四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统设计毕业设计（论文）word格式.doc

运控课程设计报告运动控制课程设计与综合实验报告 设计课题：四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统设计学 院：信息科学与工程学院专业班级： 自动化0608班 学 号：0901060816 姓 名： 张世强 指导教师： 申群太 同组同学：伍芸辉 蒙畅菲 陈兆铭完成日期：2010年1月 前言 此次课程设计针是对我们所学电力拖动自动控制系统运动控制系统而安排的，所以目的明确，即学以致用。作为一名大四学生，大学期间课程已基本修完，基础知识和专业知识有了一定基础，所以此次课程设计又是自己大学四年所学的综合体现，是毕业设计前的一次“练兵”。课程设计的内容是四辊压延机前辊(开卷机)直流调速系统设计。 本文对直流电动机调速系统进行了设计。尽管近年来，在电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已经基本被功率开关器件所取代，因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制（pwm）；交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统。然而，直流拖动控制毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且我国早期的许多工业生产机械都是采用直流拖动控制系统，所以它在工业生产中还占有相当大的比重，短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动系统包括调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。随着科技的发展，直流调速系统的控制方法不断创新，控制性能不断提高。直流双闭环调速系统可谓直流调速经典方法，具有很好的控制性能，其实现方式也扩展到了全数字数字式。本文首先提出了针对直流电机的多种调速系统，通过对比并结合设计要求最终确定了转速、电流双闭环直流调速系统，并根据工程设计方法对系统进行了设计。通过在实验室对方案进行调试设计，获取了该电机的静态及动态性能，满足设计要求，且性能良好。由于自己水平有限，时间有限，所以只是对压延机开卷机的直流调速系统进行了单方面设计，未对其它方面做深入考虑和涉及。在设计过程中参考了一些文献资料，对其作者表示衷心感谢。设计者2010年1月于中南大学目录前言2第一章绪论51.1四辊压延机开卷机直流调速系统设计背景以及设计要求51.2四辊压延机开卷机的技术特点和发展现状5第二章调速方案选择72.1 直流调速的一般原理72.2 开环直流调速系统82.3 转速负反馈直流调速系统92.4 带电流截止负反馈的直流调速系统102.5 双闭环直流调速系统112.6 四辊压延机开卷机直流调速系统调速方案的选择142.6.1直流电动机调速方法142.6.2开环直流调速系统152.6.3 开环直流调速系统162.6.4 直流双闭环调速系统17第三章双闭环调速系统结构以及各功能模块概述183.1双闭环调速系统结构概述183.2各功能模块概述193.2.1速度调节器193.2.2电流调节器193.2.3锯齿波同步移相触发电路203.2.4电流反馈与过流保护213.2.5转速变换233.2.6零速封锁器243.2.7转矩极性鉴别(dpt)26第四章 双闭环调速系统的常规工程设计284.1设计准备284.2电流调节器的设计294.3转速调节器的设计31第五章 恒张力控制系统的设计355.1 卷曲开卷冲动张力控制系统35第六章 逻辑无环流系统的调试416.1系统实验调试概述416.2触发器的整定426.3系统的开环运行及特性测试436.4系统单元调试456.5小结47第七章 总结48参考文献49致 谢50第一章 绪论1.1 四辊压延机开卷机直流调速系统设计背景以及设计要求四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统的设计压延生产线主要是生产飞机轮胎生产线，四辊压延机是飞机轮胎生产家最关键的生产设备。（一）生产工艺流程及控制要求1、生产工艺流程：帘布放布机 接头硫化机 前三辊电机 贮步架 前四辊电机 干燥机 辊辊压延主机（主机1和主机2） 后四辊电机 2台卷取机 仓库2、控制要求：（1）在压延前，必须给干燥辊加热6080（使帘布烘干水分），给主辊加热至70左右（不至于橡胶冷却硬化）。（2）所有的直流电机可单动也可联动，并均要求电枢可逆。（3）联动时，前四主机和后四主机不允许单动，而前三机可单独停（便于帘布的硫化接头，因有贮布架，也不影响后面的正常工作），卷取机也可单独停（便于2台卷取机换卷）。（4）两台延压主机必须同时起、停或加减速，且控制要求和技术指标完全相同。（5）前张力区的张力（最大为1000kg)通过前四电机来控制，后张力区的张力（1500kg）由后四电机来控制。（6）在给定压延张力情况下，其压延速度由操作人员通过改变主机速度来达到。压延速度前张力通过控制器使前四电机升速使前张力维持不变；同理后张力使后四电机升速后张力维持不变。从而在联动时使主机前后电机的速度达到协调。（7）前四辊（开卷机）电动机工作情况：当给定张力小于zl1所检测的实际张力时，电动机做电动运行，当给定张力大于实际张力时，电动机做发电运行，当实际张力小于150kg时，系统为电流、速度环结构，当给定张力不小于150kg时，系统自动转入电流、张力环结构；断带时，实际张力为0，则自动转到电流、速度环双闭环结构。（二）设计要求：稳态无静差：i5%，空载起动至额定转速的超调量n%10%，张力超调量10%。（三）前四辊直流电动机参数：pnom=17kw，unom=220v，inom=92a，nnom=1500r /min,ra=0.15,gd2=10.5n.m2,r=0.28,允许电流过载倍数=1.21.2 四辊压延机开卷机的技术特点和发展现状四辊压延机，英文名是four-roll calender，有四个辊筒的压延机。辊筒的排列形式有t型、l型、s型和z型等。压延机在橡胶工业中主要用于织物的贴胶、钢丝帘布的贴胶、胶料的压片、胶坯压型、贴隔离胶片及多层胶片贴合等。 图 1-2-1 四辊压延机实物图压延机具有效率高、精度高等特点。其中z型辊筒排列合理，能减少辊筒的弹性变形，便于供料，因此应用较广。压延机的工作原理：压延工艺的必要工作条件之一：胶料与辊筒的摩擦角必须大于接触角，胶料才会被拉入辊距中去。四辊压延机在压延工作的过程中，辊筒是在一定的速比下工作的，使胶料进一步捏合及增加可塑度，最后通过最小辊距，被压延成具有一定的厚度和宽度的胶片；在辊筒挤压力的作用下，把胶片挤压在纺织物或钢丝帘布上。有的需压成一定花纹和形状，有的需要将多层不同用途、颜色、及形状的胶片联合在一起。压延机分两种：1 .普通压延机：国内广泛使用的是普通四辊压延机是6101730型四辊压延机。2.精密压延机：除了具备普通压延机的主要零部件外，还采用了一系列提高压延机精度、压延机速度及方便操作的措施。主要有：斜型、s型（7001800）、z型。中国四辊压延机产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 从什么角度分析中国四辊压延机产业的发展状况？以什么方式评价中国四辊压延机产业的发展程度？中国四辊压延机产业的发展定位和前景是什么？中国四辊压延机产业发展与当前经济热点问题关联度如何诸如此类，都是四辊压延机产业发展必须面对和解决的问题中国四辊压延机产业发展已到了岔口；中国四辊压延机产业生产企业急需选择发展方向。第二章 调速方案选择2.1 直流调速的一般原理理想化直流电动机，直流电动机转速方程可表示为：式中n转速（r/min）； u电枢电压（v）； i电枢电流（a）； r电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（wb）； 由电机结构决定的电动势常数；在上式中，是常数，电流i是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：1） 调节电枢供电电压u；2） 减弱励磁磁通；3） 改变电枢回路电阻r。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。以下介绍在直流调速系统中比较常用的开环控制、转速负反馈控制、转速、电流双闭环控制等控制方法2.2 开环直流调速系统开环直流调速系统原理图如下图2-2-1： 图2-2-1晶闸管电动机调速系统(vm系统)原理图图2-2-1中vt是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置gt的控制电压uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压ud，从而实现平滑调速。这里对晶闸管可控整流器的移相控制是关键。锯齿波同步移相触发电路将在第三章介绍。其整流原理为三相桥式全控整流，基本原理见下图2-2-2。通过改变触发角从而改变ud以进行调速。图2-2-2三相桥式全控整流电路开环直流调速系统控制电路简单，有利于在实验室实现，并且能实现一定范围内的无级调速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统是可以满住要求的。然而，开环直流调速系统没有控制结果的反馈，控制精度不高，在需要调速的生产机械对静差率有一定的要求的场合往往不能满住要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为了保证工件的加工精度和加工后的表面洁净度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大。这时就不能使用开环直流调速系统了。2.3 转速负反馈直流调速系统为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。转速单闭环系统原理图如下图2-3-1：图2-3-1转速单闭环系统原理图 图2-3-2转速单闭环系统结构框图可见转速单闭环系统实际上是开环直流调速系统的“闭环化”。转速单闭环系统将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经检测转化与给定信号相比较并经放大后，得到移相控制电压uct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用p（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成pi(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。与开换系统相比，转速单闭环直流调速系统性能更为稳定。根据转速单闭环系统原理图作如下分析：转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式n=kp*ks*u1/ce(1+k)-id*r/ce(1+k)式中：kp放大器的电压放大系数;ks电力电子变换器的电压放大系数;转速反馈系数u1给定电压设k= kp* ks*/ ce闭环系统的转速降ncl=r*id/(ce(1+k)闭环系统的静差率scl=ncl/nn调速范围dcl=nn*s/( ncl*(1-s)可见经过适当调节kp、ks，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。2.4 带电流截止负反馈的直流调速系统直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电动机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压un= un*，差不多是其稳态工作值的1+k倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压ud一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，例如，由于故障使机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，引入电流截止负反馈，简称截流反馈，保持电流基本不变，使它不超过允许值。带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构框图如下图2-4-1所示。 图2-4-1 环直流调速系统稳态结构框图这种电流负反馈作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随着负载增减。它的静特性分为两段，当时，电流截止负反馈环节不起作用，静特性与只有转速负反馈系统的相同。当后，引入了电流截止负反馈，静特性变为：2.5 双闭环直流调速系统采用转速负反馈和pi调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如龙门刨床、可逆轧钢机等要求快速起制动，突加负载动态速降小的场合，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。这时单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为单闭环系统不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。于是产生了通过转速、电流双闭环来控制电流和转矩的双闭环控制直流调速系统。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能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直流调速系统起动电流和转速波形如图2-5-1所示图2-5-1单闭环直流调速系统起动电流和转速波形图起动电流突破idcr以后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值idm后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，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如图2-5-2：图2-5-2系统理想起动过程波形这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流转矩)受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级)联接，如图所示2-5-3。图2-5-3 转速、电流双闭环直流调速系统 asr转速调节器 acr电流调节器 tg测速发电机 ta电流互感器 upe电力电子变换器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电力电子变换器upe。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环;转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。以下分别对双闭环调速系统的静态特性、动态特性以及抗扰性能进行分析。为分析静特性我们参考如下的系统稳态结构框图：图2-5-4 双闭环调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。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。转速调节器不饱和：ca段静特性从理想空载状态的=0一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。转速调节器asr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调节系统。其静特性如下图2-5-5：图2-5-5 单闭环调节系统静特性图为分析动态特性以及抗扰性能参考双闭环直流调速系统的动态结构图如下图： 图2-5-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制：根据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，而电流内环表现为电流随动系统。（2） 转速超调：由于asr采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， asr 的输入偏差电压 un 为负值，才能使asr退出饱和。这样，采用pi调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3） 准时间最优控制：起动过程中的主要阶段是第ii阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是负载扰动和抗电网电压扰动的性能。对于负载扰动，由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器asr来产生抗负载扰动的作用。在设计asr时，应要求有较好的抗扰性能指标。对于电网电压扰动，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。2.6 四辊压延机开卷机直流调速系统调速方案的选择2.6.1直流电动机调速方法根据直流电机转速方程： (2-1)式中 转速（r/min）； 电枢电压（v）； 电枢电流（a）； 电枢回路总电阻（ w ）； 励磁磁通（wb）； 由电机结构决定的电动势常数。由式(2-1)可以看出，电动机有三种调节转速的方法： (1)、调节电枢供电电压 u； (2)、减弱励磁磁通 f； (3)、改变电枢回路电阻 r。三种调速方法的性能比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。直流调速系统的控制方案比较常用的有开环控制、转速负反馈闭环控制和双闭环控制。2.6.2开环直流调速系统系统原理图如图2-6-1所示。图2-6-1 开环控制直流调速系统如图2-1 所示是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。 但是，龙门刨床常常对静差率有一定的要求。由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度必须是基本稳定，也就是说静差率不能太大。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电机拖动，钢材在几个架内连续轧制，要求各机架出口速度保持严格比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材起拱或拉断。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。2.6.3 开环直流调速系统根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。图 2-6-2 转速负反馈的闭环调速系统转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式： (2-2)系统的精度依赖于给定和反馈检测精度n 给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。n 检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性(1)、闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多；(2)、如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多；(3)、当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围；(4)、要取得上述三项优势，k 要足够大，因此闭环系统必须设置放大器。 闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。2.6.4 直流双闭环调速系统转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用p i调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2-3所示。图2-6-3 转速、电流双闭环直流调速系统结构 asr转速调节器 acr电流调节器 tg测速发电机ta电流互感器 upe电力电子变换器在图2-6-3中，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电力电子变换器upe。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。第三章 双闭环调速系统结构以及各功能模块概述3.1 双闭环调速系统结构概述主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证可逆冷轧机的卷取机系统具有稳定的正反运行特性，则需要设计可逆的调速系统，采用六个晶闸管构成三相桥式整流电路的反并联装置可以解决电动机的正反转运行和回馈制动的问题。其实现方式如图3-1-1所示。 图3-1-1主电路框图对于系统的供电，可将无穷大电网电压经三相变压器变为220v，再通过一系列熔断器等保护措施，输入给桥式整流电路，进而给直流电机和其他装置供电。变压器绕组采用 /y接法，具体方法见主电路变压器的参数计算。主电路的保护措施尤为重要，设计多重保护电路成为必要。在起动开关电路里面设置自锁回路和，在控制电路中发现电流过大，这可使主电路常闭开关km跳开而保护整个系统，当km跳开失败后，由于电流过大，一段时间后快速熔断器受热而熔化使电路跳开，从而避免烧坏电机等设备。上框图中起动开关km部分电路图如图3-1-2所示。 图3-1-2起动开关电路图3.2 各功能模块概述3.2.1速度调节器速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成，对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算。其原理如图3-2-1所示：。图3-2-1速度调节器在图中“1、2、3”端为信号输入端，二极管vd1和vd2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管vd3、vd4和电位器rp1、rp2组成正负限幅可调的限幅电路。由c1、r3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。r7、c5组成速度环串联校正环节。改变r7的阻值改变了系统的放大倍数，改变c5的电容值改变了系统的响应时间。rp3为调零电位器。3.2.2电流调节器电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同，其原理图如图3-2-2所示。图3-2-2电流调节器电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“3”端接推信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推信号（高电平）信号，击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，使角向180度方向移动，使晶闸管从整流区移至逆变区，降低输出电压，保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端，当有高电平输入时，击穿稳压管，三极管v4、v5导通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端，其输入的值正好相反，如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消为零，这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时刻，只有一路信号输入起作用，另一路信号接地不起作用。3.2.3锯齿波同步移相触发电路图3-2-3锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。由v3、vd1、vd2、c1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压ut来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由v1、v2等元件组成的恒流源电路，当v3截止时，恒流源对c2充电形成锯齿波；当v3导通时，电容c2通过r4、v3放电。调节电位器rp1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压uct、偏移电压ub和锯齿波电压在v5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，rp2、rp3分别调节控制电压uct和偏移电压ub的大小。v6、v7构成脉冲形成放大环节，c5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲。3.2.4电流反馈与过流保护图3-2-4电流反馈与过流保护原理图本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源ta1,ta2,ta3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个园孔均为观测孔，不需再外部进行接线，只要将djk04挂件的十芯电源线与插座相连接，那么ta1、ta2、ta3就与屏内的电流互感器输出端相连，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。(1)电流反馈与过流保护的输入端ta1、ta2、ta3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至rp1、rp2、及r1、r2、vd7组成的3条支路上，其中:r2与vd7并联后再与r1串联，在其中点取零电流检测信号从1脚输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，“1”端的输出由r1、r2分压所得，vd7截止。当电流反馈的电压升高的时候，“1”端的输出也随着升高，当输出电压接接近0.6v左右时，vd7导通，使输出始终保持在0.6v左右。将rp1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由rp1进行调节。rp2的滑动触头与过流保护电路相连，调节rp2可调节过流动作电流的大小。(2)当电路开始工作时，由于电容c2的存在，v3先与v2导通，v3的集电极低电位，v4截止，同时通过r4、vd8将v2基极电位拉低，保证v2一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，rp2上取得的过流电压信号超过稳压管v1的稳压值，击穿稳压管，使三极管v2导通，从而v3截止，v4导通使继电器k动作，控制屏内的主继电器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器发出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节rp2的抽头的位置，可得到不同的电流报警值。(4)过流的同时，v3由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出，作为推信号供电流调节器使用。(5)sb为解除过流记忆的复位按钮，当过流故障己经排除，则须按下sb以解除记忆，才能恢复正常工作。当过流动作后，电源通过sb、r4、vd8及c2维持v2导通，v3截止、v4导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下sb后，v2基极失电进入截止状态，v3导通、v4截止，电路才恢复正常。3.2.5转速变换转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图3-2-5速度变换图使用时，将电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经r1和rp1分压，调节电位器rp1可改变转速反馈系数。给定图3-2-6电压给定原理图电压给定由两个电位器rp1、rp2及两个钮子开关s1、s2组成。s1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由rp1、rp2来调节，其输出电压范围为0士l5v，s2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。按以下步骤拨动s1、s2，可获得以下信号：(1)将s2打到“运行”侧，s1打到“正给定”侧，调节rp1使给定输出一定的正电压，拨动s2到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到0v的阶跃信号，再拨动s2到“运行”侧，此时可获得从0v突跳到正电压的阶跃信号。(2)将s2打到“运行”侧，s1打到“负给定”侧，调节rp2使给定输出一定的负电压，拨动s2到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到0v的阶跃信号，再拨动s2到“运行”侧，此时可获得从0v突跳到负电压的阶跃信号。(3)将s2打到“运行”侧，拨动s1，分别调节rp1和rp2使输出一定的正负电压，当s1从“正给定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。当s1从“负给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。元件rp1、rp2、s1及s2均安装在挂件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。要注意的是不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将rp1、rp2损坏。3.2.6零速封锁器零速封锁器的原理图如下：图3-2-7零速封锁器原理图零速封锁器由两个具有“山”型继电器特性的电平检测器，逻辑门及延时环节组成，其原理如图3-2-7。零速封锁器的作用是：当给定电压及速度反馈电压均为零时（即调速系统在停车状态），封锁电压调节器的输出，保证电机不会低速爬行或者系统在零速时出现振荡。两个“山”型电平检测器分别对给定和速度反馈信号进行检测，当输入信号为正值时，通过二极管vd1和vd3分别进入运放的反向输入端，而当输入信号为负值时，则通过vd2和vd4进入运放的正相输入端。故当输入信号绝对值大于某值时（0.3v左右）时，运放输出始终为负值，通过二极管vd9和vd10钳位至-0.7v，作为“0” 信号，当输入信号的绝对值小于某一整定值时（0.2v左右），则运放输出正电压，作为“1”信号。因此可得到如图3-2-8所示的“山”型继电特性。图3-2-8零速封锁器的“山”型继电特性当电平检测到输入电压大于0.3v时，其输出为低电平“0”，当电平检测到输入电压小于0.2v时，其输出为高电平“1”。两个电平检测器的输出经与门和非门后，v2的基极为低电平，v2导通，零速封锁器输出约为-15v的电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极，使其关断，从而使电压调节器开放工作，在出现故障时，电平检测器输出低电平“1”，v2基极为低电平，则v2截止，零速封锁器输出0v电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极，使其导通，使调节器的反馈环节短路，输出为“0”。电容c3和电阻r25起延时作用，当与门输出由低电平跳变到高电平时，该电电位由正电源向c3和r25充电，其电位逐渐升高，从而避免在低速运行或换向过程中引起误封锁。面板上装有s1开关，当开关拨到“封锁”时，零速封锁器处于工作状态；当s1开关拨到“解除”时，零速封锁器处于关闭状态。3.2.7转矩极性鉴别(dpt)转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个由比较器组成的模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如图g所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图h所示，具有继电特性。调节运放同相输入端电位器rp1可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的回环宽度为: uk = usr2一usr1 = k1(uscm2一uscm1)式中，k1为正反馈系数，k1越大，则正反馈越强，回环宽度就越小；usr2和usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压； uscm1和uscm2分别为反向和正向输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6v，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝。图3-2-8 转矩极性鉴别原理图 图3-2-9转矩极性鉴别器的输入输出特性2、零电平检测(dpz)零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图3-2-10和图3-2-11所示。图3-2-10零电平检测器原理 图3-2-11零电平检测器输入输出特性逻辑控制(dlc)逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零电平信号进行逻辑运算，切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行。其原理图如图3-2-12所示。其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推b电路和功放电路等环节组成。图3-2-12逻辑控制器原理图 (1)逻辑判断环节逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出um和ui状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换(由um是否变换状态决定)及切换条件是否具备(由ui 是否从“0”变“1”决定)。即当um变号后，零电平检测到主电路电流过零(ui =“1”)时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出uz和uf状态必须相反。(2)延时环节要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令uz或uf 后，经关断等待时间t1（约3ms）和触发等待时间t2(约loms)之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，延时电路中的vd1、vd2、c1、c2起t1的延时作用，vd3、vd4、c3、c4起t2的延时作用。 (3)逻辑保护环节逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。当逻辑电路发生故障时，uz、uf的输出同时为“1”状态，逻辑控制器的两个输出端ulf和ulr全为“0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当uz、uf全为“1”状态时，使逻辑保护环节输出a点电位变为“0”，使ulf和ulr 都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路和环流事故。(4)推环节在正、反桥切换时，逻辑控制器中的g8输出“1”状态信号，将此信号送入调节器的输入端作为脉冲后移推信号，从而可避免切换时电流的冲击。(5)功放电路由于与非门输出功率有限，为了可靠的推动ulf、ulr,故增加了v3、v4组成的功率放大级。第四章 双闭环调速系统的常规工程设计4.1设计准备 图4-1-1 直流电动机变流装置系统结构框图设直流电动机的规格如下：pn=17kw，in=92a，nn=1500r/min，ra=0.15，r=0.28。折算到直流电动机轴的飞轮力矩惯量gd2=10.5nm2。变流装置采用三相桥式整流电路，晶闸管触发整流装置放大倍数ks=40平均延迟时间d=0.0017s。平波电抗器电阻电感ls=0.639*220/（0.05*in）=30.5mh。给定电压usn、速度调节器限幅电压usim、电流调节器限幅电压ucm取usn=usim=ucm=15v。1、 系统固有部分的主要参数计算（1）电动机的电磁时间常数（2）电动机的电动势常量（3）电动机的转矩常量（4）转速惯量（5）机电时间常数2预先选定的参数（1）调节器输入回路电阻r0为简化起见，调节器的输入电阻一般均取相同数值，通常选用1060k，本实例取 r0=(10 k+10 k) =20k（2）电流反馈系数设最大允许电流idm=1.2idn，有idm=1.292=110.4a（3）速度反馈系数（4）电流滤波时间常数tfi及转速滤波时间常数tfn由于电流检测信号和转速检测信号中含有谐波分量，而这些谐波分量会使系统产生振荡。所以需加反馈滤波环节。滤波环节可以抑制反馈信号中的谐波分量，但同时也给反馈信号带来惯性的影响，为了平衡这一惯性的影响，在调节器给定输入端也加入一个同样参数的给定滤波环节。电流滤波时间常数tfi一般取13ms，转速滤波时间常数tfn一般取520ms。对滤波时间常数，若取得过小，则滤不掉信号中的谐波，影响系统的稳定性。但若取得过大，将会使过渡过程增加，降低系统的快速性。本例中取 toi=2ms=0.002s ton=10ms=0.01s4.2电流调节器的设计1. 电流环框图的建立及化简电流环框图如图所示，由于转速对给定信号的响应时间较电流对给定信号的响应时间长得多，因此在计算电流的动态响应时，可以把电动机的转速看成恒量。而恒量对动态分量是不起作用的，因此，为简化起见，可把反电势略去。将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。由于tfi（0.002）和d（0.0017）较ta（0.125）小得多，所以可把前两者构成的小惯性环节合并。ti=0.002+0.0017=0.0037s2. 电流调节器的设计a) 确定系统的类型对电流环，可以校正成典i系统，也可以校正成典ii系统应根据生产机械的要求而定，一般对抗扰性能要求不是特别严格时均采用典i系统设计即可。现将电流环校正成典i系统。电流调节器的选择显然，欲校正成典i系统，电流调节器应选用pi调节器。其传递函数为而电流调节器参数的选取按二阶最佳系统设计，取ti=ta=0.125s根据要求，稳态无静差：i5%，选择=0.707，得电流开环增益：ki=0.5/ ti=0.5/0.0037=135acr比例系数：设取调节器的输入电阻r0=60 k，则ri=kir0=0.870160= 52.2060 k速度调节器的设计速度环框图的建立及化简电流环等效闭环传递函数的求取速度环框图如图7-9a所示，将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。同理，可把两个小惯性环节合并。如图7-9b所示。速度调节器的设计（1）确定系统的类型对速度环，可以校正成典i系统，也可以校正成典ii系统，应根据生产机械的要求而定，大多数调速系统的速度环都按典ii系统进行设计。现将速度环校正成典ii系统。（2）速度调节器的选择显然，欲校正成典ii系统，速度调节器应选用pi调节器。其传递函数为而 （3）速度调节器参数的选取按三阶最佳系统设计，依要求空载起动至额定转速的超调量n%10%设取调节器的输入电阻r0=60 k，则rn=knr0=8.760=524k至此，双闭环直流调速系统的理论设计初步完成，但还需实际调试和修正。4.3转速调节器的设计1)转速环结构框图的建立及化简图4-3-1转速环的动态结构图（用等效环节代替电流环）图4-3-2转速环的动态结构图（等效成单位负反馈系统和小惯性环节近似处理）图4-3-3 转速环的动态结构简化图（校正后成为典型ii型系统）电流环简化后可视为转速环中的一个环节，为此需求出它的闭环传递函数。由4-3-3可得，忽略高次项，可以降阶近似成。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应该为，因此电流环在转速环中应等效为 。这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节，如图4-3-1。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。速度环框图如图4-3-2所示，将非单位负反馈变换成单位负反馈系统，并把两个小惯性环节合并。(2)速度调节器的设计和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中，则速度换结构框图可简化为图4-3-2。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器asr中，见图4-3-2，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因