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1、matlab电机仿真学院： 机电学院班级： 机自09-2班姓名： 谢伟学号： 03090943报告关于电机互锁的仿真报告 我们要先明确什么叫互锁互锁，说的是几个回路之间，利用某一回路的辅助触点，去控制对方的线圈回路，进行状态保持或功能限制。一般对象是对其他回路的控制.例如：上图是一个很典型的互锁电路图，实现的功能是电机的正反转，当实现正传的时候，关闭断路器Qs，按下正向按钮SB3，SB3的常闭触点断开，是KM2不工作，SB3的常开触点闭合，是电磁铁KM1得电，线圈KM1吸合实现自锁，电机实现正向转动，同时线圈的常闭触点断开，保证KM2不工作，防止电路短路导致的电路故障，当实现反向转动时，按下反

2、向按钮SB2，SB2的常闭触点断开，KM1不得电，电机无法正向转动，SB2的常开触点闭合，KM2得电，线圈KM2吸合实现自锁，电机实现反向转动，同时线圈KM2 的常闭触点断开，保证KM1不工作。以上当电机正转时保证电机反转电路断开，反转保证正转电路断开的方法叫作互锁。利用的是两个常闭辅助触点来实现其功能的。在实际工作中，由于坏境是变化的，负载也随着环境的变化而变化，为了测试电动机在不同负载环境下的运转情况，我们必须测试一系列不同的或者双向的负载加在电机轴上的电机反应。此外，一个理想的负载应该回归到发电机从电网上吸收的能量。这样的负载应该有一个有四象限的DC2或者DC4的直流电产生，这测试的时候

3、应该通过刚性轴这两个电动机进行机械耦合连接。因此，这个仿真实验需要两个电动机模型，AC4电动机和DC2电动机。其中，AC4电动机是一个直流三相感应异步电动机，DC2是一个直流单向整流电动机。在这样的系统里，一个电动机负责速度参数的设定，一个电动机负责力矩参数的设定.同时每个电动机可以充当马达或者发电机。DC2的额定参数一般是3马力，240伏特，1800转每分钟。AC4电动机的额定参数是3马力，380伏特，60赫兹，4级。上图为直流电动机的工作原理图上图为桥式整流电路图注意：对于两个电动机的信号控制可以使用用户界面的最下方的机械输入菜单，下图显示了再马达发电机结构中如何去模拟刚性轴的互相连接。驱

4、动器1的速度输出（它的输入是负载转矩）可以作为驱动器2的速度输入（它的输出是马达的速度）。当驱动器2的电磁转矩Te经过变化作为驱动器1的力矩输入Tm，Kw表示的速度的减速比，另外，因为惯性J2和粘性摩擦力F2在驱动器2中是忽略不计的，所以他们必须添加到驱动器1上去 上图为电机互锁的matlab的仿真实验的电路图。据上图可知一个完整的系统有两个电动机相互连接，被控制的机械轴放置在第三个方块图中，下图为展开的方块图电动机AC4和DC2的速度型号分别用Nm和Ni表示，然后他们将被输入到机械轴中，用Ti表示输出，它表示机械转矩从马达AC4传递到发电机DC2.因此，系统的输出和AC4的输入有直接的关系，

5、如果反向运作的话，系统的输出和DC2有直接的关系，从电机互锁的电路图可以看出。系统的输出可以是AC4也可以是DC2，两者皆可，不同方向可以做个比较保证结果的正确性。 上图为直流电动机速度坡度和干扰负载转矩之间的关系图,仿真的时候直流电动机AC4作为规定速度的电机负荷，直流电动机DC2作为规定转矩的发电机。这在步中，主要是测试直流电动机AC4的速度变化我干扰转矩之间的关系，应当注意的是，在稳定条件下，当AC4作为电动机时。它的电磁转矩和速度的变化应该保持一致，具有相同的变化趋势，当DC2作为发电机时，它的电磁力矩和速度的变化应该保持相反的，具有相反的 变化的趋势，其中，它的电磁力矩是采用参考方向

6、。具体的结果如上图所示，图形显示的是电动机在满载的情况下进行启动，由于干扰负载的存在导致系统的变化。我们可以看见当直流电动机AC4的电磁力矩最大值足够大时，它的速度可以达到参考的速度400rpm/s，在时间达到1秒的时候， AC4电动机将达到需求的400rpm/s，同时AC4的电磁转矩将下降到10N.m,然后在时间为1.4秒的时候，在直流发电机DC2上施加一个参考力矩使发电机的力矩为0N.m,为了是系统处于规定的转速，AC2电动机的电磁转矩也会变为0，在时间为1.9秒时，在DC2上施加一个10N.m的力矩，使DC2成为电动机而AC4成为发电机，两者的转向和力矩方向都发生了改变。最后在时间为2.

7、3秒时，在AC4上会产生一个-400rpm/s的转速，注意，AC4总是和需求的速度保持一致，在时间为2.8秒时，系统会重新达到稳定，AC4的转矩为-10N.m。上图也可以表示机械转矩在轴上的传递，它的图形和AC4的电磁转矩很相似，只是没那么多的波纹。 上图为直流电动机速度坡度和干扰负载转矩之间的关系图，在此图中AC4充当修改负载的电机负荷，DC2充当规定速度。所以的调节器和两个驱动器和上面的都是一样的，和前面的安装条件也是相同的。 上面的图形显示的是直流电动机在满载的情况下进行启动，由于干扰负载的存在导致系统的变化。注意直流电动机的转速总是在参考转速400rpm/s上下波动，在时间为1秒的时候

8、，电动机达到需求的转速400rpm/s，在时间为1.2秒时完全稳定，在T=1.4s时，在直流电动机AC4上施加一个转矩使电机达到参考值，可以观察到AC4电动机快速反应，在T=1.9s时，在AC4上施加一个10N.m的转矩，使直流电动机DC2作为一个发电机而直流电动机AC4作为马达。每次负载转矩发生变化的时候，DC2的速度都会超调，最后，在T=2.3s时，DC2电动机的速度将达到-400rpm/s，DC2的速度变化有很好的跟随性，但总是在参考速度的上下有略微的波动，在T=2.8s时，系统会达到一个新的稳定状态，DC2的电磁转矩会稳定在-10N.m。上图同时也表明了转矩在轴中的传递，和DC2电动机

9、的电磁转矩变化很相似，但是波动性会变强。我们可以冲上面两幅图中得出结论。速度的反应总是非常准确，干扰负载转矩对DC2电动机的影响要大于对AC4电动机的影响，这些事由于AC2具有快速力学性质，回想一下，AC4电动机有一个电磁控制器和高频转换功能，电磁控制器有一个迟滞比较器原件，同时DC2完全依靠半导体晶闸管的整流转换功能，但是AC4的力矩波动性明显要高于DC2的力矩波动性。在实际生产中，电机互锁的例子有很多很多，其中有利有弊，电机互锁的应用范围很广。在矿业上，提升机的使用就是个很好的例子，重物下落时的能量要充分利用起来，防止了能量的损耗，降低了成本，提高了效率。在生活上，从大大小小的开关，到大型

10、的家电都有电机互锁的应用。电机互锁是一门很普遍的技术，各个方面都有着它的应用，它的发展发展方向慢慢向准确化，简单化，小型化，安全化发展。关于数字液压缸的报告自动化工业的发展主要依靠两大基础技术，电传动技术和流体传动技术，在某种程度上可以说，发达国家正是利用这两大技术完成了他们的工业革 命。其中，流体传动技术又以液压传动技术为主，在大量的工业主机和自动化作业线中，液压传动和液压控制技术应用极为广泛。 传统液压技术是一种模拟量控制技术，主要是结合各种自动化控制算法的开关控制、比例控制和伺服控制，这种系统结构复杂、可靠性差、价格昂贵、易出故障，需要专门的自控专业人员才能掌握，不利于大规模的推广应用。

11、如今数字技术、计算机技术和信息技术的高速发展，在全世界已引起轰动效应，我们 正应抓住这个机遇，跨越国外模拟技术的发展历程，直接大规模采用数字技术，实现中国工业的数字化革命。而数字液压系列产品的出现，正好适应了这一发展潮流，改变了中国液压技术长期落后国外的被动面。 自上世纪80年代以来，计算机控制技术和集成传感技术发展得越来越完善，这为微电子技术和液压技术的结合创造了良好的条件。近几年来，随着计算 机的日益普及，数控技术在国民经济各部门的广泛应用，液压技术和微电子技术的结合已成为一种必 然趋势。于是各种各样的数字液压元件不断涌 现，满足了不同用户的需求，但还没形成一定的 规模，没有明确的标准出现

12、，还有待于人们进一步的研究与实践目前国内外液压领域的数字化研究主要是直接数字控制阀的研究。这种直接控制主要分为两类:一类是采用PWM技术的高速开关阀或比例阀的控制技术;一类是通过步进电机直接驱动液压阀阀芯的控制技术。这种直接控制技术的出现,不能不说是液压控制技术的一大进步,它解决了液压系统计算机控制的两大问题:一是控制脉冲直接作用于液压元件,不需要中间的D/A转换,实现了真正意义上的“数字”控制;二是解决了模拟信号在传输过程中的干扰问题,使控制系统更加稳定。一般来说，液压元件按照液压传动系统中各个部分功能的不同，主要分为动力元件液压泵、执行元件液压缸或液压马达、控制元件液压阀等。数字泵：数字泵

13、通常由变量泵和微机控制器两部分组成，因泵的变量机构接受微机发送的数字信号而得名。它具有抗介质污染强、滞环误差小、重复精度高、调节灵活、节能、便于与液压设备主机组成机电液一体化系统等特点，引起人们的广泛关注。根据变量机构执行元件的不同，可归结为 4 种：基于组合缸控制的数字泵，基于高速开关阀控制的数字泵，基于步进电机控制的数字泵和基于变频器控制的数字泵。例：下图为基于组合缸控制的数字泵 上图为基于基于高速开关阀控制的数字泵 数字液压缸有关数字液压缸的研制，国外早在上世纪六七十年代就开始了，相比之下，国内的起步较晚。1970年，德国力士乐公司研制出一种基于螺纹伺服机构的液压脉冲缸，但它在本质上还属

14、于机液伺服机构，利用三通阀来控制差动缸，这种缸零件少，结构紧凑，但加工难度较高，不利于大规模推广应用。1977 年，日本东京计器公司推出一种电液脉冲缸，其原理是利用位置反馈把丝杆装在活塞杆里，使活塞位置直接机械反馈到阀芯，其特点是结构简单，定位精度高。但这些国外产品的价格十分昂贵，还达不到工业应用的要求，所以没有得到广泛的应用。国内研究人员对该技术的研究，则起步于上世纪70 年代末，一直在进行不断的研究与改善，尤其是2002 年纳入国家 “十五” 攻关项目后，更进一步的促进了该技术的发展。其中，以北京亿美博有限公司为代表，该公司承担了 “十五” 国家科技攻关计划 (课题名称：数字液压缸系列产品

15、的研究与开发， 编号：200220803)，于 2003 年 12 月 2日在北京通过专家组验收。据有关专家介绍1，该公司生产的数字缸已领先国际先进水平。这种数字液压缸实质上是一种增量式电液步进液。压缸，具有结构紧凑、可靠性高、使用维护简单等优点，只需一般的技术人员便可掌握，调试十分方便，发展潜力巨大。它的基本思想是将油缸、数字阀、传感器设计成一个整体，全部封装在缸内，实物图如下图 所示，控制器是独立于缸体之外的部分，具有智能性，操作简单易懂。目前开发出的数字缸及其智能型傻瓜控制器，已经可以完成从公斤级到千吨级的所有精确控制，其速度范围可以实现 0.1500 mm/ s，可以满足工业控制领域中

16、绝大部分自动控制的要求。此类步进液压缸的控制原理图如下图所示，数字阀靠步进电机驱动，步进电机可以由微机或可编程控制器 (PLC) 发出的脉冲序列来进行控制。利用阀来控制油路的通断进而达到控制油缸运动的目的，油缸的运动方向由步进电机的转动方向控制，油缸的运动速度和位移与步进电机的转速和角位移是一一对应的正比关系，而步进电机的转速和角位移与控制脉冲的频率和个数也是一一对应成正比的，所以通过给微机或 PLC 输入一些简单的设定值，就可以完成缸的全部控制。同时由于缸体内置传感器可将运动信息反馈给数字阀，就极大地提高了控制精度，也简化了缸体外部的控制系统，由原来非常复杂的液压伺服闭环控制变成简单的开环控

17、制，这也是其最突出的一点。 上图为数字液压缸的matlab的仿真实验图，数字液压缸由3个双作用气缸组成，这3个气缸通过硬件停止相互连接并安装在同一个外壳中。最左端活塞和缸体之间的间隙等于基线长度。第一个和第二次活塞之间的间隔应被设置成2倍的基线长度，第二个和第三个活塞的间隔应设置成4倍的基线长度。在最右端腔的活塞的面积应该是其他地方活塞面积的一半，最右端的端口总是和泵连接在一起，而其他的三个端口根据2位3通电磁换向阀所处的位置，或者和泵连接或者和油箱连接。8种独立的工作位置能在各自的工作范围内工作下面我们详细介绍一种内循环数字液压缸的仿真实验： 如图所示，是内循环数字液压缸的结构原理图,由图可

18、知:活塞内腔分布了A、B两组排油柱塞,电磁脉冲驱动这两组排油柱塞分别控制液压缸的左右2个运动方向。分析A组小柱塞工作原理如下:在脉冲的作用下,柱塞向右移动,腔3压力急剧增大,单向阀1关闭,并打开单向阀2,将腔3中的油液排到腔1,系统排油,液压缸向左运动002mm,腔2等量的油液流入柱塞左侧。脉冲作用完毕转向作用下一个柱塞,再由下一个柱塞来推动液压缸运动,与此同时,由于弹簧力的作用被电磁力推到了最右端的柱塞开始向左复位,腔3压力下降,单向阀2关闭,单向阀1被打开,柱塞左侧的油液排回腔2流入腔3,系统吸油。总之,密封容积腔3的大小交替变化,柱塞就不断地完成吸油和排油,在此过程中液压缸左右两腔由于单

19、向阀的作用始终不会连通。此外,该系统还有增力的作用,在柱塞排油过程中,由于活塞有效面积远大于柱塞面积,采用很小的电磁力便能推动较大的负载力。上图为液压缸排油状态仿真模型假定脉宽1ms,选择系统设计所能承受的最大负载F=294 325N,取液压缸和负载的质量为30kg,调节储能电容的充电电压,产生不同的电磁力推动液压缸运动的仿真结果如下图所示。 由仿真结果可以看出,电磁吸力r(t)3 925N时,液压缸将克服负载力加速运动。可见,只需采用比负载载力小75倍的电磁力就能推动液压缸向前运动,系统有增力的作用,此外,为适应液压缸负载的变化,可适当调节电容的充电时间或者保持充电时间不变,调节充电电源的端

20、电压,使电磁力随负载变化而变化,达到推动液压缸运动的目的。针对确定的工作条件,F=294 325N,M=30kg,若电磁脉冲产生电磁力r(t)=4 000N,电容不同的放电时间仿真结果如右图所示。 由仿真结果可以看出,该系统在确定的工作条件下,对应着一个放电时间使液压缸在脉冲作用下运动002mm,即一个脉冲当量。若放电时间越长,单位时间内活塞运动的距离就越短,液压缸速度下降,多余的能量将消耗在柱塞限位挡板上。所以,只要调节脉冲频率,就能实现对液压缸速度的控制,从而实现各种动作循环。 泵自身动态响应特性如下图泵的出口压力对时间的动态响应从上图中可以看到在开始一段时间泵的出口压力增加,因为泵本身泄漏等原因造成输出流量不稳定,泵的出口压力在01s后会达到稳态。从图4和图5中可以看出液压缸的进口压力和输出速度都是经过振荡后最终趋于稳定的。由此可见该系统是一个响应速度快的稳定系统,液压缸的进口压力和输出速度均具有很好的动态特性。系统带有背压,能改善运动平稳性,使其动态刚度得到提高,动态响应好。同时也表明所建立的数学模型的可行性和有效性。因此利用本文所介绍的建模和仿真方法,能快速而准确地反映出系统的性能,对系统的设计和改进具有实际意义。