2023年電氣傳動實驗報告

電氣傳動課程設計

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果，其中涉及了實

驗設計過程，原始設備參數(shù)的測量，參數(shù)設計，實驗仿真和系統(tǒng)的實際調(diào)試結果

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計任務，隨后是對本課題的發(fā)展現(xiàn)狀及背景的

一些研究情況，之后介紹了所用設備以及實驗臺的具體情況。接下去具體說明了

電機各個參數(shù)的測試過程及結果，并在其基礎上進行調(diào)節(jié)器參數(shù)計算設立，給出了

計算機仿真過程和結果。最后部分是現(xiàn)場調(diào)試的過程及說明并給出結論。

直流電動機具有優(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，提高其運營性能，應用廣泛，值得加以研究，對國民經(jīng)濟具有十分重要的現(xiàn)實

意義。

關鍵字：

雙閉環(huán)調(diào)速。直流電機MATLAB仿真*

目錄

目錄。錯誤!未定義書簽。

1＞課程設計任務書.................................錯誤!未定義書簽。

2、課題的發(fā)展狀況研究意義........................錯誤!未定義書簽。

3、設備選型.......................................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......................................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、課程設計任務書

內(nèi)容：設計并調(diào)試直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

硬件結構：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)行機構:直流電機。

性能指標: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)展狀況研究意義

調(diào)速系統(tǒng)是當今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應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),晶閘管變流技術日益成熟,使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管一

電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當今重要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應用于世界各國。

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。同時直流電機的低速特性,大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機,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。

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

科學技術的不斷發(fā)展,越來越多的先進技術融入到電氣傳動技術的研究中,這促

使電氣傳動技術不斷向著實用化、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、設備選型

直流伺服電動機(355W,110V,4.1A,150OR.P.M)

型號：130SZO1

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

通用化限度強等特點，被廣泛應用于各種機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行隔離傳送,構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行實時測

量，具有體積小、響應快、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行隔離傳送，構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壓進行實時測量,

具有體積小、響應快、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、電源及保護幾個功能模塊。接口

分為兩種，一種為強電接口，一種為弱電接口。相應的由強電開關和弱電開關控

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)動模塊由晶閘管構成的三相橋式可控電路構成，在實驗中為電動機提供可

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)行模塊及電動機以及發(fā)電機，是實驗的關鍵部分。其四個電樞接口，四個

勵磁接口共八個接口被引導實驗臺面上，剩余部分擺放在實驗臺右側。

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，電源保護模塊提供了各種故障

的提醒燈，復位鍵以及強電弱電兩組開關，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測量電機兩條機械特性曲線，并得到靜差率。

設計實驗電路圖如圖5.1.1:

圖5.1.1：機械特性測試電路圖

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

機械特性曲線如圖5.1.2：

圖5.1.2:機械特性曲線

5.2測量電樞回路各個電阻。

設計實驗電路如圖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,短路電動機得到R-Rm,短路電動機及電抗得到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的導數(shù)為273。代入上述

2

兩個結果得到飛輪矩GD2=0.34N-MO

GI)2R

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

375ccpC/

6、參數(shù)設計

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

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

雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結構圖6.0如下：

圖6.0:雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構圖

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)跟隨性能指標和頻域指標

與參數(shù)的關系，應取,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)器結構選擇：

按照設計規(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直流電機模型仿真

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

0.153s，運用Mat1ab中的simulink工具進行仿真，如圖7.1

圖7.1：直流電機模型仿真結構圖

通過給定輸入電壓以及負載，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立為300,設立為1.2,由于使用三相橋式電路，Ts=

0.00167s。依據(jù)之前設計參數(shù)進行雙閉環(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)結構圖

仿真結果如圖7.2.2

圖7.2.2：雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真結果圖

從仿真結果圖中可以看到，系統(tǒng)特性完全符合設計指標的規(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果搭建。

搭建完畢之后，運用示波器測試電流特性，并不能達成預期，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)

量滿足指標規(guī)定。

8、系統(tǒng)測試結果

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書和指導教師的規(guī)定進行。

2、實驗室總電源的啟動應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)換開關旋鈕0\1\2\3檔

依次為0\80V\110V\220V,實驗過程中嚴格按照實驗規(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,

避免觸電或損壞設備。

7、加電時，應在同組全體成員都批準且保證安全的情況下按照從電源

側到用電側的順序進行，實驗中若用到變阻器,應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，應立即按下急停按鈕切斷電源，并

向指導教師報告，不得自行解決，等待事故解決結束后，再繼續(xù)實驗。

9、實驗過程中，如出現(xiàn)蜂鳴器報警聲,此時應迅速觀測故障提醒燈并按

下止鈴和復位按鈕，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、實驗結束后，應按規(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，實驗設備歸回原位,清掃實驗場地，切斷電源，填寫設備使用記錄經(jīng)

指導老師檢查后方能離開。

10、總結

通過這次電氣傳動課程設計,我收獲很多，對于上學期的