运动控制系统课程设计——龙门刨床电气控制系统设计.doc

运动控制系统课程设计学 院 ： 专业班级 ： 学 号 姓 名 ： 38目录第一章 课程设计任务及要求11.1 设计目的11.2 设计内容11.3 设计题目及要求1第二章龙门刨床电气控制系统设计方案论述32.1引言32.2 直流电动机调速方法32.3 开环直流调速系统42.4 开环直流调速系统42.5 直流双闭环调速系统52.5.1系统静特性62.5.2系统动态特性72.5.3模拟式双闭环直流调速系统92.5.4数字式双闭环直流调速系统92.5.5数模混合控制系统10第三章直流双闭环调速系统设计123.1系统总体概述123.2主电路设计143.2.1整流变压器的选择153.2.2整流电路晶闸管的选择163.2.3整流晶闸管的保护163.2.4电流互感器的选择173.2.5平波电抗器的选择173.2.6其他保护电路选择及其作用173.3速度环和电流环设计183.3.1 直流双闭环系统设计方法183.3.2 电流调节器的设计213.3.3 速度调节器的设计233.4系统其他功能单元分析253.4.1 给定单元GJ253.4.2 逻辑控制器DLC263.4.3 零电流检测单元DPT和转矩极性单元DPZ263.4.4 零速封锁单元DZS263.4.5 反号器AR263.4.6 电流变换及电流反馈BC263.4.7 晶闸管触发单元CT和脉冲放大电路MT三相移相触发器27第四章 系统实验调试284.1 系统实验调试概述284.2 触发器的整定294.3 系统的开环运行及特性测试294.4 系统各单元的调试30第五章 总结与展望335.1调试心得体会335.2设计调试结论345.3电力拖动自动控制系统展望34附录35附录一：各种整流电路的失控时间35附录二：龙门刨床双闭环直流调速系统原理图35参考文献36第一章 课程设计任务及要求1.1 设计目的运动控制系统是自动化专业的主干专业课，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的知识和理论分析解决运动控制系统设计问题，使学生建立正确的设计思想，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、手册等工具书的能力，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。1.2 设计内容1、根据工艺要求，论证、分析、设计主电路和控制方案，给出系统原理图（2号图纸）。2、设计组成该系统的各单元，并分析说明。3、选择主电路的主要设备，计算其参数（含整流变压器容量S、电抗器的电感量L，晶闸管的电流、电压定额，快熔的容量等），并说明保护元件的作用（必须有电流和电压保护）。4、设计速度环和电流环（或张力环），确定ASR和ACR或（张力调节器ZL）的结构，并计算其参数。5、结合实验，论述系统设计的正确性。1.3 设计题目及要求1、设计题目：龙门刨床电气控制系统设计。2、工艺要求：龙门刨床在刨削加工金属材料时，刨床的主运动是工作台往复的直流运动，工作前进时，为工作行程，即切削行程，此时带动工作台的直流电动机有负载。一个切削过程完毕后，工作台后退时，即反向行程时，刀具抬起，主电动机为空载运行。为提高生产效率，返回速度要高于切削速度。为了减少刀具所承受的冲击，延长其使用寿命，因此在切削行程开始时，工件以低速进入刀具，然后再加速到所需要的切削速度。在前进的末尾，工作台自动减速，保证刀具慢速离开工件，以避免工件边缘的崩裂；同时提高了反向的准确度，因为前进方向降低了速度，也就是说降低了动能。在反向行程（后退）的末尾同样工作自动减速。3、刨床工作台直流调速系统设计要求：调速范围D=20，S=1%，电流超调量，空载起动到额定转速的转速超调量，稳态无静差。4、直流电机参数：，电流过载倍数，电枢回路总电阻，。第二章龙门刨床电气控制系统设计方案论述2.1引言龙门刨床电气控制系统设计是对带动工作台的直流电动机调速系统进行设计，直流电动机调速方式总体来说有两种变电压和变磁通。结合所学的自动控制理论便可得到几种设计方案。直流传动控制系统是高水平现代化龙门刨床的核心，是龙门刨床可靠运行、高效优质生产的关键。2.2 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。2.3 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，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。2.4 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 2-2 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。2.5 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。2.5.1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。n 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。n 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。2.5.2系统动态特性U*n+a 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。2.5.3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。2.5.4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。2.5.5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 直流双闭环调速系统设计本章具体介绍了直流双闭环调速系统的硬件实现，首先总体介绍了系统实现的基本思想，然后分析并设计系统的各个模块单元。3.1系统总体概述根据四辊可逆式冷轧机的卷取机直流调速系统设计的要求，采取如下设计方案。系统原理图如图3-1所示。采用晶闸管电动机调速系统，即VM系统。V是晶闸管可控整流器，它可以是单相、三相或多相的，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压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。即采用调压调速的方式，以实现无级基速以下调速。晶闸管电动机调速系统是在控制作用时间毫秒级的，完全满足系统动态性要求；而且其技术较成熟，成套设备多，成本较低，设计使用相对容易。图3-1 系统原理框图（下页）GJ信号给定单元 ASR速度调节器 DZS零速封锁单元 AZR张力调节器 RC电路过压保护 DLC逻辑控制器BS速度变化及速度反馈 ACR电流调节器 AR反号器DPZ零电流检测器 DPT转矩极性鉴别器 VDR压敏电阻CT和MT三相集成触发电路及脉冲分配和脉冲放大电路BC电流变换及电流反馈和过流保护 3.2 主电路设计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3-2所示。 图3-2 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。电路如图3-3所示。图3-3 系统供电框图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3-4所示。 图3-4 起动开关电路图3.2.1 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一种关键设备，其阀侧相电压选择的是否适合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动机的最高转速达不到设计的要求。通常在计算时主要考虑以下三个因素：电网电压的波动。一般要按规定允许的最低电网电压来考虑。电流变化时产生的压降。一般要按最大工作电流来考虑。最小延迟角，为了防止逆变器颠覆，要合理地选择最小超前角。的选取还必须与相适应。一般可取为为。当采用三相桥式整流电路并带有转速反馈的调速系统时，一般可按下述公式来估算：不可逆系统： (3-1)可逆系统： (3-2)式中，为电动机额定电压则 取2、阀侧相电流变流变压器阀侧相电流可按下式计算： (3-3)其中（三相桥式）则 变压器容量： (3-4)取3.2.2 整流电路晶闸管的选择(1)额定断态重复峰值电压和反向重复峰值电压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： (3-5)其晶闸管与阴极间的最大正向电压： (3-6)则考虑安全余量，电压定额为：取1700V(2)电流定额由于晶闸管是一种具有较少热惯性的元件，在使用中要保证在任何条件下晶闸管的最高工作结温都不得超过其允许的额定结温。所选晶闸管应留有一定的功率裕量，其额定电流(通态平均电流)应高于受控电路的最大工作电流152倍。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： (3-7)取520A3.2.3 整流晶闸管的保护整流晶闸管的保护主要是过流保护以及电流变化（）过快和电压（）变化过快。(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晶闸管过流保护方式有脉冲移相先留保护，直流快速断路器保护，快速熔断器保护等。其中快速熔断器过流保护在晶闸管电路中使用较为普遍，选择与晶闸管串联的快速熔断器额定电流应按如下公式计算并选取数值。当晶闸管额定电流小于200A时，式中为快速熔断器额定电流，为晶闸管额定电流。当晶闸管额定电流大于200A时，式中晶闸管通态平均电流。该龙门刨床电机的额定电流为305A，故有 (3-8)桥臂快熔的额定电流为取820A所以选择的桥臂快熔的型号为： 。3.2.4 电流互感器的选择由于交流变压器副方电流为248A，所选LMZ-0.5型，额定电流为400A，做计量保护用。3.2.5 平波电抗器的选择要求电流连续时电感最小为 (3-9)其中为电动机额定电流的5%10%则：； 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。通常首先确定最小电流（以A为单位），再利用它计算所须的总电感量（以mH为单位），然后减去电枢电感，即得平波电抗器的电感值，所以取Ld6mH。3.2.6 其他保护电路选择及其作用压敏电阻：；取，压敏电阻的型号：MY31-1000/5交流接触器KM1的型号：CJ10-5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的两侧（通常供电网一侧称网侧，电力电子一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧。对大容量的电力电子装置，可采用反向阻断式RC电路。 过电流保护：一般采用快速熔断器，直流快速断路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的保护，直流快速断路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。缓冲电路（吸收电路）：其作用是抑制电力电子器件的内因过电压，或者过电流和，减少器件的开关损耗。3.3速度环和电流环设计电流环和速度环是双闭环直流调速控制系统的核心，这两个环的品质直接关系到调速系统的性能指标。设计环的方法很多，在此选择常用的工程设计方法，这是因为在现代的电力拖动控制系统中，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成，经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统。进而以最为熟悉的典型系统为基本结构，而它的参数和性能指标关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中数据计算一下就可以了。这样就使设计方法规范化，大大减少了设计的工作量。3.3.1 直流双闭环系统设计方法1、系统动态结构分析。-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn电流内环图3-5 双闭环调速系统的动态结构图双闭环调速系统的实际动态结构图如图3-5所示，它与前述的图2-6不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中： 电流反馈滤波时间常数 转速反馈滤波时间常数 在直流双闭环调速系统中速度调节器和电流调节器的作用可归结如下几点：速度调节器作用：(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。2、系统设计步骤。系统设计的一般原则： “先内环后外环” 从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。(1)、选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。电流调节器结构选择：l 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。l 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。转速调节器结构选择：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，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 (2)、设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。(3)、调节器的工程实现3、相关参数计算已知设备参数：电机参数：，电流过载倍数。电枢回路总电阻飞轮力矩惯量。电枢回路电磁时间常数，。电流反馈系数。（ASR限幅值取10V）。速度反馈系数。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。整流装置滞后时间常数。按附录表一中各种整流电路形式的失控时间，三相桥式电路的平均失控时间。电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.02s。转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。 系统固有部分的主要参数计算（1）电动机的电动势常量 (3-10)（2）电动机的转矩常量 (3-11)（3）转速惯量 (3-12)（4）机电时间常数 (3-13)表3-1：调节器参数设计便查表参数数值参数数值额定功率PN/kw60电动势常量Ce/0.1263额定电压UN/V220机电时间常数Tm/s0.3413额定电流IN/A305整流装置滞后时间常数Ts/s0.0017额定转速nN/rpm1500电流滤波时间常数Toi/s0.002电枢电阻Ra/0.1转速滤波时间常数Ton/s0.01过载倍数2速度反馈系数/0.0067电枢回路总电阻Ra/0.2电流反馈系数/0.02电磁时间常数Tl/s0.03电动机的转矩常量Cm/1.20643.3.2 电流调节器的设计1 电流环框图的建立及化简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（几几十倍），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。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：，则将电流环由非单位负反馈等效变换成单位负反馈系统。如图3-6(a)所示。由于(0.002)和(0.0017)较(0.0222)小得多，所以可把前两者构成的小惯性环节合并。如图3-6(b)所示。其中2 电流调节器的设计（1）确定系统的类型3-6 (a) 电流环结构图简化3-6 (b) 校正后电流环动态结构图对电流环，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。（2）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 (3-14)（3）电流调节器参数的选取 确定时间常数查表一可知i. 整流装置滞后时间常数。ii. 电流滤波时间常数。 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：按二阶最佳系统设计，取，电流开环增益：要求电流超调量，取，因此 (3-15)ACR比例系数为： (3-16) 校验近似条件电流环截止频率： (3-17) （1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 (3-18) 满足近似条件。（2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 (3-19) 满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条件 (3-20) 满足近似条件。 计算电流调节器电阻和电容取调节器的输入电阻，则 (3-21) 取 (3-22)取 (3-23) 取3.3.3 速度调节器的设计1. 速度环框图的建立及化简 3-7 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 简化后的速度环框图如图3-7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（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3-8 校正后的典型 II 型系统3. 速度调节器参数的选取（1） 确定时间常数1） 电流环时间常数 (3-24)2）转速滤波时间常数。根据前面分析，取3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 (3-25) （2） 按三阶最佳系统设计，取可求得转速开环增益： (3-26)进而可得ASR的比例系数： (3-27)（3） 检验近似条件转速环截止频率为：1) 电流环传递函数简化条件为 ，满足简化条件。2) 转速环小时间常数近似处理条件为 ，满足简化条件。（4） 计算调节器电阻和电容取调节器的输入电阻，则 (3-28)取 (3-29) 取 (3-30)取 校核转速超调量当h5时，由电力拖动自动控制系统运动控制系统中表2-6查得，不满足设计要求。实际上，由于表2-6是按现行系统计算的，而突加阶跃给定时，转速调节器ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按照ASR退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时负载系数，有前面所计算得数据知：，。当h5时，由电力拖动自动控制系统运动控制系统中表2-7查得，可得 (3-34)可见可以满足设计要求。 双闭环直流调速系统的理论设计到此基本完成，下一步将所设计的控制系统在实验室进行安装调试。3.4系统其他功能单元分析上面只是设计了控制系统最为主要的部分，但一个完整的控制系统要包括给定、反馈、保护、甚至逻辑单元等，下面将简要设计并解释系统其它各个模块单元。3.4.1 给定单元GJG给定单元由模拟电路组成，包含三级放大器，第一级为高倍放大器，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。3.4.2 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，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。3.4.3 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。3.4.4 零速封锁单元DZS当给定信号为零时，电动机应不动，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。3.4.5 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。 3.4.6 电流变换及电流反馈BC由3个同型号（5A/0.3A）的交流电流互感器LH接成星型接法，经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信号；b）DPZ的零电流输入信号Uio；c）电流反馈信号UIF（或Ui）。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。3.4.7 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)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成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保持同步，去正确触发各相晶闸管。另一路是脉冲移动的控制信号，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放一组晶闸管脉冲，另一组晶闸管脉冲被严格封锁，为达到此目的，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的工作情况正确发出指令（或）来接通一脉冲门而同时切断另一脉冲门。第四章 系统实验调试4.1 系统实验调试概述实验目的：1），熟悉和掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试方法和步骤；2），通过实验，分析和研究系统的动、静态特性，并研究调节器的参数对动态品质的影响；3），通过实验，提高自身实际操作技能，培养分析和解决问题的能力。实验内容：1， 各控制单元调试；2， 整定电流反馈系数，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、低时速的静特性；4， 闭环控制特性的测定；5， 改变调节器参数，观察、记录电流和速度起动、制动时的动态波形。技术指标：（1） 电流超调量，并记录有关参数对的影响；（2） 转速超调量，并记录有关参数对的影响；（3） 用示波器测定：系统起动、制动、由正转到反转的过渡时间；（4） 稳态转速无静差。实验调试步骤：1，双闭环可逆调速系统调试原则： 先单元，后系统； 先开环，后闭环； 先内环，后外环； 先单向（不可逆），后双向（可逆）。 2，系统开环调试（1）系统相位整定：定相分析：定相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。4.2 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相、B相、C相的三相锯齿波，分别调节所对应的斜率调节器，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，使间隔均匀，相位间隔60度。（3）触发器移相控制特性的整定：如图4-1所示，系统要求当时，电机应停止不动。因此要调整偏移电阻，使。 图4-1 触发器移相控制特性测得当时所对应的值，该值将作为整定ACR输出最大正限幅值的依据；测得当时所对应的值，该值将作为整定ACR输出最大负限幅值的依据。4.3 系统的开环运行及特性测试（1）高速特性的测试：逐步增加给定电压，使电动机启动、升速。调节Ug(Uct)和灯箱上的开关(即改变RG大小)，使电机电流，转速。给定Uct保持不变，做得高速特性如表4-1所示。改变RG，使负载电流由2.3A下降，并记录所对应的转速和整流电压，即可测出高速时的开环机械特性。表4-1 电机高速特性 Id2.32.11.71Ud (V)288287288293n(r/min)1420143014901510（2）低速特性的测试：调节Ug（Uct）和RG，使电机电流IdIN0.8A，电机仍然旋转，转速n100rpm左右。测得低速特性如表4-2所示。表4-2 电机低速特性Id（A）0.90.80.70.5Ud (V)n(r/min)1501551902804.4 系统各单元的调试1电流调节器ACR的调试先切断主电路和励磁电源开关，切断DJK02中的电源开关；合电源总开关和DJK04中的电源控制开关，DJK04中的电源控制开关，DJK04中的给定电位器逆时针调至零位，使给定Uct为0V。将ACR接成比例调节器，给定Uct为0V，调节放大器调零电位器RP4，使其输出为0V。给定Ug为正信号，其输出应为负，调节负限幅电位器RP2，使其输出限制在触发器的移相控制角min30所对应的Uctm值3V 。当给定Ug继续增大，其值不变。给定Ug为负信号，其输出应为正，调节负限幅电位器RP1，使其输出限制在触发器的移相控制角min30所对应的Uctm值3V 。当给定Ug继续增大，其值不变。2速度调节器ASR的调试调试方法同ACR的调试方法，但输出的正负限幅值为。3反相器AR的调试将输出给定单元输出直接输入AR的输入端，用万用表测量输入与输出，特性应满足式(4-1)。 （4-1）4逻辑控制单元的调试电平检测的调试a）转矩极性鉴别器DPT的调试将输入给定单元输出直接接到DPT的输入端，用万用表或示波器观察其输出。先检测回环宽度（为0.5V左右），调节电位器RP1，使回环宽度对称纵坐标，如特性图(4-2)。 图4-2 入回环特性图b) 零电流监测器DPZ的调试将输入给定单元输出直接接到DPZ的输入端，用万用表或示波器观察其输出。先检测回环宽度（为0.5V左右）；调节电位器RP3，使回环如图(4-3)所示。 图4-3 DPZ特性逻辑控制器DLC的调试DLC有两个输入端：和，若要求两个输入端同时为“1”态或“0”态，其信号可直接从输入给定单元输出端获得；若一个为“1”态可从输入给定单元输出端获得，一个为“0”态则将输入端直接插GND。测试其逻辑功能，逻辑功能真值表应如表4-3所示。表4-3逻辑功能真值表输入Um110001Ui100100输出Uz000111Uf1110006， 系统整体调试(1) 合保护电路开关电动机励磁开关控制电源开关合直流调速主电源开关。(2) 系统动态波形的观察与性能指标分析。 闭环机械特性的测定：先将系统停下来，将发电机输出接灯箱,调节灯的个数和速度给定，使，,给定不变，调节灯亮个数使下降，从而测出其高速机械特性。低速机械特性仿照开环系统