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1、电机的双闭环调速系统的设计与分析目 录摘 要- 2 -1 概述- 3 -2 课程设计任务及要求- 4 -2.1 设计任务- 4 -2.2 设计要求- 4 -3 理论设计- 6 -3.1 方案论证- 6 -3.2 系统设计- 6 -3.2.1 结构框图及说明- 6 -3.12 结构原理图及工作原理- 7 -3.3 单元电路设计- 13 -3.3.1 单元电路工作原理- 14 -3.3.2 元件参数选择- 15 -4 系统设计- 18 -4.1 软件设计- 18 -4.2 编程过程- 20 -4.3 编程结果- 21 -5 安装调试- 23 -5.1 安装调试过程- 23 -5.1.1 双闭环调速
2、系统性能分析- 23 -5.1.2 基于改变装置参数的系统性能分析- 23 -5.1.4 系统抗扰性能分析- 26 -5.1.5 系统跟随性能分析- 26 -5.1.6 开环调速系统性能探究- 29 -5.2 故障分析- 30 -6 结论- 30 -7 使用仪器设备清单- 31 -8 收获、体会和建议- 32 -9 参考文献- 33 -摘 要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，在电气传动中应用广泛。本次课设要求设计直流双闭环调速系统的转速调节器和电流调速器，别调节转速和电流，合理的选择调节器的结构和参数，使系统满足动态、稳态性能指标的要求。除此以外，还要使用MATL
3、AB对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统稳定运行时转速环突然断线的仿真框图，仿真得出起动转速，起动电流，直流电压，ASR、ACR输出电压的波形，并对结果进行分析。针对西门子6RA70直流调速系统装置，从十二个实验题目来对其自动控制系统进行分析和研究，从而通过实际操作，数据分析以及图像的截取，来实现这一目的的最终实现。此工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了基于PID控制的转速控制环和电流控制环。详细分析了系统的启动过程及参数设计，运用Simulink对直流电动机双闭环调速系统进行数学建模和系统仿真。根据仿真结果分析该调速系统满足我们的设计要求。关键词：直流
4、调速系统，双闭环，ASR ，ACR，西门子6RA70，Simulink1 概述SIMOREG DC Master 6RA70 系列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，其操作非常简单，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，以实现快速地投入运行。 西门子SIMOREG K 6RA70系列为全数字直流调速产品。而6RA24产品更具有以下特点：电台装置输出额定电枢电流为15A2200A，额定励磁电流为3A85A，装置并联后输出额定电枢电流可达12000A。输入电压分为五个等级：400V/460V/575/690/830V强大的
5、通讯能力，有SIMOLNK高速直接的装置装置通讯，还可以支持PROFIBUS，CAN-BUS，DeviceNet，USS协议等。所有工艺板，通讯板及OP1S操作面板都可与新一代的SIMOVERT MASTERDRIVES 矢量控制交流调速产品通用。对西门子6RA70的研究和分析需要通过9个方面的深入探讨。通过熟悉6RA70直流调速系统的外部接线和系统基本参数的输入，从而掌握直流调速系统的结构学习Drive Monitor软件的使用方法对速度、电流双闭环调速系统的参数进行优化，掌握系统的控制参数监视及分析。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。将手动输入给定改为方波发生器给定
6、，了解直流电动机正反转调节及显示， 将斜坡输入改为阶跃输入。开环调速系统设定调整。单闭环调速系统设定调整通过以上九种项目的实验，巩固和强化在课堂上所掌握的自动控制系统原理及应用，培养自我较强的分析问题、解决问题的实际能力和创新能力。 并学会使用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。2 课程设计任务及要求2.1 设计任务（1）学会使用SIMENS 直流控制系统装置。（2）确定控制系统方案，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自动控制系统的设计任务。（3）撰写课程设计报告。2.2 设计要求（1) 熟悉SIEMENS直流调速系统6RA70的
7、外部接线；（2) 熟悉并学会使用直流控制系统装置；（3）按照要求确定自动控制系统方案； （4）画出系统的原理电路图和方框图；（5）学习Drive Monitor软件的使用方法（6）掌握SIEMENS直流控制系统装置的各种参数设定方法；（7）设计出相应的系统配置并完成调试；（8）撰写课程设计报告。（9）根据要求确定设计方案。（10）课程设计报告不得互相抄袭，如果雷同，后果自负。除以上十一项课堂上的设计要求外，还必须从以下三种设计来完善。(1)理论设计部分独立完成系统的原理设计。说明系统实现的功能，应达到技术指标，进行多种方案的论证，确定最佳设计方案。画出电路图，说明各部分电路的工作原理，初步选定
8、所使用的各种器件的主要参数及型号，列出元器件明细表。(2)系统设计根据理论设计，验证所设计方案的正确性。分析系统的工作原理，写出报告。(3)安装调试部分实现所设计的系统，并进行单元测试和系统调试。完成系统功能。若系统出现故障，排除系统故障，分析并记录系统产生故障的原因。3 理论设计3.1 方案论证在转速、电流双闭环调速系统中，系统既要控制电动机转速，实现无静差调节；又要控制电动机电枢电流，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下，获得最快的动态响应，其关键问题是如何协调两种控制之间的关系。为了把转速与电流分开，系统中设置两个调节器：转速调节器和电流调节器，两个调节器之间串级连接，一般都采用PI调
9、节器，以获得良好的静态性能和动态性能。电流调节环在整个双闭环系统的里面，所以叫做内环；转速调节环在外面，所以叫做外环。电流调节环离控制目标较近，速度较快，起粗调作用；而转速不能突变，起微调作用。我们首先通过对方波函数发生器和斜坡信号发生器的参数设定，给系统加入方波信号和斜坡函数信号输入，观察并验证了系统的动态特性中的跟随性能；在调速系统中，扰动主要来自于负载扰动和电网电压扰动，我们通过磁粉制动器对电机突加负载扰动，观察并验证系统的抗扰特性；接下来去掉电流调节环和转速调节环，使系统无反馈，成为开环系统，并在开环系统的条件下观察其启动过程和动态特性。3.2 系统设计3.2.1 结构框图及说明 图
10、3.1双闭环结构框图图3.1为双闭环的系统图，电流调节器与转速调节器皆为PI调节器。PI调节器递函数为触发器及晶闸管触发装置的传递函数为直流电动机的传递函数为 转速检测与反馈环节 电流检测与反馈环节 3.12 结构原理图及工作原理为了能更好地深刻理解双闭环的工作原理，我们分别讲述了开环系统、单闭环系统，再最后引出双闭环的工作原理。 （1） 开环调速系统图 3.2 开环调速系统图3.2中，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统。在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的
11、，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。但是，在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率。利用反馈原理构成的闭环调速系统能够减小静态速降，从而满足对静差率与调速范围的要求。如果把静态速降减小为零，闭环系统也是能办到的，这就是所谓的无静差调速系统。（2）单闭环调速系统 图 3.3 闭环结构图在开环控制系统中，只有输入量对输出量产生控制作用，输出量不参与系统的控制，因而开环系统没有抗干扰能力；在闭环系统中，除输入量对输出量产生控制作用外，输出量
12、也参与控制作用，因而闭环系统是具有抗干扰能力的。在实际生产应用中，我们希望电机能够保持一个稳定的速度运转，在有干扰的情况下能够自我调节，这就引出了闭环控制系统。 图 3.4 闭环控制系统 图 3.4为单闭环无静差调速系统，它是在开环调速系统的基础上，按照反馈控制原理，增加一个转速检测环节，引出转速反馈信号Un,进而构成转速反馈单闭环调速系统。转速检测环节一般是在电动机轴上安装一台直流测速发电机（TG）或光电码盘。该系统的工作原理如下：转速给定信号为,转速反馈信号Un与其进行比较，得到转速偏差信号 Un= -Un，该偏差信号经比例积分调节器放大后，得到触发器移相控制信号Uct,Uct通过控制触发
13、器的脉冲移相角来控制晶闸管整流器的整流电压，进而控制电动机的转速，实现电动机的平滑无级调速。（3）双闭环调速系统 3.5 双闭环图系统图3.5双闭环系统原理图。许多生产机械要求拖动电机经常处于起动、制动和反转的过渡过程中，而过渡时间的长短在很大的程度上决定了生产机械的生产效率。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得良好的静、动态性能，缩短启动和制动时间。该系统工作原理如下：由于系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，主要用于调整和稳定转速，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速；电流环作为副环放在里面，用于抑制电网电压扰动对转速的影响。速度调节器和电流调节器均设有限幅环节，
14、速度调节器的输出作为电流调节器的给定，速度调节器的输出限幅即为电流调节器的最大给定值；电流调节器的输出作为触发电路的控制电压Uct，利用电流调节器的输出限幅可以限制晶闸管变流装置的最小触发角。启动时，若突加阶跃给定电压Ug，则速度调节器的输出将很快达到饱和限幅值，系统以最大电流给定值调节电流调节器，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速，当转速出现超调后，速度调节器则退出饱和，最后稳定在给定转速下。双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统在突加给定电压由静止状态起动时，转速和
15、电流的过渡过程如图3.6所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。第阶段：0t1是电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，当IdIdl后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压Un=Un数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流Id迅速上升。当时，电流调节器ACR的作用使Id不再迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段：t1t2是恒流加速阶段。这一
16、阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n，这样才能保持=cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：t2以后是转速调节阶段。此时，但由于积分作用，所以电动机
17、仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，n达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 图 3.6 转速和电流的过渡过程3.3 单元电路设计在双闭环直流调系统中，分别设
18、置了两个调节器，即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。3.3.1 单元电路工作原理（1）转速调节器的作用： 使电动机转速n跟随给定电压变化，保证稳态转速无静差。 对负载扰动起抗扰作用。 其输出限幅值决定允许的最大电流，在起动时给出最大电流给定信号。含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图3.7所示： 图3.7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器的给定电压。（2）电流调节器的作用: 对电网电压扰动起及时抗扰作用。 起动时保证获得恒定的最大允许电流。 当电动机过载
19、甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3.8所示。在设计电流调节器时，首先考虑应该把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应该以跟随性能为主，即选典型I型系统。 图3.8含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器3.3.2 元件参数选择(1) 访问授权
20、P051 . . . 键参数0 参数不能更改40 参数可以改变P052 . . . 选择要显示的参数0 只显示不是工厂设定值的参数3 显示所有参数(2)调整整流器额定电流 额定电枢直流电流须通过设置参数：P076.001 (百分数)或参数P067 来调整 额定励磁直流电流须通过设置参数：P076.002 (百分数)来调整(3)调整实际整流器供电电压 P078.001 电枢回路供电电压(单位: 伏) P078.002 励磁回路供电电压(单位: 伏)(4) 输入电动机数据(5)实际速度检测数据使用模拟测速机 P083 = 1 速度实际值由 (K0013)提供 P741 最高转速时的测速机电压使用脉
21、冲编码器 P083 = 2 速度实际值由 (K0040)提供 P140 选择脉冲编码器类型（有0-4五个可选代码）无测速机运行行(EMF 控制) P083 = 3 速度实际值信号由(K0287)提供 P115 最高速度时的EMF自由连接实际值 P083 = 4 由P609 定义实际值的输入。 P609 连接到速度调节器实际值的连接器号。 (6) 励磁数据励磁控制P082 = 0 内部励磁没有使用P082 = 1 励磁回路与主回路接触器一起合闸P082 = 2 在达到状态o7 或更高时，P258 参数化的延时到达后，由P257 设置的停机励磁自动接入P082 = 3 励磁电流恒定接入励磁减弱P0
22、81 = 0 速度或EMF 无弱磁功能P081 = 1 励磁减弱运行被看做为一个内部EMF 控制功能，电动机的EMF 恒定维持在给定值。(7) 基本工艺功能的选择电流限幅 P171 在转矩方向I 的电机电流限幅(为P100 的百分数) P172 在转矩方向II 的电机电流限幅(为P100 的百分数)转矩限幅 P180 在转矩方向I 的转矩限幅1 P181 在转矩方向II 的转矩限幅1斜坡函数发生器 P303 加速时间1 (单位为秒) P304 减速时间1 (单位为秒) P305 初始圆弧1 (单位为秒) P306 最终圆弧1 (单位为秒)(8) 最优化运行驱动装置必须在运行状态o7.0 或o7
23、.1 (停机!)通过键参数P051 选择下列之一的优化运行。 P051 = 25 电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化运行 P051 = 26 速度调节器的优化运行 P051 = 27 励磁减弱的优化运行P051 = 28 摩擦和转动惯量补偿的优化运行P051 = 29 具有摆动机构的传动系统的速度调节器的优化运行电枢电流：1019 电阻：r038 速度、控制角r0184 系统设计4.1 软件设计（1）输入给定参数值P051=40 P076.001=20 整流器额定电枢直流电流P076.002=100 整流器额定励磁直流电流P078.001=220 电枢回路供电电压P078.002=400 励
24、磁回路供电电压P100=1.3 电枢额定电流P101=220 电枢额定电压P102=0.2 励磁额定电流P104=0.2 转速P083=3 EMF控制（2）将电动机堵转P110 26.395 电枢电阻值P112 1860.2 励磁电阻值P111 228.93 电枢电感P155 0.1 电流调节器P156 0.015P255 2.72P256 0.100P826 -15P225 0.87P226 0.106P228 106电枢电流：1019 电阻：r038 速度、控制角r018（3）斜坡函数P303 30sP304 30sP750 190（4）曲线测试转速：P750179电流：P755110（5
25、）方波P4851P48050% 正转电压P4815 正转时间P4835 反转时间P482-50% 反转电压（6）开环P602(电流环)0P623(转速环)0P380160（正向限幅电压）P381-160（反向限幅电压）4.2 编程过程（1） 利用6RA70全数字直流调速装置，做开环的电机试验，得到将近400组试验数据；（2） 用matalab把数据先输进去给u，y;（3） 用arx函数求出模型;（4） 用tf函数把模型变成z域上的,用d2c函数把z域上的模型变成s域的模型;（5） z,p,k=tf2zp(0.181 177.1 7.33e004 1.221e007,1 558 1.171e00
26、5 4.674e006)求出模型的零极点及K4.3 编程结果 用电脑matlab编程结果如下： 图 4.1 simulink仿真图 图 4.2单闭环仿真图 图 4.3双闭环仿真图 图 4.4 最佳参数仿真图5 安装调试5.1 安装调试过程5.1.1 双闭环调速系统性能分析图5.1为双闭环直流调速系统电机启动的转速环和电流环的曲线，图中红线表示转速，绿线表示电流。从图中可知，双闭环在启动过程中，电机的电流环先起作用，很快将电流升到最大值，以最大电流启动加快了电机的启动速度。当电机达到稳定速度后，转速环再起作用，电流环电流下降达到稳定。 图 5.1 双闭环启动5.1.2 基于改变装置参数的系统性能
27、分析 电流环比例系数: 0.10转速环比例系数: 2.0上升时间: 333.47ms超调量: 1.7% 电流环比例系数: 0.5转速环比例系数: 2.0上升时间: 332.93ms超调量: 0.77% 电流环比例系数: 0.10转速环比例系数: 5.0 上升时间: 666.13ms超调量: 0 类似一阶响应由上图可知，在双闭环直流调速系统中，调节器的参数将很大程度得影响动态曲线，所以在设计系统时，应根据实际的要求，合理地选择参数。 5.1.4 系统抗扰性能分析在实验时，我们利用磁粉制动器，在电机已经稳定运行后，突给电动机加了个阶跃负载，可见电流立马上升进行调节，至转速有个小的下降又立马回到原来
28、的速度。可知双闭环调速系统是无静差系统，抗扰性能良好。5.1.5 系统跟随性能分析 给定输入为方波的跟随性能分析 给定输入为斜坡函数的跟随性能分析 我们通过设置以下参数来调整波形，改变斜率以观察系统特性。P303 加速时间 (单位为秒) P304 减速时间 (单位为秒) P305 初始圆弧 (单位为秒) P306 最终圆弧 (单位为秒)5.1.6 开环调速系统性能探究（1）开环系统启动性能分析 （2）开环系统跟随性能分析(给定输入信号为方波)5.2 故障分析(1) 电源故障：在“run”状态下，电子板电源的断开时间长于在参数P088设置的时间；电源故障预警周期地响应，电源故障预警作用长于1.2
29、8s。(2) 制动运行的EMF过高尽管为了得到所需的最大速度运行在励磁减弱范围，但没有完成“依赖于速度的励磁减弱”（P081）的参数化注意；励磁减弱运行的EMF给定太高，使供电电压瞬时跌落；EMF调节器或励磁电流调节器没有优化，可能导致在加速时EMF过高。(3) 系统调节故障没有在运行的情况下改值；设备电线没有插好。 6 结论在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环
30、系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。在实验中，我们分别测了双闭环系统的启动动态曲线，然后对其转速、电流环调节器的参数进行了更改观察曲线的变化，突击负载观察双闭环的抗扰性能，输入信号对其加方波、斜坡，观察其跟随性。最后再把两个闭环打开，做了下开环的实验，对比发现双闭环的优越性，具有良好的跟随性、静态性能、抗干扰能力，可以实现电机的快
31、速启停要求，满足生产的需要。7 使用仪器设备清单1.6RA70全数字直流调速装置2.电动机3.磁粉制动器4.Drive Monitor软件5.Matlab软件8 收获、体会和建议 在一个星期的课设实验中，虽然实验的时间不是很长，但是这一个星期里让我学到了很多。首先是对自动控制原理的深刻理解，从开环控制、单闭环控制到双闭环控制，层层深入，让我第一次将书本上学到的理论知识结合到实际实验中来。开环系统启动的时候，速度上升地不是很快，噪音很大，因为它不是很稳定。当我们加大了速度调节器的比例系数，发现电机更加不稳甚至会发生飞车的现象。单闭环系统虽然能实现系统的自动调节，可是为了能安全启动，启动电流不能太
32、高，导致启动的过程较慢。最后的双闭环能够利用电流环的调节使启动的时候电流迅速上升，加速启动，并且具有良好的跟随性能、抗干扰性能、静态性能等，是一种较为理想的调速系统。 其次对阶跃函数、方波和斜披函数有了更深刻地认识，直观地比较和发现它们作为输入信号对系统的影响。 还有从6RA70全数字直流调速装置的连线认识，到电动机堵转和正反转的操作，再到SIMOREG 直流调速装置的操作和Drive Monitor软件的认识和操作，最后再到matlab软件的操作，提高了我在自身专业的专业度，也加深了我对自动化专业的认识，加强了自己的学习能力。 最后，做课设实验的一星期里，也明白了团队的协调、配合能力，这是十
33、分重要的，一个课设实验的完成，不是一个人的功劳是大家一起相互努力的结果。在这次的实验中，我学会了如何更好得与人沟通，更好得去分配协调工作，使我们的工作更够更加快捷有效地完成。 总之，短短的一个星期的课设，带给我的不仅仅是知识的扩充，更多地是教会了我如何好好用心地去学习，激发了我们学习的兴趣，还提高了我们自我学习的能力，使我受益非浅。 但是，课设的时间只有一个星期，我们不能完全地自己去设计系统，只是在设计的系统上做一些改良，所以我建议能够给予我们更加充足的课设时间，从设计到完成我们都能自己完成，那样的收获将会更多。 9 参考文献1 刘建昌主编.自动化控制系统（第2版）.北京：冶金工业出版，20062 东北大学.综合控制课程设计实验指导书.沈阳：东北大学出版， 20073 SIEMENS 使用说明书4 王建辉主编.自动控制原理（第4版）.北京：冶金工业出版,2004
