電氣工程及其自動(dòng)化領(lǐng)域中電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展實(shí)驗(yàn)調(diào)研報(bào)告目錄TOC\o"1-3"\h\u21605引言 1236311關(guān)于電氣傳動(dòng)技術(shù)的相關(guān)介紹 2300161.1電氣傳動(dòng)技術(shù)的概念 292321.2電氣傳動(dòng)技術(shù)的分類(lèi) 2183431.3電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成 2138162電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 4256513電氣傳動(dòng)的任務(wù)和發(fā)展趨勢(shì) 583644直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8157984.1設(shè)計(jì)背景 8141864.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 8161984.3設(shè)備選型 9211184.4實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 9152014.4.1電源開(kāi)關(guān)及保護(hù)裝置面板 9287394.4.2弱電給定模塊 10157224.4.3驅(qū)動(dòng)模塊 1090244.4.4執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1060944.4.5檢測(cè)模塊 11241004.5參數(shù)測(cè)試 11218744.6系統(tǒng)仿真調(diào)試 1354294.6.1直流電機(jī)模型仿真 13287424.6.2雙閉環(huán)系統(tǒng)模型仿真 14133614.6.3現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 1596194.7系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果 16133994.8實(shí)驗(yàn)室安全及實(shí)驗(yàn)過(guò)程注意事項(xiàng) 1730440結(jié)語(yǔ) 1731884參考文獻(xiàn) 19引言電氣傳動(dòng)技術(shù)在最近十幾年有了顯著的發(fā)展，變的更加成熟了。在各種工業(yè)領(lǐng)域中，運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)矩、速度、位置的控制對(duì)于提高生產(chǎn)質(zhì)量，降低能耗和設(shè)備維護(hù)成本講，都是至關(guān)重要的。電氣傳動(dòng)見(jiàn)于大多數(shù)的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中。調(diào)速是現(xiàn)代電氣傳動(dòng)的內(nèi)在特征。這種傳動(dòng)由各種高性能的電動(dòng)機(jī)、電力電子變換器以及數(shù)字控制系統(tǒng)構(gòu)成。電氣傳動(dòng)的國(guó)際市場(chǎng)正在以每年百分之十的速度增長(zhǎng)，全世界的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)每年數(shù)千億美元。隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，電氣傳動(dòng)技術(shù)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類(lèi)日常生活的各個(gè)方面的運(yùn)用越來(lái)越廣，并且人類(lèi)的環(huán)保、節(jié)能意識(shí)也越來(lái)越高。所以電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化受到了人們的高度重視。電氣傳動(dòng)是利用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（電動(dòng)狀態(tài)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能（發(fā)電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)），驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)生活生產(chǎn)設(shè)備、交通工具等物品運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械之間的轉(zhuǎn)換，并按照要求完成對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，角速度，轉(zhuǎn)速，位移的控制，實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)，例如生產(chǎn)設(shè)備、客運(yùn)與貨運(yùn)、家電、水泵、空氣壓縮機(jī)、計(jì)算機(jī)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人、音樂(lè)或者視頻播放等的運(yùn)行。電氣傳動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是使電動(dòng)機(jī)、機(jī)械負(fù)載和電網(wǎng)相匹配。據(jù)相關(guān)部門(mén)估測(cè)統(tǒng)計(jì)以后十年，我國(guó)電氣傳動(dòng)產(chǎn)品市場(chǎng)需求將繼續(xù)擴(kuò)大百分之十六，發(fā)展前景十分廣闊。當(dāng)然對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)也變成最熱門(mén)的課題。目前針對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化研究，國(guó)內(nèi)外研究者的工作主要集中在利用新理論研究和新控制策略改進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)本身的性能。比如現(xiàn)在一些好的控制方法有矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與力矩達(dá)到對(duì)電機(jī)的良好控制，解決了電機(jī)非線性和強(qiáng)藕合、負(fù)載及慣量變化等給控制帶來(lái)的諸多不便。但這些方法對(duì)電機(jī)和負(fù)載參數(shù)的依賴較強(qiáng)，控制效果依舊存在瑕疵，于是人們?cè)诓粩嗵剿髟鯓永眯录夹g(shù)設(shè)計(jì)魯棒性強(qiáng)的系統(tǒng)。現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)方式和設(shè)備的性能在信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推動(dòng)下逐漸向自動(dòng)化和智能化發(fā)展，電子技術(shù)就是基于現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展背景下所產(chǎn)生的技術(shù)，其在很多行業(yè)中都實(shí)現(xiàn)了多種功能的應(yīng)用，很多人將電子技術(shù)的發(fā)展比作是一場(chǎng)新的技術(shù)革命。電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展是以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域的體現(xiàn)。1關(guān)于電氣傳動(dòng)技術(shù)的相關(guān)介紹1.1電氣傳動(dòng)技術(shù)的概念從概念角度來(lái)，電氣傳動(dòng)技術(shù)是屬于計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化技術(shù)組成組成部分當(dāng)中的動(dòng)力傳動(dòng)，可以說(shuō)是技術(shù)控制和生產(chǎn)的重要橋梁。對(duì)于電氣傳動(dòng)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)初，主要研究的方向是利用電動(dòng)機(jī)控制物體或生產(chǎn)機(jī)相應(yīng)的指令要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳送。而后，隨著傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制理論的不斷研究與開(kāi)發(fā)，電氣傳動(dòng)技術(shù)也由最初繼電、接觸、手動(dòng)控制的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)逐漸向更加具有技術(shù)性的閉環(huán)連續(xù)控制系統(tǒng)發(fā)展，在技術(shù)結(jié)構(gòu)上也更加復(fù)雜?，F(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，對(duì)于電氣傳動(dòng)技術(shù)的概念總結(jié)為通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)多種類(lèi)型和不同結(jié)構(gòu)機(jī)械設(shè)備的技術(shù)，主要包括運(yùn)輸車(chē)輛、生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備和一些生活用的機(jī)械裝置等。自電動(dòng)機(jī)發(fā)明以來(lái)，電氣傳動(dòng)技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)的很多領(lǐng)域當(dāng)中，包括電力行業(yè)、水利行業(yè)、現(xiàn)代化工、工業(yè)制造業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、煤炭石油等多項(xiàng)開(kāi)采行業(yè)當(dāng)中，逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代工業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)。而隨著現(xiàn)代的傳感技術(shù)和電子技術(shù)以及信息技術(shù)的快速研發(fā)和廣泛應(yīng)用，電氣傳動(dòng)技術(shù)也逐漸開(kāi)始向新的領(lǐng)域與先進(jìn)技術(shù)層面邁進(jìn)，向智能化控制發(fā)展。1.2電氣傳動(dòng)技術(shù)的分類(lèi)目前工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中所使用的電氣傳動(dòng)技術(shù)裝置主要按照電動(dòng)機(jī)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，主要可以分為直流電氣傳動(dòng)技術(shù)和交流電氣傳動(dòng)技術(shù)，主要的區(qū)別在于電能的產(chǎn)生是源自于直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)80年代是屬于電氣傳動(dòng)技術(shù)類(lèi)型的分水嶺，在80年代之前一直使用直流電氣傳動(dòng)技術(shù)，其具有極高的運(yùn)行性能和可靠性，一度成為80年代前的電氣傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的主要技術(shù)類(lèi)型。但任何技術(shù)在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中都會(huì)存在一定的缺陷和不足，并且在技術(shù)的局限性限制下無(wú)法得到有效的完善，直流電動(dòng)機(jī)是直流電氣傳動(dòng)技術(shù)當(dāng)中主要使用的動(dòng)力能，其局限性在于容量、電流和電壓的上限值。而發(fā)展到上世紀(jì)80年代后期，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。交流電氣傳動(dòng)技術(shù)在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，并且以其性能上的優(yōu)勢(shì)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域當(dāng)中逐漸開(kāi)始得到人們的認(rèn)可。1.3電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、公用事業(yè)、家庭電器都與各種各樣的機(jī)械運(yùn)動(dòng)有關(guān)。除了一些特殊運(yùn)輸車(chē)輛和農(nóng)用機(jī)械外，幾乎所有的工作機(jī)械都是采用電氣傳動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程對(duì)電機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高。設(shè)計(jì)現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的流程如圖1.1所示。圖1.1電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變流器和控制裝置構(gòu)成的。電動(dòng)機(jī)是利用電磁原理把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換器。按轉(zhuǎn)換成機(jī)械的運(yùn)動(dòng)形式劃分，電動(dòng)機(jī)可以分類(lèi)為旋轉(zhuǎn)型、直線型、步進(jìn)型和振動(dòng)型等幾種形式，旋轉(zhuǎn)型電動(dòng)機(jī)是最常用的電動(dòng)機(jī)。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)把機(jī)械能傳動(dòng)給工作機(jī)械，它包括齒輪減速機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)帶機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)股鋼繩機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠等。普通變流器的主體是由電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成，一般采用不可控的器件（二極管）和可控的器件（晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、IGBT、IGCT等）。近年來(lái)，新型的電力電子器件層出不窮，變流器的種類(lèi)也越來(lái)越多，為傳統(tǒng)的電氣傳動(dòng)技術(shù)注入了新鮮的活力。供電電源、變壓器和變流器構(gòu)成的電氣傳動(dòng)的電力通道；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子輸出軸上的可動(dòng)部件（如測(cè)速機(jī)和脈沖編碼器）、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作機(jī)械構(gòu)成電氣傳動(dòng)的機(jī)械通道，如圖1.2所示。圖1.2電氣傳動(dòng)的電力通道和機(jī)械通道圖1.2中的實(shí)線箭頭表示電動(dòng)機(jī)工況時(shí)能量的傳輸過(guò)程，虛線箭頭表示發(fā)電工況時(shí)能量的傳輸過(guò)程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)工況時(shí)，來(lái)自電網(wǎng)的電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，然后傳遞到工作機(jī)械（如軋鋼機(jī)、水泵等）的工作部分。在能量轉(zhuǎn)換和傳遞動(dòng)力的各個(gè)環(huán)節(jié)中必然有能量損失，隨之而來(lái)的想法就是如何減少轉(zhuǎn)換和傳遞過(guò)程中的能量損失。評(píng)價(jià)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的能量特性的指標(biāo)是能量效率enm，它定義為作用于工作機(jī)械上的有用功率與總輸入功率之比。2電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀直流電氣傳動(dòng)技術(shù)含有三種調(diào)速方式，主要分為弱磁升速和調(diào)壓調(diào)速以及變電阻調(diào)速。目前應(yīng)用比較廣泛的是調(diào)壓調(diào)速，其主要原因在于現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械制造業(yè)的低壓供電系統(tǒng)使用的是交流供電。直流電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展主要是從開(kāi)環(huán)控制、單閉環(huán)控制到多閉環(huán)控制、硬件控制、軟件控制，發(fā)展到現(xiàn)代使用的是模擬電路控制和數(shù)模電路混合控制，發(fā)展到數(shù)字接入控制，而最終的發(fā)展水平達(dá)到了大規(guī)模的集成電路控制。而交流電氣傳動(dòng)技術(shù)按照交流異步電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型也分為三種調(diào)速方式，主要包括了轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速、轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速、轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速等三種，就目前應(yīng)用效果和較為廣泛的調(diào)速方式為轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速。從其發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)講，主要的發(fā)展歷程可以概括為分立元件電路控制、小規(guī)模集成電路控制、大規(guī)模集成電路控制，然后是硬件控制軟件、控制模擬電路控制數(shù)字電路、控制轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)的恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、解耦控制，最終到模糊控制。從電氣傳動(dòng)技術(shù)控制的主要措施來(lái)談電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，機(jī)械控制是最早的自動(dòng)化控制措施，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步逐漸被電子控制和電氣控制所取代。技術(shù)的推廣和實(shí)際應(yīng)用以及經(jīng)濟(jì)水平的不斷攀升，人們開(kāi)始更加注重對(duì)成本的有效管理和實(shí)際機(jī)動(dòng)性的考慮以及節(jié)能降耗和效率方面的提升，由此也使得大規(guī)模集成電路的微處理器逐漸了實(shí)現(xiàn)了更加廣泛的推廣應(yīng)用，對(duì)電子控制的發(fā)展起到了極大的推進(jìn)作用。當(dāng)前在工業(yè)機(jī)械制造業(yè)當(dāng)中的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)控制器早已實(shí)現(xiàn)了以微處理器為核心的數(shù)字化控制應(yīng)用，并且逐漸成為主要和比較常用的電子控制方式。從技術(shù)應(yīng)用特性來(lái)講，電子控制技術(shù)和模糊控制方式在其適用性和實(shí)際應(yīng)用效果方面都各有優(yōu)勢(shì)，但現(xiàn)代人們?cè)谏a(chǎn)當(dāng)中對(duì)數(shù)字控制更為青睞，主要原因在于數(shù)字控制系統(tǒng)能夠針對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的問(wèn)題或故障進(jìn)行自我檢測(cè)和自我診斷，并將實(shí)際檢測(cè)到的故障信息進(jìn)行反饋，利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行診斷結(jié)果的有效性分析，很大程度上能夠提高檢測(cè)效果的準(zhǔn)確性和診斷過(guò)程的智能化，此外，數(shù)字控制器也能夠?qū)崿F(xiàn)更多種類(lèi)控制指令的可靠性執(zhí)行。在交流電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方面主要可以從交流變頻調(diào)速方式的發(fā)展進(jìn)行闡述。小功率晶體管和普通晶閘管的實(shí)用化，使得交流變頻調(diào)速方式具有極好的制動(dòng)性能和低能耗優(yōu)勢(shì)，因此也使得交流變頻調(diào)速為主要運(yùn)行方式的交流電氣傳動(dòng)技術(shù)逐漸成為主要應(yīng)用的調(diào)速方式。而且交流變頻調(diào)速能夠同時(shí)進(jìn)行處理信息的可靠傳輸和電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率提升。所以進(jìn)行的來(lái)對(duì)于交流電氣傳動(dòng)技術(shù)的研究主要放在了智能功率模塊和新型的嵌入式控制器件的研究，同時(shí)也開(kāi)始進(jìn)行硬件與軟件開(kāi)發(fā)相關(guān)技術(shù)難題解決方案的制定，交流電氣傳動(dòng)技術(shù)逐漸向大容量以及特大容量等級(jí)的方向發(fā)展，同時(shí)也開(kāi)始注重長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行可靠性提升方向的研究。相比于直流電氣傳動(dòng)技術(shù)調(diào)速方式，交流電氣傳動(dòng)技術(shù)方式在控制方面具有更加優(yōu)越的性能，其所具有的異步電動(dòng)機(jī)能夠最大水平的提升整個(gè)系統(tǒng)的可控性。3電氣傳動(dòng)的任務(wù)和發(fā)展趨勢(shì)電氣傳動(dòng)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用技術(shù)。電氣傳動(dòng)的第一項(xiàng)任務(wù)是能量轉(zhuǎn)換--借助電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，這是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、公用事業(yè)、家用電器、醫(yī)療機(jī)械等所有人類(lèi)活動(dòng)領(lǐng)域中所必需的。我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)到的生產(chǎn)流水線和單體工作機(jī)械幾乎全部都是用電氣傳動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的。電氣傳動(dòng)的第二項(xiàng)任務(wù)是運(yùn)動(dòng)控制--其本質(zhì)就是對(duì)工作機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施位置、速度或轉(zhuǎn)矩控制。每個(gè)工作機(jī)械都需要控制：接通/分?jǐn)嚯妱?dòng)機(jī)的電源屬于簡(jiǎn)單控制；根據(jù)工藝條件和要求改變電動(dòng)機(jī)的速度或轉(zhuǎn)矩屬于高級(jí)控制。為了保護(hù)工作機(jī)械和電氣傳動(dòng)設(shè)備，還要實(shí)施必要的保護(hù)和聯(lián)鎖，這屬于安全方面的控制?，F(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的操作，可通過(guò)手動(dòng)、自動(dòng)或程序控制實(shí)現(xiàn)。為了保證執(zhí)行過(guò)程的準(zhǔn)確性，即使是手動(dòng)操作的功能，也要依靠自動(dòng)化設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，這屬于操作方面的控制。把電氣傳動(dòng)的兩種功能結(jié)合起來(lái)，在電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的性能指標(biāo)（功率、力、轉(zhuǎn)矩、速度、加速度、位移和角位移），合理地完成工藝過(guò)程這就是電氣傳動(dòng)在生產(chǎn)設(shè)備中的作用。舉兩個(gè)例子分析電氣傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制功能。例一：電梯。電梯是垂直輸送人員和物品的機(jī)電設(shè)備。乘客進(jìn)入電梯轎廂，按下目的樓層的按鈕，電梯就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉轎廂門(mén)并朝著選擇的方向運(yùn)行，到達(dá)指定的樓層后轎廂門(mén)自動(dòng)打開(kāi)。電梯的原理是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)以及轉(zhuǎn)股—鋼繩機(jī)構(gòu)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)檗I廂垂直運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。電梯的控制包括電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/停止控制、加速/減速控制以及轎廂門(mén)的開(kāi)閉控制之類(lèi)的輔助控制。出于對(duì)電氣舒適性的考慮，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/停止、加速/減速都要做到平滑穩(wěn)定。而電梯的方向選擇、準(zhǔn)確停車(chē)、轎廂門(mén)開(kāi)閉也屬于運(yùn)動(dòng)控制的范疇。為了完成這些功能，必須按照一定的規(guī)律控制電機(jī)的運(yùn)行。此外，為了確保設(shè)備可靠運(yùn)行和乘客的安全，控制系統(tǒng)還要提供必要的保護(hù)聯(lián)鎖功能并且能顯示轎廂的狀態(tài)信息。電梯控制屬于自動(dòng)控制的范疇。例二：家用全自動(dòng)洗衣機(jī)。洗衣機(jī)是程序控制的代表性機(jī)電產(chǎn)品，其包含一臺(tái)多速電動(dòng)機(jī)，主要的工作機(jī)構(gòu)是帶傳動(dòng)的滾筒，附屬的部件有電動(dòng)水泵、電動(dòng)閥門(mén)和控制電路板及其程序。全自動(dòng)洗衣機(jī)就是預(yù)先將洗衣的全過(guò)程（注水—浸泡—洗滌—漂洗—脫水—排水）設(shè)置成為數(shù)個(gè)子程序，只要手動(dòng)打開(kāi)水龍頭并且按下洗衣機(jī)開(kāi)關(guān)電源后，洗衣機(jī)就會(huì)自動(dòng)完成以上任務(wù)。各個(gè)電氣部件和機(jī)械部件的工作是由控制電路板中的程序控制的。有了程序的組織與協(xié)調(diào)，一個(gè)個(gè)單獨(dú)的部件就可以共同構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)化的機(jī)電系統(tǒng)，從而完成復(fù)雜的工作過(guò)程。像這樣由程序控制的電氣傳動(dòng)設(shè)備，仍然離不開(kāi)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。程序控制裝置負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)部件動(dòng)作并按照預(yù)先設(shè)置的程序完成整個(gè)工作過(guò)程。電氣傳動(dòng)還有一個(gè)重要任務(wù)就是創(chuàng)建新的節(jié)能技術(shù)。電氣傳動(dòng)設(shè)備是電能最大的用戶，在發(fā)達(dá)國(guó)家中，電氣傳動(dòng)設(shè)備消耗的電能占總發(fā)電量的百分之六十以上。許多工藝過(guò)程都需要消耗大量的電能，但這些被消耗的電能不是完全用于生產(chǎn)過(guò)程，其中的部分電能被無(wú)謂的浪費(fèi)掉了。而性能優(yōu)越的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)可以降低生產(chǎn)過(guò)程中的材料消耗和能源消耗。許多工藝過(guò)程都需要消耗大量的電能，但這些被消耗的電能不是完全用于生產(chǎn)過(guò)程，其中的部分電能被無(wú)所謂的浪費(fèi)掉了，典型的例子就是水泵供水系統(tǒng)。以前供水系統(tǒng)使用的是恒速的電氣傳動(dòng)設(shè)備，無(wú)法調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，而只能通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度改變管網(wǎng)阻力調(diào)節(jié)流量。實(shí)際上用戶在每個(gè)季節(jié)甚至每天的不同時(shí)段所需要的水量并不固定。如果采用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量，一部分電能沒(méi)有變成有用功，而是白白消耗與管網(wǎng)阻力。此外，操作閥門(mén)調(diào)節(jié)流量很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?，F(xiàn)在流行的做法是采用可調(diào)速的異步電動(dòng)機(jī)控制水泵的流量?？烧{(diào)速的水泵可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：其一，把電能轉(zhuǎn)化為供水所需要的機(jī)械能；其二，控制水泵的工作轉(zhuǎn)速，維持供水的壓力和流量。這種調(diào)節(jié)水泵的做法可以節(jié)電20%~30%，節(jié)水10%~20%。如果是供暖用調(diào)速水泵，還可以節(jié)熱5%~10%。這個(gè)例子說(shuō)明，電氣傳動(dòng)中的調(diào)速技術(shù)不但可以優(yōu)化工藝工程，而且還可以節(jié)約大量寶貴的電能。大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。電動(dòng)機(jī)和傳遞動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（減速機(jī)、傳動(dòng)軸、曲柄—連桿機(jī)構(gòu)等）以及傳動(dòng)控制裝置構(gòu)成一個(gè)完整的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。在更為復(fù)雜的生產(chǎn)機(jī)械（軋機(jī)、電鏟、數(shù)控機(jī)床等）之中，包括多個(gè)由電氣傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。有這些電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)控制化控制系統(tǒng)以及電源供配電系統(tǒng)和公輔系統(tǒng)，共同構(gòu)成了機(jī)電一體化的設(shè)備。性能優(yōu)越的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)可以降低生產(chǎn)過(guò)程中的材料消耗和能源消耗。電力電子技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電氣傳動(dòng)的基礎(chǔ)。反之，電氣傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，也促進(jìn)這些技術(shù)的進(jìn)步。在過(guò)去的近20年中，電氣傳動(dòng)技術(shù)得到飛速的發(fā)展。其原因之一是機(jī)械制造行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，提高了加工精度，保證了電氣傳動(dòng)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。原因二是電氣傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用范圍已經(jīng)從工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到幾乎涉及了人類(lèi)活動(dòng)的全部領(lǐng)域，這就是要求電氣傳動(dòng)的產(chǎn)品控制精度更高、控制能力更強(qiáng)、成本更低。第三個(gè)原因是節(jié)能和環(huán)保的呼聲越來(lái)越高，一方面要求提高電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，另一方面要求把電氣傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能和可再生能源（主要是風(fēng)力）發(fā)電之中。不斷涌現(xiàn)出來(lái)的新材料、新工藝和新的控制理論對(duì)電氣傳動(dòng)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)?？傊姎鈧鲃?dòng)技術(shù)的發(fā)展將給現(xiàn)代的生產(chǎn)、生活帶來(lái)天翻地覆的變化。4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)背景調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對(duì)調(diào)速性能要求較高的各類(lèi)生產(chǎn)機(jī)械大多采用直流傳動(dòng)，簡(jiǎn)稱為直流調(diào)速。早在20世紀(jì)40年代采用的是發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，又稱放大機(jī)控制的發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在40年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點(diǎn)是占地大，效率低，運(yùn)行費(fèi)用昂貴，維護(hù)不方便等，特別是至少要包含兩臺(tái)與被調(diào)速電機(jī)容量相同的電機(jī)。為了克服這些缺點(diǎn)，50年代開(kāi)始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點(diǎn)也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。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－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)。

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(shì)。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過(guò)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(diǎn)。同時(shí)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(wú)限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)行性能要求很高的機(jī)床還存在著很多不足，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(dòng)態(tài)特性都很理想。4.2設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)容：設(shè)計(jì)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(gè)PI調(diào)節(jié)器）。驅(qū)動(dòng)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(wú)靜差。動(dòng)態(tài)：電流超調(diào)量小于5%；空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10%。4.3設(shè)備選型直流伺服電動(dòng)機(jī)(355W,110V,4.1A,1500R.P.M)型號(hào):130SZ01功能:體積小、重量輕、力能指標(biāo)高、噪聲低、產(chǎn)品系列化程度高、零部件通用化程度強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械及自動(dòng)化控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。市場(chǎng)價(jià)格：490元交直流電流（電壓）傳感器（IN：AC/DC0-5A（0-500V）；OUT：DC0-5V）型號(hào)：WBI125E01（WBV125E01）工作原理：光電隔離原理、磁調(diào)制隔離原理功能：交直流電流傳感器可以將待檢測(cè)的電流（電壓）信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的直流信號(hào)并進(jìn)行隔離傳送，構(gòu)成一個(gè)具有隔離功能的檢測(cè)電路，以保證系統(tǒng)電路和操作人員的安全，可對(duì)電網(wǎng)或電路中的交直流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。具有體積小、響應(yīng)快、高精度、低漂移等特點(diǎn)。市場(chǎng)價(jià)格：200元4.4實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要分為給定、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行、檢測(cè)、電源及保護(hù)幾個(gè)功能模塊。兩路開(kāi)關(guān)分別控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的弱電及強(qiáng)電部分。4.4.1電源開(kāi)關(guān)及保護(hù)裝置面板圖4.1電源開(kāi)關(guān)及保護(hù)裝置包括實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源開(kāi)關(guān)、弱電按鈕、強(qiáng)電按鈕以及緊急停車(chē)按鈕，還有各種報(bào)警提示燈等，為同學(xué)們安全實(shí)驗(yàn)提供安全保障。4.4.2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(hào)。在本實(shí)驗(yàn)中主要使用階躍信號(hào)，作為控制信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而起到控制電樞電壓的作用。圖4.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)給定模塊4.4.3驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)模塊由晶閘管構(gòu)成的三相橋式可控電路構(gòu)成，在實(shí)驗(yàn)中為電動(dòng)機(jī)提供可控的電樞電壓，受給定模塊控制。圖4.3驅(qū)動(dòng)模塊：晶閘管整流器4.4.4執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行模塊由四個(gè)電樞接口，四個(gè)勵(lì)磁接口共八個(gè)接口被引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上，電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)模塊放置于地面上。圖4.4執(zhí)行模塊4.4.5檢測(cè)模塊試驗(yàn)中用到的檢測(cè)模塊主要包括電流和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)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。圖4.5檢測(cè)模塊4.5參數(shù)測(cè)試（1）測(cè)量電機(jī)兩條機(jī)械特性曲線，并得到靜差率設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖4.6所示。圖4.6機(jī)械特性測(cè)試電路圖分別將電樞兩端電壓調(diào)至110V和55V時(shí)，測(cè)出兩條機(jī)械特性曲線。數(shù)據(jù)如下：Ua=110V：Ua=55V：I(A）11.522.53空載n(r/min)163015451500145014201750Ua=55V：I(A）11.522.53空載n(r/min)690630580500400860機(jī)械特性曲線如圖4.7：圖4.7機(jī)械特性曲線由機(jī)械特性可知，電機(jī)靜差率為15%~20%，無(wú)法滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。（2）測(cè)量電樞回路各個(gè)電阻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路如圖4.8：圖4.8電樞回路電阻測(cè)量電路由和兩式聯(lián)立可得到：這個(gè)R指回路總電阻，主要包括電樞電阻Ra，電抗器電阻Rl，電源內(nèi)阻Rn。我們可以通過(guò)測(cè)得R，短路電動(dòng)機(jī)得到R-Rm，短路電動(dòng)機(jī)及電抗得到R-Rm-Rl。通過(guò)計(jì)算可得到R，Ra和Rn。經(jīng)過(guò)測(cè)量整理計(jì)算得到：R=7.6，Ra=3.8，Rn=1.55（3）測(cè)量電勢(shì)常數(shù)調(diào)節(jié)負(fù)載使得不同電壓時(shí)電流始終相等，此時(shí)n=Ud/CeΦ，因此測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下的整流電壓值可聯(lián)立方程得到：測(cè)得I=1.3A時(shí)兩組數(shù)據(jù)分別為：U=80V，n=1200r/min和U=66.2V，n=1000r/min。帶入公式得到CeΦ=0.069[V/(r?min-1)]。又CmΦ=9.55CeΦ=0.659（4）計(jì)算飛輪矩GD2并計(jì)算機(jī)電時(shí)間常數(shù)根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程式，測(cè)試飛輪轉(zhuǎn)矩。當(dāng)突然斷電時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為0，此時(shí)若為容易算得的空載轉(zhuǎn)矩可得到公式：；；其中首先測(cè)一組空載數(shù)據(jù)，即n=1000r/min，U=66.7V，I=0.39A，帶入式中計(jì)算得到T0=0.237N?M。在空載情況下電機(jī)運(yùn)行在1500r/min時(shí)突然斷電，由示波器測(cè)得n變化為零所用時(shí)間為5.52s，可得到n的導(dǎo)數(shù)為273。代入上述兩個(gè)結(jié)果得到飛輪矩GD2=0.34N?M2。根據(jù)以上結(jié)果及公式：，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.153s4.6系統(tǒng)仿真調(diào)試4.6.1直流電機(jī)模型仿真根據(jù)測(cè)試得到的電機(jī)及電路參數(shù)，即R=7.6，Ce=0.069[V/(r?min-1)]，Tm=0.153s，利用Matlab中的simulink工具進(jìn)行仿真，如圖4.9所示。圖4.9直流電機(jī)模型仿真結(jié)構(gòu)圖通過(guò)給定輸入電壓以及負(fù)載，與實(shí)際測(cè)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。4.6.2雙閉環(huán)系統(tǒng)模型仿真在電機(jī)模型基礎(chǔ)上搭建雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖4.10所示。圖4.10雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖仿真結(jié)果如圖4.11所示。圖4.11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(jì)指標(biāo)的要求。4.6.3現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試（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(kāi)環(huán)電路。②熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，熟記輸出口，尤其是反饋輸出口的極性。③將α和β調(diào)整到所需值1/300和1.2。（2）電流環(huán)參數(shù)整定調(diào)試①電流閉環(huán)，設(shè)置兩個(gè)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(jì)算結(jié)果搭建。搭建完成之后，利用示波器測(cè)試電流特性，并不能達(dá)到預(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(dòng)，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4.12所示。圖4.12電流啟動(dòng)波形③逐漸增加負(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)。（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(dòng)，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4.13雙閉環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)波形③逐漸增加負(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)。突加給定，用示波器觀察轉(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)要求。4.7系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果最終得到最優(yōu)參數(shù)為Ri=45kΩ，Ci=1.270.12F；Rn=600kΩ，Cn=0.15F。其中轉(zhuǎn)速超調(diào)為7.5%，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。經(jīng)過(guò)抗干擾測(cè)試，包括負(fù)載擾動(dòng)以及電源擾動(dòng)等，系統(tǒng)接收擾動(dòng)后均能夠很快恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，波形僅僅略有波動(dòng)。因此系統(tǒng)調(diào)試完畢，符合任務(wù)書(shū)要求，且穩(wěn)定性良好。圖4.14系統(tǒng)啟動(dòng)特性4.8實(shí)驗(yàn)室安全及實(shí)驗(yàn)過(guò)程注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)必須按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)和指導(dǎo)教師的要求進(jìn)行。（2）實(shí)驗(yàn)室總電源的開(kāi)啟應(yīng)由實(shí)驗(yàn)室工作人員來(lái)控制，其他人員未經(jīng)許可不得操作。（3）試驗(yàn)臺(tái)右上方提供三相電源。其中三相轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)旋鈕0\1\2\3檔依次為0\80V\110V\220V，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)要求選擇電源電壓。（4）試驗(yàn)中請(qǐng)勿打開(kāi)試驗(yàn)臺(tái)后背蓋，防止可能發(fā)生的危險(xiǎn)。（5）實(shí)驗(yàn)時(shí)，先連線，后加電。實(shí)驗(yàn)時(shí)若需改接電路，必須先斷電，改接完后再加電。（6）連線前，要對(duì)連接線進(jìn)行外觀檢查，并檢查線路中有無(wú)短路回路存在，避免觸電或損壞設(shè)備。（7）加電