毕业设计（论文）-转子实验系统设计.doc

济南大学毕业设计毕业设计题 目 转子实验系统设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0704 学 生 潘沛 学 号 20070403300 指导教师 宋方臻 二一 一 年 六 月 七 日- 1 -济南大学毕业设计- 41 -1 前言1.1 选题背景与意义1.1.1 国内外研究现状旋转机械被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机及各种电动机等机械装置中。在电力、航空、机械、化工、纺织等国民经济领域中起着非常重要的作用，而对其动力学特性的研究也形成了一门专门的学科转子动力学。50年代以来，电力、航空、机械、化工工业的迅猛发展极大地推动了转子动力学的研究。发电机组的单机容量从几万千瓦发展到了上百万千瓦，飞机也开始进入喷气发动机时代。旋转机械的转子越来越柔、功率越来越大、转速越来越高，甚至达到了三、四阶临界以上，这为转子动力学的研究提出了一系列的研究课题，也有力地促进了转子动力学的发展1。我国的转子动力学研究开始于上世纪八十年代，当时主要是有针对性的对地面旋转机械的平衡技术和航空发动机的机构强度问题进行了相关研究。进入到九十年代，大量的科学技术人员加入到对转子动力学的研究当中，也涌现出一些优秀的专著。当前我国在转子动力学研究上存在的主要问题是重复研究较多，缺少自主创新能力，并且在某些领域的研究还是处于空白阶段。虽然存在一些问题，但是我国在转子动力学的方面的研究的进步是显著的，对国民经济的推动作用是很大，相信我国的科学技术人员会取得更大的成果1。目前我国对转子动力学研究的重点是转子系统的状态监测和故障诊断及转子系统的非线性振动、分叉与混沌。尤其是有关转子碰摩、裂纹和轴承油膜力引起的分叉和混沌的研究是当前研究的热点。在这方面也取得了不少成果，基本摸清了分叉响应的特点和进入混沌的道路形式。但是我国目前在密封动力学、航空发动机转子动力学、磁轴承等方面的研究离世界水平还有较大差距，而在全尺寸转子动力学的实验研究方面的差距更大。另外研究中存在理论研究的深度不够、数值分析的转子系统模型过于简单等问题1。在国外，近年来随着计算机容量和速度的迅速提高，一些学者已开始进行大型复杂非线性转子系统的动态特性分析，并开始将分析结果用于指导转子系统的非线性设计。总体来看，国内外对多自由度、强非线性系统还缺少成熟的理论分析方法。随着研究的不断升入，以理论力学为基础的分析方法只能满足于简单离散转子系统，而对于复杂转子系统对采用传递矩阵法和有限元法。由于算法的改进和发展同时伴随着计算机计算能力的不断提高，出现了系统的针对转子系统而建立的分析方法，一些基于有限元的成熟商业用软件也涌现出来，例如ANSYS、MATLAB等分析软件。1.1.2 选题的目的及意义对于旋转机械来讲，转子是机器的核心部分，随着现在机械装备制造技术的快速发展，高速、高精、超大型的选转机械不断涌现，这就对转子的设计和制造技术提出了更高的要求。而机械工程及自动化专业就是为了培养机械设计、制造、管理的工程技术人员，它所涉及的学科繁多。机械系统动力学、测试技术、机械振动、机电传动与控制等又是机械工程及自动化专业的主干课程或重要选修课，掌握这些知识对学生成为合格的工程技术人员有重要意义。由于学校难以提供大型设备用于教学，目前课程教学体系主要还是以书本为主，缺少学生自主动手采集、处理、分析数据的环节，使学生缺乏应用知识的环节，理论与实践出现脱节。不仅不利于教学，也不利于激发学生的求知欲望和学习兴趣。本转子试验系统，就是专门为高等院校的机械学科的实验环节开发的教学实验系统。结合高等院校所开设的理论课程，配合本系统的实验环节，能让学生更加直观的理解所学知识，并将理论知识转化为实际的动手操作经验。同时，本转子试验系统还适用于专门振动测试、转子动力学研究的有关科研人员，为他们提供了简单有效地科研实验平台。1.2 设计内容由于设计、结构、材质不均匀以及制造安装误差等原因，所有实际转子的中心惯性主轴都或多或少的偏离其旋转轴线。这样，当转子转动时，转子各微元质量的离心惯性力所组成的力系不是一个平衡力系。这种情况称为转子具有不平衡或失衡。研究表明，旋转机械的振动主要是由不平衡引起的，尤其在高速旋转机械中表现得更为显著。本实验系统就是要通过不平衡量、轴承跨度的增减，来模拟出旋转机械的多种振动现象。基于以上所述，本实验系统作为转子转速控制、振动测量等测控实验的平台，该系统能完成转子振动测试，也可单独测量转速、临界转速，同时对采集到的振动信号作时域和频域分析并显示图形等。从整体上应分为两部，一是模拟系统，目的是创造一个动态环境，为研究转子振动及测试提供基础条件，它包括驱动装置、转子系统、实验台等；二是测试系统，目的是采用合理测试方法对转子振动特性进行监测，包括传感器、信号处理模块、数据采集卡、计算机等。设计主要性能要求：（1） 模拟转子振动；（2） 模拟最高转速：8000r/min；（3） 非接触测量；（4） 结构小巧。本课题工作内容包括：（1）学习转子动力学基础知识，研习机械振动信号的分析理论与采集方法，确定试验系统总体设计方案，其中包括系统结构和预计实现功能以及实现途径；通过计算给出系统主要参数范围；（2）以总体设计方案为依据进行机械部分设计，包括转子-轴承系统、联轴器选型、传感器安装架设计、试验台底座设计、以及电动机选型；（3）以总体设计方案为依据进行测控部分的设计，包括驱动电机PWM无级调速的电路设计、传感器选型以及轴向布置、信号调理模块、数据采集卡等设备选型确定等。2 转子动力学及振动分析相关基本理论2.1 柔性转子动力学基础2.1.1 转子等效简化模型对于转子，当轴上各种惯性元件如叶轮、圆盘变形可以忽略时，转轴中心线上各点的运动规律实际上就体现了转轴运动的总体特征。本实验系统可以简化成简支梁的振动模型来研究2。（1） 简支梁横向振动图 2.1 简支梁横向振动图2.1所示的为一均匀简支梁的横向振动模型，假设系统的质量全部集中在梁的中部，且假定为m。取梁的中部绕度作为系统的位移，根据材料力学得静挠度为 （2.1）式中EI为梁截面的抗弯刚度。定义简支梁等效刚度 （2.2）则系统自由振动方程为 （2.3）振动固有频率为 （2.4） （2）弹性梁的弯曲振动当梁的主要变形是弯曲变形，梁在该平面内的横向振动称作弯曲振动。梁的弯曲振动频率通常低于它作为杆的纵向振动或作为轴的扭转振动，频率更容易被激发。设有长度为L的直梁，取其周线作为x轴，建立如图2.2的坐标系。图 2.2 Bernoulli-Euler梁根据牛顿第二定律，梁微断的横向运动满足 （2.5）忽略截面绕中性轴的转动惯量，对单元的右端面一点取矩并略去高阶小量得 （2.6）带入式（2.5），得到 （2.7）有材料力学知，,带入上式得到Bernoulli-Euler梁的弯曲振动微分方程 （2.8）对于等截面均质直梁，和EI为常数，于是方程为 （2.9）令方程（2.9）中，得到等截面均质直梁的弯曲自由振动微分方程 （2.10）解这个四阶常系数齐次偏微分方程，利用分离变量求解法。设梁的横向固有振动 （2.11）解得 （2.12） （2.13）式（2.12）描述了梁横向振动幅值沿梁长的分布，并含有待定的固有频率。在梁的两端必须满足给定的边界条件，由此确定。式（2.13）则描述了梁的振动随时间简谐变化，同样由边界条件确定。简支梁的边界条件分别为， （2.14）， (2.15)将式（2.14）代入（2.12）及其二阶导数，得， （2.16）由此得出 （2.17）将式（2.15）及式(2.17)代入式（2.12）及其二阶导数，得， （2.18）于是， （2.19）因简支梁无刚体运动，故，从而得出频率方程， （2.20）其解为 （ n=1,2,3,） (2.21)得出其固有频率 （n=1,2,3,） （2.22）相应的固有振型函数是（n=1,2,3,） (2.23)2.2 振动分析超过一定范围的机械振动是转子-轴承系统产生较大的动载荷、噪声以及影响其使用寿命甚至造成严重事故的主要因素。同时振动从一定意义上也表征了转子-轴承系统的运行状态。学习掌握振动分析的基本理论能够为后续的振动信号提取和特征分析提供理论依据、奠定基础。2.2.1 振动分析基础图 2.3 简谐振动波形图振动是一个动态量，最简单的振动形式是简谐振动。如图2.3所示，简谐振动是按正（余）弦函数规律周期变化的，表达式可以写成： （2.24）其中，y为振动位移，A为振幅，为相位，为圆频率，为振动频率。由上式可以看出，完完全描述一个振动信号，必须同时知道三个参量，及振动三要素：幅值、频率、相位。工程实际当中的振动信号多是复杂的信号，但是无论多么复杂的信号，总可以分解为不同频率、幅值、相位的简写信号的合成叠加，其可表达成 （2.25）转子轴承系统的振动与转速是密不可分的，通常将与转动频率相等的频率称为工频，以1X标示；把同转动频率的0.5倍。2倍、3倍等相等频率称为半频、二倍频、三倍频，用0.5X、2X、3X等表示。转子系统在不同的运动状态下对应不同的频率，采用频谱分析可以对运行状态性质作出初步判断、定性地判断。2.2.2 振动信号的时域分析（1）振动信号的时域统计分析 振动信号的时域分析是最常用的信号分析手段之一，对信号的是与参数进行识别分析，可以确定信号的幅值、周期、相位和均值、均方值、方差等统计学特征量。 均值是标示集合平均值或数学期望值，其数学表达式为： （2.26）信号的均方值表达了信号的强度，是信号能量的一种表达形式，其表达式为： （2.27）信号的方差描述了信号围绕均值的波动程度，数学表达式为： （2.28）（2）振动信号相关性分析相关分析也是信号时域分析的方法之一，其相关函数是描述信号波形的相关性揭示波形的结构特性。特别是在噪声背景下，提取有用信号，有着十分重要的使用价值。描述一个信号在不同时刻的取值之间的相似关系，称为自相关函数。描述两个信号之间的相似关系，称为互相关函数。其定义分别为： （2.29） （2.30）2.2.3 振动信号的频域分析在现代动态测试技术中，只能描述幅值随时间变化的时域分析，除但频率分量的简谐波外很难揭示信号频率的组成及各个成分的频率分量大小，为此需对信号进行频谱分析。通过对信号的频谱分析，可以获得跟多的有用信息，如个个频率成分的幅值分布和能量分布，求动态信号的各个频率成分和频率分布范围，从而得到主要幅度和能量分布的频率值。傅里叶变换是频域分析中最常用的手段，信号的时域描述和频域描述可以通过傅里叶变换一一对应起来。不过，对于非平稳信号分析和处理傅里叶变换往往是不够用的。小波变换等新的信号谱分析方法在一定程度上弥补了傅里叶变换的不足。进行信号分析处理时，往往根据不同需要，使用不同的描述方法7。3 机械系统设计本转子系统是适用于高等院校教学实验的能够模拟单自由度的转子试验系统。整个转子实验体统的主要部分是一根质量相对较轻的弹性光轴和安装在轴上的平衡盘组成，平衡盘质量可调节，采用整体式无变形滑动轴承座支承。次试验台可以分析模拟转子动力学中基本的模型，对于简单转子的振动实验已经足够满足要求。对于复杂转子系统可做定性的说明。3.1 转子轴承系统设计3.1.1 转轴的设计与计算 根据对平衡转速的要求，设计的转子轴要使转子的三阶临界转速在试验台最高转速范围之内，并且能够承受一定的冲击载荷。按此要求，设计参数如下：转轴的材料选用70Mn钢；弹性模量为E=210GPa，转轴的直径初选为=10mm；长度初选为475mm，两轴承跨度l=358mm。材料密度为=7.85，估计出转轴的质量为=0.3Kg3.1.2 平衡盘的设计与计算初选平衡盘直径为=80mm，宽度为18mm，质量为m=0.75Kg。在转盘上沿着直径为的圆周上每隔设一个螺纹孔，可应用来施加校正平衡质量。根据实验台设计任务，需要完成转子三阶以下的平衡，故需要三个相同的平衡转盘。平衡盘外形如图3.1：图 3.1 平衡盘示意图为了能够模拟转子系统的刚度变化对转子振动情况的影响，并且避免开设键槽引入不平衡量，同时平衡盘能够在光轴上可靠固定。因此采用弹性变形压紧套，此锁紧结构的如图3.2所示 图 3.2 弹性变形压紧套示意图采用压紧套的原因：由于转轴结构小巧，同时减少试验系统自身的不平衡量，利用材料本身的弹性变形自锁固定平衡盘，避免了在狭小区域的复杂结构设计和由此所引出的应力集中等影响。采用压紧套的特点：（1）此种固定方式适合传递小的转矩；（2）平衡盘与压紧套的接触面有一定锥度，使压紧套有自对中，自锁功能；（3）由楔面锁紧原理，将平衡盘内孔与压紧盘对其的压力转化为较大径向力，在压紧套内孔面与光轴接触面产生较大摩擦力，使其具备过盈备配合的特点外还能够方便拆装。图3.3与图3.4分别为装配时压紧套加紧示意与压紧套各点位移情况示意。图 3.3 压紧套加紧示意图图 3.4 压紧套各点位移示意图3.1.3 临界转速的确定与计算由于刚性转子与挠性转子平衡条件不同，故在实际工程应用当中转子可以区分成刚性转子和挠性转子。转子的临界转速与实际转速的比较结果就是划分依据。当转子转速小于其临界转速称为刚性转子，当转子转速大与其临界转速，称为挠性转子。根据前述简化模型，在一定条件下转子可以转化为简支粱模型来研究，将转盘当做是集中质量点来模拟。有材料力学，转轴的截面极惯性矩 () （3.1）根据转子试验系统功能要求，转子三阶临界转速频率应该小于转子实验系统能够达到的最高频率，其三阶临界转速为： (r/min) （3.2） 按要求在试验台能达到最大速度范围内，故满足条件。依次计算，第二阶临界转速为： (r/min) （3.3）第一阶临界转速为： （r/min） （3.4）综上，转子实验台各阶临界转速发生的转速范围分别是6626r/min、2767r/min、691r/min附近。3.1.4 滑动轴承的设计与计算实验台转速较高，主要承受径向载荷，所以轴承采用不完全润滑径向滑动轴承，轴承结构形式为整体式，其特点是结构简单，成本低廉。在工程上，通常对周长的平均压力p、滑动速度v以及轴承pv值进行验证计算。根据国际标准化组织（ISO）制定的世界平衡精度等级，本转子实验台的平衡等级为G2.5，则需用偏心距e为： （mm） （3.5） 转子旋转时，假设两侧转盘不产生离心力，中间转盘上的质量偏心最大为e，则离心力的最大值为：（N） （3.6）每个轴承的载荷为： (N) （3.7）轴承的设计参数如下：轴承宽径比=1.5轴承宽度为：（mm） （3.8）轴颈线速度为（m/s） （3.9）平均压力为：（MPa） （3.10）根据以上计算，轴瓦材料选用铅青铜ZCuPb30，材料性能如下表：表 3.1 轴瓦材料性能最大许用值最高工作温度（）轴颈硬度（HBS）p(MPa) v(m/s) pv()28030025 12 30由计算可知，轴瓦材料满足要求。但是，考虑到磁电式传感器的安装，取B=30mm。3.1.5 转子强度校核由于转子试验系统有可能工作在较高转速，转子的不平衡量就会引起较大的离心力，如果转子材料选取不当，就会使转子发生塑性变形，从而使试验台失效。更有胜者，对实验人员的安全构成严重威胁。因此，需对转子强度进行必要校核。此时，可以将转轴简化成一受集中载荷作用的简支梁。由式（3.7）得转轴所受得最大离心力为4706N，有材料力学知，转轴的抗弯截面系数为：（） （3.11）轴的最大弯矩为： （3.12）则最大应力为：（MPa） =450 (MPa) （3.13）故转轴能够满足强度要求。3.2 电动机的选型首先确定滑动轴承的摩擦因数。轴承半径间隙为： C=0.315d+10.44=13.59 () (3.13)相对间隙为： （3.13）摩擦数取为2，则摩擦因数为： （3.14）则摩擦力为： （N） （3.15）电动机所受负载转矩为： （） （3.16）转轴转动的最大功率为 （w） （3.17）考虑到后续电机无级调速的需要，选用德利来生产的ZYN系列直流电动机，性能参数如下：表 3.2 电动机性能型号规格额定电压（v）额定功率（W）最高转速（r/min）额定转矩()57ZYN0411014890000.25电动机外形如图3.5所示图 3.5 电动机外形3.3 联轴器的选用 根据转子系统实际工况，选用滑块联轴器，其特点是结构简单，转动惯量小，具有一定补偿两轴向对偏移、减振和缓冲性能，用于传递小功率，转速较高的场合。性能参数如下表所示8。表 3.3 联轴器性能参数型号公称转矩许用转速（r/min）(mm)(mm)DKL11610000101140303.4 底座的设计底座的材料选用HT200，灰口铸铁金相组织松软，具有良好的减振吸振作用。底座在铸造完成以后，为了避免由于应力作用产生的变形，应对底座进行去应力退火，确保底座的平面度和平行度，使两个轴承具有相同个轴心高度。由于需要满足轴承跨度可调的要求，在底座上开有T型槽，满足传感器支架、轴承座位置可调。根据轴承座的宽度，底座宽度定为110mm，底座长度需大于电机长度、联轴器长度和转轴长度之和，初步定为780mm，底座厚度选为40mm，并且在两端留有20mm厚的凸沿，方便搬运。外形如图3.6及图3.7所示。 图 3.6 底座外形俯视图图 3.7 底座外形左视图3.5 传感器支架的设计安装架是为了用来安装电涡流位移传感器、光电传感器的。为了检测三个平衡盘两个方向上的振动量，需要六个传感器。设计三个相同的点涡流传感器安装架及一个光电式传感器的安装架。根据试验台的要求，平衡盘位置可变化，电涡流传感器支架在底座T型槽中可调。其安装形式如图3.8所示。1螺栓 2传感器 3传感器支架 4平衡盘 5底座图 3.8 传感器支架安装形式为了获得转轴转速与鉴相信号，需要安装光电传感器，其安装支架如图3.9所示。图 3.8 光电传感器安装支架4 测试控制系统设计本转子实验系统的振动信号由电涡流传感器获取，通过信号处理模块对信号进行调理，包括缓冲放大、隔离、滤波以及线性化处理，然后进入到数据采集卡进行A/D转换，最后进入到计算机。利用相应的信号分析软件，对信号进行时域、频域分析，图形显示等。采用光电传感器测试系统转速，利用鉴相信号确定参考相位。4.1 系统总体方案设计由于本实验系统可以利用振型平衡法对转子实现三阶临界转速以下的各阶动平衡，所以对于振动信号的采集处理是测试系统的主要任务之一。振动是一个矢量，为了准确的描述它，不仅要测得振动的幅值大小，还要测量相位大小。转子系统振动测量中的相位是一个相对值，指的是振动信号上某一点相对与基准信号的相位差，即振动信号上某点与鉴相信号之间的关系。同时，转子实验系统中的转速测量同样重要。它与转子试验系统的一系列现象密不可分，对于转子系统的动平衡、各阶振型、碰磨问题都有直接关系。综上所述，测试系统要实现对振动幅值、相位与转子速度信号的同时测量采集。整体的系统方案如图4.1所示 图 4.1 测试整体方案4.2 测试系统选型设计4.2.1 传感器选用原则现代传感器在原理和结构上千差万别，如何根据测量环境、测量对象、测量目的合理选用传感器，关系到测量的成败。主要原则如下12：（1）根据测量对象与测量环境具体选择传感器类型；（2）传感器有较高的灵敏度，同时有较高的信噪比，尽量减少从外界引入噪声信号；（3）传感器的频率响应范围决定了被测量的频率范围，必须在容许范围内满足不失真测量，并且响应延迟时间越短越好；（4）在测量范围内，线性度越大越能保证测量精度，在一定范围内，可将非线性误差较小的传感器看做线性的；（5）根据传感器使用环境，选择具有合适的稳定性的传感器；（6）传感器精度越高越好，但只要满足测试系统精度即可。4.2.2 本转子试验系统传感器选择利用传感器将被测对象的各种参数，这里是振动速度、振动位移、振动加速度、转速等转换为与之相应的电量。根据上述传感器选用原则，选用点涡流位移传感器、磁电式速度传感器和光电速度传感器。电涡流式传感器的变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。当金属放置于线圈附近，线圈阻抗的变化与电涡流效应密切相关。可以表达成 （4.1） 线圈半径；金属导体电阻率；导磁率 励磁电流；频率；线圈到导体的距离 控制上述可变参数，线圈阻抗变化就成为这个参数的单值函数，这就是利用电涡流效应实现测量的主要原理。磁电式速度传感器是利用电磁感应工作，将传感器中的线圈作为质量块，当传感器运动时，线圈在磁场中做切割磁力线运动，其产生的电势大小与输入速度成正比13。本转子系统的振动频率为134Hz，许用偏心距e=2.98mm，根据不失真的测试原理，传感器的频率响应范围应大于410倍的振动频率。量程应该不小于许用偏心距。由此，转轴相对于轴承座得相对振动测量选用上海航振仪器仪表生产的HZYT898系列一体化电涡流位移传感器。其探头头部采用耐高低温和各种化学腐蚀的聚苯硫醚(PPS)注塑成形保护，线圈被严格密封，且使用方便，能实现非接触测量，故满足设计要求。 传感器的技术指标如下表4.1所示表 4.1 电涡流传感器技术指标产品型号HZYT08探头直径（mm）8线性量程（mm）4非线性误差（%）频率响应（KHz）010灵敏度误差（%）灵敏度（v/mm）8温漂（）0.05工作电压（Vdc）+12+30安装螺纹（mm）M10 传感器外形如图4.2所示，尺寸见表4.1。. 图 4.2 传感器探头轴承座的绝对振动测量选用东大测振仪器厂生产的MT3M系列磁电式振动速度传感器，其结构简单，价格低廉，抗干扰性能较强。性能指标如下表4.2所示 表 4.1 磁电式传感器性能指标型号MT3P测量方向垂直灵敏度30mv/mm/s线性误差谐振频率15HZ2.5Hz频率151000Hz振幅（P-P）1000外形尺寸外形如图4.3所示图 4.3 磁电式传感器外形最后，转速的测量与鉴相信号的获取采用光电式传感器，选用东大测振仪器厂的RL1型光电传感器。它是一种红外传感器，可以克服灯光和阳光对光电传感器的干扰。使用时，可在对准传感器的联轴器轴心位置贴上一长10mm，宽3mm的反光铝箔，作为反光带。4.2.3 信号调理模块传感器输出的电信号是模拟信号，不能被计算机系统直接识别，导致无法使用软件进行分析。并且输出信号非常微弱，混杂有噪声信号，不便于对于信号的处理分析。因此，在输出信号进入数据采集卡之前，需要进行信号调理。现在多用高度集成化的信号调理模块进行处理。本系统采用康泰电子CM3504四通道动态信号调理模块，主要用于动态信号测试系统的前级信号调理,可对压电传感器, 如加速度计及其他各种类型的动态信号进行调理.具有程控增益、滤波、AC/DC耦合等功能,同时为带有内置放大电路的传感器提供恒流源.模块内装协处理器及存储器,各项参数均可通过软件进行设置，完全程控，体积小巧。CM3504的系统展示图如图4.4所示。 图 4.4 信号调理模块4.2.3 数据采集卡的选用所选的电涡流传感器输出信号为电压信号，有传感器的灵敏度与最大许用偏心e可以确定电压的最大幅值为： （V） （4.2）根据振动信号频率、I/O信号类型以及输出电压幅值范围，选用NI公司的PCI-6110EDAQ数据采集卡。其性能是：同步采集，每个通道5MS/s的采样频率；四路DI；模拟输入，最大到42V的输入范围；最高5MS/s磁盘写入速度；两路16位模拟输出，两路24位计数/定时器。此数据采集卡能与NI-DAQ驱动软件配用，快速完成硬件安装。与LabVIEW等多种不同的开发语言相连接。5 PWM电机调速系统设计转子实验系统要求无级变速，有较高的转速控制精度以及较小的响应时间。故采用PWM调速方法，直流电动机进行调速。5.1直流电动机调速方法及优缺点本转子实验系统采用他励直流电动机作为动力源，目前直流电动机调速方法较多，各有优点与不足。直流电动机的机械特性一边表达式为14： （5.1） U电枢电压；每对磁极的磁通；都是与电机结构有关的常数 ； T电磁转矩；电枢电阻；根据以上理论，在一定负载条件下，人为地改变电动机参数实现直流电动机调速，常用的方法如下：（1）改变电枢电路外串电阻，调速特性如图5.1所示。图5.1 电枢回路串电阻调速特性此种调速方法，机械特性较软，电阻越大特性越软，稳定性也越差，难以实现无级调速，故不符合本系统要求。（2）改变电动机电枢供电电压U，调速特性如图5.2所示。图 5.2 改变电枢电压调速特性此种方法当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级变速，调速特性与固有的特性相互平行，机械调速特性硬度不变，调速稳定性高，调速范围较大14。综合以上分析，并结合转子实验系统自身特性及要求，选用改变电动机电枢供电电压U的方法实现对电动机转速控制的目的。5.2机电传动控制系统调速方案选择直流电动机具有良好的调速性能，可在很宽的范围内平滑调速，目前使用最多的是晶闸管电动机直流传动控制系统和晶体管电动机直流脉宽调速系统（PWM）。本系统采用PWM调速系统，其于晶闸管整流电路相比具有以下特点14：（1）主电路所需元件少；（2）控制电路简单，不需要繁琐的同步移相触发电路；（3）PWM放大器的开关频率高，因而有较高的动态响应速度和稳速精度性能。此外，随着对机电传动系统控制精度要求的不断提高，开环控制系统已经不能满足对生产机械的传动精度和响应速度的要求，所以本控制系统加入转速、电流双闭环反馈环节。以提高对电机传动的精度和缩短响应时间。PWM调速系统整体框图如下图5.3所示。图 5.3 PWM脉宽调速系统框图转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统，具有良好的静、动态特性。其中设置了两个调节器，即转速调节器ASR和电流调节器ACR。两个调节器都采用PI调节器。在启动时，电流反馈环节起作用，维持电流值最大，以求获得最小动态响应时间，进入稳态运行后，速度反馈环节起作用维持速度不变。从闭环反馈结构上看，电流反馈环在里面，是内环；转速调节环在外面，是外环。5.3 PWM调速系统电主路设计5.3.1 PWM变换器基本工作原理图 5.4 PWM主电路原理图 如图5.4所示，为H型PWM调速体统基本主电路。三相交流电源经过整流滤波变成电压恒定的直流电压，为四只大功率晶体三极管，工作在开关状态，其中对角线上的一对三极管的基极，因接受统一控制信号而同时导通或截止。当他们以较高频率交替导通时，可由此控制电压的占空比，连续的改变脉冲电压的宽度，实现电机的无级调速。5.3.2泵升限制电路当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时，储存在电动机和负载转动部分的动能将变成电能。并通过PWM变换器电路回馈给直流电源。当是由直流电源功率二极管整流器供电时，这部分电能无法回馈给电网，引起整流输出端滤波电容充电而使电源电压升高，称为“泵升电压”。过高的泵升电压有可能损坏元件14。泵升限制电路如图5.5所示。图 5.5 泵升限制电路5.3.3 主电路设计综上所诉，调速系统主电路图如图5.6所示。图 5.6 调速系统主电路图四单元IGBT型号：IRGPC50U主要参数为如下：=600V =27A U=120v R=20 C=1000pF5.3.4 系统给定电源在闭环调速系统中，转速总是紧跟给定量而变化的。给定电源的供电质量对保证系统正常工作是十分重要的，如图5.7，能产生15Vd电压作为给定电压以及基准电压。图 5.7 给定电源5.3.5 双闭环调节器电路设计调节器的选择与参数的确定是系统设计中极重要一环，它对系统动态性能指标的优劣起着决定作用。（1）电流调节器 由于电流检测中常常有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需要加入低通滤波电路。为满足转子系统调速要求，滤波时间常数取0.001s。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。其原理图如图5.8所示。图 5.8 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器（2）转速调节器 如图5.9所示，从测速发电机得到的转速反馈电压信号中含有换向波纹，因此需要进行滤波，转子试验系统滤波时间常数取为0.005s。同电流环原理相同，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图 5.9 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器5.3.6 信号产生电路本设计采用脉宽调制芯片SG3524作为脉冲信号发生元件，代替传统模拟电路中的电压脉冲变换器产生脉冲调制信号。根据主电路中IGBT管的开关频率，选择合适值即可确定振荡频率。如图5.10所示为本设计采用的DIP16型封装的SG3524集成芯片。图 5.10 SG3524 如图5.11所示是SG3524构成的基本电路，芯片由15引脚接入+15V的电压，产生+5的基准电压。内部晶体管供电电压由通过由电阻与+ 15V电压相连的引脚12、13提供。电流调节器的输出从引脚2 进入芯片，其电压值得大小调节着12、13引脚的输出地调制脉冲宽度，是PWM变换器的输出。由阻容元件组成的PI调节器接入6、7引脚，用于提高芯片稳态输出精度。图 5.11 SG3524引脚接线其主要参数如下： 输入电压 ：40V 输出电流：500mA 好散功率：1W5.3.7 IGBT基极驱动电路本电动机速度控制装置中，IGBT的驱动器采用日本富士EXB841，其功能结构如图5.12所示。图 5.11 EXB841功能图其引脚功能说明如下表5.1。.表 5.1 引脚说明引脚说明1连接反向偏执滤波电路2电源（+20V）3驱动输出4用于连接外部电容5过流保护输出6集电极电压监视7、8、10不接9电源 5.3.8 锯齿波信号发生电路在脉宽调制芯片SG3524中需要锯齿波发生器输出的信号与控制信号进行比较。锯齿波发生电路如图5.12所示。 图 5.12 锯齿波发生电路5.4 转速、电流调节器参数确定本设计为双环直流调速系统，采用PWM脉宽调制放大器。基本参数：PWM装置放大系数=5，电枢回路总电阻R=9，电磁时间常数0.03s，机电时间常数=0.2s，调节器输入电阻=40。设计要求无静差调速，电流超调量5%，空载启动到额定转速的转速超调量20%，则转速反馈系数0.00125 (V/r/min) (5.1)电流反馈系数0.022（V/A） (5.2)5.4.1 电流环设计PWM装置可以近似看成一个一届惯性环节，开关频率为1KHz时，=1ms；电流滤波时间常数=0.0025s，则电流环小时间常数之和为=0.0035s。根据设计要求，电流超调量小于等于5%，并且8 (5.3)可按典型型设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，把电流调节器设为PI型。参考典型型系统动态抗干扰性能，各项指标可以接受。ACR起前调节时间常数=0.028s，电流环开环时间增益要求电流超调量小于等于5%，故应取=0.5，因此， （） （5.4）于是，ACR的比例系数 （5.5）调节器输入阻抗=40，各个电阻电容的计算如下： （） 取13 （5.6）2.15 （） 取2.2 （5.7） （） （5.8）5.4.2 转速环设计根据所用的测速发电机的纹波情况，取转速滤波时间常数0.006s，电流环等效时间常数为2=0.007s，则转速环小时间常数为：0.007+0.006=0.013 （s） （5.9）转速开环传递函数应有两个积分环节，应该设计成具有典型型系統。利用PI调节器，其传递函数为： （5.10）取h=5，ASR超前时间常数为=0.065s，开环增益为 （） （5.11）因此，ASR的比例系数为 （5.12）则转速调节环中，。5.5 转速、电流检测环节将一个测速发电机与电动机同轴安装，从而获得与被调量转速成正比的转速反馈电压，如图5.13图 5.13 转速检测电路为了获得与主电路电流成正比的电流信号，将一个电流互感器接入主电路当中，在输出点即可获达到电流检测的目的。6 结 论本转子实验系统是包括机械系统和测控系统两大部分，机械系统设计是针对转子实验台的外形结构设计，主要包括对电动机的选型、转子轴承设计与计算、底座、各种支架的设计，使得实验台可以安装多种传感器，并其可以灵活移、可靠安装。测控系统设计包括测试部分与转速控制部分设计，测试部分主要是对传感器以及后续模块的选型，控制部分的设计重点是直流电机的调速电路设计。本系统达到了课题预计的设计要求，可实现模拟转子在8000r/min以下的单自由度振动和非接触测量。此系统可以通过改变转子的转速、轴承系统刚度、不平衡量大小以及联轴器的类型来模拟现实中转子所运行的各种状态。传感器和后接的信号处理采集模块对各种信号进行处理，得以观察和记录转子的振动特性。本实验系统可以实现的实验有：（1） 转子临界转速实验通过无级调速装置，连续