课程设计-张士广1

目 录一、系统设计要求 .1二、直流调速系统原理 21、开环系统与闭环系统的选择 .22、单闭环系统与双闭环系统的选择 .33、可逆调速系统 .4三、基本参数测试 51、电枢回路电阻 R 的测定 .52、电枢回路电感 L 的测定 .63、直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量 的测定 .72GD4、主电路电磁时间常数的测定 .85、电动机电势常数和转矩常数的测定 .96、系统机电时间常数 TM 的测定 .97、晶闸管触发及整流装置特性 的测定 .9()dctUf8、测速发电机特性 的测定 10TGfn四、系统参数测试 111、系统参数设计 .112、系统单元调试 .16五、综合调试 211、系统开环调试 .212、单闭环系统的调试 .223、双闭环系统的调试 .244、逻辑无环流可逆系统的调试 .26六、总结及分析 301、实验总结 .302、实验中出现的问题 .31七、参考文献 34北京航空航天大学课程设计论文1一、系统设计要求1、总体设计要求：以 335W 直流电动机组为调节对象，采用三项全控桥整流装置供电，组成速度、电流调速系统和逻辑无环流调速系统，对机组实行均匀无级调速。通过对系统的设计和试验，使系统的性能达到设计要求。2、给定参数：。P =35W, n10r/min, I=2.0A, U20V3、性能指标要求：调速范围：D = 10， 静差率：s 5%， 转速超调量：% = 10%， 动态速降：n 8%。北京航空航天大学课程设计论文2二、直流调速系统原理1、开环系统与闭环系统的选择开环控制系统的组成最为简单，但是在系统的静差要求较高的话，开环系统就无法满足要求了，在这种情况下，就要采用闭环控制系统。图 1 所示是转速负反馈单环控制系统，其工作原理为：测速发动机测量电机转速 n 得到 Un，Un 与给定转速 Un*比较得到转速误差 U，U 放大后控制晶闸管触发装置的控制电压 Uct，Uct 通过触发脉冲控制晶闸管导通角 ，从而达到控制电机的电枢电压以控制电机转速的目的。图 1 转速负反馈单环控制系统在此系统的调节下，当系统的负载增加时，各控制量的变化如下： 即通过提高 ，提高 ，使 n 下降很小，或者基本不下降，所以闭环系统dU00*0()()LndTnUn不 变 测 速不 变晶 闸 管北京航空航天大学课程设计论文3的稳态速度降落要比开环系统小得多。2、单闭环系统与双闭环系统的选择采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定性的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启动、突加负载动态速降小等，但闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转速。如图 2 所示为转速、电流双闭环控制系统，为了实现速度控制，采用速度反馈，为了能够实现电流控制和快速的起动性能，采用了电流反馈。其中电流环为内环，速度环为外环，速度环接受测速发电机送来的速度信号，而速度环的对信号处理后的输出以及电流反馈信号作为电流环的输入，电流环的输出控制触发电路产生合适的触发脉冲以控制整流电路的输出电压，从而达到控制电机转速的目的。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用 PI 调节器。图 2 转速、电流双闭环控制系统双闭环调速系统的启动过程中，电流和转速波形是接近理想快速启动过程的波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段三个阶段，从起动时间上来北京航空航天大学课程设计论文4看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本实现了在电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制” 。在双闭环系统中，转速调节器的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出值决定允许的最大电流。电流调节器的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压扰动。3、可逆调速系统由直流电动机的转矩公式 可知，改变转矩方向的方法有两种，一emTCI是改变电动机电枢电流的方向，二是改变励磁磁通的方向。但通过改变励磁磁通的方法改变转速一般动作时间较长，所以在转向较频繁，对快速性要求较高的系统里多采用改变电枢电流方向的方法。图 3 所示为逻辑控制的无环流可逆调速系统，它采用两组晶闸管装置反并联线路。图 3 逻辑控制的无环流可逆调速系统其中的 WLZ 模块对 GTF 和 GTR 两组触发器的脉冲释放进行控制，实现正反组的导通。其控制过程为正组(VF)工作时，封锁反组(VR)的触发脉冲；反组(VR)工作时封锁正组(VF)的触发脉冲，从而实现了两组的无环流切换。北京航空航天大学课程设计论文5三、基本参数测试1、电枢回路电阻 R 的测定电枢回路的总电阻 R 包括电机电枢电阻 ，平波电抗器电阻 和整流装aRLR置的内阻 。n图 4 电枢回路电阻测量接线图（一）如图 4 所示接线，使给定电压 ，调节触发电路的偏移电压电0gU位器使 ，负载电阻 RP1 调至最大。调节 使整流输出电压分别为150，调节 RP1 使电枢电流为 。记录此时的电压37%dedU89%edI表和电流表的读数为： 。 1196.0,.7UVIA调节 RP1，使电流表读数为 ，读取此时两个电表的读数：4edI。221.0,.91UVIA北京航空航天大学课程设计论文6此时应有： ，由这两个式子可得总电阻12doUIR。1296.0.7.48RI（二）把电机电枢两端短接，可测得除去电枢电阻以外的总电阻，方法同上：测得： ， 。1197.0,.UVIA22105.,.91UVIA可求得 ，2197.4.6LnRI那么电枢电阻为 。1.297.83aLnR（三）短接电抗器两端，同样方法可测得除去电抗器的总电阻，测得数据为：， 。118.0,.3UVIA2295.0,.UVIA可求得： ，那么可得平波电抗器的直流12814.89.3anRI电阻： ，()72.5Lan1.48.06na2、电枢回路电感的测定电枢电路总电感包括电机的电枢电感 ，平波电抗器的电感 和整流变压aLL器的漏感 ，但是因为一般 的数值很小，可以忽略。则电枢电路的总电感为BLB。如图 5 所示接线，用交流伏安法测定。电机加额定励磁，使电机a堵转。用电压表和电流表分别测量通入交流电压后电枢两端和电抗器上的电压值 和 及电流 。测得结果为： 。aULI25.7,0,1.32aLUVIA那么 ，则25.719.4, 6.831.3a LZZII北京航空航天大学课程设计论文7222219.47.830.567.85649aLaZRHmff图 5 电枢回路电感测量接线图3、直流电动机- 发电机-测速发电机组的飞轮惯量 的测定2GD电力拖动系统的运动方程为 ，2375LGDdnMt电机空载自由停车时的运动方程为 ，2Kdt那么 ，其中 ， 。2375KMGDdnt9.5KPn2aKUIR按照图 6 接线，分别用电流表和电压表测得在不同转速 下的 和 的值，naKI因条件关系， 取经验值 ，测得试验数据和相关的计算值如表 1dnt 2160minr北京航空航天大学课程设计论文8所示：图 6 飞轮惯量 的测定接线图2GD表 1 飞轮惯量 的测定2(/min)r()aUV()kIA(min)drt()KPW()KMNm2()GD1501 204 0.18 160 36.16 0.23 0.541196 162 0.16 160 25.48 0.20 0.451001 136 0.15 160 20.01 0.19 0.44求得 2 2=(0.54.)/30.48GDn平 均4、主电路电磁时间常数的测定主电路的电磁时间常数可以近似的由下式计算： 。0.49.5670.3212aLdTsR北京航空航天大学课程设计论文95、电动机电势常数和转矩常数的测定将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压 测得相应的 ，可dUn以利用步骤 3 中的数据：。那么 1122204,5/min;16,9/mind dUVnrUVnr2104.38/(i),99.5.38.demeCKNA6、系统机电时间常数 TM 的测定系统的机电时间常数可有下式计算：。20.4817.20.13753memGDRTsC7、晶闸管触发及整流装置特性 的测定()dctUf按图 4 接线，逐步加大给定电压 ，用电压表测量给定电压 和整流输ct ctU出电压 ，直到输出电压趋于饱和。数据记录如表 2：dU表 2 晶闸管触发及整流装置特性()ctV1.0 1.1 1.2 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7d47 64 79 94 119 142 161 179 187 194 200 207 213 218ctU2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0 4.1()223 227 232 236 240 243 247 250 253 255 258 260 262 264图 7 是相应的曲线，做曲线线性段的切线，从上面取两点计算斜率：。1279631.0dscttUK图 7北京航空航天大学课程设计论文108、测速发电机特性 的测定TGUfn按图 4 接线，电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压 ，分别ctU读取对应的 ， 的数值若干组，记录如表 3：TGn表 3 测速发电机的特性(/mi)nr325 602 905 1199 1497TGUV1.96 3.56 5.32 7.03 8.75相应的曲线见图 8图 8 测速发电机特性曲线北京航空航天大学课程设计论文11四、系统参数测试1、系统参数设计已知及已测得的相关参数如下：直流电动机： ， ， ，NU20V2.NIA150/minNnr， ；0.138/(min)eCVr1.5晶闸管放大系数： ；6sK电枢回路总电阻： ；17.24R时间常数： ， ；0.3LTs0.ms电流反馈系数： ；51.52/1NVVAI转速反馈系数： ；0.3(/min)5Nrn（一）电流环的设计(1)确定时间常数根据参考资料1表 5.1 可取晶闸管三项桥式整流电路的平均失控时间为：；1.67sTm电流滤波时间常数： ；2oiTms北京航空航天大学课程设计论文12电流环小时间常数： 。3.670.367isoiTmss(2)选择电流调解器的结构因设计要求： ，且 ，则可以按典型 I 型%100.328.7106LiT系统设计。电流调节器选用 PI 型，其传递函数为，传递函数为：。()iACRsWK(3)选择电流调节器参数ACR 超前时间常数： 。0.32iLTs电流开环增益：要求 时，根据参考资料2表 2-2 应取%1,则， ，那么，ACR 的比例系数为：0.69IiKT10.69.8.037IiKsT。.21.418.55iiIsR(4)校验近似条件电流环截止频率； 。18.0oiIKs现在， ，满足近似条件。119.630.7ois sT忽略反电动势对电流环影响的条件： ，现在，13oimLT，满足近似条件。111348.20.2.3oimL sT北京航空航天大学课程设计论文13小时间常数近似处理条件： 。现在，13oisoiT，可见这里的近似条件满足得不够11182.430.67.oisoiT好，但是因为相差不大，所以我们所做的近似总体还是可以接受的。(5)计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图 9 所示，按所提供的放大器参数，可知 ，02Rk则相应的各电阻和电容的计算如下： ff图 9 电流调节器原理图；0.5821.6iiRKk；.3.716ii sCFk。0420.4oiiTmsRk北京航空航天大学课程设计论文14按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为： ，满足%9.510i设计要求。（二）转速环的设计(1)确定时间常数电流环等效时间常数为： ；20.367.04iTs转速滤波时间常数： ；.1ons转速环小时间常数： 。20.7340.1nionTs(2)选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型型系统设计转速环。故 ASR 选用 PI 调节器，其传递函数为。1()nASRsWK(3)选择转速调节器参数按跟随和抗绕性能都较好的原则，取 ，则 ASR 的超前时间常数为5h，50.17.85nhTs转速环开环增益 ，于是，ASR 的比例系22226415.0.7NnhKsT数为 。(1)1.538.72.emnnCR(4)检验近似条件北京航空航天大学课程设计论文15转速环截止频率为 。1415.20835.NonnIKs电流环传递函数简化条件： ，现有5oniT，满足简化条件；1154.50.367oni sT小时间常数近似处理条件： ，现在有132onionT，满足近似条件。118.93220.367.onionT(5)计算调节器电阻和电容图 10 转速调节器原理图转速调节其原理图如图 10 所示，根据已知放大器参数知 ，则02Rk北京航空航天大学课程设计论文16， 015.7234nRKk，.8.nsCFk。04.12onTsRk(6)校核转速超调量 max*%2()nomnbCTz当 时， ，而 ，5hmax81.%b2.174.8/min03dnomeIRrC取 ，那么 ，能够满足设0z274.80.2.56.%1n计要求。2、系统单元调试（一）速度调节器(ASR)的调试(1)调整正负输出限幅值参照图 11，ASR 的 5、6端之间接入外接电容，ASR的 1 接 G(给定) 的 Ug，通过 Ug 加入一定的输入电压，调节 RP1、RP2 使 ASR 的图 11 系统面板图北京航空航天大学课程设计论文17输出端输出的正负电压值等于 。5V(2)测定输入输出特性短接 5、6 之间的电容，使 ASR 成为 P 调节器，向输入端逐渐加入正负电压，直至输出限幅值，得到如图 12 的近似曲线： 图 12 ASR 的输入输出特性（二）电流调节器(ACR)的调试(1)调整正负限幅值参照面图 11，ACR 的 9、 10 端之间接入电容，2 短截 G(给定)的 Ug，调节Ug 到足够大，通过调节 RP1、RP2 使的输出 7 端的输出电压为 。3V(2)测定输入输出特性短接 9、10 间的电容，使调节器成为 P 调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，直至输出限幅值，得到如图 13 所示的近似曲线：北京航空航天大学课程设计论文18图 13 ACR 的输入输出特性（三）电平检测器的调试(1)调整转矩极性鉴别器(DPT)图 14 DPT 特性北京航空航天大学课程设计论文19转矩鉴别器的特性如图 14 所示，用电压表同时监视 DPT 的输入和输出端，输入端给一足够大的负电压(-0.5V 左右)，此时的输出应为“1” ，断开输入，接入正的给定电压，由零逐渐加大，观察输出电压表，当输出由“1”跳变为“0”时，记下此时的输入电压即为 Usr2，同理，可以得到 Usr1；调整 DPT 的可变电阻，使得 Usr1 和 Usr2 分别为-0.3V 和+0.3V。(2)调整零电流检测器(DPZ)图 15 DPZ 特性DPZ 的特性如图 15 所示，用电压表同时监视 DPZ 的输入和输出端，先加一个比较小的富输入电压，使输出为“1” ，断开输入，改加正的输入电压，由零逐渐增大，但输出由“1”到“0”跳变时，此时的输入即 Usr2；减小输入电压，当输出由“0”到“1”跳变时，此时的输入即 Usr1，调整 DPZ 的可变电阻，使得 Usr1=0.2V，Usr2=0.6V。（四）反号器(AR)的调试输入端加+5V 的电压，调节可调电阻，使的输出端电压为-5V 。（五）逻辑控制器(DLC)的调试北京航空航天大学课程设计论文20验证逻辑控制器的逻辑功能是否符合如下的真值表：表 4 逻辑控制器的真值表MU1 1 0 0 0 1输入 I 1 0 0 1 0 0()zblfU0 0 0 1 1 1输出 ()Fblr1 1 1 0 0 0通过 MCL-18 的给定电压开关产生阶跃信号，按上表的输入顺序依次验证输出是否符合。经试验，验证结果与真值表相同。北京航空航天大学课程设计论文21五、综合调试1、系统开环调试如图 4 所示接线，Ug 的为正向最小，接通电源，逐渐增大 Ug，使电动机的转速逐渐增加直到额定转速 1500r/min。逐步加大负载，使电枢电流达到额定 2A，其间记录转速 n 和相应的电枢电流 I，如表 5将给定电压减小至零，使电机停转，断开电源。将整流桥接至反组，重复上述实验，记录数据如表 6：根据正反组的数据，可得到如图 16 所示的开环机械特性曲线：表 5 正组的开环特性I(A) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4n(r/min) 1480 1464 1445 1436 1420 1405 1389I(A) 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0n(r/min) 1375 1360 1346 1331 1315 1300表 6 反组开环特性I(A) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4n(r/min) 1471 1456 1435 1425 1412 1395 1380I(A) 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0n(r/min) 1364 1348 1336 1321 1307 1289图 16 系统的开环特性曲线北京航空航天大学课程设计论文222、单闭环系统的调试（一）移项脉冲触发电路的调试用示波器观察 MCL-33 的双脉冲观察孔，应该有双脉冲，且间隔相同，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极，阴极电压波形，应有幅值为 1V2V 的双脉冲。通过调节偏移电压调节电位器，使得电路的输出脉冲在 范围内可309调。（二）单电流环系统的调试如图 17 所示，G(给定) 的 Ug 输出接至 ACR 的输入端 3，FBC+FA 的电流反馈接至 ACR 的 1 输入，输出 7 接至移项触发电路的输入端。1，11 及 9，10 间接入外接电容。调节 ACR 的可调电阻 RP1，RP2，使得ACR 的正负输出电压的饱和值恰好能使触发电路的触发角为 ；调整 RP3，RP4 改变功30放的放大倍数，使得输入为 05V 时，输入和输出线性相关，且当输入为 5V 时输出恰好达到饱和。电动机加额定励磁，并接入负载。接通电源，由零逐步加大给定电压，直至电动机达到额定转速。逐步加大负载，记录在不同负载下的点数电流和电机的转速，直到点数电流达到额定电846CAG给 定12 3DZS(零 速 封 锁 器 )S解 除封 锁NMCL-3A可 调 电 容 ， 位 于NMCL-18的 下 部图 1-5 速 度 调 节 器 和 电 流 调 节 器 的 调 试 接 线 图3 RP4CB图 17 单闭环系统调试接线图北京航空航天大学课程设计论文23流 2A。测得的数据如表 7 所示：表 7 单电流环系统特性电流(A) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4转速(r/min) 1500 1491 1480 1469 1461 1449 1440电流(A) 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0转速(r/min) 1430 1421 1411 1402 1390 1381机械特性曲线如图 18 所示：图 18 单电流环系统的特性曲线（三）单转速环系统的调试参照图 17，G(给定) 的 Ug 接至 ASR 的输入 2，ASR 的输出 3 接至移项触发电路的输入端；测速发电机的输出端接至 FBS 的两个输入端，FBS 的输出接至 ASR 的反馈输入 7；5 ，6 间接入外接电容。调节 FBS 的可调电阻，使得电机的转速达到额定值时，FBS 的输出约为北京航空航天大学课程设计论文245V；调节 ASR 的可调电阻 RP1，RP2，使得 ASR 的正负输出电压的饱和值恰好能使触发电路的触发角为 ；调整 RP3，RP4 改变功放的放大倍数，使得输30入为 05V 时，输入和输出线性相关，且当输入为 5V 时输出恰好达到饱和。电动机加额定励磁，并接入负载。接通电源，由零逐步加大给定电压，直至电动机达到额定转速。逐步加大负载，记录在不同负载下的电枢电流和电机的转速（表 8） ，直到点数电流达到额定电流 2A。表 8 单转速环调速系统特性电流(A) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4转速(r/min) 1500 1498 1495 1493 1491 1488 1485电流(A) 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0转速(r/min) 1483 1481 1479 1477 1476 1474机械特性曲线如图 19 所示：图 19 单转速环调速系统特性曲线北京航空航天大学课程设计论文253、双闭环系统的调试在前述单闭环系统调试的基础上改变线路接法，如图 20 所示，使系统构成双闭环。G(给定) 的 Ug 接至 ASR 的输入端 2，ASR 的输出 3 接至 ACR 的输入3，ACR 的输出 7 接至移项偏移电路的输入。同样接入转速反馈和电流反馈。调节 ASR 的 RP3 和 RP4 使得 ASR 的放大倍数满足输出 05V 的电压，调节 ACR 的 RP3 和 RP4 使得 ACR 的放大倍数满足输出 03V(使触发角在可调) 。309图 20 双闭环系统接线图846CAG给 定 12 3DZS(零 速 封 锁 器 )解 除封 锁NMCL-3FBS速 度 变 换 器21 43TUctNMCL-3图 1-8b不 可 逆 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 控 制 回 路65 712RP4CB可 调 电 容 ， 位 于NML-18的 下 部IZfRP1TA312NMCL-北京航空航天大学课程设计论文26接入附载发电机，负载先调节至最小。接通电源，逐步加大给定电压，使转速达到额定值 1500r/min，逐步加大负载，记录转速和电枢电流的变化，直到电枢电流达到额定值 2A。记录的数据如表 9：表 9 双闭环系统的特性电流 I(A) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4转速 n(r/min) 1500 1499 1498 1497 1495 1494 1493电流(A) 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0转速(r/min) 1492 1491 1489 1488 1486 1485根据测得数据得到如图 21 的机械特性曲线：图 21 双闭环系统特性曲线同样的方式检验反组桥在双闭环下的工作状态，经验证反组桥也能正常工作，其硬度与正组桥相当。北京航空航天大学课程设计论文274、逻辑无环流可逆系统的调试逻辑无环流系统的主回路由反并联的三项全控整流桥组成，控制系统主要由速度调节器 ASR，电流调节器 ACR，反号器 AR，转矩极性鉴别器 DPT，零电流检测器 DPZ，无环流控制器 DLC，触发器，电流变换器 FBC，速度变换器FBS 等组成。系统原理如图 22 所示。图 22 逻辑无环流系统接线图在前述可调试步骤正常完成的基础上，按图 22 连接电路。将 G(给定 )的极性开关拨至正给定，逐渐增加给定电压，观察电机在正给定下的运行状态，减小给定至零使电机停转；将给定的极性开关拨至负给定，逐渐增加给定电压，观察电机在负给定下的运行状态，减小给定电压使电机停北京航空航天大学课程设计论文28转。因为前边的调试运行良好，所以这两次实验下电机都能较好的运行。将正负给定电压均加至使电机额定运转，在此状态下拨动给定的极性开关，观察电机是否能迅速停转并反转。因为逻辑控制部分 DPT 和 DPZ 的电平宽度选择得当。所以我们的转向切换也工作得很好。分别在正、反转的情况下，改变负载的大小，得到电机在此状态下的机械特性数据如表 10：表 10 逻辑无环流系统特性电流(A) 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4转速(r/min) 1500 1499 1498 14