电气传动课程设计报告

电气传动课程设计

摘要：

综述了一种在给定系统设备的情况下，设计并调试双闭环直流调速系统使其满足要求的性能指标的工程方法。主要包括原始设备参数的测量、系统模型的建立及简化处理、调节器的设计与仿真、系统的综合调试。

重点记录了双闭环调速系统调试与测试的过程及结果，从初期的实验设计，参数测定，到软件仿真和最终的实际硬件调试等，最终得到符合要求的双闭环调速系统。

直流电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。

关键字：

双闭环调速参数设计MATLAB仿真

目录

1、课程设计任务书 (1)

2、课题的发展状况研究意义 (1)

3、设备选型 (1)

4、实验台简介 (2)

5、参数测试 (4)

6、参数设计 (6)

7、系统仿真调试 (8)

8、系统测试结果 (11)

9、实验室安全及实验过程注意事项 (12)

10、总结 (12)

附录一：试验中遇到的问题及解决办法 (13)

附录二：小组分工 (13)

1、课程设计任务书

内容：设计并调试直流双闭环调速系统。

硬件结构：电流环与转速环（两个PI调节器）。

驱动装置：晶闸管整流装置。

执行机构：直流电机。

性能指标：稳态：无静差。

动态：电流超调量小于5%；空载启动到额定转速时的转速超调

量小于10%。

2、课题的发展状况研究意义

调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机－电动机系统，又称放大机控制的发电机－电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。

近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。

3、设备选型

直流伺服电动机(355W,110V,4.1A,1500R.P.M)

型号:130SZ01

功能: 体积小、重量轻、力能指标高、噪声低、产品系列化程度高、零部件通用化程度强等特点，被广泛应用于各种机械及自动化控制系统中作执行元件。

市场价格:490元

交直流电流（电压）传感器（IN：AC/DC 0-5A（0-500V）；OUT：DC 0-5V）型号:WBI125E01（WBV125E01）

工作原理:光电隔离原理、磁调制隔离原理

功能:交直流电流传感器可以将待检测的电流（电压）信号转换为便于测量的直流信号并进行隔离传送，构成一个具有隔离功能的检测电路，以保证系统电路和操作人员的安全，可对电网或电路中的交直流电流进行实时测量。具有体积小、响应快、高精度、低漂移等特点。

市场价格:200元

4、实验台简介

实验台主要分为给定、驱动、执行、检测、电源及保护几个功能模块。两路开关分别控制实验台中的弱电及强电部分。

4.1 电源开关及保护装置面板

图4.1：电源开关及保护装置

包括实验台电源开关、弱电按钮、强电按钮以及紧急停车按钮，还有各种报警提示灯等，为同学们安全实验提供安全保障。

4.2 弱电给定模块

给定模块用于产生不同大小极性的阶跃，斜坡信号。在本实验中主要使用阶跃信号，作为控制信号控制晶闸管的导通角，从而起到控制电枢电压的作用。

图4.2：实验台给定模块

4.3 驱动模块

驱动模块由晶闸管构成的三相桥式可控电路构成，在实验中为电动机提供可控的电枢电压，受给定模块控制。

图4.3：驱动模块：晶闸管整流器

4.4 执行机构

执行模块由四个电枢接口，四个励磁接口共八个接口被引导实验台面上，电动机和发电机模块放置于地面上。

图4.4：执行模块

4.5 检测模块

试验中用到的检测模块主要包括电流和转速的检测模块，用于搭建反馈通道，其中反馈系数可以根据需要自行调整。

图4.5：检测模块

5、参数测试

5.1 测量电机两条机械特性曲线，并得到静差率。

设计实验电路图如图5.1.1：

图5.1.1：机械特性测试电路图

分别将电枢两端电压调至110V和55V时，测出两条机械特性曲线。

数据如下：

Ua=110V：

I(A） 1 1.5 2 2.5 3 空载

n(r/min) 1630 1545 1500 1450 1420 1750

Ua=55V：

I(A） 1 1.5 2 2.5 3 空载n(r/min) 690 630 580 500 400 860

机械特性曲线如图5.1.2：

图5.1.2：机械特性曲线

由机械特性可知，电机静差率为15%~20%，无法满足系统设计要求。

5.2 测量电枢回路各个电阻。 设计实验电路如图5.2.1：

图5.2.1：电枢回路电阻测量电路

由11d r d U U I R =+和22d r d U U I R =+两式联立可得到：

这个R 指回路总电阻，主要包括电枢电阻Ra ，电抗器电阻Rl ，电源内阻Rn 。我们可以通过测得R ，短路电动机得到R-Rm ，短路电动机及电抗得到R-Rm-Rl 。通过计算可得到R ，Ra 和Rn 。

经过测量整理计算得到： R=7.6，Ra=3.8，Rn=1.55 5.3 测量电势常数。

调节负载使得不同电压时电流始终相等，此时n=Ud/ Ce Φ，因此测得不同

转速下的整流电压值可联立方程得到：12

12

d d

e U U C n n ?-=-

测得I=1.3A 时两组数据分别为：U=80V ，n=1200r/min 和U=66.2V ，n=1000r/min 。带入公式得到Ce Φ=0.069[V/(r ?min-1)]。

又Cm Φ=9.55Ce Φ=0.659

5.4、计算飞轮矩GD 2并计算机电时间常数： 根据电磁转矩平衡方程式，测试飞轮转矩。

2

375e L dn GD T T dt

-=? 当突然断电时，电磁转矩为0，此时若为容易算得的空载转矩可得到公式：

2

0375dn GD T dt =-?；20375/()dn T GD dt

=-； 其中200009.55/9.55()/d T P n U I I R n ==-

首先测一组空载数据，即n=1000r/min ，U=66.7V ，I=0.39A ，带入式中计算得到T 0=0.237N ?M 。在空载情况下电机运行在1500r/min 时突然断电，由示波器测得n 变化为零所用时间为5.52s ，可得到n 的导数为273。代入上述两个结果得到飞轮矩GD 2=0.34N ?M 2。

根据以上结果及公式：2375m e m GD R

T C C ??

?=，机电时间常数Tm=0.153s

6、参数设计

双闭环调速系统动态结构如图 6.0

1/T 0n s+1

1/C e Φ

ASR αn /T 0n s+1

1/T 0i s+1

+-

Ui*(S)

Un*(s)

n(s)

R/T m s IdL(s)

-

ACR Uct(S)

βi /T 0i s+1

K s /T s s+1

Ud(s)

1/T 0i s+1E(s)--

图6.0：双闭环调速系统动态结构图

双闭环调速系统的参数系统按照先内后外的顺序进行，首先确定反馈系数，然后整定电流环参数，最后整定转速环参数。

6.1 反馈系数和滤波时间常数

(1)电流反馈系数.

取，控制电路电源电压为，则

得电流环限幅为5.8V。

(2)转速反馈系数

取，

得转速环限幅为5V

(3)电流滤波时间常数，转速滤波时间常数

(4)整流装置滞后时间常数

6.2 电流环参数设计

将电流环校正为典型Ⅰ型系统，流环小时间常数之和.

电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器。其传递函数为：

取，其中

电流环开环增益：要求时，按照典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系，应取，因此：

于是，ACR的比例系数为

，可计算得到：

6.3 转速环参数设计

将电流环看做转速环中的一个环节。其近似传函为

转速环小时间常数：

转速调节器结构选择：

按照设计要求，选用PI调节器，器传递函数为

按跟随和抗扰性能都较好的原则取h=5，则ASR得超前时间常数为

转速开环增益：

则

，可计算得到：

7、系统仿真调试

7.1直流电机模型仿真

根据测试得到的电机及电路参数，即R=7.6，，CeΦ=0.069[V/(r?min-1)]，

Tm=0.153s，利用Matlab中的simulink工具进行仿真，如图7.1

图7.1：直流电机模型仿真结构图

通过给定输入电压以及负载，与实际测得数据相比较之后发现相差不大，该系统模型可用。

7.2 双闭环系统模型仿真

在电机模型基础上搭建双闭环调速系统，如图7.2.1

图7.2.1：双闭环系统结构图

仿真结果如图7.2.2

图7.2.2：双闭环系统仿真结果图

从仿真结果图中可以看到，系统特性完全符合设计指标的要求。

7.3 现场调试

7.3.1 基本参数调试

先将系统反馈系数、反馈极性等基本参数调试完毕。

（1）连接直流开环电路。

（2）熟悉实验台，熟记输出口，尤其是反馈输出口的极性。

（3）将α和β调整到所需值1/300和1.2。

7.3.2 电流环参数整定调试

（1）电流闭环，设置两个调节器的限幅（5,5）先将转速调节器搭成反相器，电流调节器按照理论值计算结果搭建。

搭建完成之后，利用示波器测试电流特性，并不能达到预期，电流超调很大并且出现震荡。

（2）给定电压为0启动，然后逐渐增大给定电压至负载电流为1A，调整电流环参数，使系统迅速稳定不震荡。

调整电流环参数之后，得到比较满意的波形，如图7.3.2

图7.3.2：电流启动波形

（3）逐渐增加负载，调整电流环参数，使得系统迅速稳定，不震荡。

（4）系统稳定后，逐渐改变负载电流，记录转速变化，记录电流环参数。

7.3.3转速环参数整定调试

（1）将转速调节器修改成理论值。

（2）给定电压为0启动，然后逐渐增大给定电压至负载电流为1A，调整转速环参数使得系统稳定不震荡。

效果如下图：

图7.3.3：双闭环系统启动波形

3、逐渐增加负载，调整转速环参数，使得系统迅速稳定，不震荡。

4、系统稳定后，逐渐改变负载电流，记录转速变化，记录转速环参数。

5、突加给定，用示波器观察转速和电流的超调量，调整转速环参数使得超调量满足指标要求。

8、系统测试结果

最终得到最优参数为Ri=45kΩ，Ci=1.270.12μF；Rn=600 kΩ，Cn=0.15μF。其中转速超调为7.5%，稳态无静差。经过抗干扰测试，包括负载扰动以及电源扰动等，系统接收扰动后均能够很快恢复至稳定状态，波形仅仅略有波动。因此系统调试完毕，符合任务书要求，且稳定性良好。

图8：系统启动特性

9、实验室安全及实验过程注意事项

1、实验必须按照实验指导书和指导教师的要求进行。

2、实验室总电源的开启应由实验室工作人员来控制，其他人员未经许可不得操作。

3、试验台右上方提供三相电源。其中三相转换开关旋钮0\1\2\3档依次为0\80V\110V\220V，实验过程中严格按照实验要求选择电源电压。

4、试验中请勿打开试验台后背盖，防止可能发生的危险。

5、实验时，先连线，后加电。实验时若需改接电路，必须先断电，改接完后再加电。

6、连线前，要对连接线进行外观检查，并检查线路中有无短路回路存在，避免触电或损坏设备。

7、加电时，应在同组全体成员都同意且确保安全的情况下按照从电源侧到用电侧的顺序进行，实验中若用到变阻器，应先将其阻止置于最大位再慢慢下调，而调压器调压应先调到零，再慢慢上调。注意不要用手触摸36V安全电压以上的带电体。

8、实验过程中，若出现漏电或故障，应立即按下急停按钮切断电源，并向指导教师汇报，不得自行处理，等待事故处理结束后，再继续实验。

9、实验过程中，如出现蜂鸣器报警声，此时应迅速观察故障提示灯并按下止铃和复位按钮，然后断开控制电路电源，自行检查电路错误后再继续实验。

10、实验结束后，应按要求先断电，后拆线。断电前调压器先调到零。做好整理工作，实验设备归回原位，清扫实验场地，切断电源，填写设备使用记录经指导老师检查后方能离开。

10、总结

通过此次为期4天的课程设计，发现并解决了自己在理论知识学习中的不足，理论与实践相结合，更进一步加深了对于理论知识的理解。

课程设计过程中虽然出现了问题，但是经过小组成员的讨论，问题迎刃而解，为此体会到团队合作在学习及生活中的重要性，同时通过实际操作以及得到的实验结果体会到了电气控制在实际生活中的应用，此次课程设计也锻炼了自己在实验方面的动手能力及发现问题并解决问题的能力，此次经历及经验积累也为将来工作打下基础。

设计的成功离不开我们小组成员的团结合作，也离不开我们老师的大力指导，在此，我们特别感谢老师们对我的指导和帮助。

参考文献

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[4] 潘晓晟，郝世勇. MATLAB电机仿真精华50例[M]. 北京：电子工业出版社.2007

[5]陈军. 浅议电气传动技术的研究现状及发展趋势[J]. 中国科技纵横. 2013(16)

[6] 孙亮，杨鹏. 自动控制原理[M]. 北京：北京工业大学出版社.2006

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[8] 潘晓晟，郝世勇. MATLAB电机仿真精华50例. 北京：电子工业出版社2007

[9] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真. 北京：机械工业出版社，2006

附录一：试验中遇到的问题及解决办法

问题一：测试机械特性曲线时，当电流超过1.5A时就会出现过流报警。

解决：将实验台控制端改为直流调速。

问题二：实验过程中负载不能调整。

解决：发现电阻箱损坏，更换电阻箱。

附录二：小组分工