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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 2014102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:130SZ012) 技术参数：3) 使用条件：海拔不超过4000m；环境温度：40°C55°C；空气相对湿度：95(25时)；振动：振频10150Hz，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:WBI125E012) 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:WBV125E012) 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0.6A4A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）160015501470电枢电流I（A）11.52Ud=55V时：空载转速n0=850 转速n（r/min）800780720电枢电流I（A）0.50.714) 机械特性曲线机械特性曲线5) 转差率计算当Ud=110V时：当Ud=55V时：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Ud=(30-70)%Unom，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：UdUr1I1Ur2I280V76.6V0.5A71V1A短接电动机：UdUr1I1Ur2I280V77.9V0.5A74.0V1A短接电动机和平波电抗器：UdUr1I1Ur2I280V78.8V1.5A80.6V0.51A综合以上数据可得：3. 测试飞轮矩GD21) 计算公式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) 实验数据记录及飞轮矩计算转速r/min电压电流100066.50.313.90.273150098.20.3850.2841600104.40.385.50.293GD2=（0.273+0.284+0.293）/3=0.2834. 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/ Ce，因此测得不同转速下的整流电压值可联立方程得到：。2) 实验数据记录及电势常数计算56.280089.21300 5. 测试晶闸管放大倍数Ks12345001760.796.4005.6715.1818.0812.986. 测试电流反馈系数0.8411.21.011.21.451.21.21.211.27. 测试转速反馈系数n300600900120015001.12.03.14.05.00.003670.003330.003440.003330.003330.003388. 测试晶闸管整流延时TsTs=1.67ms9. 测试电机电磁时间常数Tl 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，得到转速调节器输出限幅为5.8V；由，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Tm，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E0。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，Ts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：Ti=Ts+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型系统，其传递函数为：WACRs=Kiis+1is取i=Tl，其中Tl=LR=0.211.2=0.018s。任务要求i<5% ，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KITi=0.5，因此：KI=0.5Ti=0.50.0037=135.1s-1于是，ACR的比例系数为：Ki=KIiRKsi=135.1×0.018×11.213×1.2=1.7取R0=40K，可计算得到：Ri=Ki×R0=68KCi=i/Ri=0.26F3. 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：；由于KITi=0.5，可简化得到：；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：；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，而典型型系统具有良好抗扰动性。所以按照典型型系统设计。要把转速环校正成典型型系统，ASR也应采用PI调节器，其传递函数为：；可得开环传递函数：；其中转速开环增益；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：转速开环增益：KN=h+12h2T2=396.4(s-2) 由此可计算：Kn=KNniCeTmnR=14.64令R0=40K,可计算得到：Rn=Kn×R0=585.6KCn=n/Rn=0.15F 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=11.2，Tl=0.018s，Ce=0.066，Cm=0.63，Tm=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：双闭环模型仿真图及结果2. 现场调试1) 调试步骤a) 电动机开环情况下运行，负载为1A，转速为1000转/分，测试电流、转速的极性。b) 设定调节器的限幅值。c) 搭建双闭环，先调试系统内环，电流环参数初始值为理论设计的参数。d) 转速环（外环）搭建成1:1反相器。e) 逐渐增大给定电压，负载电流为1A，调整电流环参数，使系统迅速稳定，不振荡。f) 逐渐增加负载，调整电流环参数，使系统迅速稳定，不振荡。g) 当系统稳定后，逐渐改变负载电流（空载、1 A、1.5 A 、2 A 、3 A ），记录转速的变化，记录此时的电流环参数。h) 突加给定，用示波器观察转速和电流的超调量。i) 调整电流环参数，使超调量满足指标要求。j) 搭建双闭环，转速环初始值为理论设计值。k) 逐渐增大给定电压，负载电流为1A，调整转速环参数，使系统迅速稳定，不振荡。l) 逐渐增加负载，调整转速环参数，使系统迅速稳定，不振荡。m) 当系统稳定后，逐渐改变负载电流，记录转速的变化。记录此时的电流环参数。n) 突加给定，示波器观察转速和电流超调量，调整电流环参数，使超调量满足指标要求。o) 做抗干扰特性实验。2) 调试现场展示首先调试内环，即电流环。将外环设置为反相器，内环按照理论计算得到的参数进行设置，R=68k，C=0.26F。得到电流能够在一定程度下稳定，但阶跃响应几乎没有超调。依据上述分析应当将P调大，I调小。首先将P调大，得到参数为R=100K，C=0.26F的一组数据。观察波形情况，得到波形阶跃响应超调仍很小。经过不断地调节，得到参数为R=95K，C=0.18F的一组数据。观察波形情况，发现波形迅速稳定，阶跃响应有超调，符合调节要求。从而得到电流环的理想参数。保持电流环参数不变，接下来调试转速环。首先将转速环参数设置为理论计算值R=586k，C=0.15F。得到电流波形振荡较大，而且动态超调大于5%，转速从空载启动到额定值时的超调量极小。尝试减小转速环比例系数，并且调节R=480k，电容值不变，发现转速超调量稍大了一些，但电流波形振荡依然比较严重。保持R值不变，增大电容值，使C=0.2F发现电流波形的振荡更加严重，因此应该减小电容值。继续保持R值不变，减小电容值，使C=0.1F，此时电流波形振荡减小，但仍然不是最理想状态。之后经过不断的调试和修改，发现当R=520k，C=0.09F时波形较为理想。电流振荡仍存在，但符合实际情况，转速的动态超调较理论值稍有增大，但也满足条件，波形较为完美。八、系统测试结果最终得到最优参数为Ri=95k，Ci=0.18F；Rn=520 k，Cn=0.09F。其中转速超调为8.3%，稳态无静差。经过抗干扰测试，系统接收扰动后均能够很快恢复至稳定状态，波形略有波动，因此系统调试完毕，完全符合任务书要求。最终的双闭环调速系统波形示意图如下所示：九、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. 实验台右上方提供三相电源。其中三相转换开关旋钮0123档依次为080V110V220V，实验过程中严格按照实验要求选择电源电压。4. 实验时不得触碰电机以免发生危险。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. 电动机励磁电源一定要接线牢靠，防止飞车现象发生。9. 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。10. 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。11. 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。十、总结和心得体会双闭环调速系统不仅具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)，还具有较好的动态特性，其起动时间短(动态响应快)，超调量也较小。此外，系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而转速环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。利用两个调节器分别调节电流和转速，这样可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调转速环)，调整方便。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。通过实际调试可以发现调节器最优参数的选择是很难确定的。虽然通过软件仿真和理论计算已经可以得出最优参数值，但实际系统存在诸多不可测因素，导致理论参数值与实际参数值的选取存在一定差距，因此今后学习不能仅局限于理论，一定要多走进现场，在实践中进步。但是理论基础仍然是实际操作的前提，只有通过计算确定各个参数大致范围，实际调试才不会盲目，因此拥有扎实的理论基础也很重要。这次课程设计不仅让我巩固了电力电子技术和电气传动课程中所学的核心知识，也通过团队合作完成了双闭环典型系统的设计，我对工程实践的步骤和环节认识也更为深入，受益颇多。参考文献1周金龙.直流电动机动态控制的研究J.西南大学.20082张鹏.直流电机双闭环调速系统分析及仿真研究J.价值工程.2013(31)3阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统(第四版)M.北京:机械工业出版社,20094刘春艳,闻玉凤.基于MATLAB/Simulink双闭环直流调速系统的仿真研究J.山西大同大学学报(自然科学版).2013(3)5高芳.单片机在直流调速中的应用技术研究J.电子技术与软件工程 2013(21)6朱晓东,赵峰,李广,王杰.基于自适应遗传算法的双闭环直流调速系统的设计J.矿山机械.2007(5)6张鹏. 直流电机双闭环调速系统分析及仿真研究J.价值工程.2013(31)7杜翠静,常万仓.双闭环直流调速系统的工程设计与仿真J.自动化应用. 2011(11)8聂晓华,余运俊等.龙门刨床双闭环直流控制系统仿真研究J.组合机床与自动化加工技术.2014(3)9邵雪卷,张井岗等.双闭环直流调速系统的研究J.电气电子教学学报. 2008(1)10郑光,王迤冉.双闭环直流调速系统优化及仿真研究J.计算机仿真. 2013(7)附1：实验过程中遇到问题及解决方法问题一：调节内环时，发现理论计算数值并不理想，电流始终无超调。解决：需要调节PI参数，在稳定的前提下，必须要有小数值超调。问题二：调节完内环后，内环不能改变，外环调节难度大，组员产生争议。解决：继续调节外环参数，不能改变已经调好的内环参数。防止内环不稳定造成的破坏。问题三：测飞轮矩时，转速变化波形不能完全显示在示波器中。解决：首先调试好示波器显示设置，使得波形完整出现。问题四：双闭环电流波形振荡过大，改变参数没有起到明显效果。解决：询问老师后得知振荡无法避免，但通过适当减小转速环的R和C值可以减小振荡，不可改变电流环参数来减小振荡。附2：小组分工，个人主要工作及完成情况组长，操作员：王鹏宇主要工作：仿真，设计实验，连接电路，现场调试。副组长，操作员：余德本主要工作：仿真，设计实验，连接电路，现场调试。记录员，操作员：梁泽鹏主要工作：设计实验，设计表格，记录所得实验数据，调整负载大小，调试示波器，连接电路。安全员，操作员：古海君主要工作：开关电源，提醒组员注意安全规范，连接电路，现场调试。28