4)整流裝置滯后時間常數(shù) 6.2 電流環(huán)參數(shù)設計將電流環(huán)校正為典型型系統(tǒng)，流環(huán)小時間常數(shù)

11、之和.電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：取，其中電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，按照典型I型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關系，應取，因此：于是，ACR的比例系數(shù)為，可計算得到：6.3 轉速環(huán)參數(shù)設計將電流環(huán)看做轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)。其近似傳函為轉速環(huán)小時間常數(shù)：轉速調(diào)節(jié)器結構選擇：按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，器傳遞函數(shù)為按跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則ASR得超前時間常數(shù)為轉速開環(huán)增益：則，可計算得到：7、系統(tǒng)仿真調(diào)試7.1直流電機模型仿真根據(jù)測試得到的電機及電路參數(shù)，即R=7.6，Ce=0.069V/(rmin-1)，Tm=0.153s，利用Matl

12、ab中的simulink工具進行仿真，如圖7.1圖7.1：直流電機模型仿真結構圖通過給定輸入電壓以及負載，與實際測得數(shù)據(jù)相比較之后發(fā)現(xiàn)相差不大，該系統(tǒng)模型可用。7.2 雙閉環(huán)系統(tǒng)模型仿真在電機模型基礎上搭建雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖7.2.1圖7.2.1：雙閉環(huán)系統(tǒng)結構圖仿真結果如圖7.2.2圖7.2.2：雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結果圖從仿真結果圖中可以看到，系統(tǒng)特性完全符合設計指標的要求。7.3 現(xiàn)場調(diào)試7.3.1 基本參數(shù)調(diào)試先將系統(tǒng)反饋系數(shù)、反饋極性等基本參數(shù)調(diào)試完畢。（1）連接直流開環(huán)電路。（2）熟悉實驗臺，熟記輸出口，尤其是反饋輸出口的極性。（3）將和調(diào)整到所需值1/300和1.2。7.3.2 電流

13、環(huán)參數(shù)整定調(diào)試（1）電流閉環(huán)，設置兩個調(diào)節(jié)器的限幅（5,5）先將轉速調(diào)節(jié)器搭成反相器，電流調(diào)節(jié)器按照理論值計算結果搭建。搭建完成之后，利用示波器測試電流特性，并不能達到預期，電流超調(diào)很大并且出現(xiàn)震蕩。（2）給定電壓為0啟動，然后逐漸增大給定電壓至負載電流為1A，調(diào)整電流環(huán)參數(shù)，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定不震蕩。調(diào)整電流環(huán)參數(shù)之后，得到比較滿意的波形，如圖7.3.2圖7.3.2：電流啟動波形（3）逐漸增加負載，調(diào)整電流環(huán)參數(shù)，使得系統(tǒng)迅速穩(wěn)定，不震蕩。（4）系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐漸改變負載電流，記錄轉速變化，記錄電流環(huán)參數(shù)。7.3.3轉速環(huán)參數(shù)整定調(diào)試（1）將轉速調(diào)節(jié)器修改成理論值。（2）給定電壓為0啟動，然后逐漸

14、增大給定電壓至負載電流為1A，調(diào)整轉速環(huán)參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定不震蕩。效果如下圖：圖7.3.3：雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動波形3、逐漸增加負載，調(diào)整轉速環(huán)參數(shù)，使得系統(tǒng)迅速穩(wěn)定，不震蕩。4、系統(tǒng)穩(wěn)定后，逐漸改變負載電流，記錄轉速變化，記錄轉速環(huán)參數(shù)。5、突加給定，用示波器觀察轉速和電流的超調(diào)量，調(diào)整轉速環(huán)參數(shù)使得超調(diào)量滿足指標要求。8、系統(tǒng)測試結果最終得到最優(yōu)參數(shù)為Ri=45k，Ci=1.270.12F；Rn=600 k，Cn=0.15F。其中轉速超調(diào)為7.5%，穩(wěn)態(tài)無靜差。經(jīng)過抗干擾測試，包括負載擾動以及電源擾動等，系統(tǒng)接收擾動后均能夠很快恢復至穩(wěn)定狀態(tài)，波形僅僅略有波動。因此系統(tǒng)調(diào)試完畢，符合任務書要求，且

15、穩(wěn)定性良好。圖8：系統(tǒng)啟動特性9、實驗室安全及實驗過程注意事項1、 實驗必須按照實驗指導書和指導教師的要求進行。2、 實驗室總電源的開啟應由實驗室工作人員來控制，其他人員未經(jīng)許可不得操作。3、 試驗臺右上方提供三相電源。其中三相轉換開關旋鈕0123檔依次為080V110V220V，實驗過程中嚴格按照實驗要求選擇電源電壓。4、 試驗中請勿打開試驗臺后背蓋，防止可能發(fā)生的危險。5、 實驗時，先連線，后加電。實驗時若需改接電路，必須先斷電，改接完后再加電。6、 連線前，要對連接線進行外觀檢查，并檢查線路中有無短路回路存在，避免觸電或損壞設備。7、 加電時，應在同組全體成員都同意且確保安全的情況下按照

16、從電源側到用電側的順序進行，實驗中若用到變阻器，應先將其阻止置于最大位再慢慢下調(diào)，而調(diào)壓器調(diào)壓應先調(diào)到零，再慢慢上調(diào)。注意不要用手觸摸36V安全電壓以上的帶電體。8、 實驗過程中，若出現(xiàn)漏電或故障，應立即按下急停按鈕切斷電源，并向指導教師匯報，不得自行處理，等待事故處理結束后，再繼續(xù)實驗。9、 實驗過程中，如出現(xiàn)蜂鳴器報警聲，此時應迅速觀察故障提示燈并按下止鈴和復位按鈕，然后斷開控制電路電源，自行檢查電路錯誤后再繼續(xù)實驗。10、 實驗結束后，應按要求先斷電，后拆線。斷電前調(diào)壓器先調(diào)到零。做好整理工作，實驗設備歸回原位，清掃實驗場地，切斷電源，填寫設備使用記錄經(jīng)指導老師檢查后方能離開。10、總結

17、通過此次為期4天的課程設計，發(fā)現(xiàn)并解決了自己在理論知識學習中的不足，理論與實踐相結合，更進一步加深了對于理論知識的理解。  課程設計過程中雖然出現(xiàn)了問題，但是經(jīng)過小組成員的討論，問題迎刃而解，為此體會到團隊合作在學習及生活中的重要性，同時通過實際操作以及得到的實驗結果體會到了電氣控制在實際生活中的應用，此次課程設計也鍛煉了自己在實驗方面的動手能力及發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力，此次經(jīng)歷及經(jīng)驗積累也為將來工作打下基礎。 設計的成功離不開我們小組成員的團結合作，也離不開我們老師的大力指導，在此，我們特別感謝老師們對我的指導和幫助。參考文獻1 廖曉鐘，劉向東自動控制系統(tǒng)（第2版）M.北京：北京理工大學出版社20112 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)（第2版）M.北京：機械工業(yè)出版社20053 王兆安，黃俊. 電力電子技術M. 北京：機械工業(yè)出版社.20044 潘曉晟，郝世勇. MATLAB電機仿真精華50例M. 北京：電子工業(yè)出版社.20075陳軍. 淺議電氣傳動技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J. 中國科技縱橫. 201