某型船用直流锚机的调速控制系统设计开题报告

全文总字数：8012字

1. 研究目的与意义（文献综述）

船舶制造业是我国国民经济的重要组成部分,加快发展船舶制造业,对于提高我国制造业整体水平，带动其它相关产业的发展和扩大就业，具有十分重要的意义。近年来，中央领导同志非常重视船舶工业在国民经济发展中的积极作用。随着改革开放，中国的造船业在过去十多年里积累了丰富的经验，已经打下了建设世界第一造船大国的坚实基础。人们清醒地认识到，船舶建造的要求越来越高，高性能、环保、可靠、航运、安全这些高要求的实现，船电技术起到了不可替代的作用。^[1]其中，电力电子技术发挥了重要的作用。

电力电子技术作为船舶电气的核心技术，其质量的好坏直接影响到船舶电气水平。上世纪六十年代至七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用，开启了电力电子技术的整流时代，电解、牵引、传动等工业得到飞速发展。七十年代到八十年代，交流电机的变频调速技术发展迅速。随后，gtr和gto的大规模使用将电力电子技术带入到了逆变时代，但当时的逆变还只停留在低频范围内。八十年代，由于计算机的发展，大规模集成电路向着超大规模集成电路迅速迈进，因此电力人们想到了将将集成电路与高电压、大电流结合到一起。于是，igbt和mosfet应运而生，由此完成了传统电力电子技术向现代电力电子技术跨越。^[2]

igbt（绝缘栅双极型晶体管），是由bjt（双极型三极管）和mos（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。作为电力电子变换器的核心，是电力电子装置的“cpu”，为应用装置的高频化、小型化、高性能和可靠性奠定了基础。

2. 研究的基本内容与方案

本设计为某艇直流锚机调速系统的设计。锚机是船舶重要的辅助设备之一,是船上用于收放锚的甲板机械，它的主要作用是使船只可以抵御风和水流的共同作用而保持船舶的平稳运行,同时也用于船舶在狭窄水道内掉头、靠离码头或减速等过程。按照驱动形式可以分为手动锚机、电动锚机和液压锚机。其中，电动锚机在船舶上应用最为广泛。按照船舶所用电制不同，电动锚机有直流和交流之分。直流锚机调速特性好，使用效率高；交流锚机调速性能差，通常只能有级变速。为了适应锚机的工作特点，锚机的电动机和其电力拖动装置应满足以下要求：

1. 锚机电动机应有足够的功率和过载能力以及启动转矩，以保证在较短的时间内完成起锚任务；

2. 由于起锚过程中的负载变化大， 由P＝（M×n）/ 975 可知，要使电动机的功率能得到充分利用，锚机电动机要求具有软的机械特性，即负载（M）小时，电动机的转速（n）要高，负载（M）大时，电动机的转速（n）要低；

3. 电动机能正反转并且允许在20min内连续多次启动，以适应锚机频繁启动的需要。

根据以上要求，本次毕业设计主要对直流锚机的调速控制系统进行设计。

根据直流电动机的转速与其参数的关系，有三种调节电动机转速的方法：^[10]

1. 减弱励磁磁通。改变主磁通进行调速可实现无级调速，但其调速范围有限且稳定性较弱。这种方法只能从额定转速向上调速；

2. 改变电枢回路电阻R。此方法只能实现有级调速，不能连续调速，转速变化率大，平滑性差，而且会造成较大的功率损耗；

3. 调节电枢供电电压U。在改变电源电压时，电动机机械特性的硬度不会改变，电源电压连续变化时，转速也连续变化，实现无级调速。且与改变电枢回路电阻相比，其调速要平滑的多。

改变电阻调速因其缺点太多，目前已很少使用，只用于部分对调速性能要求不高的中、小型电动机。弱磁调速往往与降低电源电压向下调速相配合，可以得到较宽的调速范围。目前，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。按照可控直流电源的不同，可将直流调速系统分为晶闸管整流器-直流电动机调速系统（简称V-M系统）以及脉宽调制变换器-直流电动机调速系统（简称直流PWM调速系统）。

PWM调速系统用脉冲宽度调制的方法，把恒定的电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，来改变平均输出电压的大小，从而改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。与V-M系统相比，脉宽调速具有以下优点：^[10]

1. 开关频率高，电流比较连续，谐波含量少，电动机损耗和发热少；

2. 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；

3. 系统频带宽。动态响应快，动态抗扰能力强。

因此，目前直流PWM调速系统运动日益广泛，主要用于中、小容量的高精度控制系统。多数中、小功率直流调速系统已用PWM变换器取代晶闸管整流器，我国直流调速正向脉宽调制方向发展。

图2.1 PWM变换器原理图和电压波形

变换电路有多种形式，本次毕业设计采用H桥式电路，这时，电动机两端的电压的极性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，控制方法采用双极式。

双极式控制的桥式可逆变换器有以下优点：

1. 电流一定连续；

2. 可使电动机在四象限运行；

3. 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；

4. 低俗平稳性好，系统的调速范围宽；

5. 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保障器件的可靠导通。

   双极式控制可逆变换器的驱动电压关系为U_g1=U_g4=-U_g2=-U_g3，在一个开关周期内，当t＜t_on时，Q1和Q4导通，U_AB=U_S。当t＞t_on时，驱动电压反相，但Q2和Q3由于受续流二极管反向电压钳住却无法导通，电枢电流沿二极管VD2、VD3续流，U_AB=-U_S。因此U_AB在一个周期内具有正负相同的脉冲波形。

   调速时，ρ的可调范围为[0,1],相应的，当ρ＞0.5时，U_d＞0，电动机正转，当ρ＜0.5时，U_d＜0，电动机反转，当ρ=0.5时，U_d=0，电动机停止。

   图2.2 桥式可逆PWM变换器

   图2.3 PWM变换器的驱动电压波形

   选取西门子的BSM300GB60DLC型IGBT，耐压600V，电流375A，工作极限温度65℃。

   IGBT的驱动电路采用IR2110芯片。IR2110芯片是一种Ｈ半桥、栅极驱动、高压、高速单片式专用功率器件集成驱动电路，２片IE2110就能构成H全桥功率IGBT管可逆PWM他励直流控制系统主控回路。它将输入逻辑信号转换成同相低阻输出驱动信号，可以驱动同一桥臂的两路输出，驱动能力强，响应速度快，工作电压比较高，还具有快速完整的保护功能。

   图2.4 IGBT驱动电路

   电流检测电路利用霍尔元件，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因而可以利用霍尔器件的输出信号，直接反映导线中的电流强度，再经过A/D转换输送给单片机。电流传感器拟采用CS50-P。由传感器测得的电流由I/V变换电路输入给DSP引脚。形成电流环。

   图2.5 电流传感器工作原理

   常用的速度传感器有测速发电机、光电编码盘等。测速发电机是模拟测速，它的输出含有大量的谐波分量，测速方法的精度不够高，对于精度要求高、线性度好的系统，往往需要采用光电编码器测速。本设计拟采用光电增量式编码器作为测速反馈元件，将其与电动机连轴，当电动机转动时，带动光电码盘转动，发光元件发出的光经过光电码盘时，由于码盘是由多个栅格组成，所以码盘转动时，在光敏元件上会产生多个矩形脉冲。微机对该信号采用M/T法测速处理。M/T法是同时测量检测时间和在此检测时间内高频脉冲发送的脉冲数来确定被测转速。它是用规定时间Tc以后的第一个测速脉冲去终止高频脉冲发生器，并用此计数器的示数M₂来确定检测时间，n=60 M₁f₀/(ZM₂)。此法在高速段和低速段均可获得较高的分辨能力，测速范围广，是应用最普遍的测速方法。

   图2.6 光电编码器工作原理图及输出波形

   本设计以微处理器为核心，控制电路拟采用STC12C5A60S2作为控制芯片，它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。因为它具有2路PWM，所以PWM波形的生成可以采用软件方法来模拟，应用指令延时实现PWM的输出，这样比较容易实现，可以节约硬件成本。

   图2.7 微机控制双闭环直流调速系统原理框图

   本设计拟在matlab/simulink中搭建仿真模型。为了获得较高的动、静态性能指标，控制系统采用转速、电流双闭环控制。转速闭环控制直流调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除了负载转矩扰动对稳态的影响，但单闭环系统不能按照要求充分控制电流的动态过程。为了同时满足动态性能和稳态性能指标，引入电机转速、电枢电流等反馈量，构成转速、电流双闭环调速系统，增设了电流内环后，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，其动态结构图如下。

   图2.8 双闭环直流调速系统的动态结构图

   转速、电流双闭环控制是目前应用最广的直流调速系统，它的静、动态性能优良。转速调节器使转速可以跟随给定电压快速变化，稳态时减小转速误差，对负载变化起抗扰作用；电流调节器使电流跟随外环调节器的输出量变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态变化时，保证电动机获得最大允许电流，从而实现快速动态变化。在设计时，先设计电流调节器，然后再把整个电流环当作转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。为了获得良好的性能，转速和电流调节器均采用PI调节器。

   图2.9 双闭环直流脉宽可逆调速系统仿真模型

3. 研究计划与安排

第1周 撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范。

第2周 修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义、实现目标、完成内容、技术路线进行论述，重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解。

第3周 撰写毕业设计论文目录，需要获得指导老师认可。

4. 参考文献（12篇以上）

1. 林云生. 船舶电工技术学科发展综述[c]. .电气技术发展综述.:中国电工技术学会,2004:48-53.

2. 杨涛.综述现代电力电子技术在电力系统中的发展现状[j].科技风,2020(05):196.

3. http://m.elecfans.com/article/716223.html

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