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1、XUHAI COLLEGE 徐海学院电力拖动与运动控制系统课程设计姓 名：学号：专 业：专 题：双闭环直流调速系统的设计指导教师：设计地点：2014 年 4 月课程设计任务书专业年级学号学生姓名任务下达日期：2014 年4 月16 日设计日期：2014 年4月16日 至 2014年4月30日设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计设计主要内容和要求： 直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了 越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系 统调速范围宽、起制动性能好
2、、可四象限运行，具体设计内容如下：1. 绪论 介绍直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展，通过调查市场上的直流调 速产品，了解目前直流调速产品的结构与功能。2. 直流调速系统的主电路设计(1) 根据提供的直流电动机参数，选择相应的主电路形式，主电路主要采用两种形式 基于 H 桥的直流脉宽调速系统、晶闸管电动机直流调速系统。(2) 根据附录中所提供的直流电机参数和选择的主电路形式，对主电路中的功率器件 进行型号选择，并要求给出选择依据；(3) 根据选择的主电路拓扑结构所采用的电力电子器件，设计或选择电力电子器件的 驱动电路。要求给出所设计或选择的晶闸管触发电路、全控型器件 IGBT 驱动
3、电路的原理图 并对驱动电路的原理简要说明。(4) 根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号(5) 要求在主回路设计中需给出相应的保护及缓冲电路；(6) 列出所选用主电路的器件清单(包括：名称、型号、厂商、数量、参考价格)。3. 直流调速系统的控制理论(1) 给出双闭环直流调速系统的动态结构框图，掌握双闭环直流调速系统的起动过程 与特点；仅供个人参考(2) 根据提供的直流电动机参数和所设计的电力电子变换环节参数，确定动态结构框 图各环节的具体参数；(3) 运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅 的具体参数及依据，以表格的形式总结所设计
4、的转速调节器、电流调节器的参数；(4) 利用Pro tel软件绘制带有内外限幅的PI调节器的模拟电路图，要求根据设计的 PI调节器参数确定调节器中电阻和电容的参数；(5) 给出确定各环节参数后的直流调速系统完整结构框图。4. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真(1) 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Mat lab仿真模型，并对调节 器参数设计的合理性进行验证；(2) 运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节 器的参数作出调整。5. 数字控制器的设计(1) 硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、 AD
5、采样及信号处理电路、编码器接等；(2) 软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、 数字测速的程序流程框图。选用参数组别：直流电机3：额定功率Pe=1.5kW ;额定电压Ue=156V额定电流Ie=11.5A ;额定转速ne=1000r/min电枢回路总电阻R=2.4Q ;电磁时间常数Tl=0.004s;机电时间常数Tm=0.07s;电动势系数 Ce=0.144V/ (r.min-1 )成绩：指导教师签字：日 期：摘要电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机 械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，
6、用以控制 位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或 快速正反向的电力拖动领域中得到应用。 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、 应用最广的直流调速系统。本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统 确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、 平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。并通过Simulink进行系统的数 学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。最后给出参考资料和设计体会。关键词：直流调速 双闭环 转速调节 电流调节
7、自动控制目录1.绪论 01.1直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展0.1.2现有直流调速产品调查0.1.2.1西门子6RA70系列全数字直流调速装置01.3双闭环直流调速系统的基本组成与工作原理2.1.3.1双闭环直流调速系统的基本组成2.1.3.2双闭环直流调速系统的工作原理2.2.直流调速系统中主电路的设计3.2.1本设计中选择的拓扑结构及其依据3.2.1.1主电路拓扑结构的选择与依据3.2.1.2主电路拓扑结构4.2.2电力半导体器件的选型及其依据4.2.2. 1逆变器功率元件（IPM ）的选择42.2.2整流部分元件的选择5.2.3直流滤波电解电容及其依据5.2.4驱动电路的
8、原理图及其原理说明6.2.5电压、电流和温度等传感器的具体型号7.2.6主回路中的保护电路7.2.6.1交流侧过压过流保护7.2.6.2直流侧的过压过流保护8.2.6.3快速熔断器短路保护8.2.6.4过电流保护9.1.03.直流调速系统的控制理论3.1双闭环直流调速系统的动态结构框图1.0.3.1.1双闭环直流调速系统的动态结构框图1.03.1.2双闭环直流调速系统的动态过程分析1.03.2动态结构框图的具体参数3.2.1电流调节器的设计3.2.2转速调节器的设计1.33.3电路的内外限伏1.5.仅供个人参考3.4转速、电流双闭环直流调速系统的组成1.6.3.4.1系统电路结构1.73.4.
9、2稳态结构框图和静特性1.74. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真184.1建立Mat lab仿真模型及其调节器参数设计的验证185. 数字控制器的设置195.1硬件设计195.2软件设计215.2.1双闭环直流调速系统控制流程图215.2.2增量式PI调节器程序流程框图.2.16. 课程设计体会2.2参考文献.2.3附录2.41. 绪论1.1 直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等 行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运 行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。20
10、世纪 90年代前的大约50 年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能 拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了 便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断 受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭 环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直 流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。1.2 现有直流调速产品调查1.2.1西门子 6RA70 系列全数字直流调速装置西门子 SIMOREGK6RA23/24 系列全数字直流调速产品，自在中国市
11、场推出以来，得到 了广大用户的认同。最新推出的 SIMOREGDCMaster6RA70 系列全数字直流调速产品，在 6RA24 产品的基础上更具有以下特点:1单台装置输出额定电枢电流：15A 3000A，额定励磁电流:3A 85A。装置并联后输出 额定电枢电流可达 12000A。2输入电压分为 6 个等级:400V/460V/575V/690V/830V/950V。3强大的通讯能力。有SIMOLINK高速直接的装置-装置通讯，还可支持PROFIBUS、 CAN-BUS 、DeviceNet、USS 协议等。4所有工艺板，通讯板及OP1S操作面板都可与新一代的SIMOVERTMASTERDRI
12、VES 矢量控制交流调速产品通用。主电路特点：1单象限工作装置的功率部分为三相全控桥。2四象限工作装置的功率部分为两个反并联的三相全控桥。3励磁回路采用三相半控桥。4功率部分为15- 1200A为绝缘式SCR模块，1500A的电枢回路采用平板式晶闸管。散热器是带的。5额定电流125A自然风冷。2ASR孫尔片式电诡检测转速环电诡环TBA5I图 数字式直流双闭环 PWM 调速系统原理图图 西门子 6RA70 系列全数字直流调速装置仅供个人参考1.3 双闭环直流调速系统的基本组成与工作原理1.3.1双闭环直流调速系统的基本组成c +典ACRASRUPE图1.3.1 双闭环直流调速系统原理图1.3.2
13、双闭环直流调速系统的工作原理双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进 行调整外 , 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求 ,这就需要一个电流截止 负反馈系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器， 分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图，把 转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样 就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静态和动态性能，转速和电流调节 器一般都采
14、用PI调节器。2. 直流调速系统中主电路的设计2.1 本设计中选择的拓扑结构及其依据2.1.1主电路拓扑结构的选择与依据模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习入门，但其 控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受 到器件的性能、温度等因素的影响。单片机作为工业用机它以系统结构简单，可靠性高、速度疑、并且体积小，价 格便宜被广泛用于现代工业自动化控制中。系统引入微机控制后，用软件取代硬件电路，减少了所用设备的数量，降低了 系统在使用过程中由于元件老化和接触不良等因素造成的故障率，从而使系统的可 靠性大大提高又由于用软件编程实现各种调节规律，在不改动硬件设备的情况下 可任意改变系统参数和控制程序，易于系统的优化等优点，微机在调速系统上的应 用必将越来越广泛所以本次设计采用双闭环直流数字调速系统。主电路采用直流 PWM 变换器，与 V-M 系统相比，直流 PWM 调速系统在许多 方面有较大的优越性：1. 主电路线路简单，需用的功率器件少；2. 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；3. 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；4. 系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5. 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不 大，因而装置效率较高；6. 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器
