东北大学自动化专业课程设计报告.docx

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东北大学自动化专业课程设计报告

自动控制系统课程设计

设计题目：

全数字直流调速系统课程设计

班级：

自动化0806班

学号：

姓名：

孙长春

指导教师：

高明冯琳方晓柯

设计时间：

2011年6月5日~2011年6月15日

摘要

众所周知，执行机构分为电动、气动及液压三种，而电动执行机构占据了最主要的部分。

在电动的执行机构中，直流电动机因其具有良好的调速特性，被工业界广泛的应用。

直流调速方式有很多种，但是通过改变电动机电枢电压，方便可靠，并且可以做到无级调速，备受工程师偏爱。

本文首先从理论上将传统的直流调速系统和全数字的直流调速系统进行阐述，对比了晶闸管-电动机调速系统和全数字调速系统的特点，并着重介绍了应用全数字调速系统的优势；然后分别介绍了开环调速系统，转速单闭环调速系统，电流单闭环调速系统，转速电流双闭环调速系统的结构，并做出了分析。

本文还通过软件设计的方法实现了8个基本实验和2个综合实验，并详细的对系统功能，系统原理，参数设置，运行曲线分析。

通过这10个实验，我们大体上学会了使用6RA70全数字调速系统，并且能利用软件设计实现开环，单闭环，双闭环，特殊给定等实验，这些实验大多数来自工业现场的要求，通过这些实验，我们也初步具备了一些调试经验和能力。

本文的最后，我们还对我们实验过程中遇到的故障进行了记录和分析，这对我们以后的调试来说，是宝贵的经验，在我们再次碰到同样的问题时，我们能轻而易举的将其解决。

这次课程设计对我们每个学生都是一次非常难得的机会，将我们课程上学到的理论知识进行实践，做到学以致用。

作为工科学生，我们不仅要学得好，还要用得好。

关键词：

电动直流调速系统全数字调速系统故障分析

1.概述

由于自动控制系统这门课涵盖知识面广，理论联系实际的特点，因此，该课程的实验教学也有着无法取代的地位，特别是在可控关断电力电子器件出现后，经过深入的研究，已经建立了熟悉的数学模型和完善的理论体系，广泛的应用于实际的生产中。

与此同时，随着控制技术的迅猛发展，自动化产品的日益更新，直流调速系统也在随之发生日新月异的变化。

目前，全数字直流调速系统是当前工业控制领域广泛应用的技术，其操作简单，并且不需要专门的编程知识，所有设置均可通过参数设定设备进行。

参数设定也可通过PC的菜单提示进行，以实现快速的投入运行。

西门子6RA7013全数字直流调速装置完全具备上述功能。

SIMOREGDCMASTER以其高度运行可靠性和实用性在世界范围内的各个工业领域着称：

如印刷机械主传动，在起重机行业的行走机构和提升机构，电梯和缆车传动，在橡胶工业中的应用，在钢铁工业中的剪切传动、轧机传动、卷取及传动、横切机或薄膜机械和电动机、汽轮机或齿轮箱试验机的负载机械。

更值得一体的是SIMOREGDCMASTER使用开放的和标准的PROFIBUS-DP现场总线系统进行通讯，也可通过RS232接口直接连接到PC和实现装置对装置的通讯。

要实现通讯，只需在基本装置调速器的电子箱中插入通讯模块和工艺模块，然后对模块进行简单的启动设置即可。

通过本次课程设计，使我们同学更好的理解掌握和灵活应用这门专业知识，紧跟时代前言，增强我们应用新技术的能力，培养了我们较强的分析问题、解决问题的实际能力和创新能力。

使我们学会使用SIMENS直流控制系统装置来进行相关的自动控制系统的分析和设计[1]。

2.课程设计任务及要求

设计任务

学会使用SIMENS直流控制系统装置，包括系统的基本功能、控制方案设计和参数设置、给定和反馈环节设计、供电方案和供电线路确定、主回路接线方式选择及电机励磁回路设计等。

学习用计算机设置SIMENS直流控制系统装置的各种参数，以及通过计算机读取系统的参数。

确定控制方案，画出系统的原理图和方框图，并使用SIMENS直流控制系统装置完成直流电动机的单闭环、双闭环控制调速。

设计要求

根据系统的要求画出系统的原理图及方框图，并对系统进行理论分析。

确定设计方案；并确定与系统对应的接线方式，系统运行方式，负载特点等。

根据设计目标得到系统运行曲线，并分析。

巩固和强化课堂上所掌握的自动控制系统原理及应用知识，培养分析问题、解决问题的实际能力和创新能力。

3.理论设计

方案论证

3.1.1传统的直流调速系统

传统的直流调速系统中以可控直流电源为基础，随着电子技术与电力电子技术的发展在不断地更新换代，常用的可控直流电源主要包括：

旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器三类，其中静止可控整流器随着晶闸管变流装置的应用，晶闸管—直流电动机调速系统（简称V-M系统）是直流调速系统最主要的形式[2]。

晶闸管变流装置主要的优点有：

晶闸管变流装置的功率放大倍数在以上，并且晶闸管的门极触发所需的功率小，不需要像直流发电机那样大的功率放大器。

晶闸管变流装置的响应速度快，一般为毫秒级，而机组的响应速度为秒级，大大地提高了系统快速性。

晶闸管变流装置较传统机组效率高、可靠性高方便维护。

3.1.2全数字直流调速系统

由于晶闸管作为模拟器件，其可靠性低、功耗大、对散热条件、过电压、过电流、电压电流变化率敏感、功率因数低及谐波大等问题限制了其发展。

随着计算机的出现与普及，数字控制器逐渐代替了模拟控制器。

数字控制器有以下优点：

设计和控制灵活。

数字控制器的控制算法通过编程实现，容易实现多种控制算法，修改参数方便，可靠。

能实现集中监视和操作。

计算机具有分时操作功能，采用计算机控制，可以监视很好控制量，容易实现对生产过程的各个被控对象都管理起来。

能实现综合控制。

可以综合生产的各方面的情况，在环境和参数变化的时候，及时进行判断，选择合适的方案进行控制，必要的时候可以人工干预。

可靠性高，抗干扰能力强。

数字控制器可以利用程序实现故障自诊断，自修复功能，并且控制算法通过软件方式实现，程序存储在计算机中，一般不受外部干扰影响，抗干扰能力强。

直流调速控制器

本实验设计采用SIMENS公司的6RA70系列全数字直流调速控制器，6RA70SIMOREGDCMASTER系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相电源，可向变速直流驱动用的电枢和励磁供电，额定电枢电流从15A至2200A。

紧凑型整流器可以并联使用，提供高至12000A的电流，励磁电路可以提供最大85A的电流（此电流取决于电枢额定电流）[3]。

利用该直流调速控制器实现以下实验：

系统的初始参数输入

系统的控制参数设定

开环调速系统设定调整

单闭环调速系统设定调整

直流电动机的高、低速调节

直流电动机的点动控制

直流电动机的爬行控制

电枢电流闭环控制

震荡发生器

斜坡函数发生器的参数设定及波形调整，改变斜率观察系统特性

系统设计

如下所示，分别为开环调速系统，转速单闭环调速系统，电流单闭环调速系统，转速电流双闭环调速系统的结构框图。

图.开环调速系统结构框图

图.转速单闭环调速系统结构框图

图.电流单调速系统结构框图

图.转速电流双调速系统结构框图

双闭环系统中设置两个调节器，分别转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR），如图所示。

转速调节器的输出是电流调节器的输入，用电流调节器的输出去控制晶闸管变流装置。

从闭环框图的结构上看，电流环在里，称为内环；转速环在外，称为外环。

转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，两个调节器的输出都带限幅，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。

4.系统设计

软件设计

如下图所示，系统设计主要是通过对系统的给定信号的大小、给定信号的形式、转速控制器（ASR）的参数、转矩的限幅值、电枢电流的限幅值、转速反馈方式、方波发生器等。

图.系统概框图

4.1.1系统的初始参数输入（系统初始化）

功能说明：

实验前，为了保证系统正常运行，都要对系统进行初始化，初始化过程主要通过设置合适的参数来实现。

参数设置

P051=21恢复工厂设置，等待操作控制面板恢复正常；

P052=0仅显示已改动的参数；

P052=3显示所有参数；

结论：

通过对系统初始参数值设定，系统不受之前运行状态的影响，之后，通过其他控制参数的设置，实现不同的功能。

4.1.2系统的控制参数设定

为了保证系统正常运行，都要对系统进行控制参数进行设定，控制参数设定主要包括参数设置，系统优化两部分。

参数设置

=10额定电枢电流百分比

=10额定励磁电流百分比

=220电枢回路供电电压

=380励磁回路供电电压

P083=1使用模拟测速机

P083=2使用脉冲编码器

P083=3无测速机运行（EMF控制）；此次选3

P100=电枢额定电流

P101=220电枢额定电压

P102=额定励磁电流

P104=1500电机额定转速

系统优化

系统优化前，驱动装置必须运行在或

接下来选择P051

P051=25电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化

P051=26速度调节器的优化

P051=27励磁减弱优化

P051=28摩擦和转动惯量补偿的优化

P051=29具有摆动机构的传动系统的速度调节器的优化

电流环优化

设置P051=25，点击OK，在30s内分别合上使能端子、输入端子，同时用手堵转，大约1min左右，观察驱动装置由变换至，分别断开输入端子、使能端子，即电流环优化结束。

速度环优化

设置P051=26，点击OK，立即合上使能端子、输入端子，大约10s左右，完成速度环优化。

总结：

通过系统初始参数值设定以及系统优化，由于系统具有自调节能力，使得系统经过调节，得到合适的电枢和励磁参数，此时系统即为双闭环直流调速系统，之后的各个实验在此基础上，改变不同的参数，实现预期的功能。

4.1.3开环调速系统设定调整

参数设置

将转速单闭环和电枢电流单闭环和在一起，使得转速环无作用，电流环无作用，从而合并成开环调速系统，实际参数与单闭环和电枢电流闭环系统参数设置相同。

运行曲线

图.开环调速系统运行曲线图

4.1.4单闭环调速系统设定调整

参数设置

P154=0电枢电流调节器的I分量置零

P155=1电枢电流调节器的P增益

P164=1电枢电流调节器的P分量置零

运行曲线

将单闭环设置成转速单闭环，即把电流环设置成导线直接连在后面的系统

分别先打开使能开关再打开合闸开关，打开示波器并按开始键，记录曲线。

图.单闭环调速系统运行曲线

4.1.5直流电动机的高、低速调节

参数设置

通过手动调节给定电压或者通过软件调整P701的值，实现调节输入电压的百分比，即可实现电动机的高低速调节，从而控制电机转速。

运行曲线

图.直流电动机的低速运行曲线

图.直流电动机的高速运行曲线

4.1.6直流电动机的点动控制

点动功能说明：

点动功能可以通过由参数P435的变址01至.08选择的开关量连接器来设置，或通过控制字1的第8和第9位设置。

当选择使用控制字时，以下为可能的运行模式。

P648=9:

控制字1中的控制位为位连续输入，由P668和P669选择的开关量连接器定义了控制字1的第8位和第9位，因而作为“点动”指令的输入。

P648≠9:

由P648选择的连接器作为控制字1，这个字的第8位和第9位控制了“点动”指令的输入。

“点动”功能只在有“分闸”和“运行使能”指令时才可以执行。

“点动”指令当一个或多个指定的源（开关量连接器，控制字位）变为逻辑“1”状态时输入，在这种情况下，在参数P436中选择的给定被分配给每一个源。

如果点动指令同时由二个或二个以上的源输入，则点动给定设为0。

参数P437可以作为定义每一个可能的点动指令的源（开关量连接器，控制字位,逻辑运算，见第8章中方框图）的设置，不论如何斜