精品毕业论文西门子6ra70直流调速系统的实验研究

摘 要西门子6RA70系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相交流电，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3000A。所有的开、闭环驱动控制及通讯由两台功能强大的微处理器实现，驱动控制功能可以通过参数，将软件所提供的程序块“连接”起来实现。本论文介绍了6RA70的发展现状及对其研究内容和方法，介绍了西门子6RA70全数字式直流调速系统，包括总体结构和组成、硬件系统及软件功能。介绍了转速、电流双闭环调速原理，逻辑控制无环流可逆调速系统原理和6RA70直流调速系统的综合控制原理。描述了直流调速系统的参数设置方法，电流环和速度环的参数自整定方法，特殊功能模块及其使用方法。最后介绍了关于本课题所做的相关实验、实验接线图、相关参数设置和部分实验结果。关键词：直流调速；西门子6RA70；参数设置；功能模块；参数自整定AbstractThe series of Siemens 6RA70 rectifier is entire compact digital,the input is the three-phase AC,can provide the armature and the exciting current which the direct-current drive used, output armature electric current from 15A to 3000A. All the control of opens and closed loop actuation and the communication is by two function formidable microprocessor realization, the realization of actuation control function may through the parameter, connect that by the block which provides the software.The present situation of the 6RA70 development and the method of research introduced in this thesis, the total character style cocurrent velocity modulation system of Simens 6RA70 also introduced, including all structure and composition, hardware system and software function. Introduced the speed and electric current closed loop velocity modulation. The logical control system does not have the reversible circulation velocity modulation; Integrated control principle of 6RA70 cocurrent velocity modulation system. Finally, explained the parameter establishment method of the DC velocity modulation system, self regulating method of the electric current loop and speed loops parameter, special function module and the application method. In the end, introduced the correlation experiment, the connection of wire, parameter setting and part of the result about this experimentation.Keyword：Speed-adjusting of DC motor; Siemens 6RA70; Parameters setting; Function module; Parameter self-adjusting目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 西门子6RA70调速装置的应用现状21.3课题内容及研究方法4第2章 西门子6RA70调速系统概况52.1 西门子6RA70直流调速系统的组成52.1.1 西门子6RA70的总体结构52.1.2 西门子6RA70的硬件组成62.1.3 西门子6RA70的工作原理7第3章 西门子6RA70调速系统的基本原理93.1 单闭环调速系统93.2 转速、电流双闭环调速系统103.2.1 转速、电流双闭环调速系统的组成103.2.2 双闭环调速系统的稳态结构和静特性113.2.3 双闭环调速系统的动态性能133.3 本章小结18第4章 西门子6RA70的主要功能和参数设置194.1 西门子6RA70主要功能简介194.2 西门子6RA70部分功能参数设置204.3 西门子6RA70系统优化技巧214.3 西门子6RA70特殊功能模块的使用224.3.1 合闸、分闸、使能224.3.2 点动、爬行、安全停车23第五章 基于6RA70直流调速系统的实验265.1 实验室整流器的型号及技术数据265.1.1 整流器的型号265.1.2 技术数据265.1.3 实验室电动机的参数275.1.4 实验设备图275.2 参数设置285.2.1 参数类型285.2.2 参数设置途径295.2.3 相关参数305.3 电流环和速度环参数自整定325.4 相关实验举例345.4.1 实验内容345.4.2 实验结果记录37本章小结38结 论39参考文献40附录144附录247附录351附录451致谢52第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景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30多年来，由于以下三个方面的原因，推动了电力拖动控制系统的迅速发展，第一是控制理论的发展，出现了最优控制、自适应控制、智能控制等，相应的传动控制系统也在实践中逐步形成。第二是电子器件的发展，带来了拖动控制系统组成结构的重大变化。过去采用旋转变流机组来实现直流电动机的平滑调速，而直流发动机的励磁又采用交磁功率放大机、磁放大器进行控制。在50年代出现了水银整流器静止变流装置；60年代出现了晶闸管整流装置，它不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。第三是80年代计算机技术和通信技术的发展，开创了拖动控制系统蓬勃发展的新时代。8位-32位单片机的相继出现并应用于控制系统，使其结构更加简单，功能更加强大，可靠性更高。由于直流电动机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、起动、制动和正反转等，目前在传动领域中应用广泛。从传动系统来讲，虽然近几年来交流电机调速技术发展很快，在许多方面向直流电机调速技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交流传动的基础。对于直流传动系统来说，它也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装置成功应用于生产。以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断以及故障处理等多功能的电气传动系统正在形成和不断的完善。西门子6RA70是全数字化工业用直流电动机调速驱动器的最新产品，具有控制、监视、保护和串行通讯等功能。2台高效能微处理器负责电枢和励磁回路所有的调节和传动控制，实现无环流逻辑控制。所有运行参数均可由操作控制面板进行选择、设定和修改。传统的传动系统一般采用模拟直流调速系统，现场粉尘较大，由于系统长时间运行，经常造成接触器辅助触点接触不良、插件板内部元件及线路灰尘积累产生不完全短路的耦合干扰等故障，经多年使用，元件设备老化，技术水平落后，故障率高，维护困难，影响正常的生产和稳定运行。选用6RA70系列全数字直流调速装置和西门子S7-300系列小型可编程控制器来完成系统的电传动控制。通过两者的结合，此系统具有良好的扩展性和很强的适应性。可以采用此电传动控制系统的方法进行整体推移技术改造，利用成熟的高新技术，发挥全数字调速的优越性，使调速性能从本质上得到改善。1.2 西门子6RA70调速装置的应用现状6RA70是全数字化工业用直流电动机调速驱动器的最新产品，具有控制、监视、保护和串行通讯等功能。2台高效能微处理器负责电枢和励磁回路所有的调节和传动控制，实现无环流逻辑控制。所有运行参数均可由操作面板进行选择、设定和修改。通过装置的USS接口，用随机提供的Drive Monitor软件可以实现PLC与装置的连接，更方便地设置、监控调节器。6RA70的主板(CUD1板)带有4路开关量和2路模拟量输入，用于接收启动信号和控制信号，2路开关量和2路模拟量输出用于控制外围设备和仪表。各开关量和模拟量输入输出都可以通过参数设置来接入调节器的不同结合点，实现不同功能。6RA70的最大特点在于应用了基于自由连接技术的软件结构。系统中所有重要的量都以连接器来表示，模拟量使用模拟量连接器，以Kxxxx表示，数字量使用开关量连接器，以Bxxxx表示。调速器的控制程序是以模块式相连接的，通过对软件模块输入对应的参数来选择不同的连接器号，模块之间可以重新排列组合，从而满足不同的工艺要求。6RA70的参数分为电机数据组、功能数据组和BICO数据组。功能数据组参数具有4个变址，通过开关量连接器可以选择哪组参数有效，这样1台装置最多可以交替控制4台不同的电机，每台电机可以有不同的电机参数、给定源、反馈源、调节器增益和积分时间常数等。BICO数据组有2个变址，可以通过控制字进行转换，即可选择在结合点哪些连接器量值有效，这样就可使调节器结构或控制量灵活匹配。西门子6RA70直流调速系统具有良好的传动技术，耐用、高效能和物美价廉的特点。根据使用情况，直流传动通常是成本较低的传动解决方案，它具有性能可靠，操作舒适和运行平稳等优点。因此，由于某些技术和经济的因素直流传动应用于许多工业领域：成本较低的四象限运行；转速较低时的持续运转；既使在转速较低时也能提供全部转矩；较高的启动转矩；在恒功率时有较大的调速范围；较小的占地面积；高可靠性。西门子6RA70 直流调速系统能适合各种需要，可以提供经济的解决方案，SIMOREG DC-MASTER系列整流器具有顶尖的性能和集成技术。运行可靠和高使用价值，用于世界范围内许多领域：印刷机的主传动；橡胶和塑料工业；起重机械中的移动和提升机构的传动；电梯和索道传动；在造纸工业；钢铁工业中剪床驱动装置；轧机传动；卷取机传动；用于电机、涡轮机或减速机试验台。SIMOREG DC-MASTER是一个完整的家族：SIMOREG DC-MASTER家族包括各种型号，功率范围6.3kW1900kW，用于电枢和励磁馈电，单/双或四象限传动。并且SIMOREG DC-MASTER具有高动态性能：电流或转矩上升时间大大低于10 ms。因此，无论在任何情况都能满足需要。它们最重要的特性为：完全集成在每个自动化领域内；完全的模块扩展能力；从标准应用到高性能解决方案；冗余传动方案可达12000A，通过智能化的并联电路完成；额定输入电压400V830V；通过全电子化的参数设置，快速、简单的启动；统一的操作体系。经过研究，设计出全数字控制的电传动控制系统。该系统电动机能够可逆运行，具有点动和爬行功能，逻辑控制环节由一台小型PLC实现。由于设备较多，内部联锁复杂，控制性能要求高，实时性强，要求系统快速可靠。选用6RA70系列全数字直流调速装置和西门子S7300系列小型可编程控制器来完成系统的电传动控制。通过两者的结合，此系统具有良好的扩展性和很强的适应性。1.3课题内容及研究方法本课题所要研究的内容是熟悉西门子调速系统的总体结构和组成；了解、掌握西门子6RA70直流调速装置的原理和参数设置等使用方法；直流调速系统电流环和速度环的参数自整定方法及进行相关实验研究；了解和掌握特殊功能模块的应用方法。掌握电力拖动控制系统中关于直流调速系统的知识；充分理解转速电流双闭环调速系统的组成及其静态特性和稳态特性；查阅大量关于西门子6RA70直流调速装置的资料，充分熟悉本系统的调速原理，在此基础上通过实验室调速系统说明书等资料来掌握怎样进行参数设置及速度环和电流环的参数自整定方法。最后在熟知以上知识的基础之上，反复进行实验研究，理论结合实践，实践验证理论，最后达到所要求的目标。第2章 西门子6RA70 调速系统概况第2章 西门子6RA70调速系统概况2.1 西门子6RA70直流调速系统的组成6RA70系列调速装置有可控的电枢、励磁晶闸管、整流模块及全数字调节系统组成，其中全数字调节系统包括控制板、软件程序2部分，还可增加扩展控制板，对系统功能进一步扩展。本系统采用双闭环直流调速系统，其一是由6RA70内置的电枢电流调节器和电流互感器构成的电流环，其二是由6RA70内置速度调节器和安装在直流电机轴上的光电脉冲编码器构成的速度环。速度环为主环，电流环为副环。速度调节器和电流调节器实现串级连接，由速度调节器驱动电流调节器，再由电流调节器去控制触发电路，触发晶闸管控制电机进行调速。2.1.1 西门子6RA70的总体结构 6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器以其紧凑和节省空间的结构为特色，由于各个的部件容易接近，其紧凑式设计使他们特别容易保养与维护，电子板箱包含基本电子板和任何附加板。所有SIMOREG DC MASTER 装置均配备一个安装在整流器门上的简易操作面板PMU，面板由一个5位，7段显示，作为状态显示三个LED和三个参数设置键组成。PMU 还具有根据RS232或RS485 标准同USS 接口的连接器X300。操作面板提供了为了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有工具。OP1S整流器选件操作面板既可以安装在整流器门上，又可外部安装，例如在柜门上。因此，他可以通过一根5米长电缆连接。如果有一个独立的5V电源可以使用，则电缆可长至50米。OP1S可以作为一个经济的测量仪器安装在控制柜，用来显示一定数量的物理测量值。它提供一个416字符的LCD以简单文字显示参数名称，可以选择德语，英语，法语，西班牙语和意大利语作为显示语种。为了容易地下载参数到其他装置，OP1S可以存储参数组。通过基本单元上的串行接口，应用适当的软件，标准的PC机也可以对整流器进行参数设置。这个PC接口可用在启动、停机维护和运行诊断过程中。此外，整流器的软件升级可通过这个接口，装载存储到闪存中。单象限工作的整流器，电枢由三相全控桥B6C供电，四象限工作整流器通过两个三相全控桥(B6)A(B6)C无环流反并联连接电路供电。励磁供电采用2 脉冲单相半控桥方案B2HZ。电枢和励磁的供电频率可以不相同(在45至65Hz 范围之内)，工作在扩大的频率范围23Hz到110Hz需询问。电枢回路的供电相序不要求。对于额定直流电流为15到850A(在400V电源电压时1200A)的整流器，电枢和励磁的功率单元采用独立晶闸管模块结构，散热器是绝缘的。对于高于上述额定电流的整流器，电枢回路的功率单元由平板式晶闸管和散热器构成(晶闸管组件)，其外部是带电的。机箱和电源联接处的端子盖为在附近工作的操作人员提供意外触电保护，所有的接线均位于正面。功率单元的冷却系统通过温度传感器来监控。2.1.2 西门子6RA70的硬件组成 (1) 组成装置的电路板电子板：上面包括CPU、程序存储器EEPROM、RAM 简易操作面RS232口、RS485口 以及其它一些外围接口 。触发板：有脉冲变压器、负载电阻 分流电阻、稳压电源等。功率扳：有可控硅、电流互感器等。(2) 电源部分 主回路电源由1Ul、1V1、1W1端接入，主回路电源进线电抗器接入装置单独使用一台整流变压器时， 可不用进线电抗器。主回路电源电压有以下四个等级：3AC 4OOV、3AC 575V、3AC 690V、3AC 830V 电流等级：30A到2000A 励磁电流：3-40A。电枢回路电动机连接端子为1C1，ID1。装置的工作电源根据接线端子5N1 5Wl 5UI的不同，可接交流4O0V或230V的电源装置的工作电源无相序要求端子3U1、3W1为交流励磁侧电源为单相交流400V对应的励磁直流侧输出端子为3C、3D装置采用强迫风冷。(3) 速度信号 速度信号既可以是模拟信号，也可以是数字信号。(4) 模拟信号输入端、输出端 有四路模拟信号输人端口其中2路输人信号既可为O到正负lOV的电压信号，也可为420mA的电流信号。四路模拟信号输出端口，输出的信号为O到正负10V的电压信号 最大2mA的电流信号。(5) 输入端子、输出端子开关量端口可分两大类： 固定功能的开关量端子和可设置的开关量功能。可设置的开关量端都有一参数来定义该端子的功能。2.1.3 西门子6RA70的工作原理 6RA70在其内部有两台高效能的微处理器承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能。调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现它含有连接器，开关量连接器，结合点。参数组的转换，BICO数据组的转换。系统包括两个环。内环是电流控制环，外环是转速控制环。每一个环都含有一个调节器(速度环ASR和电流凋节器ACR)，它们是比例一积分(PI)环节或比例一积分一微分(PID)环节，电流控制环在系统中是一个从属环，速度调节器输出的最大值，通常与系统允许最大工作电流值相适应。从而在突加给定时，起动电流保持在最大值，并使系统有最大的加速度，起动时间最短。由于电流控制环中不包括电动机机械惯量，因此其快速性较好，当电网电压发生突变或机械负载突然发生很大变化时，能很快进行控制。恢复时间较短；当负载电流超出允许最大电流值。电流调节器使变流器的输出迅速下降电动机进入堵转状态，起到限流保护作用，这种双环系统的缺点是：在电枢电流断续时机械特性变软，系统放大系数急剧降低，电流调节器动态品质恶化，可能会使转速凋节环不能正常工作3。调堆调磁独立控制系统是指在这种系统中电动机的励磁受电动机电枢的控制。这种方案一般多用在由直流发电机供电的晶闸管励磁系统中，以独立控制系统为例。系统由发电机电枢电压调节和电动机励磁电流调节两个独立的闭环系统组成，而用一个给定积分器GI给出转速信号，并通过速度分配器BVD来实现先升压后弱磁和先增磁后降压的加减速过程。负载调节是将电流截止反馈信号通过BC2入到转速给定积分器中去从而保证了当负载过大时，先使电动机增磁(当工作在高于基速时)后降低发电机电压，以充分利用电动机的过载能力。电压闭环由电压调节器AUR，发电机励磁电流调节器AMCR、可逆晶闸管励磁装置，直流装置，直流发电机及相应的反馈和检测环节构成；电动机励磁电流闭环由磁通凋节器AMR，晶闸管励磁装置及相应的反馈和控制环节组成。这两个闭环彼此独立，速度分配器有两个输出信号，一个作为电压调节器的给定信号。另一个则输到磁通调节器作为弱磁信号。在基速以下，弱磁信号为零，电动机磁场电流保持在额定值。实现基速以下只改变发电机电枢电压来调速。当速度给定值高十基速时，BVD输入到电压调节器的给定值处与饱和状态，但同时向磁通凋节器输入一个弱磁信号，使电机励磁电流下降，以实现基速向高速的恒功率调速。制动过程与上述过程相反。磁通变换器BM是一台函数发生器，它的特性除了要考虑电机磁化曲线中励磁电流与电机磁通的非线外，还要考虑电机转速与电机磁通的双曲线关系。6RA70系列整流装置出厂时已经做了参数设定。选用自优化过程可支持调节器的设定，通过专门的关键参数进行自优化选取，例如：电流调节器的优化，转速调节器的优化等等。6RA70还有一系列故障诊断程序模拟量及开关量输入输出以及支持USS通信协议，装置对装置一通信协议。第3章 西门子6RA70调速系统的基本原理第3章 西门子6RA70调速系统的基本原理3.1 单闭环调速系统采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。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。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a)所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然加长。对于象龙门刨床、可逆轧钢机那样经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大植，使电力拖动系统尽可能的用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2-1b)，这时起动电流呈方波，而转速是线性增长的。这是在最大电流受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程b) 理想快速起动过程图2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，图2-1b)所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持在最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。3.2 转速、电流双闭环调速系统3.2.1 转速、电流双闭环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，在系统中设计了两个调节器，分别调节转速和电流，二者实行串级联接，如图2-2所示。这就是说，图2-2 转速电流双闭环调速系统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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2-3 双闭环调速系统的电路原理图为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图示于图2-3。在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发装置GT的控制电压为正电压的情况标出的。并考虑到运算放大器的倒相作用。两个调节器的输出都是带限幅的，转速调节器ASR的输出限幅(饱和)电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。3.2.2 双闭环调速系统的稳态结构和静特性为了分析双闭环系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图2-4。它可以很方便地根据图2-3的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态-转速反馈系数 -电流反馈系数图2-4 双闭环调速系统稳态结构图特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒定值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压。在稳态时总是零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。(1) 转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此=n=由第一个关系可得n=/= (2-1)从而得到图3-5静特性的n0-A段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知：。这就是说，n0-A段静特性从=0(理想空载状态)一直延续到=，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段.图2-5 双闭环调速系统静性(2) 转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时=/= (2-2)式中，最大电流是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统容许的最大加速度。式(2-2)所描述的静特性是图2-5中的A-B段。这样的下垂特性只适合n的情况。因为如果n，则，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为转速无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系统并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用图2-5那样的“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图2-5中虚线所示。3.2.3 双闭环调速系统的动态性能(1) 动态数学模型在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构(图2-3)，即可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图2-6所示。图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流显露出来。图2-6 双闭环调速系统的动态结构图(2) 起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程(图2-1b)，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程示于图2-7。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别标以、和。第阶段0是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、都上升，当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压=-数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值(即静特性上的)为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线形增长(图2-7)。与此同时，电动机的反电动势E也按线形增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线形增的扰动量(图2-6)，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线形增长，才能保证Id恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线形增长，其输入偏差电压=-必须维持一定的恒值，也就是说应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不饱和的，同时整流装置的最大电压也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。图2-7 双闭环调速系统启动时的转速和电流波形第阶段t2以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升。到=时，转矩=，则/=0，转速n达到峰值(t=)。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小于的过程，直到稳定(设调节器参数已调整好)。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR均不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动系统。(3) 双闭环调速系统的起动过程有三个特点： 饱和非线性控制随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为一个电流随动系统。在不同的情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处理。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。 准时间最优控制起动过程中最只要的阶段是第阶段，即恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个起动过程与图2-1b)的理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第、两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的成分，已无伤大局，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，所取得的效果则有限，并不值得。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用， 转速超调由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第段即转速调节解答后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环条速系统的转速动态响应必然有超调。在一般的情况下，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就必须采取另外的控制措施。图2-8 双闭环调速系统空载起动的断续电流波形最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转距。因此，不可逆的双闭环条速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降的零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动和电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，载起动的第阶段内，电流很快下降到零而不可能变负，于是造成断续的动态电流(见图2-8)，从而加剧了转速的振荡，使过渡过程拖长，这是又一种非线性因素造成的。(4) 动态性能和两个调节器的作用：一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。 动态跟随性能如上所述，双闭环调速系统咱起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态调速性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。 抗扰性能 负载扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。 抗电网电压扰动电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。例如图2-9a)的单闭环调速系统中，电网电压扰动和负载电流扰动都作用在被负反馈包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上的差别。负载扰动作用在被调量n的前面，它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，在经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，为时已晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环(2-9b)，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在全闭环调速系统中,由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。a) 单闭环调速系统b) 双闭环调速系统图2-9 调速系统的动态抗扰作用 两个调节器得作用综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下：I. 转速调节器的作用：使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。II. 电流调节器的作用：对电网电压波动起及时的抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流；在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全的保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。3.3 本章小结本章以介绍转速、电流双闭环调速系统为重点，说明了多闭环控制的特点和控制规律。首先介绍这种系统的组成及其静特性，阐述它的动态数学模型，并就起动和抗扰两个方面分析转速、电流两个调节器的作用。并介绍了逻辑控制的无环流可逆调速系统的组成及其工作原理第4章 西门子6RA70的主要功能和参数设置第4章 西门子6RA70的主要功能和参数设置4.1 西门子6RA70主要功能简介(1) 转速实际值可选择功能：1) 模拟测速机。测速发电机对应最大转速的输出电压允许在8-270V范围内。2) 脉冲编码器。脉冲编码器的类型，每转的脉冲数及最大转速由参数设定。3) 具有反电动势控制的无测速机系统(本系统采用)。反电动势控制不需要测速装置，只需测量SIMOREG的输出电压，测出的电枢电压经电机内阻压降补偿处理，补偿量的大小在电流调节器优化过程中自动确定。4) 自由选择转速实际值信号。在这种工作方式下可任选一个连接器编号作为转速实际值信号。(2) 斜坡函数发生器调节功能。斜坡函数发生器使跳跃变化的给定值输入变为一个随时间连续变化的给定信号。加速时间和减速时间可以分别设定，另外，斜坡函数发生器在加速时间开始和终了有效情况下，可设定开始圆弧和终了圆弧。斜坡函数发生器的所有时间可分别设定。(3) 转速调节器调节功能。转速调节器将转速给定值与实际值进行比较。根据它们之间的差值输出相应的电流给定值送电流调节器。(4) 转矩限幅功能。通过参数设定可分别设定正、负转矩极限，最小设定值总是作为当时转矩限幅。(5) 电流限幅功能。在转矩限幅器之后的可调电流限幅器用来保护整流装置和电机。最小设定值总是作为电流限幅。(6) 电流调节器功能。电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测，经负载电阻，整流，再经模拟、数字变换后送电流调节器。电流限幅器的输出作为电流给定值。电流调节器负责调节电枢电流使电流实际值等于给定值。(7) 参数优化功能。通过参数设定可对电流调节器、转速调节器等单元进行参数优化。(8) 监控与诊断功能。装置运行状态及调节系统信号均可显示，每个故障信号都有一个编号，此外对于故障信息存储了事件发生的时间，以便能尽快找出故障原因，另外还有电机过热、电机传感器、传动装置等的报替信号，以确保系统安全运行。(9) 输入和输出口功能。装置还设有模拟盘和开关量输入输出口，以引出或输入相关信号。4.2 西门子6RA70部分功能参数设置在电子板电源电压被接通后，PMU 要么在运行显示状态，并且指示SIMOREG 6RA70 当前的运行状态(例如：o7.0)，要么就在故障报警状态，并显示一个故障或报警号(例如：F021)14。1. 要从运行显示状态(例如：o7.0)进到参数号状态，按P 键，然后按“上升”键或“下降”键，选择各个参数号。2. 从参数号到变址参数(对于变址参数)，按P 键，然后按“上升”或“下降”键，选择各个变址参数。当显示的是一个非变址参数时，如果按P 键，将直接进到参数值。3. 从变址参数(对于变址参数)进到参数值状态，按P 键。4. 在参数值状态，通过按“上升”或“下降”键改变设定参数的数值。其参数设置如下：置 P051=21 恢复工厂设置 P051=40 受权给使用人员的参数设置权 P052=3 显示所有参数输入电动机参数P100.1=1.6A 电枢电流额定值P101.1=220V 电枢电压额定值P102.1=0.11A 磁场电流额定值P114.1=10S 电机热时间常数调整整流器额定电流P076.1=20% 使整流器电枢额定电流与电动机相匹配，即15A*20%=3AP076.2=10% 使整流器励磁额定直流电流与电动机相匹配，即3A*10%=0.3A调整实际整流器供电电压P078.1=380V 电枢回路实际供电电压P078.2=380V 磁场回路实际供电电压模拟测速机反馈P083=1 测速机反馈P741=10V 最高转速时的测速电压磁场控制P082=2 弱磁，在达到运行状态07或更高状态时，经P258参数设定的时间延迟后，自动减至由P257设定的励磁电流P257.1=20% 减为原来电流的20%P258.1=2S 2S后自动减弱(6) 定义点动运行方式P435.3=10 选择36号端的SB14闭合时为点动运行P436.3=5 定义点动运行速度为50%的额定转速以上的参数设置完毕后，在数字量给定板上，按照要求分别进行点动(SB14)，合闸(SB15)和使能(SB16)的操作。4.3 西门子6RA70系统优化技巧当系统参数设置完毕后，并检查外接线路设置无误时，进行系统优化。 设置P051=25 电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化运行按下P键，驱动装置运行状态在07.0，按下SB15，KM合闸，驱动装置状态显示1.1。按下SB16，自动进入最优化运行（持续时间大约是40s），最优化运行后，P110、P111、P112、P155、P156、P255、P256被自动设置17。设置P051=26 速度调节器的优化运行按下P键，驱动装置运行状态在07.0，按下SB15，KM合闸，驱动装置状态显示1.1。按下SB16，自动进入最优化运行（持续时间大约是6s），最优化运行后，P110、P111、P112、P155、P156、P255、P256被自动设置。最优化运行后，P225、P226、P228被自动设置。若最优化运行失败，则以上的参数改用人工设置。4.3 西门子6RA70特殊功能模块的使用由于只是对直流调速装置的初步认识和学习，所以在实验研究中只实现了以下的功能。 4.3.1 合闸、分闸、使能(1) OFF2 (断电) OFF2 信号是低电平有效(逻辑“0”状态=断电)。可能的运行方式如下：P648 = 9：控制字1中的控制位为输入位串行。OFF2是由从P655，P656 和P657 所选择的开关量连接器间通过“与”操作产生的 。P6489：由P648选择的连接器被作为控制字1来使用，这个字的第1 位则控制OFF2 功能。(2) OFF3 (快速停车) OFF3 信号是低电平有效(逻辑“0”状态=快停)。可能的运行方式如下：P648=9：控制字1中的控制位为输入位连续输入。OFF3是由从P658，P659和P660所选择的开关量连接器间通过“与”操作产生的。P6489：由P648选择的连接器被作为控制字1来使用，这个字的第2位则控制OFF3功能。6RA70直流调速装置实验板图如下：(3) 合闸/分闸(ON / OFF)端子37 “合闸/分闸”功能是通过“ON/OFF1合闸指令”控制的（端子37(如图)的信号与由参数P654所选择的开关量连接器信号之间“与”），并且连接器的第0位在P648中选择为控制字。可能的运行方式如下：P648=9：控制字1中的控制位为位连续输入，“ON/OFF”是“ON/OFF1” 合闸指令控制的。P6489：由P648 选择的连接器被作为控制字1 来使用，这个字的第0 位与“ON/OFF1 合闸指令”“与”以产生“ON/OFF”指令(ON 只在两个信号均为逻辑“1”)。P445=0：“ON/OFF1 合闸指令”是由端子37 来的信号和由P654 中选择的开关量连接器通过“与”操作而生成(0=分闸，1=合闸)。P445=1：“ON/OFF1 合闸指令”的沿触发：在0至1转换时存储合闸指令，在P444 中选择的开关量连接器必须为逻辑“1”状态。当这个开关量连接器转换到逻辑“0”状态时，存储器复位。(4)运行使能端子38使能信号是搞电平有效(逻辑“1”=使能)。可能的运行方式如下：P648=9：控制字1中的控制位为位连续输入。运行使能指令是由端子38来的使能信号和从P661选择的开关量连接器通过与操作产生的。P6499：在P648