2023年電氣傳動實驗報告

電氣傳動課程設(shè)計

摘要：

本課題重要內(nèi)容為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試與測試的過程及結(jié)果，其中涉及了實

驗設(shè)計過程，原始設(shè)備參數(shù)的測量，參數(shù)設(shè)計，實驗仿真和系統(tǒng)的實際調(diào)試結(jié)果

等內(nèi)容，最終得到符合規(guī)定的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

本報告開始部分明確了課程設(shè)計任務(wù)，隨后是對本課題的發(fā)展現(xiàn)狀及背景的

一些研究情況，之后介紹了所用設(shè)備以及實驗臺的具體情況。接下去具體說明了

電機(jī)各個參數(shù)的測試過程及結(jié)果，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)計算設(shè)立，給出了

計算機(jī)仿真過程和結(jié)果。最后部分是現(xiàn)場調(diào)試的過程及說明并給出結(jié)論。

直流電動機(jī)具有優(yōu)良的起動，制動和調(diào)速性能。直至今日，直流電動機(jī)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。由于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。而雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)則可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的

基礎(chǔ)上實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，且有良好的動態(tài)特性特別是啟動特性，能有效地控制電

機(jī)，提高其運營性能，應(yīng)用廣泛，值得加以研究，對國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實

意義。

關(guān)鍵字：

雙閉環(huán)調(diào)速。直流電機(jī)MATLAB仿真*

目錄

目錄。錯誤!未定義書簽。

1＞課程設(shè)計任務(wù)書.................................錯誤!未定義書簽。

2、課題的發(fā)展?fàn)顩r研究意義........................錯誤!未定義書簽。

3、設(shè)備選型.......................................錯誤!未定義書簽。

4、實驗臺簡介。錯誤!未定義書簽。

5、參數(shù)測試。錯誤!未定義書簽。

6、參數(shù)設(shè)計.......................................錯誤!未定義書簽。

7、系統(tǒng)仿真調(diào)試。錯誤!未定義書簽。

8、系統(tǒng)測試結(jié)果。錯誤!未定義書簽。

9、實驗室安全及實驗過程注意事項................錯誤!未定義書簽。

1（）、總結(jié)......................................錯誤!未定義書簽。

附錄一：實驗中碰到的問題及解決辦法..............錯誤!未定義書簽。

附錄二：小組分工................................錯誤!未定義書簽。

1、課程設(shè)計任務(wù)書

內(nèi)容：設(shè)計并調(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PI調(diào)節(jié)器）。

驅(qū)動裝置: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。

動態(tài)：電流超調(diào)量小于5%;空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)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)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)

速性能規(guī)定較高的各類生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動，簡稱為直流調(diào)速。在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。晶閘管一

電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今重要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)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(chǔ)是經(jīng)典控制理論,而交流調(diào)速重要依靠現(xiàn)代控制理論。但是最近研制成功

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(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)對于運營性能規(guī)定很高的機(jī)床還存

在著很多局限性，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

動態(tài)特性都很抱負(fù)。

電氣傳動技術(shù)在我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用，隨著現(xiàn)代

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的先進(jìn)技術(shù)融入到電氣傳動技術(shù)的研究中,這促

使電氣傳動技術(shù)不斷向著實用化、智能化、信息化、交流化、數(shù)字化、集成化和

綠色化的方向發(fā)展。

3、設(shè)備選型

直流伺服電動機(jī)(355W,110V,4.1A,150OR.P.M)

型號：130SZO1

功能：體積小、重量輕、力能指標(biāo)高、噪聲低、產(chǎn)品系列化限度高、零部件

通用化限度強(qiáng)等特點，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械及自動化控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。

市場價格：490元

交直流電流傳感器(IN:AC/DC0-5A；OUT：DC0-5V)

型號:WBI125E01

受限制:輸入電流范圍大小在0至5A,輸出電壓范圍大小在0至5V,

電流測量精度為+0.5%

工作原理：光電隔離原理、磁調(diào)制隔離原理

功能：檢測交流供電線路的電流值時，為防止損壞測試系統(tǒng)、危害人身安全,

檢測系統(tǒng)不能與強(qiáng)電直接相連。交直流電流傳感器可以將待檢測的電流信號轉(zhuǎn)換

為便于測量的直流信號并進(jìn)行隔離傳送,構(gòu)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?？蓪﹄娋W(wǎng)或電路中的交直流電流進(jìn)行實時測

量，具有體積小、響應(yīng)快、高精度、低漂移等特點。輸入、輸出回路完全隔離，

輸出信號與電源共地,可以直接與各型A/D轉(zhuǎn)換器配接,構(gòu)成數(shù)據(jù)集中采集系

統(tǒng)。

市場價格：170元

交直流電壓傳感器(IN:AC/DC0-500V；0UT:DC0-5V)

型號：WBV125E01

受限制：輸入電壓范圍大小在0至500V，輸出電壓范圍大小在0至5V,

電壓測量精度為+0.5%

工作原理：光電隔離原理、磁調(diào)制隔離原理

功能：檢測交流供電線路的電壓值時,為防止損壞測試系統(tǒng)、危害人身安全,

檢測系統(tǒng)不能與強(qiáng)電直接相連。交直流電壓傳感器可以將待檢測的電壓信號轉(zhuǎn)換

為便于測量的直流信號并進(jìn)行隔離傳送，構(gòu)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壓進(jìn)行實時測量,

具有體積小、響應(yīng)快、高精度、低漂移等特點。輸入、輸出回路完全隔離，輸出

信號與電源共地，可以直接與各型A/D轉(zhuǎn)換器配接,構(gòu)成數(shù)據(jù)集中采集系統(tǒng)。

市場價格：207元

4、實驗臺簡介

實驗臺重要分為給定、驅(qū)動、執(zhí)行、檢測、電源及保護(hù)幾個功能模塊。接口

分為兩種，一種為強(qiáng)電接口，一種為弱電接口。相應(yīng)的由強(qiáng)電開關(guān)和弱電開關(guān)控

制其電源通斷。

4.L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。在本實驗中重要使用階

躍信號，作為控制信號控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而起到控制電樞電壓的作用。

實驗臺給定模塊

4.2.驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊由晶閘管構(gòu)成的三相橋式可控電路構(gòu)成，在實驗中為電動機(jī)提供可

控的電樞電壓,受給定模塊控制。

實驗臺驅(qū)動模塊

4.3.執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊及電動機(jī)以及發(fā)電機(jī)，是實驗的關(guān)鍵部分。其四個電樞接口，四個

勵磁接口共八個接口被引導(dǎo)實驗臺面上，剩余部分?jǐn)[放在實驗臺右側(cè)。

實驗臺執(zhí)行模塊

4.4檢測模塊

本實驗中用到的檢測模塊重要涉及電流和轉(zhuǎn)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。

轉(zhuǎn)速檢測模塊

4.5.電源和電源保護(hù)模塊

電源模塊提供了共3個檔位的三相交流電源，電源保護(hù)模塊提供了各種故障

的提醒燈，復(fù)位鍵以及強(qiáng)電弱電兩組開關(guān)，幫助快速找到故障因素，迅速糾正，

避免危險。

電源模塊

電源保護(hù)模塊

完整豐富的實驗臺給我們調(diào)試出完美的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)提供了條件

5、參數(shù)測試

5.1測量電機(jī)兩條機(jī)械特性曲線，并得到靜差率。

設(shè)計實驗電路圖如圖5.1.1:

圖5.1.1：機(jī)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(jī)械特性曲線。

數(shù)據(jù)如下:

Ua=110V：

I(A)11.522.53空載

n(r/min)115141750

16301450

5450020

Ua=55V：

I(A)11.522.53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

5.2測量電樞回路各個電阻。

設(shè)計實驗電路如圖5.2.1:

由U.=U”+IdlR和U,,=Ur2+jR兩式聯(lián)立可得到:

這個R指回路總電阻，重要涉及電樞電阻Ra,電抗器電阻R1,電源內(nèi)阻Rn。

我們可以通過測得R,短路電動機(jī)得到R-Rm,短路電動機(jī)及電抗得到R-Rm一

Rio通過計算可得到R,Ra和Rn。

通過測量整理計算得到：

R=7.6,Ra=3.8,Rn=1.55A

5.3測量電勢常數(shù)。

調(diào)節(jié)負(fù)載使得不同電壓時電流始終相等，此時n=Ud/Ce①，因此測得不同

轉(zhuǎn)速下的整流電壓值可聯(lián)立方程得到：

測得1=1.3A時兩組數(shù)據(jù)分另U為：U=80V,n=l200r/min和U=66.2V,n

=1000r/min。帶入公式得到Ce①=0.069[V/(r-min-')]0

又Cm①=9.55Ce①=0.659

5.4、計算飛輪矩GD2并計算機(jī)電時間常數(shù):

根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程式,測試飛輪轉(zhuǎn)矩。

2

_^GD.dn

TeTl375dt

當(dāng)忽然斷電時，電磁轉(zhuǎn)矩為0,此時若為容易算得的空載轉(zhuǎn)矩可得到公式:

GDdn2crvT/,d〃、

TO=FKGD=-3754/%）；

其中7；=9.554/n=9.55（t//?-/（；/?）/n

一方面測一組空載數(shù)據(jù)，即n=1000r/min,U=66.7V,1=0.39A,帶入式

中計算得到T()=0.237N-Mo在空載情況下電機(jī)運營在1500r/min時忽然斷電,

由示波器測得n變化為零所用時間為5.52s,可得到n的導(dǎo)數(shù)為273。代入上述

2

兩個結(jié)果得到飛輪矩GD2=0.34N-MO

GI)2R

根據(jù)以上結(jié)果及公式：Tm=',機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.153s

375ccpC/

6、參數(shù)設(shè)計

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計重要分三步進(jìn)行，一方面要擬定與轉(zhuǎn)速、

電流環(huán)有關(guān)的參數(shù)，如反饋系數(shù)等；然后依次設(shè)計電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)。轉(zhuǎn)速、電流

雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖6.0如下：

圖6.0:雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

6.1反饋系數(shù)和濾波時間常數(shù)

一方面，擬定=1/300,=1.2,

由，得電流環(huán)限幅為5.8V。

由，得轉(zhuǎn)速環(huán)限幅為5V。

晶閘管構(gòu)成的三相橋式電路最大也許的失控時間就是自然換相點之間的時

間，即。

電流濾波時間常數(shù),轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。

6.2電流環(huán)參數(shù)設(shè)計

將電流環(huán)校正為典型I型系統(tǒng)，流環(huán)小時間常數(shù)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：規(guī)定期，按照典型I型系統(tǒng)動態(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

，可計算得到:

6.3轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計

將電流環(huán)看做轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)。其近似傳函為

轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)選擇：

按照設(shè)計規(guī)定，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(zhuǎn)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(jī)模型仿真

根據(jù)測試得到的電機(jī)及電路參數(shù)，即R=7.6,,Ce①=0.069[V/(r-min-i)],Tm=

0.153s，運用Mat1ab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

接下來，在開環(huán)模型的基礎(chǔ)上，搭建雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。

一方面通過估算將設(shè)立為300,設(shè)立為1.2,由于使用三相橋式電路，Ts=

0.00167s。依據(jù)之前設(shè)計參數(shù)進(jìn)行雙閉環(huán)仿真。得到電流及轉(zhuǎn)速波形如圖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)計指標(biāo)的規(guī)定。

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，特別是反饋輸出口的極性。

(3)將a和B調(diào)整到所需值1/300和1.2。

7.3.2電流環(huán)參數(shù)整定調(diào)試

(1)電流閉環(huán)，設(shè)立兩個調(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)器按照理論值計算結(jié)果搭建。

搭建完畢之后，運用示波器測試電流特性，并不能達(dá)成預(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，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:電流啟動波形

(3)逐漸增長負(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，然后逐漸增大給定電壓至負(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)啟動波形

3、逐漸增長負(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,用示波器觀測轉(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)規(guī)定。

8、系統(tǒng)測試結(jié)果

最終得到最優(yōu)參數(shù)為Ri=45k。，Ci=1.270.12UF；Rn=600kQ,Cn=

0.15uFo其中轉(zhuǎn)速超調(diào)為7.5%,穩(wěn)態(tài)無靜差。通過抗干擾測試，涉及負(fù)載

擾動以及電源擾動等，系統(tǒng)接受擾動后均可以不久恢復(fù)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(wù)書規(guī)定，且穩(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(dǎo)書和指導(dǎo)教師的規(guī)定進(jìn)行。

2、實驗室總電源的啟動應(yīng)由實驗室工作人員來控制，其別人員未經(jīng)許

可不得操作。

3、實驗臺右上方提供三相電源。其中三相轉(zhuǎn)換開關(guān)旋鈕0\1\2\3檔

依次為0\80V\110V\220V,實驗過程中嚴(yán)格按照實驗規(guī)定選擇電源電壓。

4、實驗中請勿打開實驗臺后背蓋,防止也許發(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(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，應(yīng)在同組全體成員都批準(zhǔn)且保證安全的情況下按照從電源

側(cè)到用電側(cè)的順序進(jìn)行，實驗中若用到變阻器,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、實驗過程中，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)教師報告，不得自行解決，等待事故解決結(jié)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(yīng)迅速觀測故障提醒燈并按

下止鈴和復(fù)位按鈕，然后斷開控制電路電源，自行檢查電路錯誤后再繼續(xù)實驗。

10、實驗結(jié)束后，應(yīng)按規(guī)定先斷電，后拆線。斷電前調(diào)壓器先調(diào)到零。做

好整理工作，實驗設(shè)備歸回原位,清掃實驗場地，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)

通過這次電氣傳動課程設(shè)計,我收獲很多，對于上學(xué)期的