第1章     绪   论

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

1.1 课题背景与研究目标

    直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：

(1) 常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便；

(2) 动态参数调整方便；

(3) 系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性；

(4) 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；

(5) 可采用数字反馈来提高系统的精度；

(6) 容易与上一级计算机交换信息；

(7) 具有信息存储、数据通信的功能；

(8) 成本较低。

此次课题设计一个直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由单片机，检测电路，驱动电路，按键输入，数码显示等构成，检测电路又包括电流检测，转速检测，电源逻辑状态检测等部分。

1.2 课题的实际意义

随着微电子技术,微处理机以及计算机软件的发展,使调速控制的各种功能几乎均可通过微处理机,借助软件来实现。即从过去的模拟控制向模拟-数字混合控制发展,最后实现全数字化。

在数字化系统中,除具有常规的调速功能外,还具有故障报警,诊断及显示等功能,同时,数字系统通常具有较强的通信能力,通过选配适当的通信接口模板,可方便地实现主站(如上一级PLC或计算机系统)和从站(单机交,直流传动控制装置)间的数字通信,组成分级多机的自动化系统。为易于调试,数字系统的软件,一般设计有调节器参数的自化优化,通过启动优化程序,实现自动寻优和确定系统的动态参数,以及实现如直流电动机磁化特性曲线的自动测试等,有利于缩短调试时间和提高控制性能。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用,新开发的调速系统几乎全是数字式的。与模拟系统类似, 全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点,技术更先进,操作方便。
    数字调速系统与模拟调速系统相对比,技术性能有如下优点:

(1)  静态精度高且能长期保持；
(2)  动态性能好,借助于丰富的软件,易于实现各类自适应和复合控制；
(3)  调速范围宽；
(4)  电压波动小；
(5)  参数实现软件化,无漂移影响；
(6)  所用元件数量少,不易失效；
 (7)  设定值量化程度高,且状态重复率好；
 (8)  放大器和级间耦合噪声很小,电磁干扰小；
 (9)  调试即投产灵活方便,易于设计和修改设计；
 (10) 标准及通用化程度高,除主CPU模块外,仅数种附加模块；
 可实现,包括工艺参数在内的多元闭环控制；
 (11) 适用范围广,可实现各类变速控制及易于实现与单片机或PLC系统通信。
 由此,数字化将在未来的调速设备中得到大量应用。

数字化是调速系统自动化的基础，特别是当前网络技术在工业领域的普及与发展，就更加确定了数字控制的主导地位，因此研究该课题具有实际意义。

第2章   系统方案选择和总体结构设计

本设计主电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，取代传统的双闭环调速系统。系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。

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Z_2-32型，额定功率1.1KW，额定电压230V，额定电流6.58A,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，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系电压。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。^[1]

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。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。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、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

2.2总体结构设计

全面比较单闭环和双闭环调速系统，把握系统要求实现的功能，选择最适合设计要求的虚拟控制电路。根据系统实际，选择转速，电流双闭环调速系统。电机转速通过光电脉冲转换器的计数，再直接连到单片机。交流侧电流通过电流互感器的作用，经采样，A/D转换连到单片机。

2.2.1系统结构选择

若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。

若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I_dm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。

综上所述，本系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。其硬件结构如图2-1所示。

图2-1 单片机控制的直流调速系统结构图

2.2.2  系统的工作原理

在此单片机控制的直流调速系统中，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲，经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。晶闸管正反组切换由数字逻辑切换单元来完成。

第3章 主电路设计与参数计算

电动机的额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。

3.1整流变压器的设计

工业供电电压为AC 380V，而电动机的额定电压为230V，所以必须通过降压变压器对使之达到系统要求。本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。   

3.1.1变压器二次侧电压U₂的计算

U₂是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：

式中U_dmax --整流电路输出电压最大值；

nU_T --主电路电流回路n个晶闸管正向压降；

C -- 线路接线方式系数；

U_sh --变压器的短路比，对10～100KVA，U_sk =0.05～0.1；

I₂/I_2N--变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。^[2]

在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：

式中A--理想情况下，α=0°时整流电压U_d0与二次电压U₂之比，即A=U_d0/U₂；

B--延迟角为α时输出电压U_d与U_d0之比，即B=U_d/U_d0；

ε——电网波动系数；

1~1.2——考虑各种因数的安全系数；

根据设计要求，采用公式：

由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cosα=0.985

取U₂=120V。

电压比K=U₁/U₂=380/120=3.17。

3.1.2 一次、二次相电流I₁、I₂的计算

由表查得 K_I1=0.816, K_I2=0.816

考虑变压器励磁电流得：

3.1.3变压器容量的计算

S₁=m₁U₁I₁；

S₂=m₂U₂I₂；

S=1/2(S₁+S₂)；

式中m₁、m₂ --一次侧与二次侧绕组的相数；

S₁=m₁U₁I₁=3×380×1.69=1.9266 KVA

S₂=m₂U₂I₂=3×120×5.37=1.9332 KVA

S=1/2(S₁+S₂)=1/2（1.9266+1.9332）=1.9299 KVA

3.2晶闸管元件的选择

整流电路采用晶闸管全控桥电路。由于它具有单向导电性，不允许电流反向，对过电压，过电流以及过高的 和 敏感，在低速运行时，导通角很小等等缺点，结合课题提供的参数，选择适当的晶闸管型号十分重要。

3.2.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压U_Tm，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压U_TN，即U_TN=（2～3）U_Tm^[3]

整流电路形式为三相全控桥，而 ，则

取

3.2.2晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值 大于实际流过管子电流最大有效值 ，即

 =1.57 >  或 > = =K

考虑（1.5～2）倍的裕量

=（1.5～2）K

式中K= /（1.57 ）--电流计算系数。

此外，还需注意以下几点：

①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。

②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。

③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

由表查得 K=0.368，考虑1.5~2倍的裕量

取 。故选晶闸管的型号为 。

3.3直流调速系统的保护

晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。

3.3.1过电压保护

不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非先行元件限制过电压的幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件吸收产生过电压的能量。实用中常视需要在电路的不同部位选用不同的方法，或者在同一部位同时用两种不同保护方法。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。

（1）交流侧过电压保护

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