运动控制系统课程设计龙门刨床电气控制系统设计 (1).doc
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运动控制系统课程设计
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36
目录
第一章课程设计任务及要求 1
1.1设计目的 1
1.2设计内容 1
1.3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 3
2.1 引言 3
2.2直流电动机调速方法 3
2.3开环直流调速系统 4
2.4开环直流调速系统 4
2.5直流双闭环调速系统 5
2.5.1 系统静特性 6
2.5.2 系统动态特性 7
2.5.3 模拟式双闭环直流调速系统 9
2.5.4 数字式双闭环直流调速系统 9
2.5.5 数模混合控制系统 10
第三章 直流双闭环调速系统设计 12
3.1 系统总体概述 12
3.2 主电路设计 14
3.2.1 整流变压器的选择 15
3.2.2 整流电路晶闸管的选择 16
3.2.3 整流晶闸管的保护 16
3.2.4 电流互感器的选择 17
3.2.5 平波电抗器的选择 17
3.2.6 其他保护电路选择及其作用 17
3.3 速度环和电流环设计 18
3.3.1直流双闭环系统设计方法 18
3.3.2电流调节器的设计 21
3.3.3速度调节器的设计 23
3.4 系统其他功能单元分析 25
3.4.1给定单元GJ 25
3.4.2逻辑控制器DLC 26
3.4.3零电流检测单元DPT和转矩极性单元DPZ 26
3.4.4零速封锁单元DZS 26
3.4.5反号器AR 26
3.4.6电流变换及电流反馈BC 26
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 27
第四章系统实验调试 28
4.1系统实验调试概述 28
4.2触发器的整定 29
4.3系统的开环运行及特性测试 29
4.4系统各单元的调试 30
第五章总结与展望 33
5.1 调试心得体会 33
5.2 设计调试结论 34
5.3 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PI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,
n0
Id
Idnom
O
n
A
B
C
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。
①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。
②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
-IdL
n
Ud0
Un
-
-
b
+
-
Ui
WASR(s)))
WACR(s)
Ks
Tss+1
1/R
Tls+1
R
Tms
U*i
Id
1/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:
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:
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。
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。
①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。
②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*n
Un
Ui
U*i
Uc
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V—M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:
⑴.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。
⑵.电流变化时产生的压降。
一般要按最大工作电流来考虑。
⑶.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1.5~2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520A
3.2.3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Ld=6mH。
3.2.6其他保护电路选择及其作用
①压敏电阻:
;取,压敏电阻的型号:
MY31-1000/5
②交流接触器KM1的型号:
CJ10-5
③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。
④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。
⑤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。
-IdL
Ud0
Un
+
-
-
+
-
Ui
ACR
1/R
Tls+1
R
Tms
U*i
Uc
Ks
Tss+1
Id
1
Ce
+
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