电力拖动与运动控制系统课程设计.doc

《电力拖动与运动控制系统》
课程设计

姓 名： 付宁 学 号： 22091578
专 业： 自动化09-2
专 题： 双闭环直流调速系统的设计
指导教师：
设计地点： 电工电子实验中心

2012 年 4 月

课程设计任务书
专业年级 自动化 学号 22091578 学生姓名 付 宁

任务下达日期：2012年4月5日
设计日期： 2012年4月5日 至 2012年4月20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、可四象限运行，具体设计内容如下。
1. 根据直流调速系统的要求，制定系统总体方案，主要包括如下方面：
(1) 对现有的直流调速产品进行调查，并运行所学知识加以分析。要求必须给出一种具有代表性的直流调速产品，并给出系统控制框图；
(2) 给出本设计中拟采用的主电路拓扑结构，并给出选择依据；
(3) 采用数字处理器作为控制器，对目前调速系统中采用的数字处理器进行调查，并选择一款用于本系统的数字处理器。
2. 直流调速系统的主电路设计，针对总体方案中选定的主电路拓扑结构，并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计：
(1) 功率器件的选型，要求给出依据；
(2) 针对所选择的功率器件，给出其触发或驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明；
(3) 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；
(4) 要求在主回路设计中需给出相应的保护电路。
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；
(2) 根据直流电动机和主回路参数，确定动态结构框图的具体参数；
(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；
(4) 根据设计的PI调节器参数，要求给出带有内外限幅的PI调节器的模拟量电路图；
(5) 给出直流调速系统的完整结构框图。
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Matlab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采样及信号处理电路、编码器接口等；
(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。
额定功率Pe=15KW: 额定电压Ue=160V
额定电流Ie=120A: 额定转速ne=1000r/min
电枢回路总电阻R=0.4
电磁时间常数Tl=0.023s
机电时间常数Tm=0.2s 电动势系数C=0.136V/（r.min-1）
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，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。最后给出参考资料和设计体会。

关键字：
直流调速 双闭环 转速 自动控制

22

目 录
1. 直流调速系统设计总方案 2
1.1 直流调速系统中的代表性产品 2
1.2 数字控制双闭环直流调速系统原理 2
1.3 本设计中选择的拓扑结构及其依据 3
1.4 直流调速系统中的数字处理器 4
2.直流调速系统中主电路的设计 5
2.1功率器件的选型及其依据 5
2.2 驱动电路的原理图及其原理说明 5
2.3 电压、电流和温度等传感器的具体型号 6
2.4 主回路中的保护电路 7
2.4.11.交流侧过压过流保护 7
2.4.2直流侧的过压过流保护 7
2.4.3快速熔断器短路保护 8
3.直流调速系统的控制理论 9
3.1 双闭环直流调速系统的动态结构框图 9
3.2 动态结构框图的具体参数 9
3.2.1调节器的设计 9
3.3转速调节器的设计 10
3.4 电路的内外限伏 12
3.5 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 12
3.5.1系统电路结构 13
3.5.2稳态结构框图和静特性 13
4. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真 15
4.1建立Matlab仿真模型及其调节器参数设计的验证 15
5. 数字控制器的设置 17
5.1 硬件设计 17
5.2软件设计 19
参考文献 21
附录 22

1. 直流调速系统设计总方案
1.1 直流调速系统中的代表性产品
西门子6RA70系列：
1. 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SIMOVERT MASTERDRIVES 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
1.2 数字控制双闭环直流调速系统原理

图 1 数字式直流双闭环 PWM 调速系统原理图
根据设计任务要求整个系统原理如图 1 所示。采用了转速、电流双闭环控制结构，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为 PWM 的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型Ⅰ型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型Ⅱ型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用 PI 调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置（TA）对电流环进行检测，转速环则是采用了光电码盘进行检测，达到了比较理想的检测效果。PWM 采用 8051 单片机以及 4858、4040 共同实现，驱动电路采用了 IR2110 集成芯片，具有较强的驱动能力和保护功能。
1.3 本设计中选择的拓扑结构及其依据
根据系统原理我们设计了数字控制双闭环直流调速系统硬件结构，如图 2 所示，系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字 PI 算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。
主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流 PWM 变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。
检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由 A/D 换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘）。
故障综合：利用微机拥有强大的逻辑判断功能，对电压、电流、温度等信号进行分析比较，若发生故障立即进行故障诊断，以便及时处理，避免故障进一步扩大。这也是采用微机控制的优势所在。

1.4 直流调速系统中的数字处理器
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
　　1．主要特性：
　　• 8031 CPU与MCS-51 兼容
　　• 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)
　　• 全静态工作：0Hz-33MHz
　　• 三级程序存储器保密锁定
　　• 128*8位内部RAM
　　• 32条可编程I/O线
　　• 两个16位定时器/计数器
　　• 6个中断源
　　• 可编程串行通道
　　• 低功耗的闲置和掉电模式
　　• 片内振荡器和时钟电路

2.直流调速系统中主电路的设计
2.1功率器件的选型及其依据
主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管IGBT的选择及各种保护装置的计算和选择等。
根据二极管的最整流平均IF 和最 高反向工作电压UR分别应满足：
IF >1.1×IO(AV) ÷2≈1.1*120/2=66 (A)
UR>1.1× 2×U2=1.1× 2×220=340.2 (V)
选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：

额定正向平
额定反向峰
正向平均压
反向平均漏
散热器型号

型号
降

均电流IF(A)
值电压URM(V)
电流IR(MA)

UF(V)

ZP100
100
100～1600
0.5～0.7
6
SL18

在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC≥(3～5)T/2,且有

Udmax=0.9×220×0.95
=188(V)
2×C≥1.5×0.02, 即C≥15000uF

故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，22000 uF

绝缘栅双极晶体管的选择：
最大工作电流 Imax≈2Us/R=440/0.4=1100(A) 集电极－发射极反向击穿电压（BVCEO） BVCEO≥(2～3)Us=440～660v

2.2 驱动电路的原理图及其原理说明
具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流
始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。
可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图2-3所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。

（a）T型　　 （b）H型

T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。在本次设计中我们选择的是H型。

2.3 电压、电流和温度等传感器的具体型号
为有效的监控直流电机的运行情况，需要用于与电路相匹配的传感器如（电流传感器，电压传感器，温度传感器等）
电流传感器：供应电流互感器 型号为JC600W32
电压传感器： 型号为 PT02V-450/7.07
温度传感器： 型号为 FDY-H2008WS

2.4 主回路中的保护电路
2.4.11.交流侧过压过流保护
再变压器副边并联电阻和电容，可以把变压器铁芯释放的磁场的能量转换为电场能量并储存再电容中，因为电容不可以使两端电压突变，所以可以达到抑制过电压的目的，而串入电阻的目的是为了在能量转换的过程中消耗一部分能量，从而防止因变压器漏感和并联电容构成的震荡回路再闭合时产生的过电压，抑制了LC回路出现震荡，电路图如下所示：
其中，C和R的计算公式为
C≥6i%S/U；R≥2.3*U/S*；
在公式中：S——变压器每相平均电压计算容量，单位VA
U—— 变压器二次侧相电压有效值，单位 V
I%——变压器激磁电流百分数
U%——变压器的短路比

2.4.2直流侧的过压过流保护
PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rx消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通。

2.4.3快速熔断器短路保护
熔断器的作用：当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。若安装熔断器，则熔断器就会在电流异常升高到一定高度的时候，自身熔断，切断电流，从而起到保护电路的作用。
为了防止由于电流过大而烧毁电力二极管，在二极管回路上加快速熔断器，在主回路中应加入熔断器。

2.4.4过电流保护
在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，按图四接法熔断器与每一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。
熔断器的额定电压、电流可按下式计算
额定电压URN：不小于线路正常工作电压的方均根值
额定电流：

—电流裕度系数，取=1.1~1.5
—环境温度系数，取=1~1.2
—实际流过快熔的电流有效值

3.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
双闭环直流调速系统的动态结构框图如下图所示
双闭环直流调速系统的动态结构图
U*n
a
Uc
-IdL
n
Ud0
Un
+
-
-
b
+
-
Ui
WASR(s)
WACR(s)
Ks
Tss+1
1/R
Tl s+1
R
Tms
U*i
Id
1/Ce
+
E

3.2 动态结构框图的具体参数
3.2.1调节器的设计
1.确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数Ts。由设计要求， 装置延长时间 Ts=0.0017s
（2）电流滤波时间常数Toi。 取Toi=0.002s
（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理， 取= Ts+Toi=0.0037

2.选择电流调节器的结构
根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为

式中 ------电流调节器的比例系数；
-------电流调节器的超前时间常数。

3. 计算电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数： = Tl=0.023 s
电流开环增益：要求时，取
因此 KI=0.5/ =135.1
于是，ACR的比例系数为
0.621
4. 校验近似条件
电流环截止频率： 135.1
（1） PWM装置传递函数的近似条件
196.1 > Wci 满足近似条件。
（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
44.23 < Wci 满足近似条件。
（3） 电流环小时间常数近似处理条件
180.8 > Wci 满足近似条件。
5. 计算调节器电阻和电容
由图1.1，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为
Ri=Ki*R0 ，取40

Ci=/Ri , 取0.75
取0.006
按照上述参数设计要求。

含滤波环节的PI型电流调节器

3.3转速调节器的设计
1. 确定时间
（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，，则

（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.
（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取

2. 选择转速调节器结构
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为

3. 计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为
0.0166s
则转速环开环增益
10886.9
可得ASR的比例系数为
87.77
4.检验近似条件
转速截止频率为 Wcn=Kn*tn =1.45

（1）电流环传递函数简化条件为
1473.14>Wcn 满足简化条件。
（2）转速环小时间常数近似处理条件为
340.21>Wcn 满足近似条件。
5．计算调节器电阻和电容
根据图1.2 所示，取，则
Rn=Kn*R0= 13145.6
Cn=tn /Rn
= 0.00126 , 取

含滤波环节的PI型转速调节器

3.4 电路的内外限伏

外限幅电路
内限伏电路

3.5 转速、电流双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，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。二者之间实行嵌套联接如下图所示。

图中，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，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环.这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

3.5.1系统电路结构

3.5.2稳态结构框图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2-4所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。

Ks
a
1/Ce
U*n
Uc
Id
E
n
Ud0
Un
+
+
-

ASR
+
U*i
-
R
b
ACR
-
Ui
UPE

图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图

4. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真
4.1建立Matlab仿真模型及其调节器参数设计的验证
根据结构图 和计算出的相关参数, 建立双闭环直流调速系统的Matlab/Simulink 动态仿真模型,如图所示.

双闭环PWM直流调速系统的仿真模型

经验证参数合格。

双闭环PWM 直流调速系统的仿真结果

5.数字控制器的设置
5.1 硬件设计
直流调速系统主要包括智能控制芯片AT89C51、转速给定、转速显示、转速检测、电流检测、触发电路和主电路等部分。硬件结构框图如图所示

AT89S51

编码器测速
数码管显示

AD0809侧电流

键盘操作

PWM输出

PWM波可以由具有PWM输出的单片机通过编程来得以产生，也可以采用PWM专用要求过高，当他频率太低时，其产生的电磁噪声就比较大，在实际用用当中，当PWM 频率在 180KHz左右时，效果最好。在本系统内，采用两片四位数值比较器4585和一片12位串行计数器4040组成了PWM信号发生电路。
两片数值比较器4585，即如图生U2、U3、的A组接12位串行4040计数输出端Q2-Q9，而U2、U3的B组接到单片机的P1端口。只要改变P1 端口的输出值，就可以使得PWM信号的占空比发生变化，从而进行调控控制。
12位串行计数器4040的计数输入端CLK接到单片机C5晶振的震荡输出XTAL2。计数器4040每来8个脉冲，其输出Q2-Q9加1，当计数值小于或者等于单片机P1值X时，图中U2的（A>B)输出端保持低电平，而当计数值大于单片机P1端口输出值X时，图中的U2的(A>B)输出端保持高电平。随着计数值的增加，Q2-Q9由全"1"变为全“0”时，图中U2的（A<B）输出端又变为低电平，这样就在U2的(A>B)端得到了PWM信号，它的占空比为（255-X/255*100%),那么只要改变X的数值,就可以相应的改变PWM信号的占空比，从而进行直流电机的转速控制。
使用这个方法是，单片机只需要根据调整量输出X的值，而PWM信号由三片通用数字电生成，这样可以使得软件大大简化，同时也有利于单片机系统的正常的工作。由于单片机上电复位时P1端输出全为“1”，使得数值比较器4585的B组与P1端口相连，升速时P0端口输出X按一定规律减少，而降速时按一定规律增大。

微机数字控制双闭环直流 PWM 调速系统硬件结构图

5.2软件设计

参考文献
1）《电力拖动自动控制系统》 陈伯时 主编
2)《电路电子变流技术》 黄俊 主编
3）《电力拖动自动控制系统习题集》 童福尧 主编
4）《电气控制》 李仁 主编
5）华罗庚，王元.论一致分布与近似分析.中国科学.1973（4）：339-357
6）李明.物理学.北京：科学出版社，1977，58-62
7）许家林.岩层移动与控制的关键层理论及其应用[博士学位论文].徐州：中国矿业大学，1998
8）Borko H，Bernier C L．Indexing concepts and methods .New York:Academic Pr,1978
9）中华人民共和国国家技术监督局.GB3100-3102.中华人民共和国国家
标准.北京：中国标准出版社，1994-11-01

附录
附表1.1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）
整流电路形式
最大失控时间
平均失控时间
单相半波
20
10
单相桥式
10
5
三相半波
6.67
3.33
三相桥式、六相半波
3.33
1.67

附表1.2 典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系KT
0.25
0.39
0.5
0.69
1.0
阻尼比
1.0
0.8
0.707
0.6
0.5
超调量
0%
1.5%
4.3%
9.5%
16.3%
上升时间

6.6T
4.7T
3.3T
2.4T
峰值时间

8.3T
6.2T
4.7T
3.6T
相角稳定裕度

截止频率
0.243/T
0.367/T
0.455/T
0.596/T
0.786/T

附表1.3 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按准则确定参数关系）
h
3
4
5
6
7
8
9
10

52.60%
43.60%
37.60%
33.20%
29.80%
27.20%
25.00%
23.30%

2.4
2.65
2.85
3
3.1
3.2
3.3
3.35

12.15
11.65
9.55
10.45
11.3
12.25
13.25
14.2
k
3
2
2
1
1
1
1
1