东北大学自动化专业课程设计报告

1、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：20082518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

2、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

3、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 故障分析目录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

4、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。 SIMOREG DC MASTER 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 SIMOREG DC MASTER 使用开放的和标准的 PR

5、OFIBUS-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2.1 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

6、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。2.2 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3

7、.1 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 104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

8、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

9、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。3.1.3 6RA70 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， 6RA70 SIMOREG DC MASTER 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

10、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3.2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3.1.开环调速系统结构框图图3.2.转速单闭环调速系统结构框图图3.3.电流单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3.4所示。转速调

11、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um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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm4.系统设计4.1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4.1.系统概框图4.1.1系统的初始参数输入（系统初始

12、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P076.001=10额定电枢电流百分比P076.002=10额定励磁电流百分比P078.001=220电枢回路供电电

13、压P078.002=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 3P100=1.2电枢额定电流P101=220电枢额定电压P102=0.13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 07.0或07.1接下来选择 P051P051=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

14、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07.0变换至07.2，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P05仁26,点击0K，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

15、电枢电流闭环系统参数 设置相同。运行曲线Vglupflr*K1 尚(hil j f l i (iJltlLl |4i Il-l- Eyif 电神声中 中星Jii4l 封T.r. =| 吩=石8律 R ft lPR| KK十绐驻 N蚪I图42开环调速系统运行曲线图& 11= J*、ri-hVdri |lP弓斤己心恤i：lFcrhiiirEFrliirllFfF WfllndlFAF/flliM-nFQFTxVnlriMll匚M F VilHuf!l.aP4.1.4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

16、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4.3.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 4.4. 直流电动机的低速运行曲线 图 4.5. 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

17、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工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

18、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，不论如何斜坡函数发生器必须旁路（P435, P437），当斜坡函 数发生器旁路后，他以上升 /下降时间为 0运行。输入点动指令的操作顺序：如果输入了 “点动”指令，通过 “进线接触器闭合 ”继电器使进线接触器合闸，点 动给定通过斜坡函数发生器施加（对于精确的顺序，见9.3.3中合闸/分闸”的说明）撤消点动指 令的操作顺序 ：在“点动”指令取消后，开始的运行顺序与 “分闸”方式相同（见9.3.3），在到达n n皿山后，调节器禁止，并且在0到60s的参数延时（P085倒达后（运行状态07.0或更高），进线接触器打开。

19、当驱动装置在参数延时周期（最大60.0s）时间到时，仍处在运行状态 01.3点动控制原理图图 4.6. 直流电动机点动控制原理图参数设置P648=9 控制字1的源，参数P654P659有效P435.01=1 电动给定接入的源P436.01=1 电动给定的源P437.01=1 选择斜坡函数发生器旁路的源运行结果图 4.7. 直流电动机的点动控制运行曲线4.1.7 直流电动机的爬行控制爬行功能说明爬行”功能可在运行状态07.0下激活，并且有 运行使能”信号，进入运行 状态。当由P440选择的一个或多个开关量连接器转换到逻辑“ 1时，输入 爬行指令。一个由参数P441选择的给定分配给每一个开关量连接

20、器，如果爬行”指令是通过多个开关量连接器同时输入，给定值是叠加关系（限制到200%）。参数P442可以作为定义每一个可能的爬行指令的源（开关量连接器）的设置，不论如 何斜坡函数发生器必须旁路，当斜坡函数发生器旁路后，他以上升/下降时间为0 运行。电平/沿触发P445=0 电平触发P440 选择的开关量连接器 =0 无爬行P440 选择的开关量连接器 =1:爬行P445=1 沿触发当开关量连接器状态由0变1时，爬行”输入储存（见第8章，图G130）。同时， 由P444选择的开关量连接器必须为逻辑 “ 1。当随后的开关量连接器改变状态 到逻辑“0时，存储器被复位 （见9.3.3中合闸/分闸举例电路

21、 ）。 输入爬行指令的操作顺序 :如果在运行状态 07.0输入“爬行”指令，通过 “进线接触器闭合 ”继电器使进 线接触器合闸，爬行给定通过斜坡函数发生器施加。如果在“Run状态下输入 爬行”指令。驱动装置通过斜坡函数发生器从工作速度 减速到爬行速度。撤消爬行指令的操作顺序 :“爬行”有效，但无 “合闸”指令:如果所有对于 “爬行”功能有效的位均转换到逻辑 “0，”调节器禁止 爬行控制原理图图 4.8. 直流电动机爬行控制原理图参数设置P440=1爬行给定接入的源P441=1爬行给定的源P442=1选择斜坡发生器旁路的源P445=0对于合闸/爬行的电平 /沿触发的选择运行曲线图 4.9. 直流

22、电动机爬行控制运行曲线4.1.8 电枢电流闭环控制系统原理图图 4.10. 电枢电流闭环控制原理图参数设置P224=0 速度调节器 I 分量的控制字P225=1 速度调节器 P 增益P623=K179 速度调节器实际值的源 运行曲线 先打开使能开关和输入开关，打开示波器并按开始键，记录曲线图 4.11. 电枢电流闭环控制运行曲线4.1.9 震荡发生器系统原理图图 4.12 方波发生器原理图图 4.13 方波发生器功能图参数设置P480 振荡给定 1P481 振荡时间 1P482 振荡给定 2P483 振荡时间 2P484 标准给定的源 当没有选择 “振荡 ”功能时，作为接入输出值的连接器的选择

23、0=连接器 K00001=连接器 K0001P485 震荡选择的源：控制“振荡”功能起作用的开关量连接器的选择（逻辑“ 1状”态=振荡有效）0=开关量连接器 B00001=开关量连接器 B0001运行曲线图 4.14 震荡发生器运行曲线斜坡函数发生器的参数设定及波形调整功能说明 斜坡上升 =从低加速，正到高，正向速度 （例如:从10%到 90%）或从低，负到 高，反向速度 （例如 : 从-10%到-90%）。斜坡下降 =从高减速，正到低，正向速度 （例如 : 从 90%到 10%）或从高，负到 低，反向速度 （例如 : 从-90%到-10%）。关于从反向到正向速度的转换，例如 : -10% 到

24、 +50%:从-10%到 0=斜坡下降和 从0 到+50% = 斜坡上升，反之亦然斜坡上升时间斜坡函数发生器，其输入量 阶跃变化从 0 到 100%或从 0 到-100%并在 0 附近有初始圆弧和最终圆弧，达到 100%输出值所需的时间。在较小的阶跃信号时，输出量同输入量有相同的斜 率。斜坡下降时间斜坡函数发生器，其输入量阶跃变化从 100%到 0 或从 -100%到 0 并在 0 附近有初始圆弧和最终圆弧，达到 100%输出值所需的时间。在较小的阶 跃信号时，输出量同输入量有相同的斜率。 斜坡函数发生器的运行方式可由以下控制信号设置 : 斜坡函数发生器启动 （控制字 1.第 5 位）: 1=

25、给定已接到斜坡函数发生器的输入0=斜坡函数发生器在当前值停止 （发生器输出引到发生器输入 ）。 给定使能 （控制字 1.第 6 位）:1=斜坡函数发生器输入端的给定使能0=斜坡函数发生器设置 1 有效，输入端为 0（发生器输出减小到 0） 设置斜坡函数发生器 :1=斜坡函数发生器的输出设为设定值 （在 P639 中选择 ） 斜坡函数发生器使能 （控制字 1.第 4 位）:0=斜坡发生器禁止，输出为 01=斜坡函数发生器使能 斜坡函数发生器运行 （参数 P302）: 见以下和第 11 章，参数表，参数 P302 斜坡上升积分器转换使能 （通过 P646 选择 ）:斜坡函数发生器设置 2 和 3

26、斜坡函数积分器跟踪接通 （参数 P317）: 见以下和第 11 章，参数表，参数 P317 分闸时斜坡函数发生器设置 :（参数 P318）: 见第 11 章，参数表，参数 P318 旁路斜坡函数发生器 :1=斜坡函数发生器以上升 /下降时间为 0 运行 功能由通过参数 P641 选择的开关量连接器控制。斜坡发生器也可以在 INCHING ，CRAWLING 和 INJECTION OF FIXED SETPOINT 方式下旁路。图 4.15 斜坡发生器曲线 斜坡发生器设置 1,2和 3图 4.16 参数设置斜坡发生器原理图图 4.17. 方波发生器原理图 图 4.18. 斜坡发生器原理图参数设

27、置P480=+50%震荡给定 1P481=0.5s震荡时间 1P482=-50%震荡给定 2P483=0.8s震荡给定 2P303=0.5s斜坡上升时间 1P304=0.8s斜坡下降时间 1P305=1s下过渡圆弧P306=1s上过渡圆弧运行曲线图 4.19. 斜坡发生器运行曲线5. 故障分析o8.0 等待通过分闸指令（0FF1）等待启动封锁的复位 分析:使能端子或输入端子未断开 修正：将使能，输入开关断开F056重要参数未设置，如果某些参数仍然设置为0,故障信息被激活分析：一些实验过程中需要设置的参数未进行设置，或者某些参数不符合 运行要求修正：检查试验参数，无误后，复位重新运行F038超速

28、，如果实际速度值超过正（P380）或负（P381）阙值5%,故障信息被激活。分析： 输入了较低的电流限幅电流控制运行 P380, P381设置较低 在接近最大速度是测速机电缆接触故障 修正： 将电流限幅上调一些减小给定电压适当减小比例调节器的比例系数A031 速度调节器监控，如果在 P590和P591所选择的连接器的差值超过 在P388中所设置的值的时间长于在 P390中设置的时间，监控功能 响应分析： 调节回路断开 调节器没有优化 P590和P591没有正确参数化修正：可能转速反馈环或者电流反馈环断开，检查调节器是否正确设置。6. 使用仪器设备清单西门子 6RA7013 全数字直流控制系统导

29、线若干直流电动机一台，磁粉制动器一台光电编码器计算机一台7. 收获、体会和建议为期1周的课程设计结束了，本次课程设计的题目是西门子 6RA7013全 数字直流调速系统的学习研究 ，虽然此次课程设计涉及的是直流调速的相关知 识内容，而且此前也有过直流调速课程的系统学习和实验，但是所使用的实验 设备却完全不同，本次实验设备是在当前工业控制领域广泛应用的技术，可以 说是当前世界上最先进的工业控制设备和技术，因此，虽然该直流调速系统操 作简单，并且不需要专门的编程知识，但是对于我们来说，刚开始的时候还是 摸不着头绪，不知从和下手，甚至是对刚开始的实验连线都研究半天。但是， 在冯琳和高明老师的耐心指导下，还有我们组成员之间的相互帮助、讨论后， 我们对西门子6R7013实验装置有了初步的了解，并且可以通过查阅设备参