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1、10 前言随着电力传动装置在现代化工业生产中的广泛应用，以及对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，需要越来越多的生产机械能够实现自动调速，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义。长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制；同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性1。电气传动是指以各类电机为动力的传动装置与系统：因电机种类不同分为直流电动机传动
2、（简称直流传动） 、交流电动机传动（简称交流传动） 、步进电动机传动（简称步进传动） 、伺服电动机传动（简称伺服传动）等等。运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静、动态性能。近年来，随着微计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，数字控制技术由于其具有较好的控制性能和较强的抗干扰性，因此成为目前电机的主要控制方式。并且为了进一步提高电机控制的现代化程度，电机的控制方法也由原来的单机数字控制逐步朝着网络化控制方式转变。众所周知，在工业控制中，和交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装
3、置控制简单，长期以来在调速传动中占有统治地位。并且还因为其具有良好的转速特性，常用于宽范围平滑调速、起动性能好等需要高性能可控电力拖动的直流调速自动控制系统。由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占有重要位置2。许多生产机械要求电动机
4、即能正转又能反转，而且常常还需要快速地启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说需要可逆的调速系统。有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是2个累赘。因此，当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不是很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。按照实现无环流控制原理的不同，无环流可逆系统又有两大类：1）逻辑控制无环流系统2）错位控制无环流系统改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能改变直流电动机的旋转方向，这本来是很简单的事情。然而，当电动机采用电力电子装置供电时，由于电力电子的单向
5、导电性，问题就变得复杂起来，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。可逆直流调速系统既可以使电动机产生电动力矩也可使其产生制动力矩，以满足生产机械要求实现快速启动、制动、反向运转。根据对环流的不同控制方式，可逆系统可分为有环流可逆系统与无环流可逆系统。有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但需要设置几个环流电抗器，增加了系统的体积、成本和损耗。因此，对于大容量的系统，从生产可靠性要求出发，常采用无环流可逆调速系统。按实现无环流的原理不同，可将无环流分为两类：逻辑无环流系统和错位无环流系统。本课题主要基于逻辑无环流可逆系统的应用研究，它表示当一组晶闸管工作时，用逻辑控制电路封锁另一组晶
6、闸管的触发脉冲，使另一组完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。其结构特点是在可逆系统中增设了无环流逻辑控制器 DLC，它的主要功能是完成上述功能，它包括电平检测、逻辑判断、延时电路、连锁保护四部分3。31 1 概述概述1.1 课题背景随着微计算机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用单片机，实现了全数字化控制。由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。数字直流调速装置应用，使得直流调速系统在理论和实践方面都有了新的发展，使直流调速系统进入一个崭新的阶段，较以往的模拟直流调速系统相比具
7、有以下几个方面：1）高精度由于其内部的运算采用数字的方式进行，从而带来了普通模拟系统无法实现的高精度。 2）操作简单模拟系统的众多元件参数的选择，在数字的驱动器中只需使用统一的菜单选项即可完成修改任务。3）功能强大数字驱动器除了可以进行传统的控制任务外，集成了智能模块的数字驱动器可以由程序控制独立完成对被控对象的参数采集和相应的控制参数的选择。4）体积小与模拟系统的大型控制柜相比，数字驱动器的体积只有其十分之一，使得整个系统的体积缩小。即使装入标准电气柜，仍可以大大缩小空间。5）可靠性高与模拟系统相比，数字驱动器使用的分立元件很少，而且集成的分立元件均为可靠性产品，使得其故障率远小于采用分立元
8、件的模拟系统。6）成本低事实上，系统的成本已成为高科技产品能否进入实际广泛应用的门槛。与使用工控机的系统相比，专业的数字驱动器更具有价格优势。由于其可靠性高，企业由于系统故障而造成停产损失的可能性很小，即使发生故障，由于驱动器的通用性，只有及时更换受损的集成线路控制板，即可恢复运行。从 80 年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速装置已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装4技术：控制方式采用电源换相、相位控制。特别是由于采用了专用于电机调速的 8/16 位微处理器如：DSP 处理器等及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精
9、度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外已得到广泛应用。数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。数字化直流调速装置不断推出，为工程应用提供了优越的条件4。1.2 国内外研究现状及应用背景1.2.1 国外研究现状80 年代以来，由于电力电子技术、计算机技术和通信技术的飞速发展。使得直流调速系统数字式方面的研究受到了很多国家的重视，目前，国际上出现了各种型号的全数字直流调速装置，以德、日、美、英为主要生产国。它们的一些公司相继推出各自的产品，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选用。现阶段较先进的机床直流调速系统是采用微机化数字控制的直流调速控制器，如：英国 CT
10、 公司是电气传动设备、伺服控制系统及过程控制传感专业的制造商，总部设在英国，该公司产品的技术在世界具有领先地位。主要的直流驱动器产品为 MENTOR系列。美国的罗克韦尔（Rockwell）公司也是生产直流驱动器的主要公司，它的产品为 PowerFlex700s 是 PowerFlex 系列产品中最新产品，新的驱动器提供精确的电机扭矩控制、速度和位置，可以在非常苛刻的环境中，例如印刷，转炉，造纸，钢铁处理，改进了系统的性能，提高机动性并且优化安装。美国通用（GE）公司，它的产品为直流调速器 DV300。该驱动器是二象限操作，六脉冲触发的，能够精确地调整电机的速度、电场和磁场，且控制简单，能够使用
11、 GE 工箱软件进行编程。此外目前在我国应用最为广泛的有西门子公司的 6RA70、欧陆的 590 系列。西门子公司目前已向世界正式销售的 6RA70，该产品采用的是 SIEMENS 公司自己开发的单片机 80C166。其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，设计额定电枢电流范围从 15 至 3000A，并可通过并联 SITOR 晶闸管单元进行扩展，提供高至 12000A 的电流。欧陆公司最新推出的 590 系列是全新概念的第二代全数字调速系统，其控制算法都由最新的高速 16 位的 DSP 微处理器完成，该系列可提供直流电动机两象限（单向）及四象限（可逆）的运
12、行控制，这种新一代的装置有灵活多变的功能，它的输入，输出端子可重新组态（分配） ，使 590 系列极适合用作传统的价廉物美的直流调速装置，又可作为5一个复杂的过程控制系统中性能优良的组成模块，现在该公司已实现了 590 全系列的标准化生产。这些公司的产品已成功地用于冷、热轧机、可逆冷轧机以及卷取机张力控制等生产机械。而且，性能将有所改进和提高，同时具备组网通讯能力，为企业信息化发展中底层设备自动化打下坚实的基础。1.2.2 国内研究现状由于各种原因，我国的数字调速系统较国外起步晚，在现阶段，我国自主的比较成熟的数字化直流调速装置工业应用很少，该市场主要还是依赖于国外的品牌。由于国外先进的数字控
13、制器价格昂贵，这也给了国产全数字控制直流调速装置区大的发展空间。目前，国内各大院校、科研单位和厂家也都在研究及更好的利用国外先进的控制器进行数字直流调速装置的理论研究及相应的开发工作，近年来，国内关于智能控制的研究十分活跃，理论研究的成果也很多，如：“基于模糊补偿的神经网络算法在调速系统中的应用” 、 “基于神经网络自整定 PID 控制策略及其仿真” 、 “模糊神经网络控制在直流电机拉栅中的应用”等，智能控制就是将人工智能与控制理论结合起来，完成更高级的控制功能，主要是应用专家系统，模糊控制及神经网络理论等来实现自学成自组织控制，它的发展也给电气传动系统的控制策略带来了新思想，新方法。由于专家
14、系统在实际应用中有较多的问题和困难，当前智能控制应用研究主要集中在模糊控制，神经网络控制应用上，特别是两者的结合-模糊神经网络，由于其融合了各自的优点，因而成为目前国内研究的热点。在这里值得一提的是，合肥工业大学电气与自动化工程学院自主研发的我国首个新型的全数字化直流调速系统实验装置，根据该系统特点，装置取名为“HMC 数字化相控/斩控电封闭直流调速系统” 。该装置具有很好的市场应用价值，为大学全数字直流调速实验提供了一个良好的平台。综上所述，研发及更好的利用国外先进的控制器进行调速装置的理论研究及相应的开发工作，具有重要的实际意义和重大的经济价值5。62 系统方案选择和总体结构设计本设计主电
15、路采用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案，控制电路由软件实现系统的功能。2.1 调速方案的选择调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。2.1.1 系统控制对象的确定本次设计选用的电动机型号为型，额定功率 1.1KW，额定电压 230V，额定电流jzzZ6.58A,额定转速 1000r/min,励磁电压 220V,运转方式连续。2.1.2 电动机供电方案的选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有 3 种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称 G-M 系统，
16、用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称 V-M 系统。通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用 PWM，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选 V-M 系统。在 V-M 系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置 GT 输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压 Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、
