电气传动课程设计报告-

电气传动课程设计

班级：06111102

姓名：古海君

学号：1120111573

其它小组成员：

余德本

梁泽鹏

王鹏宇

2014．10．2

摘要

本次课程设计要求设计并调试出直流双闭环调速系统。通过搭建电流环（内环）和转速环（外环）使系统稳态无静差，动态时电流超调量小于5%，并且空载启动到额定转速时的转速超调量小于10%。系统的驱动装置选用晶闸管，执行机构为直流伺服电动机。

本文首先明确了课程设计任务书，对其中的相关概念进行分析。之后对课题的发展状况进行调研，了解双闭环调速系统在现代工业中的应用意义和价值。然后对实验条件作了详细介绍，包括实验台各个组成部分以及实验设备的选型和工作原理。以上内容均为课程设计准备工作，之后重点记录了实验的测试、仿真和调试过程。其中，测试部分详细介绍了各个电机参数和系统参数测试方法和数据结果，并利用这些数据计算调节器的参数；仿真部分利用matlab软件通过已经求得的参数得出计算机仿真结果，并观察是否满足任务书要求；调试部分是核心，给出了现场调试全部过程并配以图片加以说明。文章最后给出测试结果从而得出结论，并论述了实验注意事项并加以总结。

转速电流双闭环直流调速系统是性能优良，应用广泛的直流调速系统,，它可以在保证系统稳定性的基础上实现转速无静差，并且具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点。转速电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，值得更加深入的学习研究。

目录3

一、课程设计任务书1

二、课题的发展状况研究意义1

三、设备选型2

四、实验台简介4

五、参数测试7

六、参数设计13

七、系统调试16

八、系统测试结果23

九、实验室安全及实验过程注意事项24

十、总结和心得体会25

参考文献25

附1：实验过程中遇到问题及解决方法26

附2：小组分工，个人主要工作及完成情况27

一、课程设计任务书

设计并调试出直流双闭环调速系统。通过搭建电流环（内环）和转速环（外环），同时使用两个PI调节器，使系统稳态下转速无静差，动态时电流超调量小于5%，并且空载启动到额定转速时的转速超调量小于10%。系统的驱动装置选用晶闸管，执行机构选用直流伺服电动机。

二、课题的发展状况研究意义

在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。据资料统计，现在有90％以上的动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有60％用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。[1]直流电气传动经历了如下的发展历程:开环控制→单闭环控制→多闭环控制;硬件控制→软件控制;模拟电路控制→数模电路混合控制→数字电路控制;分立元件电路控制→小规模集成电路控制→大规模集成电路控制。[2] 在电动机的控制方法中，转速电流双闭环直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以长期以来，它一直占据垄断地位，在许多工业部门，如机床"轧钢"纺织"造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。[3]双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统,在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难.利用MATLAB/Simulink对电机系统进行仿真研究已经成为近几年人们研究的热点。[4]利用单片机控制双闭环调速系统的关键算法由软件实现，可编程性好，可在不同的应用场合采用不同的控制算法，且无需改变外围电路，因而具有很好的灵活性，易于控制系统升级，可以满足一些特殊场合要求。[5]在智能

控制方面，遗传算法较工程设计法获得了更优的调节器参数，使得系统性能指标有了显著的提高；同时与传统遗传算法比较，新的自适应遗传算法大大提高了收敛速度，提高了设计效率，实验证明遗传算法在双闭环直流调速系统设计中具有有效性和实用价值。[6]

根据实际运行情况进行参数调整，是系统设计和调试双闭环直流调速系统过程必不可少的重要步骤。由于系统的实际参数往往与理论设计时所取得的值有误差，而且系统某些环节的非线性因素会造成使用理论设计出的参数不能立即获得理想的调速性能，因此需反复调试。[7]此外，往往需要先利用工具对系统进行仿真，对闭环控制参数进行计算。仿真结果可验证系统的可靠性、稳定性、调速性能和精度，使得调试过程更加简化。[8]转速—电流双闭环直流调速系统结构简单，工作可靠，且设计较为方便，是应用非常广泛的一种调速系统。它也是“运动控制系统”课程的重要内容。目前,全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行双闭环直流调速系统的开发。[9]随着现代非线性技术发展，杨祖元等提出了采用模糊PID控制技术以提高调速系统抗扰动能力,为复杂、时变的双闭环直流调速系统获得较优控制效果提供了一种有效解决的途径。新的双闭环系统控制方法正在被更广泛的挖掘和研究。{10}

三、设备选型

1.直流伺服电动机

1)型号:130SZ01

2)技术参数：

3)使用条件：海拔不超过4000m；环境温度：－40°C～55°C；

空气相对湿度：≤95％(25℃时)；振动：振频10～150Hz，加速度2.5g;；冲击：7g(峰值）；允许温升：不超过75K（海拔为1000m时）。

4)工作原理：电动机在本次实验用作执行元件，它将电能转变

为机械能。它主要包括一个分布的定子绕组和一个旋转电枢。

在定子绕组旋转磁场的作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而转动。

5)功能：130SZ系列微型直流伺服电动机广泛应用于自动控制等

系统中用作执行元件，也可用作驱动元件。本系列电动机是我国自行设计的新系列产品，同老系列S系列产品相比，具有体积小、重量轻、力能指标高等特点，且产品系列化程度高，零部件通用化程度强。

6)市场价格：600元。

2.交直流电流传感器

1)型号:WBI125E01

2)技术参数：IN：AC/DC 0-5A；OUT：DC 0-5V；电流测量精度：

+0.5%。

3)工作原理：光电隔离原理、磁调制隔离原理。

4)功能：交直流电流传感器可以将待检测的电流信号转换为便

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。

5)市场价格：182元。

3.交直流电压传感器（IN：AC/DC 0-500V；OUT：DC 0-5V）

1)型号:WBV125E01

2)技术参数：IN：AC/DC 0-500V；OUT：DC 0-5V；电压测量精度：

+0.5%。

3)工作原理：光电隔离原理、磁调制隔离原理。

4)功能：交直流电压传感器可以将待检测的电压信号转换为便

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压进行实时测量，具有体积小、响应快、高精度、低漂移等特点。

5)市场价格：210元。

四、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。强电和弱点由两路开关分别控制。

1.电源模块

电源模块提供了三个档位的三相交流电，使用起来十分方便。

电源模块

2.电源开关及保护模块

电源开关有三个，分别为实验台电源总开关、强电开关和弱电开关。为避免危险，该模块还加入了急停按钮以及各种错误类型的报警指示灯，便于实验安全进行。

电源开关及保护模块

3.弱电给定模块

弱电给定模块用于产生给定电压不同、方向不同的的阶跃或斜坡信号。在本实验中均使用阶跃信号控制晶闸管的导通角，从而起到弱电控制强电作用。

弱电给定模块

4.驱动模块

驱动模块由晶闸管构成的三相桥式电路组成，为电机转动提供可控电压。

驱动模块

5.执行模块

执行模块包括电动机、发电机及其励磁。共有四个电枢接口及四个励磁接口共八个接口。两个可调恒压源提供励磁电压。

执行模块

6.检测模块

实验中用到的检测模块包括电流检测模块和转速检测模块，用于搭建反馈通道，其中反馈系数可以根据需要自行调整。

转速检测模块

五、参数测试

1.测量电机两条机械特性曲线，并计算静差率

1)实验电路图

机械特性测试电路

2)实验步骤

a)按原理图接线，最小负载，给定电压为零。

b)老师检查后方可上电。

c)逐步增大给定电压，当电机开始运行时，将负载开关打到空

载位置。

d)逐渐增大给定电压，使电枢电压为110V，记录此时的转速和

电枢电流。

e)将负载开关闭合到小负载位置记录此时的转速和电枢电流。

f)逐渐增加负载，记录负载电流分别为0.6A~4A区间5个数据

对应的转速。

g)调整给定电压，电枢两端电压为55V.重复上述步骤。

3)实验数据记录

Ud=110V时：空载转速n0=1720

转速n（r/min）1600 1550 1470

电枢电流I（A） 1 1.5 2

Ud=55V时：空载转速n0=850

转速n（r/min）800 780 720

电枢电流I（A）0.5 0.7 1

4)机械特性曲线

机械特性曲线

5)转差率计算

当Ud=110V时：

17201600

6.98%

1720

n n

===

当Ud=55V时：

850800

5.88%

850

n n

===

2.测量电枢回路各个电阻

1)实验电路图

电阻测量电路

2)实验步骤

a)按图接线，变阻器采用负载变阻箱，将负载变阻箱上的开关

拨到“断”位置,电阻值为最大值。转动电机电枢。

b)先合电源开关，确保给定电压值为“0”，方可闭合主控开关。

开环电路实验，防止直流电动机直接启动。

c)缓慢调节给定电压，整流装置输出电压U d=(30-70)%U nom，调

节变阻器使I=1A,2A..，读取电枢电流和变阻器电压值。

d)在给定电压不变的条件下，调节变阻器，重新读取电流、变

阻器电压电压值。

e)联立方程，计算出电枢回路总电阻R。

f) 将给定电压减为“0”，关断主控开关，再关断电源开关。 g) 短接电枢两端，重复上述步骤，得到电枢回路电阻R ’，即不

包括电枢电阻的电阻。Ra=R-R ’。

h) 短接电枢和电抗器两端，重复上述步骤，即可得到平波电抗

器直流电阻RL 。 RL=R ’-R ’’。（注意此时的电流） i) Rn=R-Ra-RL 。

3) 实验数据记录及各电阻值计算

不接入励磁：

11.2r r d d U U R I I -=

=Ω

-总电阻

短接电动机：

112

7.8r r d d U U R I I -=

=Ω

-所以

短接电动机和平波电抗器：

212

1.88r r d d U U R I I -=

=Ω

-所以

综合以上数据可得：

a 112n 3.45.91.9L a L R R R R R R R R R R =-=Ω=-=Ω

=--=Ω

电枢回路电阻平波电抗器电阻电源内阻

3. 测试飞轮矩GD 2 1) 计算公式

200000209.55/375/d P U I I R T P n dn GD T dt =-=??

=- ?

2) 实验步骤

a) 在空载时测试空载功率P0，计算T0。

b) 逐渐增大给定电压，使转速达到1500rad/s ，然后突然掉电（将

给定信号断开），用示波器测试dt ，计算飞轮矩。 c) 给定电压减小至“0”，再闭合给定信号开关。 d) 将转速达到1600rad/s.重复上述实验步骤。 e) 取其平均值为飞轮矩的测试值。 3)

GD 2=（0.273+0.284+0.293）/3=0.283

4. 测试电势常数 1) 测试原理

调节负载使得不同电压时电流始终相等，此时n=Ud/ CeΦ，因此测得不同转速下的整流电压值可联立方程得到：

d d

e U U C n n ?-=

-。

2) 实验数据记录及电势常数计算

0.066

9.550.63

d d

e m e U U C n n C C φφφ-=

=-== 5. 测试晶闸管放大倍数Ks

s U U K =

6. 测试电流反馈系数β

I U =

β 7. 测试转速反馈系数α

300 600 900 1200 1500 n

U 1.1 2.0 3.1 4.0 5.0 α

0.00367 0.00333

0.00344 0.00333 0.00333

0.00338

n n =

α 8. 测试晶闸管整流延时Ts

Ts=1.67ms

9. 测试电机电磁时间常数Tl

0.20.01811.2l L T R =

六、参数设计

转速、电流双闭环调速系统的设计主要分三步进行，首先要确定转速、电流环有关的参数等，然后设计电流内环，最后设计转速外环。转速、电流双闭环系统动态结构图如下：

转速、电流双闭环系统动态结构图

1. 相关参数确定

首

先

，

已

知

=1/300

，

=1.2

。

由

//(1.2 4.1) 1.2im nom im U I U βλ==?=，得到转速调节器输出限幅为

5.8V ；由**

//15001/300nm

nom nm U n U α===，得到电流调节器输出限幅为5V 。

整流装置滞后时间常数Ts=1/mf=0.00167s；电流滤波时间常数T0i取0.002s，转速滤波时间常数T0n取0.01s。

2.设计电流环

实际系统中的电磁时间常数T1远小于机电时间常数T m，因而电流的调节过程比转速的变化过程快得多，反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器ASR的调节过程中可以近似的认为反电动势基本不变，即ΔE≈0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈断开。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内，最后，T s和T0i都比T1小得多，可以当做小惯性环节处理，等效成一个惯性环节，取：

T∑i=T s+T0i=0.0017+0.002=0.0037(s)

电流环最终简化成下图：

简化后的电流环

将电流环校正为典型Ⅰ型系统，其传递函数为：

取，其中。

任务要求，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：

取，可计算得到：

3. 设计转速环

处理控制对象传递函数。求得电流环闭环传递函数：

()()/1

i i I I s T K s s K φ=

++；

由于K I Ti=0.5，可简化得到：

2211

()22121

i i i i s T s T s T s φ=

≈+++；

将给定滤波和反馈滤波环节等效移到环内，然后将两个小惯性环节合并，即得到新的时间常数：

020.0120.003670.01734n n i T T T s =+=+?=；

为实现转速无静差，必须在扰动作用点前设置一个积分环节。扰动作用点后已经有一个积分环节，因此从静态无差考虑，需要采用Ⅱ型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰动性能一致，而典型Ⅱ型系统具有良好抗扰动性。所以按照典型Ⅱ型系统设计。要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，ASR 也应采用PI 调节器，其传递函数为：

()n ASR n

n s W s K s

ττ+=；

可得开环传递函数：

(1)

()

(1)

N n

K s

W s

s T

τ+

；

其中转速开环增益n n

n i e m

K R

C T

τβφ

=；

按照跟随性能和抗扰动性能最好原则，取h=5，则转速调节

器超前时间常数：0.0867()

n n

hT s

τ==

转速开环增益：

由此可计算：

令R0=40KΩ,可计算得到：

七、系统调试

1.仿真调试

1)直流电机开环仿真模型。

根据测试得到的电路参数，即R=11.2Ω，T l=0.018s，C eΦ=0.066，C mΦ=0.63，T m=0.289s，利用matlab中的simulink工具进行仿真，仿真图及结果如下：

直流电机开环模型仿真图及结果

2)双闭环仿真模型

在开环模型的基础上，搭建双闭环调速系统仿真模型。仿真图及结果如下：