（模式识别与智能系统专业论文）基于直流数字调速方案的龙门刨床电控系统改造.pdf

摘要 摘要 龙门刨床是机械加工行业中用途比较广泛的一种大型关键设备。目前我国许多 厂家仍然在使用的老式龙i - j n 床中大多数都是上个世纪九十年代前制造的a 系列 大型龙f - j n 床。a 系列龙f - j n 的主拖动系统采用的是交磁扩大机一发电机一电动机 ( k f - d ) 调速系统，电控部分采用的是传统的继电器逻辑控制方式，因此存在着 诸如能耗高、精度低、调速范围窄、控制线路复杂、稳定性差、故障率高等一系 列问题。本课题正是在认真地分析和研究了龙门刨床原控制系统的基础上，针对 原系统的缺陷和用户的要求，设计了以可编程控制器为核心，全数字式直流驱动 器为调速单元的直流调速控制方案，对一台老式龙门刨床的电控系统进行了全面 的大修和改造。 具体方案是采用一台英国c t 公司制造的m 3 5 0 r 全数字式直流电机驱动器代替 原来的k f d 机组，实现对工作台拖动电机的驱动和调速；用一台三菱公司的 f x 2 n - 8 0 m r 型p l c 与接触器和直流驱动器联机控制取代传统的继电器一接触器控制 系统，从而省去了大量不必要的中间继电器、时间继电器和可调电阻；采用0 m r o n 新型无触点接近开关代替了原来工作台老式的机械行程开关，增加了工作台换向 的安全性和可靠性。此外新系统还增加了设备的磨削功能，扩大了该龙i - j n 床的 加工用途。 本论文详细地给出了整个系统电路( 包括电机拖动电路、直流调速电路及逻辑 控制电路) 的工作原理和具体实现，并对龙f - j n 的各个动作的实现及系统调试作了 详细说明，同时对相关的控制理论也进行了分析研究。 通过改造后新系统克服了原控制系统的一系列缺点，系统的调速性能和稳定性 得n t 极大的改善，节能效果显著，且经济实用易于维护，为用户创造了良好的 经济效益。 关键词：龙i - j n ，直流数字驱动器，p l c 控制 a b s t r a c t a b s t r a c t d o u b l e h o u s i n gp l a n e ri sc o m m o nl a r g e - s c a l ek e ye q u i p m e n t i tw a sw i d e l yu s e d i nm e c h a n i c a lp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s a tp r e s e n t ，m o s to ft h eo l d p l a n e r sw h i c hw e r es t i l l u s e di n0 1 1 1 c o u n t r ya leas e r i e so fd o u b l e - h o u s i n gp l a n e r t h em a i nd r i v eo ft h o s e p l a n e r su t i l i z ea m p l i f y - g e n e r a t o r - m o t o rd r i v es y s t e m , t h em a i ns h o r t c o m i n g so ft h e s y s t e ma r eas e r i o u sw a s t eo fe n e r g ya n dl i m i t e ds p e e dr a n g e i na d d i t i o n , b e c a u s et h e l o g i cc o n t r o lo fo l dp l a n e ri sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lr e l a yc o n t r o ls y s t e m st h e r e f o r ea s e r i e so fq u e s t i o n sa r ee x i s t e d s u c ha sc i r c u i tc o m p l e x i t y , p o o rs t a b i l i t y , a n dh i g h e r f a i l u r er a t e a f t e ri tw a sa n a l y z e dc a r e f u l l yt h a tt h eo r i g i n a ld o u b l e - h o u s i n gp l a n e r c o n t r o ls y s t e mw h i c ha i m i n gt oo v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft h eo r i g i n a ls y s t e ma n dt o s a t i s f yt h eu s e r sr e q u i r e m e n t s ，an e wr e f o r m a t i o np r o g r a mo ft h eo l dd o u b l e h o u s i n g p l a n e r se l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e dt h i sa r t i c l e , t h i sp r o g r a mu s e sa p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 勰t h ec o n t r o lc o r e ，a sw e l la st h ed cd i 西t a ld r i v e 嬲a s p e e dc o n t r o lu n i tf o rt h ed cd r i v es y s t e m t h es p e c i f i cr e f o r m a t i o np r o g r a m sa r ea sf o l l o w s f i r s t , i n s t e a do ft h eo r i g i n a l k - f - dg e n e r a t i n gu n i t s ，t h ep a p e ru s e dt h em 3 5 0 rd cd i g i t a ld r i v et oi m p l e m e n tt h e s p e e dc o n t r o lo ft h ew o r k b e n c hd r a gm o t o r s e c o n d ，i n s t e a do ft h e t r a d i t i o n a l r e l a y - c o n t a c t o rc o n t r o ls y s t e m ，am i t s u b i s h if x 2 n - 8 0 m rp l ca n dc o n t a c t o r sa r eu s e d i np e r f o r m i n gl o g i cc o n t r o l ，t h u sal a r g en u m b e ro fu n n e c e s s a r ym i d d l er e l a y s 、t i m e r e l a ya n da d j u s t a b l er e s i s t o ra r ee l i m i n a t e d m e a n w h i l e , o m r o np r o x i m i t ys w i t c h e s a r ea d o p t e dt or e p l a c et h eo r i g i n a lo l d f a s h i o n e dm e c h a n i c a lt r i ps w i t c h , s ot h es e c u r i t y a n dr e l i a b i l i t ya l ei m p r o v e m e n tw h e nt h ew o r k b e n c hc h a n g e sd i r e c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ei n t e r r e l a t e dc o n t r o lt h e o r i e sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e ni tw a s i l l u m i n a t e d ，s t e pb ys t e p ，t h a tt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n de l e c t r i c a ls c h e m a t i cd i a g r a mo f t h en e ws y s t e mw h i c hi n c l u d et h ee l e c t r i cd r a gc i r c u i t ，d cs p e e dr e g u l a t i n gc i r c u i ta n d l o g i cc o n t r o lc i r c u i t a tt h es a m et i m e ，i tw a se x p l a i n e dd e t a i l e d l yi nt h i sp a p e rt h a tt h e v a r i o u sa c t i o n sr e a l i z a t i o na n ds y s t e md e b u g g i n g p r o c e s so ft h en e ws y s t e m as e r i e so fs h o r t c o m i n g so ft h eo r i g i n a ls y s t e mw e r eo v e r c o m e db yt h en e w c o n t r o ls y s t e m , w h i l et h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo ft h en e wc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n i i a b s t r a c t g r e a t l yi m p r o v e dt h r o u g ht h o s er e f o r m a t i o n s t h em o s ti m p o r t a n ti st h a tt h en e ws y s t e m h a sa d v a n t a g e si ne n e r g y - s a v i n g 、e c o n o m i ca n dc a nb em a i n t a i n e de a s i l y k e y w o r d ：d o u b l e - h o u s i n gp l a n e r ，d cd i g i t a ld r i v e ，p l cc o n t r o l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：匿之蛰 导师签名： 座复 日期：2 ，。尹年歹月z 多日 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 龙r - j o l j 的结构特点 第一章绪论 龙门刨是工厂的大型关键设备之一，电气设备较为复杂，生产工艺对刨床电力 拖动自动控制系统的要求也越来越高。龙门刨是制造重型设备，如铁路机车，汽 轮机，发电机，矿山设备等不可缺少的工作母机，它主要用来加工大型工件的各 种平面，斜面和槽，特别适宜于加工大型、狭长的机械零件，如机床的床身，箱 体，导轨等，因此在机加工行业里应用非常广泛。龙门刨主要由七部分组成，其结 构如图卜1 所示，其中左图是龙r - i n 的平面布置图，右图是它的横向布置图。 一 。厂1 厂：r 。衫 出u矿些 一 ? 击一一 刘旷 ，一一 图卜1 龙门刨结构示慈图 由龙r - i n 横向布置图可以看出，龙门刨主要由下列七部分组成： 1 床身：是一个箱形体，其上有v 形和u 形导轨。 2 工作台：工作台又称刨台，下面有齿条与传动机构齿轮相啮合，可作往复运动。 3 横梁：平常加工时严禁动作，只在更换工件时才移动，以调整刀架的高度。 4 左右垂直刀架：可沿横梁导轨在水平方向或沿滑板导轨在垂直方向作快速移动 或自动进给。 5 左右侧刀架及进给箱：沿立柱导轨上下快速移动或自动迸给。 6 立柱。 7 4 3 6 5 2 电子科技大学硕士学位论文 7 龙门顶。 1 1 2 龙门刨的工艺特点 龙门刨的运动可分为主运动、进给运动及辅助运动。主运动是指工作台作连 续的往返运动，进给运动是指刀架的进给，辅助运动是为了调整刀具而设的，如 横梁的夹紧放松、上下移动、刀架的快速移动和抬刀等。 龙门刨的生产工艺特点是工作台与工件频繁地做往复运动。在工作行程期间 抬刀电磁铁不动作，刀具是落下的为切削做准备，并且在工作台由返回行程转到 工作行程的- - d , 段时间内刀架电机使进刀机构进刀；在工作台返回行程中，抬刀 电磁铁动作将刀具抬起，并且在工作台由工作行程转到返回行程的- - + 段时间内 刀架电机使进刀机构复位。工件在加工过程中，横梁是不准移动的，只有在加工 完一个工件，准备加工另一个工件时，根据工件的高矮调整刀架的高度时，才需 要移动横梁。横梁运动属“点动性质。为了保证横梁能按要求停在一定的位置 上，还设有夹紧机构。 横梁运动规律如下： 按下横梁上升按钮夹紧机构自动放松放松后横梁上升上升完毕横梁 自动夹紧。 按下横梁下降按钮夹紧机构自动放松放松后横梁下降一下降完毕横梁 回升一回升完毕横梁自动夹紧。 龙1 3 n 床工作台速度运行图如图卜2 所示。 脯卜fii 饲 t 1t 2t 3 t 4 垤尸抓 图1 - 2 龙门刨床工作台速度运行图 图中：0 一- t l 工作台前进起动阶段；t l - 一t 2 刀具慢速切入阶段；t 2 一t 3 加速至稳 2 第一章绪论 定工作速度阶段；t 3 一t 4 稳定工作速度阶段；t 4 一t 5 减速退出工作阶段； t 5 一t 6 反接制动到后退工作阶段；t 6 一t 7 后退给定速度阶段；t 7 一t 8 后退减速阶段； t 8 一t 9 后退反接制动阶段。 刀具切入工件之前减速的目的，是为了减少刀具在切入时所承受的冲击，延 长刀具的使用寿命，称为慢速切入。切入工件后再加速到规定的切削速度。切出 工件之前减速的目的是为了防止工件边缘的崩裂。返回过程不切削工件，为提高 生产率，反向时直接加速到高速返回速度。返回行程再反向到工作速度之前，为 了减少反向时的越位，还要求有一个减速过程【l 】。 1 1 3 龙门刨的工艺流程对电气系统的要求 1 静差度 实际加工过程中由于工件表面不平及材料的不均匀性，将会导致刨削力的波 动，为保证工作台速度不会因负载波动而变化太大，因此对系统的静差度有一定 的要求，一般要求静差度s = 5 v1 0 。 2 对龙门刨主拖动系统的要求 ( 1 ) 要求系统具有较宽的调速范围并且工作台应能在一定范围内进行无级调速， 这是保证获得加工不同材料的工件和使用不同类型的刀具所规定的速度，以满足 生产工艺的要求。 ( 2 ) 在设备自动运行时由于工作台电机速度较高，为了减少刀具所受的冲击与工 件边缘的崩裂，同时也为了减少对机械传动机构的冲击。要求在刀具切入与切出 工件前，以及在工作行程和返回行程的末尾即工作台换向前，工作台电机要能自 动地减慢速度，直至反向后才升速至匀速。 ( 3 ) 要求能独立地调整工作行程与返回行程的速度。工作行程的速度由刨削或磨 削工艺确定，而返回速度则要考虑工件长度、重量以及生产率等综合因素。 ( 4 ) 要求能自动迅速地变化工作台的运动方向，由于龙门刨床的工作台频繁地做 往返运动，为了提高生产率，要求反向过程迅速，从传动机构使用寿命及机床的 精度稳定性来说，要求反向过程平滑，尽可能减小冲击，从能量观点来说，要求 能把工作台的巨大动能转换成有用的能量，节省机床的耗电量。 ( 5 ) 龙门刨的主运动大约在6 7 0 米分钟的范围内调节刨床的切削速度，刀具对 工件处于挤压切削，要求拉力保持恒定的最大值，当速度高于5 0 米分时称为高速 的熔化切削，拉力自动减小，因此要求在低速范围内电力拖动力矩大体保持不变， 3 电子科技大学硕士学位论文 在高速范围内，应保持功率维持不变。 ( 6 ) 要求机械特性平直，在加工过程中工作台的速度不随切削力的变动而改变， 即要求速度的稳定性。 3 刀架的移动、进刀、退刀及抬刀要与工作台的运动有机地配合，在调节时刀架 应能快速地移动。 4 为了保证刨床的各部位动作协调、工作安全可靠，避免因机床的误动作而引起 人身事故，机床必须设置必要的连锁装置。例如在工作台越位、横梁或刀架快速 移动时，连锁功能应能使工作台停止运动【2 1 。 1 1 4 龙门刨自动控制技术的发展历史及现状 龙门刨床的电气控制系统主要包括工作台主传动部分控制和其他辅助设备的 控制两大部分。龙门刨床的自动控制系统由始至今一般有以下四种方式： 1 最早是用交流鼠笼电机拖动，利用皮带、齿轮传动或用电磁离合器来改变进刀 和退刀方向。这种传动方式电气装置简单，但机械结构较复杂并且调速困难，皮 带和离合器经常损坏，这是比较古老的龙i - j n 床现在几乎已经淘汰了。 2 上个世纪6 0 年代出现的采用电机扩大机一直流发电机一直流电动机组成的直流调 速系统，简称k - f d 系统。调速时通过改变交磁扩大机控制绕组上的电压来改变发 电机的输出电压，从而改变电动机电枢两端的电压达到调速的目的。这种调速方 式应该是老式龙门刨床中应用最普遍的一种。利用这种直流机组传动克服了古老 刨床机械结构复杂、难以调速的毛病，系统可靠性和调速性能均相对提高了一些。 但k - f d 系统存在的最大缺陷是，变流过程损耗很大，故系统能耗较高，效率也较 低仅有0 6 - 0 7 左右，且系统的惯性除了受直流电动机的影响外，还受到直流发电 机和电磁扩大机的电磁惯性的影响，故系统惯性大，过渡时间长，换向冲击也大。 3 上个世纪8 0 年代出现的少数采用可控硅一开关磁阻电动机系统改造的调速系统， 简称s c r d 系统。s c r d 系统可省掉扩大机组和发电机组，因而系统能耗小、效率 高，且可控硅基本上属于无惯性环节，故系统反应速度快，电磁惯性小，工作台 换向时平稳、迅速冲击小。但s c r - d 系统也存在着线路复杂、可靠性较差等弊病， 这是由于可控硅过载能力小，在过压、过流、或电流、电压上升率太大的情况下 容易损坏，且触发部分用的半导体元件其特性易受温度影响，故受外界干扰时容 易产生误动作；同时s c r - d 系统调速范围较窄且在低速时静差度大，因而s c r - d 调 速系统应用并不十分地广泛。 4 第一章绪论 4 近年来，随着电力电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制领域的数字化 进程加快，全数字式直流调速技术也不断地完善，因此应用也越来越广泛。基于 全数字直流调速装置的调速系统具有其他调速系统无法超越的优点。因此基于全 数字式直流调速系统的老式龙门刨床电气改造方案也变的非常流行。老式龙门刨 床的电控系统将逐步被淘汰，最终将被全数字直流调速系统完全取代。这是因为 全数字直流调速系统与其他几种调速系统比较具有如下优斛3 】： ( 1 ) 数字调速系统的控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成， 其结构配置和参数调整简单方便，工作稳定，可靠性高不易受环境的影响，且具 有很强的自保护和故障诊断功能。 ( 2 ) 数字驱动装置控制功能强大，由于控制器引入了各种先进的控制规律，如非 线性控制、最优控制和自适应控制等，因此系统可自动适应不同控制对象和控制 场合的要求，实现最佳的控制效果，因此设备的通用性和灵活性都很强。 ( 3 ) 具有很强的通信功能。不仅可与上一级计算机通信，而且在与直流传动装置 之间、p l c 之间、交流传动装置之间都可以通过局域网进行快速的数据交换，构 成分布式计算机控制系统，实现生产过程的全局自动化。 ( 4 ) 数字控制不仅简化了系统的硬件结构，使维修方便，故障率下降，提高了系 统运行的可靠性，还可以方便地对外部或内部信息实现数字滤波，从而提高了系 统的抗干扰能力。 此外由于近年来以变频器为调速单元的交流调速系统已日臻完善，因此采用 变频器对老式龙f l n 的k - f d 机组进行改造，将原来的直流调速系统改造成交流调 速系统的方案也越来越流行。该方案是基于交流变频无级调速的方案，具有控制 线路简单，调速平滑性好，调速范围较大，稳定性高，节能效果好等优点，完全 能够满足刨削加工的要求。但是因为采用该方案时需要更换主拖动电机，增加了 改造成本，且低速段调速性能仍然没有采用直流数字调速方案时理想，因此其推 广应用受到了一定的局限性【4 j 。 1 2 机床改造的意义 我国是一个传统的机械制造大国，但其装备水平却相对落后。特别是一些老 的机械加工企业，目前很多都还在应用建厂之初购进的设备。这些旧设备的整体 技术水平相对落后，效率也很低下，远远不能满足企业的加工要求，设备的落后， 在很大程度上制约了企业的发展。针对目前我国制造业的技术装备现状，对传统 电子科技大学硕士学位论文 机械制造业装备进行改造，解决机械制造业中设备普遍存在的一些问题，用当前 较为先进的技术对旧设备进行改造和提升，具有重大的现实意义和推广价值，同 时也是我国机床制造业发展的必然趋势。 概括说来机床改造具有以下四大意义： 1 节省资金。机床的改造同购置新机床相比一般可节省7 0 左右的费用。大型及 特殊设备尤为明显，一般大型机床改造只需花新机床购置费的1 3 不到。 2 提高了机床的稳定性和加工精度。 3 提高了生产效率。机床经改造后在加工能力和效率上均有较大程度的提高。此 外许多机床通过加装改造后还可以增加设备的新用途，实现单机多用。 4 可采用最新的控制技术。机床改造时可根据技术革新的发展速度，及时地提高 生产设备的自动化水平和效率，提高设备的质量和档次，将旧机床改成具有当今 水平的机床。 1 3 项目来源 中国南车集团资阳机车厂电器设备分厂机修车间的一台b 2 0 1 6 a 龙门刨床，是 济南第二机床厂上个世纪六十年代后期制造的设备。其工作台拖动部分是采用的 电机放大机发电机电动机直流调速系统( k f d 系统) ，电控部分采用的是传统 的继电器逻辑控制。k - f - d 直流调速系统采用的是交流原动机拖动直流发电机，直 流发电机发出的电在作为直流电动机电枢的供电电压的直流调速方案，以实现对 龙门刨床的主拖动直流电动机的速度控制。系统调速时通过电压负反馈、电流正 反馈和电流截止负反馈的高阻电桥系统来改变交磁扩大机控制绕组上的电压从而 来改变直流发电机的输出电压，最终改变直流电动机电枢两端的电压达到调速的 目的。其中电机扩大机控制绕组采用磁差接法，分别将给定电压、电压负反馈、 电流截止负反馈和电流正反馈接到扩大机的两个单独控制绕组上。因此k f - d 系 统控制原理复杂，中间环节很多，故障率较高。 从当时国内的技术水平来讲这种设计是比较先进和可行的。但是随着现代电 力电子技术和计算机技术的飞速发展这种设计就显得落后和复杂了。k - f d 系统的 不足体现在： 1 空载电流很大，并且由于多台电机之间的传递而造成的能量损失较大，因此 k - f d 系统耗电量极大且效率较低。 2 机组起动电流大、对电网容量要求高，且由模拟量调节参数，故温漂大系统稳 6 第一章绪论 定性差。 3 工作台调速范围窄、精度低，加工范围小，仅适于粗刨加工，且低速时速度不 稳，换向冲程大，常出现爬行、越位等现象，影响加工件质量。 4 由于发电机激磁绕组的电感大，电磁惯性也大，所以发电机激磁或消磁的时间 较长，因而造成电动机的起动、反向、停车等过渡过程缓慢，降低了机床的生产 率。 5 电气控制系统落后。采用机组调速和继电器一接触器控制系统，控制原理复杂、 中间环节多、线路复杂、可靠性不高、故障率高、维护量大、各项费用高。 加之该台设备经过了近4 0 年的服役，大部分电器元件已经严重老化，故障率 极高。故障发生的部位和处理时间主要集中在直流拖动系统、继电器、行程开关 和板型电阻部分。由于直流发电机组以及继电器控制系统的线路极其复杂，且许 多元件属于市场淘汰产品因此给维修工作带来极大的不方便。所以该台设备急需 大修加改造，全面恢复各项电气性能指标。 应用户的要求并通过严格的可行性方案论证，我们决定采用当前比较先进的 数字控制方案对该台龙1 t n 床的电控系统进行全面地大修和改造，消除其诸多弊 端，使该龙门刨床重新焕发青春活力并能经济有效地运行，继续为该厂的生产发 挥重要作用。 1 4 本课题的研究意义 龙门刨是工厂设备中自动化程度较高，应用也较广泛的大型关键设备。它的 构成主要分为机械和电气控制两大组成部分。机械部分相对比较稳定。决定龙门 刨床的加工性能和使用寿命，并能使其发挥最大加工潜力的关键因素是它的电气 控制部分。针对目前我国许多厂家仍然在使用的老式龙门刨床，存在的最大问题 就是，其机械部分刚性仍然好，精度也较高，完全能够满足工艺要求，但电气控 制部分则显得不同程度的老化和落后，因而存在着能耗高、故障高、精度低、效 率低等诸多弊端，对产品的加工性能及成本产生极大的影响。因此为了充分利用 机床仍然良好的机械精度以及完好的大功率直流电动机，有必要利用现代控制技 术和电力电子技术对机床的电气控制部分进行技术改造。尤其是像资阳机车厂的 那台老式龙门刨床，已经到了报废的年限，虽然其机械性能仍然完好但电气故障 频发、效率也极低，如果直接将其淘汰势必会给厂家造成巨大的不必要的浪费。 在这种情况下采用当前比较先进的数字控制技术对其电气部分进行全面的大修加 7 电子科技大学硕士学位论文 改造，使其重新焕发青春活力，并在原有基础上对各方面性能指标均有较大程度 地提高，是当时最为经济可行的方案。 本课题正是在对老式龙门刨床原电气控制系统进行了仔细地分析和研究的基 础上，设计了一套低成本高性能的改造方案，已成功应用于实践。运用该方案改 造后的龙门刨床具有硬件结构简单，调速性能好，节能效果显著，且经济实用， 易于维护等特点。因此该方案具有广阔的应用前景，可最大限度地发挥龙i - j n 床 的加工潜力，降低运行成本，故对老式龙门刨床的大修和改造具有良好的借鉴意 义。 1 5 课题任务及本文的主要工作 本课题的任务为采用新的控制方法实现对老式龙门刨床电控系统的全面改造 和升级，从而达到经济有效运行龙门刨床的目的。重点是利用p l c 和全数字直流调 速装置联合控制取缔原k f - d 直流调速系统，实现对龙门刨工作台的自动控制和平 滑调速，消除换向冲击，改善调速系统的各项性能指标。具体目标是实现至少每 小时节约电能1 0 度左右，机床调速范围扩大2 倍左右，机床精度提高一个等级，另 外还要增加设备的磨削功能。 本文的主要工作为基于直流数字调速方案的龙门刨床电气控制系统的设计及 相关理论研究。具体内容包括：龙f - i n 床直流调速系统电路的设计、全数字直流调 速装置的调试及参数设置，以及龙门刨床其它各辅助设备的控制电路的设计和p l c 程序实现等。论文详细地给出了整个系统( 包括主回路、直流调速系统电路、交流 辅助系统电路) 的工作原理和具体实现过程，同时对p l c 程序设计的方法及具体实 现过程也做了详细地说明。 第二章直流调速系统原理 第二章直流调速系统原理 电力拖动控制系统是以电动机为受控对象，对生产机械按工艺要求进行控制的 拖动系统。这类系统的基本部分可以包括电动机、控制电器、检测元件、功率半 导体器件和处理信息的微电子器件等。如果系统采用了数字控制方案，则还可能 包含微型计算机。 电力拖动控制系统一般是以实现一种预定的自动控制功能为目的，来满足生产 工艺和过程的要求，并达到最优的技术经济指标。因此，这类系统总是整个生产 设备中的重要组成部分之一，它的性能和质量将在很大程度上影响到产品的质量、 产量、生产成本和工人的劳动条件。 对于可调速的电力拖动系统，工程上往往根据传动电动机的类型分为直流调 速系统和交流调速系统两类。过去尽管直流电动机与交流电动机相比，它的结构 复杂、价格较高、维修也较麻烦，但是由于它具有较大的起动转矩和良好的起、 制动性能，以及易于在较宽的范围内实现平滑调速等优点，所以直流调速系统一 直在电气传动领域中占有重要地位。目前绝大多数对调速要求较高的生产机械， 仍然采用的是直流调速方式。近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的飞 速发展，以及自动控制理论的广泛应用，交流电力拖动技术也得到了迅猛的发展， 尤其是交流变频器的出现，使得交流电力拖动系统正在逐步地完善和提高，在调 速性能方面几乎可以与直流拖动系统媲美。但是由于本课题中涉及到的龙f - j n 原 来的拖动方式是直流方式而且我们选择的改造方案仍然是采用直流调速方案，所 以接下来就重点介绍一下直流调速系统的相关理论对交流调速理论在此就不再赘 述。 2 1 直流电动机的调速方案 对于电动机来说，它的输出量是转速和转矩，两者的乘积就是机械功率。人们 在使用电动机时最关心的有两个问题，一是当负载变化时电动机的转速如何变化， 二是如何能实现电动机的调速以满足生产的实际要求。由电机学可知他激直流电 动机的机械特性方程式为： 9 电子科技大学硕士学位论文 u r n n = i = 一i 素i o ( 2 - 1 ) e e p 叫 一茜一刍m 仁2 ， 式中：n 一直流电动机转速 u 电枢电压 厶电枢电流 m 电磁转矩； 电枢回路总电阻= + 殇 卜电枢电阻 r 日换向极绕组电阻 p 直流电动机励磁磁通 e 由电机结构决定的电势常数 c ，由电机结构决定的转矩常数 根据式( 2 1 ) 可以看出来，对于一台直流电动机由于e 是由电机结构决定的常 数，因此要实现电机的调速，能改变的参数有三个即电枢回路电阻，励磁磁通 ，以及电枢电压u 。相应就有三种调速方案分别是： 1 改变电枢回路总电阻r 的调速方案； 2 改变电枢供电电压u 的调速方案； 3 减弱电动机励磁磁通的调速方案； 第一种调速方案具有线路简单、经济实用的优点，但是存在着诸多弊端，如 电动机的机械特性较软、能耗高，调速范围窄，且调速不平滑是有级调速等，因 此在实际生产中应用并不很广泛。 改变电枢电压调速是直流调速系统中应用最为广泛的调速方式，这种调速方 式可以在较宽范围内实现平滑的无级调速，而且易于实现可逆调速。由电机学可 知，用调压的方法来调速时都是在电动机磁通保持不变的状态下，调节电枢电压 的高低，从而来改变直流电动机的转速，此外通过调压来调速只能从基速往下调， 这种调速方式电机的最大输出转矩是恒定的，所以是恒转矩调速方式。 通过调节直流电动机励磁磁通来实现调速也是一种重要的直流调速方法。应 用调磁调速时，一般是保持电枢电压为额定值，而电枢的允许最大电流可以不变， 所以是恒功率调速。电动机的允许最大转矩将随磁通减小而下降。用调磁来调速 1 0 第二章直流调速系统原理 的方法，磁通只能从额定值往下调，由于转速与磁通的大小成反比，因此转速只 能从基速往上调【5 1 。 以上这三种调速方式都有其各自的特点和适用场合。对于要求较宽调速范围 的直流无级调速系统来说，以调节电枢供电电压的调速方式为最好。改变磁通量 虽然也能平滑调速，但其调速范围不大，快速性也较差，因此一般不单独使用， 往往只是配合调压方案，在基速( 电动机额定转速) 以上作小范围的升速。但是这种 调速方式有一个突出的优点就是：容量可以做到很大。因此在速度要求不高且容 量又很大的可逆调速系统( 例如大型轧钢机) 中也有应用。有些机械要求调速范围很 大，往往要采用调压和调磁相结合的调速系统。这种系统在基速以下采用调压调 速，基速以上采用调磁调速。 由第一章中介绍的龙门刨生产工艺对主拖动系统的要求可知，龙门刨对直流 调速系统的要求很高，要求在低速范围内保持恒转矩调速，在高速范围内保持恒 功率调速，因此在龙门刨的直流调速系统中采用了调压和调磁相结合的调速系统， 同时还配合齿轮变速箱的机电联合调速方案。 2 2 直流调速控制系统 2 2 1 直流电动机的控制 直流电动机在实际运用中必须控制的量是速度、输出转矩和转向。由电机学 的相关公式可知，直流电机的速度与电枢反电势成正比，与磁通成反比，转矩则 与电枢电流和磁通均成正比，转向简单地由电枢和励磁电压的相对极性决定。因 此以下为必须要控制的量： 1 电枢电压：反电势是电枢电压的一部分。因而若假定磁场不变，控制电枢电压 能完全控制速度直到电枢的最大电压设计值。因电枢电流也是电枢电压的函数， 故在速度能达到的范围内，转矩也可以由电枢电压控制。并且只要磁场是完全激 励的，从零速到最大电枢电压( 基速) 一般能保持最大转矩。 2 励磁电压：它决定励磁电流，从而决定磁通量。若励磁电压能单独于电枢电压 变化，在满功率( 满电枢电压) 下速度可以超过电枢电压提供的基速点并且使电 流为最大值。因为转矩直接与磁通成正比，所以当速度由弱磁开始增加时最大转 矩减少。 总的说来，直流电动机的调速一般是通过控制电枢的端电压来实现的，如果 电子科技大学硕士学位论文 需要速度超过基速，则要求直流电动机驱动器还必须要有控制磁场的能力。 2 2 2 转速电流双闭环直流调速系统 直流调速系统按照系统有无反馈环节，可分为开环控制系统和闭环控制系统； 按照系统是否存在稳态偏差可分为有静差调速系统和无静差调速系统。对于不同 的控制系统，其组成结构及元件各不相同。开环控制系统结构简单、成本低廉、 输入量和输出量之间的关系是固定的。在内部参数和外部负载等扰动因素不大的 情况下，可以采用开环控制系统，如一般的组合机床的控制等。但是，当各种无 法预计的扰动因素，使被调量产生的偏差超过允许的限度时，则不能采用开环控 制而要采用闭环控制系统，如龙门刨、轧钢机等大型复杂设备的控制就必须要采 用闭环控制系统。 1 采用转速电流双闭环直流调速系统的依据 尽管单闭环调速系统，转速调节器采用了p i 调节器后不仅能够保证动态稳定， 而且可以消除静态误差，另外通过引入电流截止负反馈。还能限制电流冲击。但 是系统的动态性能还是不尽人意，因为这种单闭环调速系统，不能在充分利用直 流电动机过载能力的条件下获得快速响应，对扰动的抑制能力也相对较差。因此 其应用范围也受到一定的限制。解决这一问题的唯一途径就是对速度也进行反馈 控制，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，就需要在系统中设置了两个 调节器，构成转速电流双闭环直流调速系统，分别调节转速和电流，电流截止环 在里面作为内环，转速调节环在外面为外环，二者之间实行串级联接。这样就能 克服上述单闭环调速系统的弊端，达到理想的调速性能。为了获得良好的静、动 特性，一般情况下两个调节器都采用p i 调节器。 对于像龙i - j n 床、可逆轧钢机这样的需要经常正反转运行的调速系统，尽量 缩短其起、制动过程的时间是提高生产率的关键因素。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( 转矩) 为允许的最大值，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，又让电流马上降低下来。使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运 行。这时起动电流呈方形波，而转速是线性增长的，这是在最大电流( 转矩) 受限制 的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于电路电感的作用， 电流不能突跳，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为最大值的恒流过程。按照反馈 1 2 第二章直流调速系统原理 控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该物理量基本不变，那么采用电 流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反 馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端；到达稳态转速后， 又希望只要转速负反馈，不再依靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这 种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢? 转速电流双闭环调速系统正是解决这个问题的最佳选择。这也正是本课题拟改造 的龙门刨直流拖动系统决定采用转速电流双闭环直流调速系统方案的依据。 2 系统组成及工作原理 图2 1 转速电流双闭环调速系统结构框图 转速电流双闭环调速系统结构图如图2 1 所示，图中a s r 为转速调节器，a c r 为电流调节器，t a 为电流互感器，g t 为触发装置，u 珂、u 以为转速给定电压和 转速反馈电压，u 、u 为电流给定电压和电流反馈电压，t g 为测速发电机。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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，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，叫做内环，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。系统中的两个调节器的输出都是带限幅的，转 速调节器a s r 的输出限幅( 饱和) 电压，决定了电流调节器给定电压的最大值；电流 调节器a c r 的输出限幅电压，限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。 从转速电流双闭环直流调速系统的机械特性来看，虽然电流负反馈有使静特 性变软的趋势，但是有转速反馈环包在外面，电流负反馈对于转速环来说相当于 一种扰动作用。只要转速调节器的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反 馈的扰动作用就能受到抑制。转速调节器是p i 调节器，整个系统仍然是一个无静差 1 3 厣j，_由 电子科技大学硕士学位论文 的调速系统。这样，当转速调节器不饱和时，电流负反馈使静特性变软可能产生 的速降完全被转速调节器的积分作用消除了。一旦速度调节器饱和，速度环即失 去作用，只剩下电流环起作用，这时系统表现为恒流调节系统，静特性表现出很 陡的下垂段特性。 从动态响应过程看，突加给定电压信号时，转速负反馈还来不及反应，转速 调节器很快处于饱和，输出恒值限幅电压到电流调节器，使电机很快起动。起动 后，转速反馈电压增长，但由于转速调节器的积分作用，只要反馈电压小于给定 电压，转速调节器的输出仍将保持限幅值不变。到转速超出给定值时，使反馈电 压大于给定电压，输入偏差变成负值，才会使转速调节器的输出电压降下来。因 此，速度调节器一直是饱和的，这相当于使转速环处于开环状态，系统只受电流 环的恒值调节作用，保证电机在恒定的最大起动电流下起动。直到转速超调后( 即 超过给定转速值后) ，转速环才真正发挥作用，使转速逐渐趋于稳定。这样，就巧 妙地利用了转速调节器的饱和非线性，在一段时间内把转速环的负反馈作用隔断， 使系统在起动过程中表现为一个恒流调节系统。 由此看来，这样组成的双闭环系统，在突加给定的过渡过程中表现为一个恒 值电流调节系统，在稳态和接近稳态运行中又表现为无静差调速系统。既发挥了 转速和电流两个调节器各自的作用，又避免了单环系统两种反馈相互牵制的缺陷， 从而可以获得良好的静、动态特性。 总之转速和电流两个闭环的作用可归纳如下【6 1 ： 1 转速调节器的作用 1 ) 在稳态运行时使转速跟随给定电压变化，实现转速的无静差。 2 ) 对负载变化起抗扰作用。 3 ) 转速调节器一旦饱和，起着饱和非线性的控制作用，使电流环进行恒流调节。 4 ) 其输出限幅值决定允许的最大电流。 2 电流调节器的作用 1 ) 对电网电压波动起及时抗扰作用。 2 ) 起动时，可限制起动电流，保证在允许最大电流下起动，实现最佳起动过程。 3 ) 在转速调节过程中( 当负载变化时) ，使电流跟随给定电压变化。 4 ) 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保 护作用，如果故障消失，系统能够自动恢复正常。 1 4 第二章直流调速系统原理 2 2 3 逻辑无环流可逆直流调速系统 1 可逆调速系统 龙i - j n 床的生产工艺特点要求主拖动直流电机既能正、反转，又能快速制动， 需要四象限运行。因此就必须要改变电动机电磁转矩的方向，而根据直流电动机 电磁转矩公式m = q 可见，改变电动机电磁转矩肘的方向有两种方法：一是 改变电枢电流d 的方向，即改变电枢供电电压玩的极性；二是改变电动机励磁磁 通的方向，即改变励磁电流的方向。与这两种方法相适应，晶闸管变流器可逆 调速系统也有两类：一类是电枢可逆调速系统，即用改变以极性的方法来改变电 动机的转向；另一类是磁场可逆调速系统，即用改变磁通的方向，来改变电动机 的转向。后者与前者相比具有电机容量小、控制线路简单、经济实用的特点，但 是因为励磁绕组电感量大，使励磁回路的时间常数较大，因此系统响应时间慢； 另外在励磁反向切换过程中，使励磁电流变为零时，若不切断电枢电压，则电动 机会出现弱磁升速，产生与原来方向相同的转矩而阻碍电机反向或发生“飞车 事故，为避免以上现象，势必增加控制系统的复杂性。因此磁场可逆调速系统只 适用于对快速性要求不高且正、反转切换不太频繁的可逆直流调速系统。 通过改变电枢供电电压的极性来实现直流电动机可逆运行的控制线路有好几 种，其中应用最为广泛的一种控制线路是采用两组晶闸管反并联的可逆控制方案。 该方案利用了两组晶闸管整流装置反极性并联，当正组整流装置供电时，反组整 流