《運(yùn)動控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

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1、運(yùn)動控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書工業(yè)電氣自動化教研室目 錄第一章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書第二章 課程設(shè)計(jì)過程指導(dǎo)第三章 課程設(shè)計(jì)參考圖第四章 自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn) 第一章 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)目的和要求通過該設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用電路、模擬電子技術(shù)、電機(jī)與拖動、電力電子技術(shù)、自動控制理論和運(yùn)動控制系統(tǒng)等方面的基本理論、基本技能和基本知識，獨(dú)立地設(shè)計(jì)一個系統(tǒng)的能力。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生必須達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：1)在已有的零散的知識基礎(chǔ)上，提高分析問題和綜合問題的能力。2) 提高閱讀有關(guān)文獻(xiàn)資料的能力。3) 獲得工程設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。三、已知數(shù)據(jù) 1.直流電動機(jī)表1-1 直流電動機(jī)參數(shù)

2、型號Z2-91Z2-92Z2-101Z2-102Z2-111Z2-112功率Kw30405575100125電壓V220220220220220220電流A159210286385511635轉(zhuǎn)速rpm100010001000100010001000效率8687888989.590最大勵磁功率W54062067082011501380飛輪轉(zhuǎn)矩（GD2）kgm25.97.010.312.020.423.0他勵電壓V220220220220220220過載能力1.51.51.51.51.51.52. 車間電源： U=38010% f=50Hz，電壓階躍變化U=40V。3. 電動機(jī)負(fù)載: a.起動時

3、負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（TLs=Tnom） b.運(yùn)行中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=（0.250.75）Tnom c.負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍變化量TL0.15 Tnom d.折合到電動機(jī)軸上的傳動裝置及生產(chǎn)機(jī)械的飛輪轉(zhuǎn)矩按電動機(jī)飛輪轉(zhuǎn)矩的50%估計(jì)，生產(chǎn)機(jī)械只單方向運(yùn)轉(zhuǎn)，且不常起動。 四、設(shè)計(jì)指標(biāo)要求1.靜態(tài)指標(biāo)： 調(diào)速比 D=nmax/nmin=1000/10=10 ； 靜差率s3%2.動態(tài)指標(biāo)： 起動超調(diào)量：n%10% ，i%5%；擾動產(chǎn)生的動態(tài)偏差及恢復(fù)時間 ： nmax/nmin100%10%，t0.5s3對起動和停車的快速性均無特別要求。五、設(shè)計(jì)內(nèi)容1.總體方案的確定，畫出系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖；2.主電路形

4、式的確定；勵磁電路形式的確定；3.電樞整流變壓器、勵磁整流變壓器、平波電抗器的參數(shù)計(jì)算；4.主電路晶閘管、勵磁電路整流二極管的參數(shù)計(jì)算與選擇 ；5. 晶閘管的過電壓、過電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；6. 晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)；7.電流檢測及轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)；8. 電流調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)；9. 控制電路所用穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)；10.起停操作控制電路的設(shè)計(jì)；11.系統(tǒng)的MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)；12.書寫設(shè)計(jì)說明書；13.繪制系統(tǒng)的電氣原理圖。 五、時間安排參考1、2、3、4項(xiàng)2天；5、6、7項(xiàng)2天；8、9、10項(xiàng)2天；11、12項(xiàng)2天；12、13項(xiàng)2天。第二章 課程設(shè)計(jì)過程指導(dǎo)（設(shè)計(jì)舉例）一、已知數(shù)據(jù)：1

5、、直流電動機(jī) 型號：Z2-111 (Z2系列外通風(fēng)他勵直流電動機(jī)) 功率：100kW 電壓：220V 電流：511A 轉(zhuǎn)速：1000r/min 效率：89% 最大勵磁功率：1150W 飛輪轉(zhuǎn)矩：GD2=20.4kgm2 他勵電壓：220V過載能力：=1.52、車間電源供電電源：U=38010%，f=50Hz，電壓階躍變化U=40V3、電動機(jī)負(fù)載起動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（TL=Tnom）;運(yùn)行中的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=（0.250.75）Tnom負(fù)載轉(zhuǎn)矩階躍變化量|TL|0.15Tnom折合到電動機(jī)軸上的傳動裝置及生產(chǎn)機(jī)械的飛輪轉(zhuǎn)矩按電動機(jī)飛輪轉(zhuǎn)矩的50%估計(jì)，生產(chǎn)機(jī)械只單向運(yùn)轉(zhuǎn)，且不常起動。

6、二、指標(biāo)要求：1.靜態(tài)指標(biāo)：調(diào)速比D=nmax/nmin=1000/10=10；靜差率s3%2.動態(tài)指標(biāo)：起動超調(diào)量：n%10%，i%5%；擾動產(chǎn)生的動態(tài)偏差及恢復(fù)時間 ：nmax/nmin100%10%，t0.5s3.對起動和停車的快速性均無特別要求。設(shè)計(jì)過程指導(dǎo)一、總體方案的確定，畫出系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖+-+- 系統(tǒng)的總體方案采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。 圖2-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖二、主電路形式的確定勵磁電路形式的確定（一）主電路形式的確定1.整流電路形式對于容量較大的電動機(jī)（4kW以上），其整流電路一般采用三相全控橋式。2.變壓器接線方式確定一般采用/Y(D,y)或Y0/Y

7、(YN,y)聯(lián)結(jié)。（二）勵磁電路形式的確定由于勵磁電路功率小，且不需要在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，故可以采用單相全波不可控整流電路，或三相半波不可控整流電路。主電路和勵磁電路接線形式如圖2-2所示。MTABCIf220V或380V 圖2-2 主電路和勵磁電路三、電樞整流變壓器、勵磁整流變壓器、平波電抗器的參數(shù)計(jì)算1電樞整流變壓器的參數(shù)計(jì)算（1）一次相電壓和二次相電壓變壓器一次側(cè)電壓，聯(lián)結(jié)，。變壓器二次側(cè)電壓按下式計(jì)算（對于Y型聯(lián)接）： （2-1）式中：整流變壓器Y聯(lián)接式的相電壓有效值（V）電動機(jī)電樞額定電壓（V）整流電路系數(shù)，三相全控橋安全系數(shù)（2）一次相電流和二次相電流二次相電流： （2-2

8、）式中：二次相電流有效值（A）；直流電動機(jī)的長時最大負(fù)載電流（A）；二次電流波形系數(shù)，三相橋?yàn)?。一次相電流?（2-3）式中：一次相電流有效值（A）； 一、二次相電壓有效值（V）。（3）一次視在功率、二次視在功率 （2-4）電樞整流變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)：視在功率 S=122.5(KVA)；一、二次線電流 191A/315A；一、二次線電壓 380/220V ；接線方式：D,y11.2勵磁電路變壓器的參數(shù)計(jì)算已知電動機(jī)的額定勵磁電壓，則勵磁變壓器二次側(cè)的電壓為:， 取。電動機(jī)額定勵磁電流：勵磁變壓器二次側(cè)電流：勵磁變壓器一次側(cè)電流：容量：勵磁變壓器設(shè)計(jì)參數(shù)：容量：；電流：；電壓：3.平波電抗器參數(shù)計(jì)算

9、按輕載時的電流連續(xù)或有較好的電流波形選電抗器的電感量；按最大負(fù)載時的電流來確定電抗器的導(dǎo)線的載流量。（1）使電流連續(xù)的電感量（L）對于三相全控橋 （2-5）式中：整流變壓器二次繞組Y連接時的相電壓（V）直流電動機(jī)的最小負(fù)載電流（A），按10%額定電流計(jì)算。例：（2）電動機(jī)電樞電感量Ld （2-6）式中：電動機(jī)額定電壓（V）；電動機(jī)額定電流（A）；電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速（rpm）；p 極對數(shù)；Kd系數(shù)，一般無補(bǔ)償電動機(jī)取812；快速無補(bǔ)償電動機(jī)取68；有補(bǔ)償電動機(jī)取56。例：（3）整流變壓器每相繞組的漏電感LB （2-7）式中：變壓器的短路比，1010000KVA的變壓器，對應(yīng)的Uk%=510;與整流電

10、路有關(guān)的系數(shù)，查表，對于三相全控橋KB=3.9;負(fù)載電流, Id=0.75Inom.（4）平波電抗器的電感量 （2-8）（5）平波電抗器的電流式中：平波電抗器線圈的額定電流（A）直流電動機(jī)的最大負(fù)載電流（A），在此為0.75有效值與平均值之比，即效率比四、晶閘管、勵磁電路整流二極管的參數(shù)計(jì)算與選擇1晶閘管的參數(shù)計(jì)算與選擇（1）額定電壓選擇 （2-9）式中：晶閘管的標(biāo)稱電壓；晶閘管在工作中承受的最大峰值電壓對于三相全控橋。例：?。ɑ颍?）額定通態(tài)平均電流 （2-10）式中：通態(tài)平均電流的計(jì)算系數(shù)，對于三相橋,最大負(fù)載電流，.例：?。?）晶閘管型號：2勵磁電路整流二極管的參數(shù)計(jì)算與選擇 （2-1

11、1）對于單相橋，。 （2-12）對于單相橋，。查手冊，可選2CZ系列硅整流管。五、晶閘管的過壓、過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)（一）過電壓保護(hù)凡超過晶閘管在正常工作時所承受的最大峰值電壓，都算過電壓。操作過電壓：由晶閘管裝置的拉閘、合閘合器件關(guān)斷等電磁過程引起的過電壓。浪涌電壓：由于雷擊等原因從電網(wǎng)浸入的偶然性的浪涌電壓。過壓保護(hù)的任務(wù)：使經(jīng)常發(fā)生的操作過電壓限制在額定電壓以下；使偶然性的浪涌電壓限制在器件的斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓和以下。 1.交流側(cè)保護(hù)（1）阻容保護(hù)有兩種接線方式，形和Y形，接法如圖2-3所示。r形形圖2-3 形和Y形接法圖推薦采用三角形接法，計(jì)算出其電阻值、功率，電容值及其耐壓。電阻

12、可選用系列被釉線繞電阻器或系列功率型線繞被釉電阻器，如；電容可選CJ48型交流密封金屬化紙介電容器；如：。計(jì)算公式：式中，I02折算到變壓器副邊的空載電流，I02=i%I2NkC，kR，kP系數(shù)，對于三相橋，kC=10000，kR=0.3，kP=0.25電容耐壓=1.5UcUc正常工作時阻容兩端交流電壓有效值。（2）非線性電阻保護(hù)阻容吸收裝置一般設(shè)計(jì)得能把操作過電壓抑制在允許范圍之內(nèi)，但發(fā)生雷擊或從電網(wǎng)侵入更高的浪涌電壓時，電壓可能高到正常值的幾十倍，雖有阻容吸收，仍會突破允許值，所以只有阻容裝置是不可靠的。如果在電源端并聯(lián)具有穩(wěn)壓管特性且能吸收較大能量的非線性元件，將起到很好的過壓保護(hù)作用。

13、 圖2-4 壓敏電阻或硒堆電路圖壓敏電阻的選擇： 選定標(biāo)稱電壓U1mA（額定電壓） （2-13）其中，的上限是有被保護(hù)的設(shè)備的耐壓決定的，應(yīng)使得通過浪涌電流時，殘壓抑制在設(shè)備的耐壓以下，即；為安全系數(shù)，一般取左右；為晶閘管反向重復(fù)峰值電壓；為殘壓比 ，即壓敏電阻在通過放電電流時的兩端電壓與之比，一般選定通流容量通流容量的選擇原則是壓敏電阻允許通過的最大電流，應(yīng)大于泄放浪涌電壓時流過壓敏電阻的實(shí)際浪涌峰值電流。但實(shí)際浪涌電流很難計(jì)算。壓敏電阻承受浪涌電流的能力，取決于本身承受能量的允許值。與其體積有關(guān)。應(yīng)使器件的通流容量大于實(shí)際產(chǎn)生的浪涌能量?？筛鶕?jù)實(shí)際產(chǎn)生的浪涌能量來選定通流容量。選。2直流側(cè)

14、過電壓保護(hù)直流側(cè)保護(hù)交流側(cè)保護(hù)M圖2-6 直流開關(guān)跳閘引起過電壓B AM圖2-5 快速熔斷器熔斷引起過電壓R1C1圖2-7 直流側(cè)阻容過壓保護(hù)采用圖2-7所示的阻容保護(hù)電路，電阻電容計(jì)算如下。 (2-14) (2-15)式中：系數(shù)，對于三相全控橋系數(shù)，對于三相全控橋?yàn)檎鬯愕阶儔浩鞲边叺目蛰d電流取 變壓器二次側(cè)線電壓電容耐壓：計(jì)算電阻功率：選擇電阻和電容：電阻可選用系列被釉線繞電阻器或系列功率型線繞被釉電阻器，查手冊選擇其型號。電容可選型交流密封金屬化紙介電容器，查手冊選擇其型號。3、換相過電壓保護(hù)（晶閘管關(guān)斷過電壓）每個晶閘管關(guān)斷時，也和開關(guān)關(guān)斷一樣，會由于線路中的電感（主要是變壓器漏感LB）

15、釋放能量，產(chǎn)生電壓。135462abc圖2-8 換相過電壓保護(hù) （2-16） （2-17）式中：通態(tài)平均電流整流裝置輸出直流平均電壓 （二）過電流保護(hù)1、產(chǎn)生過電流的原因過負(fù)載直流側(cè)短路：由于導(dǎo)線搭碰，電動機(jī)換相器失火（火花很嚴(yán)重，電弧繞著換相器把正負(fù)兩組電刷短路）等原因，把直流負(fù)載（電動機(jī)電樞）短路，產(chǎn)生很大的短路電流。元件本身直接短路：可控硅元件擊穿或燒壞，一般造成陽極和陰極短路而不是斷路。2、快速熔斷器選擇原則：在正常短時過載工作時，快熔應(yīng)該不過熱；在發(fā)生短路故障時，快熔應(yīng)在可控硅尚未燒壞前先熔斷。 快熔的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓（有效值）快熔熔體的額定電流是指電流有效值，可按下式

16、選取式中：最大起動電流時通過熔芯電流的有效值對于三相全控橋快熔熔斷芯的極極電流晶閘管的通態(tài)平均電流安裝熔體的外殼稱熔斷器，熔斷器的額定電流應(yīng)大于或等與熔體的電流注：為保證可靠與選用方便起見，可取，為被保護(hù)晶閘管的額定電流。推薦選用RS3系列快速熔斷器，查手冊選擇其型號。六、晶閘管觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)（一）KC04（或KJ004)移相集成觸發(fā)器1.管腳：16腳雙列直插。圖2-9 KJ004移相集成觸發(fā)器引腳排列查閱其技術(shù)數(shù)據(jù)：表21 KC04（或KJ004)移相集成觸發(fā)器技術(shù)數(shù)據(jù)引腳1234567891011 1213141516功能輸出空鋸齒波形成-VEE空地同步輸入綜合比較空微分電容封鎖調(diào)制輸出+

17、Vcc圖2-10 KJ004典型接線及波形R6,RP1,C1決定了鋸齒波的斜率；R7,C2決定了觸發(fā)脈沖的寬度(二）KJ041(KC41)六路雙窄脈沖形成器1. 引腳KJ041六路雙脈沖形成器是三相全控橋式觸發(fā)線路中常用的電路，它具有雙脈沖形成和電子開關(guān)控制封鎖雙脈沖形成功能。KJ041是雙列直插式的16引腳集成電路. 7腳接地，各路由輸出，7腳接高電平，封鎖各路輸出。圖2-11 KJ041引腳排列2. KJ041（KC41)內(nèi)部原理圖及各點(diǎn)波形圖2-12 KJ041（KC41)內(nèi)部原理圖及各點(diǎn)波形（三）同步變壓器的定相若同步變壓器后面不加阻容濾波電路，可采用D,y11聯(lián)結(jié); 若同步變壓器后面

18、加阻容濾波電路（一般濾波之后相角為30度），同步變壓器可采用Y,y10聯(lián)結(jié)，二次側(cè)電壓取30V。七、電流給定檢測及速度給定檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)1.電流給定檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)在晶閘管整流裝置中，交流側(cè)有效值電流與直流側(cè)整流電流之間，存在著一定的比例關(guān)系，其比例系數(shù)因整流電路而異，如三相橋式整流電路，。因此量測交流側(cè)電流可反映出整流電流的大小。量測交流電流可用通用交流互感器，它既能在一定的準(zhǔn)確度下反映主電路電流，又能把控制電路與主電路隔開，因此使用的最普遍。+10Un*R0/2R0/2ConRnCn2.轉(zhuǎn)速給定、檢測環(huán)節(jié)（1）轉(zhuǎn)速給定圖2-13轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)原理圖TGR2RP2圖2-14轉(zhuǎn)速檢測電路Un（2）

19、檢測環(huán)節(jié)測速發(fā)電機(jī)在使用時，負(fù)載電流不要太大（一般為）。測速發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與主電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速要相當(dāng)（）。測速發(fā)電機(jī)的功率要比主電機(jī)的功率小得多。測速發(fā)電機(jī)與電機(jī)嚴(yán)格同軸，否則會產(chǎn)生一個附加的周期擾動信號。選永磁式直流測速發(fā)電機(jī)ZYS231/110型，其額定數(shù)據(jù)為：計(jì)算R2,RP2當(dāng)時，測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓為 可選：R2:RJ-6W-1KRP2:WS2-2-2W-300八、電流調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)(一)電流環(huán)的設(shè)計(jì)1、簡化結(jié)構(gòu)電流環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖如圖2-15所示.-圖2-15電流環(huán)簡化結(jié)構(gòu)圖2、確定時間常數(shù)(1)整流裝置滯后時間常數(shù)(2)電流濾波時間常數(shù) 三相全控橋每個波頭的時間是，為了基本濾

20、平波頭，應(yīng)有。取.(3)電流環(huán)小時間常數(shù)3、ACR結(jié)構(gòu)選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)成二階最佳系統(tǒng)，采用PI調(diào)節(jié)器，4、ACR參數(shù)ACR超前時間常數(shù)：電路環(huán)開環(huán)增益：ACR的比例系數(shù)：5、校驗(yàn)近似條件（1）晶閘管裝置傳函的近似條件, 滿足條件（2）忽略反電動勢影響的近似條件，滿足條件。（3）小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足條件。6、ACR的實(shí)現(xiàn)如圖2-16所示：取，取，取，取按上述參數(shù)設(shè)計(jì)的電流環(huán)，滿足要求。（二）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)1、電流環(huán)的等效結(jié)構(gòu)如圖2-17所示+-圖2-16 ACR實(shí)現(xiàn)電路圖2-17 電流環(huán)的等效結(jié)構(gòu)2、轉(zhuǎn)速環(huán)簡化結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。-+-圖2.18 轉(zhuǎn)速環(huán)簡化結(jié)構(gòu)3、確定時間常數(shù)（

21、1）電流環(huán)等效時間常數(shù)（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)根據(jù)所選測速發(fā)電機(jī)的紋波情況?。?）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)4、ASR結(jié)構(gòu)選擇由于要求無靜差，ASR必然含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動態(tài)要求，應(yīng)按典設(shè)計(jì)5、ASR參數(shù)按跟隨性和抗擾性都較好的原則，按準(zhǔn)則，取。超前時間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：又6、校驗(yàn)近似條件（1）電流環(huán)等效處理?xiàng)l件滿足（2）小時間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，滿足條件7、轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%的計(jì)算查表時（1）當(dāng)時（2）當(dāng)時不滿足要求，需加微分負(fù)反饋8、微分負(fù)反饋參數(shù)計(jì)算+-ASR圖2-9 ASR的實(shí)現(xiàn)9、ASR的實(shí)現(xiàn)取，則取，則九、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)MATLAB仿真實(shí)例（一）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的Simulink仿真框圖U

22、i*圖2-20 具有飽和非線性調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)系統(tǒng)的仿真框圖1、不同給定下的起動特性負(fù)載電流=136A（額定負(fù)載），仿真波形如圖2-21所示。a)=7v b) =10v圖2-21給定變化的仿真波形從仿真結(jié)果可以看出：給定越大，轉(zhuǎn)速的超調(diào)越??；電流的恒流加速期越長。2、不同負(fù)載下的起動特性給定=5v時，仿真波形如圖2-22所示。 a)=136A（額定） b) =0A圖2-22 負(fù)載變化的仿真波形從仿真結(jié)果可以看出：負(fù)載越小，轉(zhuǎn)速超調(diào)越大；電流恒流期越短。3、改變ASR參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響按準(zhǔn)則，取h=5整定轉(zhuǎn)速環(huán)時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，仿真波形如圖2-23所示。=11.7 , =0.087圖2-23 整

23、定時的仿真波形（1）不變，增大；仿真波形如圖2-24所示。a)=11.7 ,=0.087 b)=30,=0.087圖2-24 增大的仿真波形不變，減小，仿真波形如圖2-25所示。a)=11.7 ,=0.087 b)=1, =0.087圖2-25 減小的仿真波形從仿真結(jié)果可以看出：不變，改變不影響系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，不恰當(dāng)?shù)目赡茉斐沙{(diào)增大或振蕩加劇。（2）不變，增大；仿真波形如圖2-26所示。a)=11.7,=0.087 b)=11.7,=1圖2-26 增大的仿真波形不變，減小，仿真波形如圖2-27所示。 a)=11.7,=0.087 b)=11.7,=0.01圖2-27 增大的仿真波形從仿真結(jié)

24、果可以看出：不變，增大，轉(zhuǎn)速超調(diào)減小,但動態(tài)響應(yīng)變慢；不變，減小，轉(zhuǎn)速發(fā)生振蕩，相對穩(wěn)定性下降。圖2-28 帶有轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的雙閉環(huán)系統(tǒng)的SINMULINK框圖4、微分負(fù)反饋對系統(tǒng)性能的影響 圖2-29 不加微分負(fù)反饋的仿真波形 圖2-30 加入微分負(fù)反饋的仿真波形從仿真結(jié)果可以看出：加微分負(fù)反饋 ，轉(zhuǎn)速的超調(diào)減小。第三章 課程設(shè)計(jì)參考圖一、主電路二、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器三、觸發(fā)電路四、穩(wěn)壓電源第四章 自動化專業(yè)實(shí)驗(yàn) 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑搶?shí)驗(yàn)是對本課程前述幾個實(shí)驗(yàn)的綜合與拓展，目的是加深對邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理的理解，掌握系統(tǒng)組成及各主要單元部件的原理和調(diào)試方法

25、，掌握系統(tǒng)的調(diào)試原則和調(diào)試步驟，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，完成獨(dú)立調(diào)試系統(tǒng)的基本訓(xùn)練。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1系統(tǒng)主要單元調(diào)試。2系統(tǒng)的開環(huán)調(diào)試與閉環(huán)調(diào)試。3正反轉(zhuǎn)機(jī)械特性n=f(Id)的測定。4正反轉(zhuǎn)閉環(huán)控制特性n=f (Ug)的測定。5系統(tǒng)的動態(tài)特性的觀察。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器1MCL系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺主控制屏。2MCL18組件（適合MCL)或MCL31組件（適合MCL）。3MCL33組件或MCL53組件。4MCL34組件5MEL-11掛箱6MEL03三相可調(diào)電阻（或自配滑線變阻器）。7電機(jī)導(dǎo)軌及測速發(fā)電機(jī)、直流發(fā)電機(jī)M01（或電機(jī)導(dǎo)軌及測功機(jī)、MEL13組件。8直流電動機(jī)M03。9雙蹤示波

26、器。10萬用表。四、注意事項(xiàng) 1三相主電源連線時需注意，不可接錯相序。 2電源開關(guān)閉合時，過流保護(hù)、過壓保護(hù)的發(fā)光二極管可能會亮，只需按下對應(yīng)的“復(fù)位”按鈕即可。 3系統(tǒng)開環(huán)連接時，不允許突加給定信號Ug起動電機(jī)。 4起動電機(jī)時，需把發(fā)電機(jī)的外接電阻斷開，以免帶負(fù)載起動。 5改變接線時，必須先切斷電源，同時使系統(tǒng)的給定為零。 6進(jìn)行閉環(huán)調(diào)試時，若電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)最高速且不可調(diào)，應(yīng)檢查轉(zhuǎn)速反饋的極性是否接錯，緊急時候，直接斷開總電源開關(guān)的“斷開”紅色按鈕。 7雙蹤示波器的兩個探頭地線通過示波器外殼短接，故在使用時，必須使兩探頭的地線同電位(只用一根地線即可)，以免造成短路事故。 8電動機(jī)起動之前，一定

27、要先加勵磁，第一部分 系統(tǒng)各單元的調(diào)試1速度調(diào)節(jié)器（ASR）的調(diào)試 按圖1接線，DZS(零速封鎖器)的扭子開關(guān)扳向“解除”。 （1）調(diào)整輸出正、負(fù)限幅值 “5”、“6”端 接MEL-11掛箱的電容(7)，使ASR調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，加入一定的輸入電壓（由MCL18或主控制屏的給定提供，以下同），調(diào)整正、負(fù)限幅電位器RP1、RP2，使輸出正負(fù)限幅值等于3V。（2）將RP3、RP4電位器左旋到頭，使放大倍數(shù)最小。 2電流調(diào)節(jié)器（ACR）的調(diào)試 按圖1接線。（1）調(diào)整輸出正、負(fù)限幅值 “9”、“10”端 接MEL-11掛箱電容（7），使調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，加入一定的輸入電壓，調(diào)整正，負(fù)限幅電位器，使

28、輸出正負(fù)最大值為5V。（2）調(diào)節(jié)ACR的比例放大倍數(shù)，使其在1左右。圖13電平檢測器的調(diào)試（1）測定轉(zhuǎn)矩極性鑒別器（DPT）的環(huán)寬，要求環(huán)寬為0.40.6伏，記錄高電平值 ，調(diào)節(jié)RP使環(huán)寬對稱縱坐標(biāo)。原理圖見圖3。具體方法：（a）調(diào)節(jié)給定Ug，使DPT的“1”腳得到約0.3V電壓，調(diào)節(jié)電位器RP，使“2”端輸出從“1”變?yōu)椤?”。（b）調(diào)節(jié)負(fù)給定，從0V起調(diào)，當(dāng)DPT的“2”端從“0”變?yōu)椤?”時，檢測DPZ的“1”端應(yīng)為-0.3V左右，否則應(yīng)調(diào)整電位器，使“2”端電平變化時，“1”端電壓大小基本相等。圖3 轉(zhuǎn)矩極性鑒別器（2）測定零電流檢測器（DPZ）的環(huán)寬，要求環(huán)寬也為0.40.6伏，調(diào)節(jié)

29、RP，使回環(huán)向縱坐標(biāo)右側(cè)偏離0.10.2伏。具體方法：（a）調(diào)節(jié)給定Ug，使DPZ的“1”端為0.7V左右，調(diào)整電位器RP，使“2”端輸出從“1”變?yōu)椤?”。（b）減小給定，當(dāng)“2”端電壓從“0”變?yōu)椤?”時，“1”端電壓在0.10.2V范圍內(nèi)，否則應(yīng)繼續(xù)調(diào)整電位器RP。（3）按測得數(shù)據(jù)，畫出兩個電平檢測器的回環(huán)。4反號器（AR）的調(diào)試 測定輸入輸出比例，輸入端加+5V電壓，調(diào)節(jié)RP，使輸出端為-5V。5邏輯控制器（DLC）的調(diào)試測試邏輯功能，列出真值表，真值表應(yīng)符合下表：輸入UM110001UI100100輸出Uz(Ublf)000111UF(Ublr)111000調(diào)試時的階躍信號可從給定器

30、得到。調(diào)試方法：按圖5接線（a）給定電壓順時針到底，Ug輸出約為12V。圖5 邏輯控制器（DLC）的調(diào)試（b）此時上下?lián)軇覯CL18中G（給定）部分S2開關(guān)，Ublf、Ublr的輸出應(yīng)為高、低電平變化，同時用示波器觀察DLC的“5”，應(yīng)出現(xiàn)脈沖，用萬用表測量，“3”與“Ublf”，“4”與“Ublr”等電位。第二部分 邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試及性能測試一、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成及工作原理邏輯無環(huán)流系統(tǒng)的主回路由二組反并聯(lián)的三相全控整流橋組成，由于沒有環(huán)流，兩組可控整流橋之間可省去限制環(huán)流的均衡電抗器，電樞回路僅串接一個平波電抗器?？刂葡到y(tǒng)主要由速度調(diào)節(jié)器ASR，電流調(diào)節(jié)器ACR，反號器AR，轉(zhuǎn)矩

31、極性鑒別器DPT，零電流檢測器DPZ，無環(huán)流邏輯控制器DLC，觸發(fā)器，電流變換器FBC，速度變換器FBS等組成。其系統(tǒng)原理圖如圖6-9所示。正向起動時，給定電壓Ug為正電壓，無環(huán)流邏輯控制器的輸出端Ublf為”0”態(tài)，Ublr為”1”態(tài)，即正橋觸發(fā)脈沖開通，反橋觸發(fā)脈沖封鎖，主回路正組可控整流橋工作，電機(jī)正向運(yùn)轉(zhuǎn)。減小給定時，UgUfn,使Ugi 反向，整流裝置進(jìn)入本橋逆變狀態(tài)，而Ublf,Ublr不變，當(dāng)主回路電流減小并過零后，Ublf，Ublr輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換，Ublf為“1”態(tài)，Ublr為“0”態(tài)，即進(jìn)入它橋制動狀態(tài)，使電機(jī)降速至設(shè)定的轉(zhuǎn)速后再切換成正向運(yùn)行；當(dāng)Ug=0時，則電機(jī)停轉(zhuǎn)。反向運(yùn)

32、行時，Ublf為”1”態(tài)，Ublr為”0”態(tài)，主電路反組可控整流橋工作。無環(huán)流邏輯控制器的輸出取決于電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，正向運(yùn)轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)制動本橋逆變及反轉(zhuǎn)制動它橋逆變狀態(tài)，Ublf為”0”態(tài)，Ublr為”1”態(tài)，保證了正橋工作，反橋封鎖；反向運(yùn)轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)制動本橋逆變，正轉(zhuǎn)制動它橋逆變階段，則Ublf為”1”態(tài)，Ublr為”0”態(tài)，正橋被封鎖，反橋觸發(fā)工作。由于邏輯控制器的作用，在邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)中保證了任何情況下兩整流橋不會同時觸發(fā)，一組觸發(fā)工作時，另一組被封鎖，因此系統(tǒng)工作過程中既無直流環(huán)流也無脈沖環(huán)流。二、注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)時，應(yīng)保證邏輯控制器工作；邏輯正確后才能使系統(tǒng)正反向切換運(yùn)行。2為了防止意外

33、，可在電樞回路串聯(lián)一定的電阻，如工作正常，則可隨Ug的增大逐漸切除電阻。三實(shí)驗(yàn)方法及步驟1 觸發(fā)電路的調(diào)試主電路未接線（1）用示波器觀察雙脈沖觀察孔，應(yīng)有間隔均勻，幅度相同的雙脈沖。（2）檢查相序，用示波器觀察“1”，“2”脈沖觀察孔，“1”脈沖超前“2”脈沖600，則相序正確，否則，應(yīng)調(diào)整輸入電源的相序。（3）將MCL-33板上的Ublf接地，用示波器觀察正組每只晶閘管的控制極、陰極，應(yīng)有幅度為1V2V的脈沖。（4）拆除Ublf接地線，將Ublr接地, 觀察反橋晶閘管的控制極、陰極，應(yīng)有幅度為1V2V的觸發(fā)脈沖。（5）系統(tǒng)零點(diǎn)的調(diào)整：將Ug接Uct，并將給定調(diào)到0，用雙蹤示波器同時觀察MCL

34、-33板上的U相同步信號和1號孔觸發(fā)脈沖,觀察觸發(fā)脈沖的相位是否為=90(注意:同步信號30的點(diǎn)為自然換向點(diǎn),即=0的點(diǎn).),若不對,應(yīng)調(diào)節(jié)偏移電壓電位器,使=90或者同時觀察V相同步信號和1號孔觸發(fā)脈沖，調(diào)整偏移電壓電位器，使1號觸發(fā)脈沖正好對應(yīng)V相同步信號的正向過零點(diǎn)上（此時恰好是=90）（6）觀察移相特性：慢慢加正向給定信號,此時觸發(fā)脈沖應(yīng)前移。當(dāng)移到=30時,記下此時的給定電壓Ug的數(shù)值；慢慢加負(fù)向給定信號，此時觸發(fā)脈沖應(yīng)后移，當(dāng)移到=150時，記下此時的給定電壓Ug的數(shù)值。2主電路的調(diào)試（1）將主電路(I組)接成三相全控橋，按下圖接線。Ublf接地，Ublr接地線拆除。Ug直接接Uc

35、t，將給定調(diào)到0。控制電路通電，勵磁電路通電，主電路通電，此時電動機(jī)應(yīng)不轉(zhuǎn)。若電動機(jī)此時旋轉(zhuǎn)，說明觸發(fā)電路的零點(diǎn)沒調(diào)好，慢慢調(diào)整偏移電位器，使電動機(jī)恰好不轉(zhuǎn)。慢慢增加正給定，電動機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)增加，觀察轉(zhuǎn)速表。（2）將主電路I組與電動機(jī)的連線拆除，將主電路II組接成三相全控橋，（接線與上圖類似），拆除Ublf接地線，將Ublr接地，慢慢增加正給定，電動機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)增加，且方向與原來相反。2 電流環(huán)的調(diào)試（1）電流環(huán)的開環(huán)調(diào)試：電流反饋極性及反饋系數(shù)的確定：LB1B2M圖6 主電路a.主電路按圖6接線。電動機(jī)暫不加勵磁。b.控制電壓Uct由給定器Ug直接接入，Ug調(diào)在0位上，打到“正給定”c.慢慢增加給定

36、信號，密切注視電流表，將電流調(diào)到1.2A(即Idm=1.1Ied=1.2A),用萬用表的電壓檔測量“FBC+FA”單元的電流反饋信號端If，調(diào)節(jié)RP1使If端的電壓為3V（或略低于3V）。（2）電流環(huán)的閉環(huán)調(diào)試（主電路同上）a.將ACR接成PI調(diào)節(jié)器,將電流反饋信號If接到ACR的1端，給定信號接到ACR的3端，ACR的輸出7端接Uct，電流環(huán)閉環(huán)。 給定打到負(fù)給定，逆時針旋到。b.接通控制電路電源和主電路電源，電動機(jī)暫不加勵磁,慢慢增加給定信號，密切注視電流表，將電流調(diào)到1.2A，此時給定應(yīng)為V。如果該關(guān)系不正確且相差很大，說明電流反饋系數(shù)未整定好，此時應(yīng)再調(diào)整電流反饋電位器RP1(FBC+

37、FA單元)，使其滿足上述關(guān)系。3不可逆系統(tǒng)轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)試（1）轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)調(diào)試 轉(zhuǎn)速反饋極性及反饋系數(shù)的確定： 主電路按圖6接線，電動機(jī)加勵磁。將給定信號Ug直接接Uct，將轉(zhuǎn)速計(jì)的“轉(zhuǎn)速輸出”接到FBS(速度變換器)的1、2端，慢慢增加正給定，電動機(jī)起動，使轉(zhuǎn)速達(dá)到1600rpm，用萬用表測量FBS的3、4端的輸出電壓，調(diào)節(jié)FBS上的電位器RP,使3、4端的輸出電壓為2V，同時記下電壓的極性，此時應(yīng)該3端為負(fù)，4端為正（若極性不對，應(yīng)對換1、2兩端的接線），以保證組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)的閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng)按圖7接線，組成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。將給定打向正給定，并逆時針調(diào)到0； 接通控制電路電源

38、，合上勵磁電源，合上主電源慢慢增加給定，啟動電動機(jī)，觀察電流表和轉(zhuǎn)速計(jì)。若稍加給定，電機(jī)轉(zhuǎn)速即達(dá)最高速且調(diào)節(jié)Ug不可控，可能是反饋極性接反，或轉(zhuǎn)速負(fù)反饋根本沒加上。此時應(yīng)檢查原因。將給定電壓調(diào)到2V，轉(zhuǎn)速應(yīng)在1600rpm左右，微調(diào)FBS(速度變換器)的電位器RP，使n=1600rpm.圖74邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)的調(diào)試按圖9和圖10接線，主電路串入電流表， ACR的輸出7接Uct,認(rèn)真檢查接線，確認(rèn)無誤。發(fā)電機(jī)空載。給定電位器旋鈕旋到零，接通控制電路電源，接通勵磁電路電源，合上主電路電源，慢慢增加正給定，電動機(jī)正向起動，觀察運(yùn)行是否正常。將給定打向負(fù)給定，慢慢增加給定，電動機(jī)應(yīng)反向起動，觀察運(yùn)行

39、是否正常。5機(jī)械特性n=f (Id)的測定接勵磁電源直流電流表嚴(yán)禁將變阻器的電阻調(diào)到0接勵磁電源G1800LB1B2Rg圖8 可逆系統(tǒng)主電路主電路按圖8接線。（1） 正向靜特性的測試 給定打向“正給定”a調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定電壓Ug，使電機(jī)空載轉(zhuǎn)速至1600rmin，計(jì)下此時的電流和轉(zhuǎn)速，填入下表第一列。b.接入發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻Rg，慢慢調(diào)節(jié)變阻器，在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)分別記錄78點(diǎn)，可測出系統(tǒng)靜特性曲線n=f(Id)表1 正向閉環(huán)靜特性的測定Id(A)0.30.50.60.70.80.9n(r/min)（2）反向靜特性的測試給定打向“負(fù)給定”a調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定電壓Ug，使電機(jī)空載轉(zhuǎn)速至-1600rmin

40、，計(jì)下此時的電流和轉(zhuǎn)速，填入下表第一列。b.接入發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻Rg，慢慢調(diào)節(jié)變阻器，在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)分別記錄78點(diǎn)，可測出系統(tǒng)反向靜特性曲線n=f(Id)表2 反向閉環(huán)靜特性的測定Id(A)0.30.50.60.70.80.9n(r/min)6閉環(huán)控制特性n=f(Ug)的測定（1）正向控制特性正給定a.電動機(jī)空載，即將發(fā)電機(jī)的電阻斷開。b.調(diào)節(jié)Ug，讀取轉(zhuǎn)速n，即可測出閉環(huán)控制特性n=f(Ug)，填入表3。表3正向控制特性Ug(V)0.40.81.21.62.0n(r/min)（2）反向控制特性負(fù)給定a.電動機(jī)空載，即將發(fā)電機(jī)的電阻斷開。b.調(diào)節(jié)Ug，讀取轉(zhuǎn)速n，即可測出閉環(huán)控制特性n=

41、f(Ug)，填入表4。表4反向控制特性Ug(V)-0.4-0.8-1.2-1.6-2.0n(r/min)7系統(tǒng)動態(tài)波形的觀察用二蹤慢掃描示波器觀察并記錄：（1）給定值階躍變化（正向起動 正向停車 反向切換到正向 正向切換到反向反向停車）時的動態(tài)波形。（2）電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速，Ug不變，突加，突減負(fù)載(20%Ied100%Ied) 的動態(tài)波形：（3）改變ASR,ACR的參數(shù)，觀察動態(tài)波形如何變化。注：電動機(jī)電樞電流波形的觀察可通過ACR的第“1”端，轉(zhuǎn)速波形的觀察可通過ASR的第“1”端實(shí)現(xiàn)。四、實(shí)驗(yàn)報告1根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畫出正，反轉(zhuǎn)閉環(huán)控制特性曲線。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，畫出正，反轉(zhuǎn)閉環(huán)機(jī)械特性，并計(jì)算靜差率。3分析參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響。4分析電機(jī)從正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)經(jīng)歷的工作狀態(tài)，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換狀況。圖9圖10 39