電氣傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電氣傳動(dòng)課程設(shè)計(jì)摘要：綜述了一種在給定系統(tǒng)設(shè)備的情況下，設(shè)計(jì)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(biāo)的工程方法。主要包括原始設(shè)備參數(shù)的測(cè)量、系統(tǒng)模型的建立及簡(jiǎn)化處理、調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與仿真、系統(tǒng)的綜合調(diào)試。重點(diǎn)記錄了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試的過程及結(jié)果，從初期的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，參數(shù)測(cè)定，到軟件仿真和最終的實(shí)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(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起動(dòng)，制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其它電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特性，優(yōu)異的控制性能，高效率等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)，提高其運(yùn)行性能，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵字：雙閉環(huán)調(diào)速參數(shù)設(shè)計(jì)MATLAB仿真目錄1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書12、課題的發(fā)展?fàn)顩r研究意義13、設(shè)備選型14、實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介25、參數(shù)測(cè)試46、參數(shù)設(shè)計(jì)67、系統(tǒng)仿真調(diào)試88、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果119、實(shí)驗(yàn)室安全及實(shí)驗(yàn)過程注意事項(xiàng)1210、總結(jié)13附錄一：試驗(yàn)中遇到的問題及解決辦法14附錄二：小組分工141、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書內(nèi)容：設(shè)計(jì)并調(diào)試直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)：電流環(huán)與轉(zhuǎn)速環(huán)（兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器）。驅(qū)動(dòng)裝置：晶閘管整流裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)：直流電機(jī)。性能指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)：無靜差。動(dòng)態(tài)：電流超調(diào)量小于5%；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)

3、速超調(diào)量小于10%。2、課題的發(fā)展?fàn)顩r研究意義調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對(duì)調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，簡(jiǎn)稱為直流調(diào)速。早在20世紀(jì)40年代采用的是發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，又稱放大機(jī)控制的發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點(diǎn)是占地大，效率低，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，維護(hù)不方便等，特別是至少要包含兩臺(tái)與被調(diào)速電機(jī)容量相同的電機(jī)。為了克服這些缺點(diǎn)，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(diǎn)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(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成

4、為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)。 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(shì)。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)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(diǎn)。同時(shí)直流電機(jī)的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機(jī)，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(duì)于運(yùn)行性能要求很高的機(jī)床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)特性都很理想。3、設(shè)備選型直流伺服電動(dòng)機(jī)(355W,110V,4.1A,1500R.P.M)型號(hào):130SZ01功能:

5、體積小、重量輕、力能指標(biāo)高、噪聲低、產(chǎn)品系列化程度高、零部件通用化程度強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械及自動(dòng)化控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。市場(chǎng)價(jià)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(hào):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(cè)的電流（電壓）信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的直流信號(hào)并進(jìn)行隔離傳送，構(gòu)成一個(gè)具有隔離功能的檢測(cè)電路，以保證系統(tǒng)電路和操作人員的安全，可對(duì)電網(wǎng)或電路中的交直流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。具有體積小、響應(yīng)快、高精度、低漂移等特點(diǎn)。市場(chǎng)價(jià)格:200元4、實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

6、實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要分為給定、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行、檢測(cè)、電源及保護(hù)幾個(gè)功能模塊。兩路開關(guān)分別控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的弱電及強(qiáng)電部分。4.1 電源開關(guān)及保護(hù)裝置面板圖4.1：電源開關(guān)及保護(hù)裝置包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源開關(guān)、弱電按鈕、強(qiáng)電按鈕以及緊急停車按鈕，還有各種報(bào)警提示燈等，為同學(xué)們安全實(shí)驗(yàn)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(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中主要使用階躍信號(hào)，作為控制信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而起到控制電樞電壓的作用。圖4.2：實(shí)驗(yàn)臺(tái)給定模塊4.3 驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)模塊由晶閘管構(gòu)成的三相橋式可控電路構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)中為電動(dòng)機(jī)提供可控的電樞電壓，受給定模塊控制。圖4.3：驅(qū)動(dòng)模塊：晶閘管整流器4.4

7、執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行模塊由四個(gè)電樞接口，四個(gè)勵(lì)磁接口共八個(gè)接口被引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)模塊放置于地面上。圖4.4：執(zhí)行模塊4.5 檢測(cè)模塊試驗(yàn)中用到的檢測(cè)模塊主要包括電流和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)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(cè)模塊5、參數(shù)測(cè)試5.1 測(cè)量電機(jī)兩條機(jī)械特性曲線，并得到靜差率。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖5.1.1：圖5.1.1：機(jī)械特性測(cè)試電路圖分別將電樞兩端電壓調(diào)至110V和55V時(shí)，測(cè)出兩條機(jī)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(jī)械特性曲線如圖5.1.2：圖5.1.2：機(jī)械特性曲線由機(jī)械特性可知，電機(jī)靜差率為15%20%，無法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。5.2 測(cè)量電樞回路各個(gè)電阻。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路如圖5.2.1：圖5.2.1：電樞回路電阻測(cè)量電路由和兩式聯(lián)立可得到：這個(gè)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(cè)得R，短路電動(dòng)機(jī)得到R-Rm，短路電動(dòng)機(jī)及電抗得到R-Rm-Rl。通過計(jì)算可得到R，Ra和Rn。經(jīng)過測(cè)量整理計(jì)算得到：R=7.6，Ra=3.8，Rn=1.555.3 測(cè)量電勢(shì)常數(shù)。調(diào)節(jié)負(fù)載使得不同電壓時(shí)電流始終相等，此時(shí)n=

9、Ud/ Ce，因此測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下的整流電壓值可聯(lián)立方程得到：測(cè)得I=1.3A時(shí)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(jì)算飛輪矩GD2并計(jì)算機(jī)電時(shí)間常數(shù)：根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程式，測(cè)試飛輪轉(zhuǎn)矩。當(dāng)突然斷電時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為0，此時(shí)若為容易算得的空載轉(zhuǎn)矩可得到公式：；其中首先測(cè)一組空載數(shù)據(jù)，即n=1000r/min，U=66.7V，I=0.39A，帶入式中計(jì)算得到T0=0.237NM。在空載情況下電機(jī)運(yùn)行在1500r/min時(shí)突然斷電，由示波器測(cè)得n變化為零所用

10、時(shí)間為5.52s，可得到n的導(dǎo)數(shù)為273。代入上述兩個(gè)結(jié)果得到飛輪矩GD2=0.34NM2。根據(jù)以上結(jié)果及公式：，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.153s6、參數(shù)設(shè)計(jì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖6.0圖6.0：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(jìn)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(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)。6.1 反饋系數(shù)和濾波時(shí)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(zhuǎn)速反饋系數(shù)取，得轉(zhuǎn)速環(huán)限幅為5V(3)電流濾波時(shí)間常數(shù) ，轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)(4)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù) 6.2 電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)將電流環(huán)校正為典型型系統(tǒng)，流環(huán)小時(shí)間常數(shù)

11、之和.電流環(huán)控制對(duì)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(shí)，按照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，應(yīng)取，因此：于是，ACR的比例系數(shù)為，可計(jì)算得到：6.3 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)將電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。其近似傳函為轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇：按照設(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：則，可計(jì)算得到：7、系統(tǒng)仿真調(diào)試7.1直流電機(jī)模型仿真根據(jù)測(cè)試得到的電機(jī)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(jìn)行仿真，如圖7.1圖7.1：直流電機(jī)模型仿真結(jié)構(gòu)圖通過給定輸入電壓以及負(fù)載，與實(shí)際測(cè)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(jī)模型基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)圖仿真結(jié)果如圖7.2.2圖7.2.2：雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結(jié)果圖從仿真結(jié)果圖中可以看到，系統(tǒng)特性完全符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。7.3 現(xiàn)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)臺(tái)，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(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器的限幅（5,5）先將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器搭成反相器，電流調(diào)節(jié)器按照理論值計(jì)算結(jié)果搭建。搭建完成之后，利用示波器測(cè)試電流特性，并不能達(dá)到預(yù)期，電流超調(diào)很大并且出現(xiàn)震蕩。（2）給定電壓為0啟動(dòng)，然后逐漸增大給定電壓至負(fù)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(dòng)波形（3）逐漸增加負(fù)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(fù)載電流，記錄轉(zhuǎn)速變化，記錄電流環(huán)參數(shù)。7.3.3轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)整定調(diào)試（1）將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器修改成理論值。（2）給定電壓為0啟動(dòng)，然后逐漸

14、增大給定電壓至負(fù)載電流為1A，調(diào)整轉(zhuǎn)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(dòng)波形3、逐漸增加負(fù)載，調(diào)整轉(zhuǎn)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(fù)載電流，記錄轉(zhuǎn)速變化，記錄轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)。5、突加給定，用示波器觀察轉(zhuǎn)速和電流的超調(diào)量，調(diào)整轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)使得超調(diào)量滿足指標(biāo)要求。8、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)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(zhuǎn)速超調(diào)為7.5%，穩(wěn)態(tài)無靜差。經(jīng)過抗干擾測(cè)試，包括負(fù)載擾動(dòng)以及電源擾動(dòng)等，系統(tǒng)接收擾動(dòng)后均能夠很快恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，波形僅僅略有波動(dòng)。因此系統(tǒng)調(diào)試完畢，符合任務(wù)書要求，且

15、穩(wěn)定性良好。圖8：系統(tǒng)啟動(dòng)特性9、實(shí)驗(yàn)室安全及實(shí)驗(yàn)過程注意事項(xiàng)1、 實(shí)驗(yàn)必須按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書和指導(dǎo)教師的要求進(jìn)行。2、 實(shí)驗(yàn)室總電源的開啟應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室工作人員來控制，其他人員未經(jīng)許可不得操作。3、 試驗(yàn)臺(tái)右上方提供三相電源。其中三相轉(zhuǎn)換開關(guān)旋鈕0123檔依次為080V110V220V，實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求選擇電源電壓。4、 試驗(yàn)中請(qǐng)勿打開試驗(yàn)臺(tái)后背蓋，防止可能發(fā)生的危險(xiǎn)。5、 實(shí)驗(yàn)時(shí)，先連線，后加電。實(shí)驗(yàn)時(shí)若需改接電路，必須先斷電，改接完后再加電。6、 連線前，要對(duì)連接線進(jìn)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(shè)備。7、 加電時(shí)，應(yīng)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(cè)到用電側(cè)的順序進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中若用到變阻器，應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)過程中，若出現(xiàn)漏電或故障，應(yīng)立即按下急停按鈕切斷電源，并向指導(dǎo)教師匯報(bào)，不得自行處理，等待事故處理結(jié)束后，再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。9、 實(shí)驗(yàn)過程中，如出現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警聲，此時(shí)應(yīng)迅速觀察故障提示燈并按下止鈴和復(fù)位按鈕，然后斷開控制電路電源，自行檢查電路錯(cuò)誤后再繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。10、 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備歸回原位，清掃實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，切斷電源，填寫設(shè)備使用記錄經(jīng)指導(dǎo)老師檢查后方能離開。10、總結(jié)

17、通過此次為期4天的課程設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)并解決了自己在理論知識(shí)學(xué)習(xí)中的不足，理論與實(shí)踐相結(jié)合，更進(jìn)一步加深了對(duì)于理論知識(shí)的理解。  課程設(shè)計(jì)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(huì)到團(tuán)隊(duì)合作在學(xué)習(xí)及生活中的重要性，同時(shí)通過實(shí)際操作以及得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果體會(huì)到了電氣控制在實(shí)際生活中的應(yīng)用，此次課程設(shè)計(jì)也鍛煉了自己在實(shí)驗(yàn)方面的動(dòng)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(yàn)積累也為將來工作打下基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)的成功離不開我們小組成員的團(tuán)結(jié)合作，也離不開我們老師的大力指導(dǎo)，在此，我們特別感謝老師們對(duì)我的指導(dǎo)和幫助。參考文獻(xiàn)1 廖曉鐘，劉向東自動(dòng)控制系統(tǒng)（第2版）M.北京：北京理工大學(xué)出版社20112 陳伯時(shí)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第2版）M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社20053 王兆安，黃俊. 電力電子技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20044 潘曉晟，郝世勇. MATLAB電機(jī)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(dòng)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)J. 中國(guó)科技縱橫. 201