运动控制系统课程设计 - 四辊冷轧机直流调速系统.doc

运动控制系统课程设计 四辊冷轧机直流调速系统第一章 绪论1.1 课程设计的背景、目的和要求(1)设计的背景可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，为提高生产效率，冷轧机要往，返轧制金属材料，直到达到要求的厚度时才停止。在轧制过程中，为了保证产品质量和工艺过程的稳定，冷轧机的榨汁速度需要进行严格的控制，冷轧机的轧制速度一般指轧件出口处的速度，轧制速度作为轧机的一项重要工艺指标，与轧机本身结构和操作过程有很大关系。为了控制轧机的轧制速度，要求轧机左右两边的两台卷取机在从左往右的正向轧制过程中，左边一台卷取机作开卷作用，其工作在发电状态；右边一台卷取机做卷机用，工作在电动状态。若逆向轧制，则两台卷取机工作状态与正向相反。四辊冷轧机的原理见图如下： 图1-1 冷轧机原理图卷取机的机械参数如下：带卷内径（卷筒直径）：500带卷外径：6801100带卷最大重量：2000带卷最大张力：2000卷取机传动比：(2)设计目的运动控制是自动化专业的主干专业课程，具有很强的系统性，实践性和工程背景，运动控制系统课程设计的目的在于培养学生综合运用运动控制系统知识和理论分析解决实际问题的能力，使学生掌握正确的设计思路，掌握工程设计的一般程序，规范和方法，提高学生调查研究，查阅文献及正确使用技术资料，标准，手册等工具的能力，理解分析，制定设计方案的能力，设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力。(3)设计要求a）稳态无静差，电流超调量，空载启动至额定转速时的转速超调量能实现快速制动。b）直流电动机参数：，电枢回路总电阻R=0.18，电流过载倍数，。1.2 四辊可逆轧机的控制过程可逆冷轧机主要由以下几个部分组成：主驱动电路、放卷电机、收卷电机。轧机的工作过程为：主驱动电机牵引钢带从辊缝中穿过，通过下压电机或液压系统对辊系产生压力，从而使钢带产生形变，使出口的钢带变薄，左右收放卷电机产生足够的延伸应力（张力）以绷紧钢带。系统启动后，收放卷电机以设定的张力在主驱动电机的带动下运动，为了不使钢带“松弛”或“拉断”，必须确保系统中每一点钢带的线速度（秒流量）都相等，即张立恒定。钢带每次放完收满以后，通过外部开关实现收、放卷切换。即放卷切换成收卷，收卷切换成放卷，如此循环直至钢带轧制成目标厚度。由上述可知，要对冷轧机进行控制，除了要对其各电机进行调速外，还要在冷轧带钢控制系统中，为了保证产品质量和工艺过程稳定，无论是冷连轧机还是可逆冷轧机均需要恒张力轧制。在可逆轧机张力控制系统中，开卷机、卷取机张力控制精度直接影响成品的板型及厚度公差。因此，生产线最突出的问题是轧制过程中要求开卷、卷取控制系统不仅在稳速轧制过程中维持张力恒定，而且在加减速动态过程中也要保持张力恒定，要求系统能够准确地补偿加、减速等因素引起的动态力矩。按照不同的工艺要求，较典型的张力控制方法有间接张力控制和直接张力控制两种控制方法。第二章直流调速方案论述与选择可逆冷轧机主要是由主驱动电机、开卷电机和卷取电机组成，由此可知，直流传动控制系统是高水平现代化可逆冷轧机的核心，是保证冷轧机可靠运行、高效优质生产的关键，对于直流调速系统的选择尤为重要。2.1 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 电枢电压 电枢电流 电枢回路总电阻 励磁磁通 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; (2)、减弱励磁磁通; (3)、改变电枢回路电阻。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。2.2 开环直流调速系统系统原理图如图2-1所示。图2-1 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，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，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。2.3 转速负反馈的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 2-2 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。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。2.4 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2-3 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2-3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。2.4.1 系统静特性双闭环直流调速系统静态结构图如图2-4图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的静特性如图2-5 所示，n0IdIdnomOnABC图2-5 双闭环直流调速系统的静特性系统静特性分析：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。转速调节器ASR不饱和： CA段静特性从理想空载状态的一直延续到 ，而一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。 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电流闭环调节系统。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，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。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。2.4.2 系统动态特性U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E系统动态结构图如图2-6所示。图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图1、双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：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：1）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；2）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。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。准时间最优控制。起动过程中的主要阶段是恒流升速阶段，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。最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。 2、动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。由动态结构图2-6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。因此，在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。 在双闭环系统中，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。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化相比单闭环系统要小得多。综上，可见直流双闭环调速系统控制性能相比前两种方式要优秀很多，在实际调速系统中得到了广泛的应用。双闭环直流调速系统实现方式可分为三种：模拟式、数字式、数模混合式。2.4.3模拟式双闭环直流调速系统原理图如图2-7所示图2-7 模拟式双闭环直流调速系统电路原理图特点：所有的调节器均用运算放大器实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，但其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。2.4.4数字式双闭环直流调速系统以微处理器为核心的数字控制系统简称微机数字控制系统，硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响。其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。总之，微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。 由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化。离散化和数字化的结果导致了时间上和量值上的不连续性，从而引起下述的负面效应： （1）A/D转换的量化误差：模拟信号可以有无穷多的数值，而数码总是有限的，用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生量化误差，影响控制精度和平滑性。（2） D/A转换的滞后效应：经过计算机运算和处理后输出的数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续的模拟量，再经放大后驱动被控对象。但是，保持器会提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏系统的稳定性。随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。 但微机数字控制系统的主要特点及其负面效应需要在系统分析中引起重视，并在系统设计中予以解决。主电路微机控制电路-U*nUnUiU*iUc 图2-8 数字式双闭环直流调速系统如图2-8所示，在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能 ，即为计算机控制系统。系统的特点：1）双闭环系统结构，采用微机控制；2）全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；3）采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。2.4.5数模混合控制系统实际上，图2-8所示即为模拟数字混合控制系统。它综合了模拟控制系统和数字控制系统的特点：1）转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；2）电流调节器采用数字调节器；3）脉冲触发装置则采用模拟电路。综上，可以清楚看到三种控制策略的优缺点，基于龙门刨床直流电动机的控制性能要求，采用了双闭环直流调速系统，以达到要求的动态性能和静态性能。至于双闭环直流调速系统实现方式，从上面可以看到模拟式、数字式和数模混合式各自的特点，最终选择模拟式双闭环直流调速系统。所以此次设计的方案就是模拟式双闭环直流调速系统。第三章 调速系统的结构设计3.1 主电路的设计 主电路的稳定安全运行直接影响到整个系统的性能，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6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问题。其实现方法如下图3-1所示： 图3-1 主电路图对于系统的供电，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，给直流电机和其他装置供电。变压器采用接法，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。电路图如下：图3-2 系统供电框图在起动开关电路里面设置自锁回路，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，当开关KM跳开失败后，由于电流过大。一段时间后快速熔断器受热融化而使电路断开，从而避免烧坏电机设备。上框图中起动开关KM部分电路如图所示：图3-3 起动开关电路图3.1.1整流变压器的选择 1阀侧相电压 变流变压器是直流调速系统中的一种关键设备，其阀值相电压的选择是否合适又是一个影响系统性能的重要因素。电压选得过高，将会使变压器的容量不必要的加大而造成浪费，还会增加运行中的无功功率。选的过低，将影响系统的工作性能或使电机转速达不到要求。计算时主要考虑以下三个因素：（1） 电网电压的波动。一般要求按规定允许的最低电网电压来考虑。（2） 电流变化时产生的压降。一般，要按最大工作电流来考虑。（3） 最小延迟角，为了防止逆变器颠覆，要合理的选择最小超前角。的选取还必须与相适应。一般可取为。 当采用三相桥式整流电路并带有转速负反馈的调速系统时，一般可按下述公式来估算： 不可逆系统：=（0.951.0）/ 可逆系统：=（1.051.1）/ 式子中，为电动机额定电压则=1.1/=146.07V 取=150V2阀侧相电流 变流变压器阀侧相电流可按下式计算： = 其中=0.816（三相桥式） 则=134.64A 变压器容量： 取3.1.2整流电路晶闸管的选择 1额定电压的确定 由于采用三相桥式整流电路，所以晶闸管承受的最大反向电压： =357.79 其晶闸管与阴极之间的最大正向电压： =206.57 则考虑安全裕量，电压定额为：（23）=715.591073.39，取1200 2额定电流的确定 由于晶闸管是一种具有较少热惯量性的元件，在使用中要保证在任何条件下晶闸管的最高工作温度都不得超过其允许的最大结温。当整流电路的电感足够大，整流电流连续时，对于三相桥式整流电路，晶闸管的额定电流为： 考虑安全裕量，电流定额为：=（23）95.263=190.526285.789（因为电流过载倍数=2.5）,取300 3整流晶闸管的保护 （1）为了限制电压上升率和电流上升率，系统加入了桥臂电抗器，桥臂电抗器采用空心电抗，为了提高电感量，每个电抗器内安置有铁氧磁棒。 （2）用快速熔断器作为过流保护。桥臂快熔断器的额定电流为：300=471.239,取500所以选择的桥臂快速熔断器的型号为:3.1.3电流互感器的选择 由于交流变压器副方电流为134.6，所以选LMZ-0.5-1型电流互感器，额定电流为300。3.1.4平波电抗器的选择要求电流连续时电感最小为：；其中为电动机额定电流的5%10%，即则L=平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常，首先选定最小电流，再利用它计算所须的总电感量，减去电枢电感，即得平波电抗器的电感值。所以大约取。3.1.5其他保护电路及其作用a) 压敏电阻： ；取=1000压敏电阻型号：MY31-1000/5b) 交流接触器KM1的型号：CJ10-5c) 过电压保护：使用RC网络和RCD为抑制内因过电压。RC过电压抑制电路可接于供电变压器两侧，或电力电子电路的直流侧。对大容量的电力电子装置，可采取反向阻断式RC电路。d) 过电流保护：一般采用快速熔断器，直流快速熔断器和过电流继电器等措施。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段保护，直流快速熔断器整定在电子电路动作之后实现保护，过流继电器整定在过载时动作。3.2 系统其他功能单元分析限于篇幅限制，相关功能单元电路图参见附录四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统原理图，在此仅对其功能和原理做简单分析：3.2.1 给定单元GJG给定单元由模拟电路组成，包含三级放大器，第一级高倍放大器，第二级为积分器，经过RC积分输出电压变为斜坡信号，且为负相，与给定电压方向相反。积分变化率通过调节电位器RP来改变，积分快慢通过调节RC来控制。最后一级为反向器。3.2.2 逻辑控制器DLC逻辑控制环节DLC主要是为了实现无环流，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正反组的自动切换，其输出信号用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，输出信号用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。结构上主要分为逻辑控制和延时控制，考虑换组运行的参考依据是转矩极性和电流是否为零，所以DLC输入信号是转矩极性和电流状态。DLC的逻辑如下：正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR；反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR;反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF；正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF。3.3.3 零电流检测单元DPT和转矩极性单元DPZ转矩极性检测单元和零电流检测单元在结构和实现电路方面完全相同，都是一个回滞比较器，但由于其功能不同：零转矩检测单元是检测转矩正负极性，零电流检测单元检测电流是否为零，所以具体的参数不同，特性曲线也就不同。3.3.4 零速封锁单元DZS当给定信号为零时，电动机应该不动，然而，由于各调节器存在零点漂移将导致电动机爬行。为确保零位时电动机不会爬行，一定要将调节器严格锁零，即通过控制场效应管使调节器的输出和输入之间短接。3.3.5 反号器AR由于电流反馈信号的极性总是为“+”，而且，本系统只采用了一个电流调节器，为了保证电流环为电流负反馈环，实现负反馈控制，必须采用一个反号器AR。为此，由逻辑DLC的两个相反端的和信号分别控制电流的给定信号，以使电流反馈永远是负反馈。3.3.6 电流变换及电流反馈BC由三个同型号（5A/0.3A）交流电流互感器LH接成星型接法，经过三相桥式整流后变成极性不可变的直流电压，并分路送出：a） 过流推信号和过流跳闸控制型号；b） DPZ的零电流输入信号；c） 电流反馈信号其中电磁开关J1为主回路的一级保护开关，当出现过电流时，常闭开关J1得电而跳开主回路，起到保护整个电路的作用。3.3.7 晶闸管触发单元CT和脉冲放大电路MT三相移相触发器本处采用了TC787A型芯片，它是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ（或KC）集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗搞、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装备简便、使用可靠，只需要一个这样的集成电路，就可以完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042）（或KC）系列器件组合才能具有的三相移相功能然后经过脉冲放大和脉冲门MT，去触发三相全控桥晶闸管。三相移相触发器有两路输入信号，一路是三相交流同步电源，以保证主电路的交流电压和触发脉冲同步，去正确触发各相晶闸管。另一路是脉冲移动的控制型号，用它来控制触发器脉冲发出的时刻，从而达到控制晶闸管触发角的目的。为了从根本上消除系统的静态环流和动态环流，则必须在任何时刻只允许开发一组晶闸管脉冲，另一组晶闸管脉冲被严格封锁，为了达到这个目的，电路上设计了两个模拟电子开关脉冲门MT1、MT2,逻辑控制器根据系统工作的情况正确发过指令和来接通一个脉冲门而切断另一脉冲门。第四章 系统的实现通过第二章的分析可知，直流电机的调速系统选择为双闭环调速系统，有电流环和转速环组成，其中电流环为内环，转速环为外环，结构框图如下：图 4-1 直流电机调速系统结构框图为了达到快速起动的目的，应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再电流负反馈发挥作用。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE图 4-2 双闭环直流调速系统的稳态结构图.转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。 静特性从理想空载状态的一直延续到 ，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。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电流闭环调节系统。稳态时 （4-1）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允许的最大加速度。式（4-1）所描述的静特性是垂直的特性。双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形如下：图 4-3 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 整个动态过程可分为图中表明的、三个阶段。第阶段是电流上升阶段。ASR很快进入并保持饱和状态， ACR一般不饱和。第阶段是恒流升速阶段。ASR始终是饱和的，ACR不应饱和。第阶段是转速调节阶段。ASR和ACR都不饱和。转速调节器的作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器的作用：（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。4.1系统数学模型的建立1、 系统的动态结构框图如图4-4所示。 图4-4双闭环调速系统的动态结构图 直流电动机的参数如下： 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，平均延迟时间。平波电抗器电感。电枢回路总电阻。给定电压、速度调节器限幅电压、电流调节器限幅电压。此次设计中取。2、 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）电动机机电时间常数 3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，本此设计取 （2）电流反馈系数设最大允许电流： （3）速度反馈系数 （4）电流滤波时间常数及转速滤波时间常数 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。电流滤波时间常数一般取13ms，转速滤波时间常数一般取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。本此设计中取 4.2电流调节器的设计 1、电流环框图的建立及化简在图4-8的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互相交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图4-5a所示。忽略反电动势对电流作用的近似条件是 如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。如图4-5b所示。由于和较小得多，所以可把前两者构成的小惯性环节合并，。如图4-5c所示。简化的近似条件为 (a)ACR（b）+-ACR（c）+-图4-5 电流环的动态结构框图及其化简2、电流调节器的设计（1）选择电流调节器结构对电流环，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。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（2）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数，取 电流开环增益：要求电流超调量，取，因此 于是，ACR的比例系数为：1.419（3）校验近似条件 电流环截止频率：1、电力电子变换器纯滞后的近似处理 2、忽略反电动势变化对电流环的动态影响 3、电流环小惯性的近似处理 三个条件都符合要求，故说明设计的参数合理。（4）计算调节器电阻电容调节器的输入电阻，则 取 取 取图 4-6 电流调节器4.3速度调节器的设计 1、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 ，近似的条件为： 速度环框图如图4-7a所示，和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，将非单位负反馈变换成单位负反馈系统，给定信号改为。同理，由于和较小，所以可把前两者构成的小惯性环节合并，。如图4-7b所示。ASR（a）-+-+（b）-+-+ASR图4-7 转速环的动态结构框图及其化简）2、速度调节器的设计（1）选择速度调节器结构对速度环，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，转速环传递函数应共有两个积分环节，所以速度环按典II系统进行设计这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。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（2）计算速度调节器的参数按三阶最佳系统设计，取5，可求得转速开环增益： 于是可得ASR的比例系数： （3）检验近似条件 两个近似条件都符合要求。由电力拖动自动控制系统运动控制系统中表27查表计算得： 转速超调量也符合要求，故说明设计的参数合理。（4）计算调节器电阻电容设取调节器的输入电阻，则 取 取 取图 4-8 速度调节器至此，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。4.4 张力调节器的设计4.4.1间接法张力控制 在带材轧制过程中, 卷取张力是否合适直接影响产品的质量, 过大的卷取张力会影响产品的内部金相组织过小的卷取张力会出现带钢跑偏等现象张力的不稳定会使带钢出现纹波。因此一般薄带的轧制都需要恒张力轧制。下图绘制了其原理：主机速度给定ASRACR主电路电动机加法器电流检测张力给定(-UT)加法器速度检测卷径变化电位计加法器励磁电流调节器励磁电路励磁电流检测图4-9 间接法张力调节系统对卷取机采用直流电动机的轧制设备而言, 其卷取张力直接跟电动机的电枢电流、电势和卷取线速度等参数有关。系统的设计依据要实现恒张力轧制, 首先必须使卷取机的卷取线速度与主轧机轧制线速度同步, 并保持恒定。4.4.2直接法张力控制目前一些较精密的薄带轧制设备多采用张力传感器作为检测元件直接检测钢带张力, 通过计算机分析、控制, 达到恒张力控制的目的。这种方法由于张力传感器价格很高, 且需大量的计算机软件支持, 因而整个系统的价格昂贵, 而且对传感器的安装要求很高, 需较高技术的人员维护。 直接张力控制方式利用张力计测量带钢的实际张力，并将它作为反馈信号，构成闭环控制系统，使张力达到恒定。控制结构图如图7所示：BF为张力检测环节；AFR为张力调节器；A为功率放大装置； M1为相邻的主机传动电机；M2为卷取电动机。AFRAM1M2BFV1V2张力反馈值张力给定值图4-10直接法张力调节系统该张力控制方式的主要优点是:控制系统简单，避免了卷径变化、速度变化和空载转矩等对张力的影响。因此，当张力计的检测精度较高且数据电气传动时，可采用最大力矩控制方式工作且具有许多优点。 第五章 逻辑无环流系统的调试5.1系统实验调试概述一.实验目的1、理论联系实际，把“自动控制系统”、“电力电子变流技术”等课程所学的理论应用于实际，掌握和巩固可逆调速系统的组成和工作原理和主要优缺点。2、熟悉和掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试方法和步骤。3、通过实验，分析和研究系统的动、静态特性，并研究调节器参数对动态品质的影响。4、通过实验，使同学提高实际操作技能，培养分析和解决问题的能力。二.实验内容逻辑无环流可逆调速系统的优点是,可省去环流电抗器,没有附加的环流损耗,从而可以节省变压器和晶闸管装置的设备容量。和有环流系统相比,因换流失败而造成的事故率大为降低。其缺点是由于延时造成了电流换向死区,影响了系统过渡过程的快速性。普通逻辑无环流系统,在电流换向,待工作组刚开放时,由于整流电压和电动机反电动势相比加会造成很大的电流冲击。例如,系统的正向制动过程,在本组(正组) 逆变结束后,其反组(待工作组)脉冲在min 位置,因此反组是在整流状态下投入工作的。此时反组的整流电压和电动机反电动势同极性相加,电动机进入反接制动状态,迫使主电路的反向电流迅速增长,产生电流冲击和超调。控制系统正是利用电流超调将反组推入逆变状态的。为了限制这种换向时的电流冲击,应使反组(待工作组) 在逆变状态下投入工作,使它组制动阶段一开始就进入它组逆变子阶段,避开了反接制动,逆变电压与电动机反电动势极性相反,冲击电流自然就小得多了。虽然这样做会使反向制动电流建立得慢一些,但不至于出现过大的冲击电流,这对系统是有利的。电流给定极性信号（转矩极性）零电流检测信号电平检测逻辑判断延时电路联锁保护封锁反组脉冲封锁正组脉冲UfUr运算放大器实现（滞回）CPLD实现图5-1 无环流逻辑控制器的组成及原理1、 各控制单元调试。2、 整定电流反馈系统，转速反馈系数，整定电流保护动作值。3、 测定开环机械特性及高、低速时的静特性。4、 闭环控制特性的测定。5、 改变调节器参数，观察、记录电流和速度起制动的动态波形。三实验步骤及实验数据： 1双闭环可逆调速系统调试原则：1) 先单元、后系统；2) 先开环、后闭环；3) 先内环、后外环；4) 先单向、后双向2系统开环调试1) 系统相位的整定：定相的目的是根据各相晶闸管在各自的导电范围，触发器能给出触发脉冲，也就是确定确定触发器的同步电压与其对应的主回路电压之间的 正确相位关系，因此必须根据触发器结构原理，主变压器的接线组别来确定同步变压器的接线组别。2) =90的整定3) 制定移相特性4) 带电机整定和3系统的单元调试1) ASR,ACR和反相器的调零，限幅等2) 逻辑单元（DLC）的转矩特性和零电流检测的调试 4电流闭环调试（Ri,Ci,Coi等相关参数的整定） 5转速闭环调试（Rn,Cn,Con等相关参数的整定）5.2触发器的整定：1) 先将DJK02的触发脉冲指示开关拨至窄脉冲位置，合DJK02中的电源开关，用示波器观察A,B,C三相的锯齿波，分别调节所对应的斜率，使三相锯齿波的斜率一致。2) 观察DJK02中VT1VT6孔的六个双窄脉冲，使之间隔均匀，相位间隔60度。3) 触发器移相控制特性有三个参数的整定尤为重要：a）系统初始相位（脉冲零位）的整定和偏移电压Up的整定。它决定系统工作的初始状态。本系统要求Uct=0V时，=90，电机应停止不 动，因此要调整偏移电压Up使=90。b）测得当=min=30时所对应+Uctm值，该值将作为整定ACR输出最大正限幅值的依据，实验中取的是+3V。c）测得当=150（=min=30）时所对应的-Uctm值，该值将作为整定ACR输出最大负限值的依据，实验中取的是-3V。图 5-2 触发器移相控制特性5.3系统开环运行及特性测试1) 高速特性测试：逐步增加给定电压，使电动机起动，升速。调节Ug和滑动变阻器的阻值，使电动机电流Id=2.3A,转速n=1600rpm。给定Uct保持不变，得高速特性表如下：表5-1高速特性Id（A）2.32.11.71n（rpm）14201430149015102) 速特性测试：调节Ug和滑动变阻器的阻值，使电机电流Id=0.2A，电机任然旋转，转速调节n=100rpm左右。测得低速特性表如下：表5-2低速特性Id（A）0.90.80.70.5n（rpm）1501551902805.4系统单元调试1）电流反馈系数的整定与过流保护的整定：电流反馈强度整定：实验中考虑速度调节器的限幅值为5V，电机最大起动电流为2A，调节Uct使Id=2A时，调整电流反馈电位器使Ufi=5V。 即 （5-1）过流保护整定：当Uct缓慢升高，电流不断增大，当电流表A示为2.5A时，过流报警系统投入工作，若过流报警系统提早或延迟则可调节面板上的过流整定电位器，直到可靠动作为止，这样过流保护整定在2.5V动作。2）速度反馈系统系数的整定：缓慢给定+Uct，使电机起动并升速，当电机升速到电机的额定转速1450rpm时，检查反馈极性应为负，实验中考虑到若速度给定为6V时，对应的转速为1450rpm，调节速度反馈强度电位器，使速度反馈电压为Ufnm=-6V。 即 （5-2）3）零速封锁单元的检查与调节器的调试：DZS调试：若给定为0V，则DZS输出为“1”态；若给定为某一数值（0.5V-1V），则DZS输出为“0”态。电流调节器ACR调试：当给定为0V时，其ACR输出应为0V；当给定为正，其输出应为负，调节负限幅电位器，使其输出限制在触发器的移相控制角min=30所对应的-Uctm值，即为-3V，当增加给定时，其值应不变；当给定为负，其输出应为正，调节正限幅电位器，使其输出限制在触发器的移相控制角min=30所对应的+Uctm值，即为+3V，当增加给定时，其值应不变。速度调节器ASR调试：调试方法与调试电流调节器完全相同，但输出的正、负限幅值为5V。反相器AR调试：调节比例，使其Usc=-Usr。4) 逻辑控制单元的调试：转矩极性鉴别器DPT调试：调节电位器，使环宽对称纵坐标。图 5-3 DPT输入输出特性图零电流检测器DPZ调试：调节电位器，使回环向纵坐标右侧偏移0.1V左右。图 5-4 DPZ输入输出特性图逻辑控制器DLC调试：输入各组信号，得到相应的输出信号，如表4-3。输入VT110001VZ100100输出UF111000UR000111表5-5逻辑控制器真值表5) 电流环闭环调试：先调正组，后调反组，然后再反并联。给ACR输入突加给定信号（阶跃信号），用示波器观察电流的动态波形，电流超调量是否符合设计要求（），若不符合，则改变ACR的PI参数，直到符合要求为止。同时读出电流的调节时间，以便确定电流环跟随电流给定信号的能力。6) 速度环闭环调试：先调正组，后调反组，然后再反并联。给ASR输入突加给定信号（阶跃信号），用示波器观察测速反馈两端的起动速度波形是否满足的设计要求，若不满足，改变速度调节器的PI参数，