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：
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
摘要.................................................................
1. 概述..............................................................
2. 课程设计任务及要求................................................
设计任务........................................................
设计要求........................................................
3. 理论设计..........................................................
方案论证.........................................................
传统的直流调速系统...........................................
全数字直流调速系统...........................................
6RA70直流调速控制器 .........................................
系统设计........................................................
4. 系统设计..........................................................
软件设计........................................................
系统的初始参数输入（系统初始化）..............................
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............................
5. 故障分析..........................................................
6. 使用仪器设备清单..................................................
7. 收获、体会和建议..................................................
8. 参考文献..........................................................
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PROFIBUS-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
设计任务
①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。
②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。
③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。
设计要求
①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。
②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。
③根据设计目标得到系统运行曲线，并分析。
④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
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：
⑴晶闸管变流装置的功率放大倍数在4
10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。
⑵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。
⑶晶闸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：
⑴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。
⑵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。
⑶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，选择合适的方案进行控制，必要的时候可以人工干预。
⑷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。
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：
⑴系统的初始参数输入
⑵系统的控制参数设定
⑶开环调速系统设定调整
⑷单闭环调速系统设定调整
⑸直流电动机的高、低速调节
⑹直流电动机的点动控制
⑺直流电动机的爬行控制
⑻电枢电流闭环控制
⑼震荡发生器
⑽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
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.开环调速系统结构框图
图.转速单闭环调速系统结构框图
图.电流单调速系统结构框图
图.转速电流双调速系统结构框图
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 ），如图所示。转速调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*im U 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cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。
4. 系统设计
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.系统概框图
4.1.1系统的初始参数输入（系统初始化）
⑴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。
⑵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；
⑶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。
⑴参数设置
=10 额定电枢电流百分比
=10 额定励磁电流百分比
=220 电枢回路供电电压
=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3
P100= 电枢额定电流
P101=220 电枢额定电压
P102= 额定励磁电流
P104=1500 电机额定转速
⑵系统优化
系统优化前，驱动装置必须运行在或
接下来选择P051
P051=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
①电流环优化
设置P051=25，点击OK，在30s内分别合上使能端子、输入端子，同时用手堵转，大约1min左右，观察驱动装置由变换至，分别断开输入端子、使能端子，即电流环优化结束。
②速度环优化
设置P051=26，点击OK，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
⑴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电枢电流闭环系统参数设置相同。
⑵运行曲线
图. 开环调速系统运行曲线图
4.1.4 单闭环调速系统设定调整
⑴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分量置零
⑵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. 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
⑴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。
⑵运行曲线
图. 直流电动机的低速运行曲线
图. 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
⑴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≠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min n n 后，调节器禁止，并且在0到60s 的参数延时(P085)到达后(运行状态 或更高)，进线接触器打开。当驱动装置在参数延时周期(最大时间到时，仍处在运行状态
⑵点动控制原理图
图. 直流电动机点动控制原理图
⑶参数设置
P648=9 控制字1的源，参数P654~P659有效
=1 电动给定接入的源
=1 电动给定的源
=1 选择斜坡函数发生器旁路的源
⑷运行结果
图. 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
⑴爬行功能说明
“爬行”功能可在运行状态下激活，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)。
输入爬行指令的操作顺序:
如果在运行状态输入“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。
⑵爬行控制原理图
图. 直流电动机爬行控制原理图
⑶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
⑷运行曲线
图. 直流电动机爬行控制运行曲线
4.1.8 电枢电流闭环控制
⑴系统原理图
图. 电枢电流闭环控制原理图
⑵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
⑷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.电枢电流闭环控制运行曲线
4.1.9震荡发生器
⑴系统原理图
图方波发生器原理图
图方波发生器功能图
⑶参数设置
P480 振荡给定1
P481 振荡时间1
P482 振荡给定2
P483 振荡时间2
P484 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
0=连接器K0000
1=连接器K0001
P485 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B0000
1=开关量连接器B0001
⑷运行曲线
图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
⑴功能说明
①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 +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。
②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=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0
1=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
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。
图斜坡发生器曲线
③斜坡发生器设置1,2和3
图参数设置
⑵斜坡发生器原理图
图. 方波发生器原理图
图.斜坡发生器原理图
⑶参数设置
P480=+50% 震荡给定1
P481= 震荡时间1
P482=-50% 震荡给定2
P483= 震荡给定2
P303= 斜坡上升时间1
P304= 斜坡下降时间1
P305=1s 下过渡圆弧
P306=1s 上过渡圆弧
⑷运行曲线
图. 斜坡发生器运行曲线
5. 故障分析
⑴等待通过分闸指令（OFF1）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
⑵F056 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
⑶F038 超速，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：①输入了较低的电流限幅
②电流控制运行
③P380，P381设置较低
④在接近最大速度是测速机电缆接触故障
修正：①将电流限幅上调一些
②减小给定电压
③适当减小比例调节器的比例系数
⑷A031 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：①调节回路断开
②调节器没有优化
③P590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
⑴西门子6RA7013全数字直流控制系统
⑵导线若干
⑶直流电动机一台，磁粉制动器一台
⑷光电编码器
⑸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考书，基本能准确的找到与课程设计相关的章节内容并且能看懂实验原理图并惊醒参数的改变。但是过程中也遇到了很多问题，比如说软件中示波器调试，我们几乎研究了整整一下午，才弄清如何进行时间轴的调整以得到完美的实验结果图像，在这个过程中那个，我们只有一些基本的直流调速理论知识，其他的便是自己摸索，使我们的分析问题和解决问题的能力得到了很大的提高。
总结本次课程设计，觉得收获颇深：
1.通过完成课程设计要求的基本内容，巩固和强化了我们在课堂上所掌握的
直流控制系统原理理论知识。
2.通过完成课程设计提供的选作内容，实现了知识的拓展，锻炼了实际能力
和创新能力。
3.了解、熟悉了当前工业控制领域最先进的控制技术和设备——西门子
6RA7013，亲身感受到现代工业控制技术的高端和强大。同时也为自己未来就业做了很好的铺垫。
4.经过试验过程中“遇到问题——分析问题——解决问题——总结问题”这
样的流程，也锻炼练了我们的实际能力和创新能力，同时也使得团队合作能力进一步提高。
另外，通过本次课程设计，也发现了一些问题，有如下建议：
1、对于我们同学而言，能够在本科阶段接触到这么先进的控制技术十分荣
幸，但是总结起来，只有五天的时间，虽然对设备的基本原理有所了解，但是仍觉得意犹未尽，希望学校能将课程设计时间调整的长一些，以便同学们能更好的学习和提高。
2、实验设备不多，每组同学人数过多，平均每人接触实验设备的时间很短，
没有充分的认识和了解实验设备，所以，希望学校能加大这方面资金投入，为学生提供更好的实验环境。
最后，在此感谢我们的冯琳和高明两位老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；同时，也感谢对我帮助过的同学，感谢我组的其他成员，谢谢你们对我的帮助和支持。
由于本人能力有限，在课程设计和报告撰写过程中难免出现错误，可请老师多多指教，我十分乐意接受你们的批评和指正，本人将万分感谢。
8. 参考文献
[1] 杨卫国，自动化专业实验教程[M] . 沈阳：东北大学出版社，
[2] 西门子6RA7013使用说明书
[3] 刘建昌，直流控制系统[M]. 北京：冶金工业出版社，2001
[4] 朱坤，张亦华. 西门子6RA70用于电机试验台的分析与仿真[D]. 北京交通大学，2008