四辊压延机的前辊(开卷机)直流调速系统设计

1、中南大学运动控制课程设计与综合实验报告设计题目：四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统设计专业班级：自动化1106 班学生姓名：刘帅伟指导教师：周成训- 2 -目录第一章：绪论11.1 四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统生产流程以及控制设计要求11.2 四辊压延机及开卷机的技术特点和发展现状2第二章：四辊开卷机直流调速系统方案选择32.1 直流调速原理32.2 开环直流调速系统32.3 转速负反馈直流调速系统42.4 带电流截止负反馈的直流调速系统62.5 双闭环直流调速系统7第三章：双闭环直流调速系统结构及各功能模块概述113.1双闭环直流可逆电力拖动系统概述113.2 各功能模块概述1

2、23.2.1 速度调节单元123.2.2 电流调节器133.2.3 电流反馈与过流保护143.2.4 速度反馈与系数整定153.2.5 逻辑控制单元163.2.6 零速封锁单元193.2.7 给定积分单元19第四章：恒张力控制系统的设计204.1 卷曲开卷冲动张力控制系统204.1.1 张力控制系统的一般工作原理204.1.2 间接张力控制和直接张力控制224.1.3 轧机卷取机张力控制系统的应用实例23第五章：双闭环调速系统的常规工程设计275.1设计准备275.2电流调节器的设计285.3转速调节器的设计30第六章：逻辑无环流直流调速系统的调试346.1系统实验调试概述346.2触发器的整

3、定356.3系统开环运行及特性测试356.4系统各单元的调试与参数整定376.5小结42第七章：设计心得与总结43参考文献44第一章：绪论1.1 四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统生产流程以及控制设计要求 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（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60°80°（使帘布烘干水分），

4、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

5、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,GD

6、2=10.5N.M2,R=0.28,允许电流过载倍数=1.21.2 四辊压延机及开卷机的技术特点和发展现状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。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

7、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610×1730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（700×1800）、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

8、、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。开卷机是金属板材校平的专用设备,用于校平线钢板、不平整板可根据相关配置组成开卷、校平、剪切生产线和其它板材制品生产线。适用于机械、车辆、金属制品家用电器、钢构、装饰等行业。第二章：四辊开卷机直流调速系统方案选择2.1 直流调速原理根据直流电机转速方程：

9、 (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

10、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2-2-1所示。 图2-2-1 开环控制直流调速系统（V-M系统）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由图2-1-1 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

11、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。2.3 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

12、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由上述系统结构框图可以得到转速负反馈闭环直流调速系统的静差率特性方程：n=KpKsUn*/(Ce(1+K)-RId/(Ce(1+K); K=Kp*Ks*a/Ce；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Un*给定电压 如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性方程为： n=KpKsUn*/

13、Ce-RId/Ce；则：开环系统和闭环系统的转速降落分别设为nop，ncl nop=RId/Ce; ncl=RId/(Ce(1+K)由此可以得出闭环系统和开环系统的静差率之比为：scl=sop/(1+K); 即闭环系统的静差率要比开环小的多，当K趋于无穷大时，闭环系统的静差率接近于0，但不为0。调速范围：Dcl=Nn*s/( Ncl*(1-s)；Nn为电动机的额定转速即最大转速；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。 上述控制速度的控制器单一采用P控制,P=R1/R0，可以提高系统的响应速率，减小系统的静差率，与开环系统相比，要比开环系统的静差率小的多。如果要想消除静

14、差则可以采用PI调节器，PI调节器对快速性的要求可以差一些，而在随动系统中，快速性是主要要求，须采用PD或者PID控制器。 图2-3-3 PI(比例-积分)调节器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，

15、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。

16、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

17、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

18、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。

19、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

20、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

21、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

22、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。第三章：双闭环直流调速系统结构及各功能模块概述3.1双闭环直流可逆电力拖动系统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 配合控制的反并联连接的有环流可逆调速系统 两组晶闸管通过反并联的方式连接来实现电机正反转的切换，其两组整流

23、桥VF,VR共同一个交流电源。其具体三相半波整流电路的反并联可逆电路如下图3-1-2所示：图3-1-2 两组变流器的反并联可逆电路其主要特征：当VF工作时，VR要严格封锁；当VR导通时，然则VF一定要截止，以免产生环流，造成事故。如果在任何一时刻，两组整流桥中只有一种投入工作，则可以根据电动机的运行状态决定哪一组变流器工作及其工作状态：整流或逆变。图3-1-3绘制了对应电动机四象限内运行时两组变流器（简称正组桥，反组桥）的工作情况。图3-1-3 电动机在四象限内的工作情况第1象限：正转，电动机作电动运行，正组桥工作在整流状态，1 </2，EM<Uda第2象限：正转，电动机作发电运行

24、，反组桥工作在逆变状态，2</2（2 >/2），EM>Udb；第3象限：反转，电动机作电动运行，反组桥工作在整流状态，2 </2，EM<Uda；第4象限：反转，电动机作发电运行，正组桥工作在逆变状态，1 </2（1 >/2），EM>Udb；直流可逆拖动系统，除能方便地实现正反转外，还能实现电动机的回馈制动。第1象限正转，电动机从正组桥取得电能 >先使电动机迅速制动，为此需切换到反组桥工作在逆变状态，此时电动机进入第2象限作正转发电运行，随着电动机转速的下降，不断地调节 ，使之由小变大直至（n=0），如继续增大 ，即 =，反组桥将转入整流状态

25、下工作 > 电动机开始反转进入第3象限的电动运行。3.2 各功能模块概述3.2.1速度调节单元速度调节器主要用运算放大器，输入输出反馈环节，限幅电路以及反号器组成，用于对输入反馈信号进行放大，积分，微分，取反运算从而实现对信号的分析与处理。其原理如图3-2-1所示： 图3-2-1 速度调节单元原理图 上述图中Un*为速度给定输入量，Un为速度反馈输入量，C7，R12为反馈微分0环节，D4,D5用于保护放大器，即限定放大器的最大输入，D1,D2,R9,R10起到限幅的作用。SL零速封锁信号控制晶闸管VT1的关闭。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

26、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电流调节器单元原理图电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“U-1,U-2”端接推信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“”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。“ZK,ZL”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V1、V2导通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“Ui*，Ui*n”端同为输入端，其输入的

27、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“ZK,ZL”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 电流反馈与过流保护根据实验原理，画出电流反馈及其过电流保护单元原理图如下所示： 图3-2-3 电流反馈及其过电流保护单元电路本单元有两个功能，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、

28、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R18，R4，R5,R6及R11，R12，D7组成的3条支路上，其中:R12与D7并联后再与R11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，“I0”端的输出由R11、R12分压所得，D7截止。当电流反馈的电压升高的时候，“I0”端的输出也随着升高，当输出电压接接近0.6V左右时，D7导通，使输出始终保持在0.6V左右。将R18的

29、滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“Ui”端输出，电流反馈系数由R18进行调节。R5,R6串联后与过流保护电路相连，实验前先调试R5,R6阻值大小来调节过流动作电流的大小，调试好后可以不用再次更改，以便实验操作。(2)当电路开始工作时，由于电容C4的存在，V2比V1先导通，V2的集电极低电位，V3截止，同时通过R10、D8将V1基极电位拉低，保证V1一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，R5,R6分压的的过流电压信号超过稳压管Z2的稳压值，击穿稳压管，使三极管V1导通，从而V2截止，V3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

30、醒操作者实验装置已过流跳闸。(4)过流的同时，V2由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“U-1”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、R10、D8及C2维持V1导通，V1截止、V3导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下SB后，V1基极失电进入截止状态，V2导通、V3截止，电路才恢复正常。3.2.4 速度反馈与系数整定 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3-2-4速度变换图使用时，将电

31、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

32、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

33、端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。3.2.5 逻辑控制单元进行逻辑控制时，首先进行DPT,DPZ的检测，即转矩极性检测和零电流检测。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。其原理图如图图3-2-5-1所示。 图3-2-5-1 转矩极性检测转矩极性鉴别器的输入输出特性如下图3-2-5-2所示，具有继电特性。 图3-2-5-2 转矩极性输入输出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

34、 = 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。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3-2-5-3和图3-2-5-4所示。

35、图3-2-5-3 零电平检测器 图3-2-5-4零电平检测器输入输出特性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3-2-5-5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3-2-5-5 逻辑控制单元逻辑控制环节由以下几个部分组成：逻辑判断环节，延时环节，逻辑保护环节，推环节，功放电路。3.2.6零速封锁单元零速封锁器原理图如图3-2-6-1所示： 图3-2-6-1 零速封锁器零速封锁器的作用是：当给定电压及速度反馈电压均为

36、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。3.2.7 给定积分单元积分单元原理图如下图3-2-7所示： 图3-2-7 积分给定单元积分给定单元作用：突加给定将产生振荡，对系统造成较大的冲击，经积分环节输出的积分信号上升平缓，能减小系统的冲击，提高系统的稳定性，可靠性。由来自面板上的给地1输入，经比例积分环节，跟随器后，输出积分Un*。 第四章：恒张力控制系统的设计4.1 卷曲开卷冲动张力控制系统在各种金属加工.造纸.塑料.印染等连续加工生产线中，通常由卷取机.开卷机及两者中间的一系列工艺设备如机架.张力辊等组成。各部分由单独的电动机分布传

37、动，全线被带材连为一体，形成一定的张力，进行协调工作。如对卷取机.开卷机.张力辊等电气传动，需要采用张力调节系统。张力控制方法可分为间接法和直接法两种，目前普遍采用间接法。4.1.1 张力控制系统的一般工作原理在带张力工作的机械中，若忽略电动机和机械系统的空载损耗，张力力矩与电动机的电磁转矩之间有如下关系： 式中 电动机电磁转矩； 张力力矩；U.E.I电动机电枢电压.电动势和电枢电流； F带材张力； D带卷或张力辊的直径； i机械系统的减速比； 电动机转矩常数； 电动机磁通； P电动机输入功率； v带材线速度；得到 根据上式，要维持张力恒定有多种方法，可以根据工艺要求选择。1.维持电枢电流的恒

38、定 在对张力调节不高的场合，从式(8-24)知，课采用调节电动机电流并保持恒定的方法（此时，电动机的端电压应与带材线速度成比例）。图8-5是金属加工线中卷取机和张力辊之间维持张力恒定的一种方法，其中卷取机系统承担控制线速度的作用，而张力控制由张力辊系统来实现，同时采用在电流调节器基础上附加的转速控制系统。当引带时，两个系统都作为转速调节而起作用，控制张力辊的传带速度和卷取机的线速度相一致。 当带材咬入卷筒时，张力辊被带材拉住，线速度提高。张力自动投入后，卷取机与张力辊间建立张力，张力辊系统速度调节器饱和。电流给定值即为ASR2的输出限幅值，将速度调节系统自动转为电流调节系统。电动机M2工作在制

39、动状态。因张力辊的直径恒定，电动机的磁场也不变，故也是一个恒张力调节系统。2.维持电动机的功率恒定 从式(8-23)知，控制卷取机的功率（近似用其电压和电流的乘积代替）与加工线的基准速度成正比，就可以使张力维持恒定。按此原则构成的张力系统见图8-6 。此方案不需调节电动机的励磁。在电流调节器ACR前引入功率调节器APR 。功率反馈信号用电压和电流的乘积得到，功率给定（即张力给定）信号由线速度检测经过张力给定点位器送到速度调节器ASR的限幅输入中。当卷取机工作于换卷引带或断带时，系统外环即速度调节器投入工作，这是一个速度调节系统。当带材咬入后，产生张力，使ASR得反馈值小于给定值，处于饱和状态，

40、其限幅值就是功率（张力）给定值。系统作为一个恒功率调节系统而工作，维持张力恒定。这种系统较为简单，随线速度或卷径变化，调节电枢电压。但由于电动报告会的励磁保持恒定，因而功率利用率低，只适用于小功率，卷径变化比较小的场合。3.维持I恒定和/D恒定 按式(8-25)的关系，分别控制电枢和励磁。控制系统通常由下述两个独立部分组成，见图8-7 。 （1）电枢电流控制部分 用调节电动机电枢电压随卷径变化，改变电动机转速，维持电枢电流不变。电流大小由电流给定值决定。（2）磁场控制部分 调节电动机励磁电流，使磁通随着卷径变化而变化，从而维持/D的比值不变。图8-7所示是这种方案的调节图。当钢带咬入后，电流调

41、节器进入饱和，其饱和值由张力（电流）给定决定。通过电流调节器ACR维持电流恒定。随着卷径的变化，为了维持张力恒定，要求电动机磁通随着变化，并维持/D恒定，这是通过电动机励磁调节器AMR来实现的。卷径测量取自卷取机的线速度和卷取电动机的转速。卷径计算，根据关系进行计算，卷径计算环节的输出，就和卷径D成比例。此输出作为电动机励磁调节的给定值。随着带卷直径变化，泪如卷取工作时时从小到大，则励磁电流输出也相应逐渐增大，电动机的磁通也随之增大，以维持/D恒定。 速度调节器的作用是实现卷取机的点动工作和在断带时限制电动机的转速。这种方案的缺点是：1.不论在高速还是低速，卷取过程的调速全由磁场路来实现，因此

42、在低速时电动机的功率不能充分利用。2.由于，所以电动机允许的弱磁倍速应等于卷曲变化的倍速，当卷取变化很大时，要求电动机弱磁倍速也很大，故电动机体积也很大。3.采用这种方式，电动机容量要由最大张力和最大线速度的乘积来决定，但实际上，大张力仅在低速时需要，也使得电动机的功率不能充分利用。4.按I正比与调节电枢电流I，由式(8-25)知，如果维持I正比与，也可使张力不变，其原理可见图8-8 。这种系统和通常的非独立控制调速系统一样，不管是卷取线速度升高还是卷径减少，要求电动机转速随着卷径减少而升高，转速变化按照在基速以下采用调压和在基速以上采用弱磁的方法。和一般的速度闭环控制比较，其区别在于：在正常

43、卷取工作时，速度调节器ASR是出于饱和状态的，其限幅值等于，用电流调节器自动维持电枢电流与成正比来维持张力恒定。由于这种系统无论是线速度是多少，卷径多大，在基速以下调速时，电动机均在满磁下工作。因此可以合理地利用电动机的容量，而且弱磁倍数与卷径变化范围无关，因而可选弱磁倍数小的标准电动机。4.1.2 间接张力控制和直接张力控制4.1.2.1 间接张力控制间接张力控制，不需要张力传感器或张力测量装置，控制系统中不用张力调节器，张力给定值乘以卷径实际值，作为转矩设定值作用于系统，电动机电流随着卷径的增加而线性增加，张力保持恒定。这种控制方式，速度调节器通过输入一个饱和设定而保持在限幅状态，间接张力

44、控制的优点是，不需要张力计检测实际张力；靠控制电动机电枢电流，并随卷径变化计算电磁转矩来维持张力的恒定。其现实对张力调控的过程属于开环控制。当系统产生扰动时，如摩擦，速度动态变化（dn/dt）等因素对张力波动的消除，靠系统内设置的各种补偿环节来调张力电流的给定值，因而对张力控制的精度低，不能实现反馈控制，适用于张力控制要求较低的系统。4.1.2.2 直接张力控制直接张力控制，需要张力传感器直接测量卷径张力，张力传感器的输出信号作为张力实际值信号反馈到张力调节器的输入端。张力调节器输出为电动机转矩设定值，并通过闭环使卷径变化时的张力恒定，对于传动控制系统，该方式可以近似看成转矩闭环控制。其原理框

45、图见图8-10。其他部分的作用原理，如卷径测量计算，摩擦转矩及加速转矩动态补偿，与间接张力控制工程应用实现方法中所述相同。4.1.3 轧机卷取机张力控制系统的应用实例 卷取机数字控制系统，除基本传动装置以外，另外配置一套带卷取软件的工艺模板或可编程序控制器，来实现卷取机的转矩设定计算，卷径计算，转矩补偿计算和恒张力控制。以西门子公司产品为例，其张力控制系统典型配置见图8-11。其中，基本传动装置为该公司交值流通用控制装置，如6RA70直流传动装置或通用变频器，张力控制多用T400工艺控制模板和卷取软件。 在卷取张力控制系统中，卷取机电动机转矩的计算是该系统的关键环节。电动机转矩由卷取张力力矩，

46、惯性力矩补偿，带钢弯曲力距补偿和摩擦转矩等部分组成。张力力矩，惯性力矩补偿计算均与卷径变量有关，卷径计算和各部分力矩计算精度直接影响到卷取张力控制的效果。 根据电动机转矩公式，可以计算出卷取机电动机电枢电流给定值为并且 =+ 式中 -卷取电动机转矩 -张力力矩 -惯性力矩 -带钢弯曲力矩 -摩擦力矩 -电动机转矩常数 -电动机磁通 卷取电动机电流给定值，送给卷取机传动调速系统，并通过卷取机调速系统的调节作用，控制电动机的负载电流，在正常卷取过程中，速度调节器饱和使电动机处于转矩控制状态，并实现卷取带钢过程的恒定张力控制。主要控制环节包括：1.线速度测量 线速度v是卷取过程中一个重要变量，通常是

47、通过读取卷取机前的偏导上脉冲编码器输出脉冲数并通过计算而获得。设偏导辊直径为D（m），每转一周发出L个脉冲，速度采样周期为T（ms），在一个采样周期共读取x个脉冲，则实际线速度速度（m/s）可由下式求的： V= DX/(1000TL)线速度测量精度与脉冲编码器每转给出的脉冲数及采样时间有关，在转速恒定的情况下，脉冲编码器每转脉冲数越多，采样时间越长，则测量精度越高。2. 卷径计算 卷取机控制系统中卷径信号准确与否直接影响张力控制的稳定性和精确度。对于卷取机有下式： V=Dn/（60i）式中 v带钢线速度（m/s） D卷径（m） 电机转速 I机械减速比卷径计算是通过带钢线速度和电机实际转速按式（

48、8-19）计算得出的，在整个卷取过程中，它是一个积分运算量。因此，在程序中需要确定运算周期t。卷径变化率和卷取时间T。（1）运算周期t的定义 在最小直径=和最大线速度情况下，卷筒转一周的时间，为一个运算周期（s），即 T = (2)卷径变化率p 卷径变化率为单位时间内的卷径变化，即 P= 2d/t式中 d 带材厚度，卷取机每转一圈直径的变化量为2d t 旋转一周的时间（3）卷取时间T 带材卷取过程是从卷筒直径开始到期望的卷径 的过程，可得整个卷径积分运算时间为 T = t3 转矩计算 由图8-12 可知 卷取机转矩设定值由下列部分组成：（1）张力力矩在带钢卷取过程中，应使钢承受一定张力，张力控

49、制的稳定性和精度对钢卷质量影响很大。其卷取张力设定值决定于上位机给定的卷取单位张力，带钢宽度与厚度，在卷取过程中，根据卷取张力及钢卷卷径变化就可以计算出卷取张力力矩，张力力矩计算公式如下： F=WH 式中 F卷取带钢张力（N）； -卷取单位张力（）； W带钢宽度（mm）； H带钢厚度（mm）； D带卷直径（mm）； -卷取张力力矩（N·m）。（2）惯性力矩补偿 在材料线速度恒定条件下，随着卷径的变化使卷取机卷筒转速随着卷径变化，为宝恒恒定的张力，必须根据卷筒连同钢卷自身转动惯量进行惯性力矩补偿。而在带卷卷取过程中，卷筒和钢卷总的飞轮力矩G随着钢卷直径的增大而增大，G变化及惯性力矩补偿

50、计算公式如下： G 式中G-全部飞轮力矩； -固定部分的飞轮力矩（卷筒部分）； -钢卷内径； 钢的密度，; W带钢宽度； v轧制线速度； n卷筒电动机转速。（3）带钢弯曲力矩补偿 带钢弯曲力矩占电动机转矩的一定比重，它与带钢厚度的二次方、带钢宽度、带钢屈服强度正比，带钢屈服强度与钢种、带钢材质有关。带钢弯曲力矩补偿量可按下式计算： 式中 -带钢屈服强度（）; H带钢厚度（mm）; W带钢宽度（mm）； -弯曲力矩（）.(4)摩擦力矩补偿 该补偿值是用于修正卷筒驱动电动机到卷筒之间的机械损耗，摩擦力矩补偿量是和速度相关的，除减速比大的卷取机系统，摩擦力矩主要取决于减速机的温度。较高的卷取速度，在

51、某种程度上多少要导致减速箱的温度升高，这一温度升高将产生不同的摩擦力矩，对于间接张力控制系统，设计一个和速度相关的摩擦力矩特性，有利于提高卷取机的力矩补偿。摩擦力矩补偿值太高，将导致带钢的松弛，一般补偿量为电动机额定转矩的2%以下。卷取机力矩计算原理框图。综上所述，对于工程应用的典型配置，张力控制和转矩控制室靠工艺模板来实现的，所得的电枢电流或转矩计算值，作为传动装置闭环控制的设定值。第五章：双闭环调速系统的常规工程设计5.1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，允许的

52、电流过载倍数=1.2，折算到直流电动机轴的飞轮力矩惯量GD2=10.5N·m2。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（