电力拖动自动控制系统设计

1、29.42kW电力拖动自动控制系统设计一、 基本情况介绍此次设计为29.42KW电力拖动自动控制系统，其主要的性能指标：1、调速系统能进行品换地速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的转速调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作；2、系统的静特性料号，理论上能实现无静差；3、转速超调小于5%，电流超调小于5%，动态最大转速降小于10%；4、系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；5、调速系统中设置有过电压与过电流保护，并且能够实现制动运行；6、给定信号对应范围控制在10V之间。此次设计主要包括两给方面：1、基于matlab基础上的被控对象参数仿真；2、基于单片机的控制系统。二、基于ma

2、tlab基础上的被控对象参数仿真一、设计题目：29.42kW电力拖动自动控制系统设计二、设计方案：（1）被控对象：29.42kW直流电动机（即simulink第11号直流电动机）（2）功率变换装置：两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路两组晶闸管均采用三相桥式全控整流电路。晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值。在本次仿真设计的三相桥式整流电路中晶闸管两端承受的最大正反向电压约为690V，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍, 则本设计中晶闸管的额定电压UN=1380-2070V。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5-2倍，本次设计中，晶闸

3、管通态平均电流约为90A左右，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT(AV)=135-180A。所以，可以依据电压电流数据为晶闸管选择型号。(3)触发环节 采用宽触发脉冲(4)电流和转速双闭环控制器 本次设计采用双闭环控制调速系统，其特点是电机的转速和电流由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够跟随转速的偏差调节电机电枢的电流。(5)逻辑无环流控制器DLCDLC工作原理是根据控制器输入来判断输出的逻辑状态，当一组晶闸管工作时，用逻辑电路去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，以保证系统的可靠运行，确保在任何情况下，两组晶闸管不同时开放，确保主电路没有产生环流的可能，

4、其控制方式是配合控制。(6)保护电路：1) 常用的过电压保护措施如下图所示。图过电压抑制措施及配置位置F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路其中，电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种保护措施。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。2) 常用过电流保护措施如下图所示。图过电流保护措施及配置位置电流保护措施可以同时采用多种，这样更能提高可靠性和合理性。电子电路

5、作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，过电流继电器整定在过载时动作。 快熔对器件的保护方式有全保护和短路保护两种。全保护即过载、短路时均由快熔进行保护，此方法适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。而短路保护则是快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。一般在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这样响应最快。3) 本次设计仿真所用的保护措施本次，设计仿真主回路包括整流装置和电机。对于整流装置中，晶闸管需要过电压和过电流保护。所以，本次仿真中设计了晶闸管的过电压和过电流和电机的过电流保护措施。三、matl

6、ab仿真具体介绍：下图是Matlab中的晶闸管整流模块以及它的内部构成 由图可见，并且经过验证，晶闸管流过的电流和电机流过的电流相同，而加在晶闸管两端的电压是电源端的线电压。所以只要检测电机的电流信号和电源端的线电压信号即可。被检测信号通过比较模块。比较模块初始设定电流信号不超过100A，电压信号不超过750V。信号经过信号类型转换模块，然后送给取样保持模块。取样保持模块设定为采样下降沿信号，所以，当电压或电流超过限制时，比较模块输出由1变为0并一直保持为0。该0信号能触发三相断路器和给定模块的开关，使电源断路并且给定为0，则电压、电流和转速均逐渐降为0。具体模块如下图所示。图 过电压和过电流

7、检测模块 其中，过电压和过电流信号用与门模块合并后送给取样保持模块。由于整流触发装置存在，电流信号并不是平滑直线，所以加入滤波模块，使被采集信号不受干扰。 图 给定部分保护模块 图 电源部分断路器通过保护模块，当产生过电压或过电流时，给定会自动变为零，同时电源断电，保证晶闸管不损坏，转速和电流均逐渐降为零。如下图所示。图 过电压或过电流保护后电流转速波形（电流*10）四、系统参数 本次设计被控对象为29.42kW直流电动机（即simulink第11号直流电动机）。其具体参数如下图所示。（1）主电路等效电阻的处理主电路等效电阻应该包括电机电枢电阻和晶闸管的压降对应的电阻。在本次仿真设计中，所使用

8、的晶闸管管压降为零，同时平波电抗器采用纯电感，所以主电路等效电阻就等于电枢电阻。（2）平波电抗器的选取平波电抗器电感一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流，再利用它计算所需的总电感量（以mH为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。对于三相桥式整流电路，总电感量的计算公式为（3）拖动系统转动惯量处理电动机本身的转动惯量为，由于设计过程中需要考虑负载的转动惯量，所以取拖动系统总转动惯量为电机转动惯量的十倍，即。（4）晶闸管整流装置放大倍数求取在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。实际的触发电路和整流电路都是非线性的，

9、只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。然后通过实验方法测出该环节的输入-输出特性，如图所示，曲线是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是: 如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。设触发电路控制电压的调节范围为Uc = 010V，相对应的整流电压的变化范围是Ud = 0500V，可取Ks = 500/10 = 50。 图 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性的测定 （5）本次仿真设计中，忽略粘滞摩擦系数的影响。额定电压额定功率额定电流电流过载倍数额定

10、转速给定电压（电压限幅）电枢电阻主电路等效电阻电枢电感平波电抗器电感主电路总电感拖动系统转动惯量晶闸管整流装置放大倍数晶闸管失控时间电动势系数电枢回路电磁时间常数拖动系统机电时间常数转速反馈系数电流反馈系数转速环滤波时间常数电流环滤波时间常数五、调节器设计 电流环和转速环调节器设计采用工程设计法，具体步骤如下。（一）电流环取， 若令，则，所以。晶闸管整流装置传函近似条件为，但是，所以不符合条件。则令，所以。那么，校验：（1）晶闸管整流装置传函近似条件： ， 满足条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 满足条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件：满足条件。综上：， （二）转速环：

11、，取，则，则 校验：（1）电流环节等效替代为一阶惯性环节条件为 ，显然成立。（2）转速环小时间常数近似条件：，显然成立。 综上：， 六、仿真波形（1）给定=1V （2）给定=2 （3）给定=3 （4）给定=4 （5）给定=5 （6）给定=6 （7）给定=7 （8）给定=8 （9）给定=9 （10）给定=10 （11）给定=-1 （12）给定=-3 （13）给定=-5 （14）给定=-8 （15）给定=-10 （16）全过程仿真 有以上仿真波形可见，调速系统能够平滑地速度调节，负载电机能够可逆运行，且具有较宽的转速调节范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作。同时，系统静特性良好，能够实现无静

12、差。（17）正向起动 正向停车 （18）反向启动 反向停车 （19）正向切换为反向（电流*10） （20）反向切换为正向（电流*10） （21）突加负载 突减负载（电流*10）（21）过电压或过电流保护后电流转速波形七、matlab仿真图见附录1三、基于单片机的监控系统一、设计要求：实现电流和转速的显示，转速给定的设置（具有起动、停止、加速、减速、突加给定、正反转切换功能)基于89C58单片机（双排直插40针）设计一套微机数字监控系统硬件结构，并采用PROTUES进行单片机系统仿真校验，搭建相应的硬件电路并仿真。外围条件：电力拖动控制系统需要单片机控制系统提供转速给定模拟控制信号（最大转速对应

13、电压信号为5V或10V）；单片机控制系统从电力拖动控制系统获得V（或者V）之间的转速和电流侧量信号。具体要求如下：硬件结构中包括89c51单片机最小系统；外加AD转换（采用TLC2543一片）和DA转换（采用DAC0832一片）；两组四位数码（采用SM420564四位七段数码管）分别用于显示转速（4位有效数字）和电流值（负号和3位有效数字），可以辅助LED灯显示正反转状态，则转速无需显示正负号。设置对应按键（采用小4脚按键），实现启动、停止、加速、减速、突加给定（包括突加给定设置），正反转控制切换控制。如果需要调整电路，可自行设计添加。二、设计方案1 、PROTUES仿真的硬件电路 图2-1

14、PROTUES仿真总电路图2、采样模块：采样模块使用TLC2543芯片，该AD转换芯片数据为串行输入输出，根据输入命令字控制工作模式，这里采用双极性输出模式，即输出的数字量为补码。模拟量转速、电流（图中用滑动变阻器分压电路输出代替实际反馈电压）分别使用通道1、2。命令字输入口、数据输出口、片选信号、时钟信号分别直接与单片机的一个引脚相连。此时参考电压端VREF+=+5V,VREF-=0,因此，其采样电压范围为-2.52.5之间。为此，对于反馈电压在5V之间的电压反馈限号和在0+5V之间的电流反馈信号而言，要先减半处理，即通过一个放大倍数为12的运放电路。在仿真时就不再进行处理而是直接加2.5V

15、的电压进行模拟。3、显示模块 采样模块采用74LS164驱动，74LS164为8位串行移位寄存器，其输出8bits数据只需要2个端口，通过其时钟端口与数据端口，这两个端口的配合控制实现数据的串行输入和8bits数据的并行输出以驱动共阳极数码管段选，待其8bits数据完全输出后其位选选通，数码管显示。如图2-3所示，0号数码管在正转时不显示，在倒转时显示为“-”；1号数码管显示为速率的4位有效数字；2号数码管显示的为电流的正负值，虽然理论上对于逻辑无环流而言电流是通过电流互感器采样的没有正负之分，当时为应对突发情况，有此功能也有好处，虽然略显“画蛇添足”；4号显示给定值，前一位显示的是给定转速的

16、转向，当给定为正时，显示为“0”，当给定为负时，显示为“-”。其中包含3个74LS164移位寄存器，用于驱动数码管位选；其中，两块阴影部分为三极管驱动的共阳极数码管的位选电路，给定为高电平时，三极管导通，公共端接入高电平，此部分驱动的意义在于，单片机的负载能力有限，加三极管驱动能使其电流变为原来的II/O=1Iseg，其中Iseg为流入数码管的电流，II/O为I/O口电流。4、给定电压D/A输出模块： DA转换采用DAC0832芯片，DAC0832采用直通工作方式。考虑到电机的正反转运行，DA转换需要采用双极性输出。DA转换双极性输出时输入的数字量为对应的补码，然后再将最高位取反，最后输出模拟

17、电压应经过减法器减去参考电压的一半，输出结果即为该补码对应的模拟电压。但是DAC0832的输出是经过运放器的，导致其结果符号刚好与需要的相反，因此最后还要连接一个反相器.5、按键模块：按键模块设置了起动键（start）、停止键（stop）、正转控制键（forward）、反控制键（backward）、加速键（accelerate）、减速键（decelerate）和突加给定键（suddenload）7个按键,按键一端接地，另一端连接单片机的I/O端口。之所以，每个按键有独立的功能，而不是将两个或多个功能集中在一个按键上，是为了防止误操作。假设“启动/停止键”和在一起，当系统反应较慢时，第一下启动系

18、统反应慢还没转起，以为按键失灵就接着按了一下，而这下却代表启动，如此一来，按来按去都不知道按了多少次，更别提其对应的功能了。因此，将其各个按键的功能分开。并且软件中只检测上升沿，也就是说按一次键，执行一次命令，与按住按键的时间长短无关。对于，突加给定的设定是在停转时设置的，此时除了突加给定建（suddenload）没有意义外，正转控制键（forward）、反控制键（backward）、加速键（accelerate）、减速键（decelerate）4个键与原来的意义相同。其设定值由4号显示器显示。此时，在两位之间的小数点将点亮，表示此时正在进行突加给定的设定,此设定值，可正可负. 三、程序设计

19、按要求设计，以C语言编写程序。能够实现对电压和电流反馈值的实时采样和显示。对于转速给定分成从0到4档，突击给定值在“stop”状态可以从-4到4的任意状态设定。从而实现了，对电机的状态监测和期望给定。1、采样模块：如下为Tlc2543的驱动程序，Tlc2543是12位开关电容逐次逼近模数转换器。每个器件有三个控制输入端：片选（ CS ），输入/输出时钟（I /O CLOCK）以及地址输入端（DATA INPUT）。它还可以通过一个串行的 3态输出端（DATA OUT）与主处理器或其外围的串行口通讯，输出转换结果。本器件可以从主机高速传输数据。除了高速的转换器和通用的控制能力外，本器件有一个片内

20、的 14 通道多路器可以在 11 个输入通道或 3个内部自测试（ self-test ） 电压中任意选择一个。 采样-保持是自动的。 在转换结束时， “转换结束” （ EOC ）输出端变高以指示转换的完成。一般并不用实际监测EOC的电平，只需要在程序中延时即可，其转换速度很快。对于其工作状态的选择，要靠上一次串行写入的控制字来完成。其控制字每一位的意义如表2-1所示。 表2-1 控制寄存器状态字格式FUNCTIONSELECT INPUT DATABYTE ADDRESS BITSL1 L0LSBFBIPD7 D6 D5 D4D3 D2D1D0Select Input ChannelMSB L

21、SBAIN00000AIN10001AIN20010AIN30011AIN40100AIN50101AIN60110AIN70111AIN81000AIN91001Output length8 bits0112bits sX016bits s11Output FormatMSB first0LSB first1Unpolar0Bipolar1对应此控制系统的特性，可以选择12bits，高位在前，双极性状态。其中控制字的高四位对应状态号，所以，状态字的一般形式为“*（端口号）0001”，按时序完成状态字的数串行输入，和转换值的串行输出。对应的时序图为图2-1. 图2-1 12位时钟传送，转换值高

22、位在前时序图其中，转换数据会在时钟下降沿送到AD数据输出端口DATAOUT（第一位的数据在下降沿完成），在时钟脉冲I/O CLOCK的下降沿，将DATAINPUT端口的数据送入AD芯片。2、显示模块74LS164为8位串行移位寄存器，其输出8bits数据只需要2个端口，其类似于传送带，给一个脉冲就挤进去一位数，并且将最前面的数挤出。在编写程序时，只需要在未完成数据全部串行“挤”入之前，使数码管位选信号关断即可。其串行移位速度很快，人眼无法分辨，而且不用写入控制字。其对应程序子函数如下所示。3、按键模块：按键模块设置了起动键（start）、停止键（stop）、正转控制键（forward）、反控制

23、键（backward）、加速键（accelerate）、减速键（decelerate）和突加给定键（suddenload）7个按键,按键一端接地，另一端连接单片机的I/O端口。为了实现按一次键实现一次功能，并没有采用电平检测，防止按键的时间过长而引起程序的连续运行，造成不准确。为了克服这一缺点，可采用“上升沿”检测。不同于模拟电路，数字电路的上升沿检测，是通过前后两次键值扫描结果完成的。对于键值的获取是通过电平扫描完成的。根据上升沿的性质,只有上一次为零此次为1才为上升沿.只需将之前的值按位取反（Flag_Before），并与当前值相与即可。将此结果赋予Flag，并以此判断执行相应程序。4、给

24、定电压D/A输出模块：DA转换采用DAC0832芯片，DAC0832采用直通工作方式。5、其他功能完成对应的程序块见主程序及其流程图。 四、具体程序见附录2 四、总结与体会此次的课程设计涵盖自动控制原理、电力电子技术、电机及拖动基础、电力拖动自动控制系统、微型计算机与接口技术、数电模电等学科的有关知识。通过这次课程设计对以上学科的知识进行了一次全面的温习，不仅巩固了对知识的掌握与理解程度，而且在宏观上对各个学科直接的联系有了一个更为系统的认识，同时也加强了理论联系实际的能力。通过这次课程设计也让我认识到纸上学来终觉浅，书本上的知识不足以解决实际中遇到的各种问题，需要通过向同学与老师请教以及查阅

25、相关文献，让我认识到课外学习的重要性。再次，加强了我对团结合作的重要性的认识。五、参考文献1. 陈伯时.电力拖动自动控制系统一一运动控制系统(第4版)机械工业出版社2.电机学/汤蕴璆编著4版.北京：机械工业出版社，20113.自动控制原理/刘胜主编.北京:国防工业出版社，20124.任文.C语言程序设计. 孔庆彦: 机械工业出版社，2009.附录2/*头文件区*#include#include#include#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar code table13=0xc0,0xf9,0xa

26、4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0x0f8,0x80,0x90,0xbf,0x40,0x3f;/共阳极七段码 0x40 0. 0x38 -. 0xbf-uchar code table_point10=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;/共阳极小数点七段码/*按键端口*sbit StK=P00;sbit SpK=P01;sbit AcK=P02;sbit DeK=P03;sbit ForK=P04;sbit BacK=P05;sbit SuldK=P06;/*显示端口*sbit choose_Q=P24;sbit c

27、hoose_B=P25;sbit choose_S=P26;sbit choose_G=P27;sbit choSteK=P36; /转向显示位选sbit choStalK=P37;/档位显示位选sbit ShowClock=P20;sbit ShowData_n=P21;sbit ShowData_i=P23;sbit LableData=P35;/*AD*sbit Output=P30;sbit Input=P31;sbit Cs=P32;sbit Clck=P33;sbit N_n=P07;sbit N_i=P34;/*转速档位显示变量*/*其他变量*uchar Flag=0;uchar

28、 b=1;/b转速正反标志位；a按键检测标志反馈值；uchar Flag_Now=0,Flag_Before=0;uchar A,C,D,E,F,G;/*延时程序*void delay(unsigned int tc) while( tc- != 0 ) ;/*/*74164驱动程序*void Display(uchar Dis_value_n,uchar Dis_value_i,uchar Dis_value_lab) uchar Count; for(Count=0;Count=7;Count+) ShowClock=0;/！用前必须定义管脚！ if(Dis_value_n)Count&0

29、x80) ShowData_n=1;/！用前必须定义管脚！ else ShowData_n=0; delay(30); if(Dis_value_i)Count&0x80) ShowData_i=1;/！用前必须定义管脚！ else ShowData_i=0;delay(30); if(Dis_value_lab)Count&0x80) LableData=1;/！用前必须定义管脚！ else LableData=0;delay(30); ShowClock=1;delay(15); /*/*Tlc2543驱动程序* unsigned short int read2543(uchar Chan

30、nel_Num) unsigned short int Conversion_Value=0; uchar i; Channel_Num=4; Channel_Num=Channel_Num|0x01; Clck=0; Cs=0;for(i=0;i12;i+) if(Output=1) Conversion_Value=Conversion_Value|0x01;if(Channel_Num&0x80) Input=1; else Input=0; Clck=1; delay(10); Clck=0; delay(10); Channel_Num=1; Conversion_Value=1;

31、return(Conversion_Value);/*/*按键扫描程序*uchar Keyscan() uchar a=0; if(StK=0) delay(10); if(StK=0) a=0x01; if(SpK=0) delay(10); if(SpK=0) a=0x02; if(AcK=0) delay(100); if(AcK=0) a=0x04; if(DeK=0) delay(10); if(DeK=0) a=0x08; if(ForK=0) delay(10); if(ForK=0) a=0x10; if(BacK=0) delay(10); if(BacK=0) a=0x20

32、; if(SuldK=0) delay(10); if(SuldK=0) a=0x40; return a; /* void main() uint N,I,S,La=11,Q_N,S_N,B_N,G_N,Q_I,B_I,S_I,G_I;/S档位，La转向显示用变量int Start_EN=0;char Stalls=0;char Suddenload_Valus=0,Suddenload_direction;/突加设定值, unsigned short int N_0,I_0; short int N_1,I_1; float n,i; while(1) /* Flag_Before=Flag_Now;Flag_Now=Keyscan();Flag=Flag_Now&(Flag_Before);if(Flag=0x01) Start_EN=1;if(Flag=0x02) Start_EN=0;if(Start_EN=1) if(Flag=0x04) Stalls+;if(Stall