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1、运动控制课程设计与综合实验报告运动控制课程设计与综合实验报告 姓名：姓名： 学号：学号： 班级：班级： 2015 年年 1 月月 19 日日 运动控制课程设计 1 第一章四辊压延机主传动直流调速系统设计要求第一章四辊压延机主传动直流调速系统设计要求 四辊压延机主传动直流调速系统的设计 压延机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 的生产设备。 （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布架前四辊电机干燥辊 四辊延压 主机（主机 1 和主机 2）后四辊电机 2 台卷取机仓库 图 1压延机的生产工艺流程 2、控制要求： （1）在压延
2、前，必须给干燥辊加热 6080（使帘布烘干水分），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。 运动控制课程设计 2 （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
3、主机速度来达到。例 如压延速度升高，使前张力升高，通过控制器使前四电机升速，使前张力维持不变； 同理后张力降低，使后四电机升速，使后张力维持不变。从而在联动时，使主机前、 后电机的速度达到协调。 （二）设计要求： 四辊压延机主传动机 1 和 2 的电机参数相同，要求相同，只设计其中一台即可。稳态 无静差，5% i ，空载起动至额定转速时的转速超调量10% n ，且起动时尽量避 免电流的过大冲击。 （三）主机 1 和 2 的直流电动机参数： 125220640750 / min0.08 nomnomnomnoma PkWUVArR，I，n， ,电枢电路总 电阻 22 0.15120.5 .mRG
4、DN，允许电流过载倍数1.5。 第二章调速方案选择第二章调速方案选择 2.1 直流调速的一般原理直流调速的一般原理 理想化直流电动机，直流电动机转速方程可表示为： 0 () dd d e UI R nf I K 。 式中n转速 （r/min） ； 0d U输入电压 （V） ； d I 电枢电流 （A） ；R 电枢回路总电阻（）；励磁磁通（Wb）； e K由电机结构决定的电动势 常数； 在上式中， e K是常数，电流 d I 是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有 三种方法： 1）调节电枢供电电压 0d U； 2）减弱励磁磁通； 3）改变电枢回路电阻R 。 调压调速的特点：在保持他励直流电动
5、机的磁通为额定值的情况下， 电枢回路不 串入电阻，将输入电压降低为不同值时， 可以获得与电动机固有机械特性相互平行的 运动控制课程设计 3 人为机械特性，调速方向为急速以下，属于恒转矩调速方法。只要输入的电压是连续 可调的，即可实现电机的无级调速。 弱磁调速的特点：保持输入电压不变，改变励磁线圈的励磁电流，从而调节电机 的励磁能力，进而实现调速。这种方法属于基速以上调速，调节范围小，是一种近似 恒功率调速方法。而且可以实现无级调速。 串电阻调速的特点：在保持输入电压的气隙磁通不变的前提下， 通过在电枢回路 串入电阻，使电机的机械特性变软，从而改变电机的转速。这种方法属于基速以下调 速，虽然这种
6、方法简单，容易实现，成本低，但只能有级调速，而且功率损耗大，低 速运行时转速稳定性差。 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。 改变电阻只能实现有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速， 但是调速范围不大， 往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上小范围的弱磁升速。因此，自动控 制的直流调速系统往往以变压调速为主。 2.2 主电路的方案论证主电路的方案论证 调压调速的实现目前主要有两种方法：一种是采用晶闸管可控整流装置调速，另 一种是采用 PWM 调压调速控制方法。 1、采用晶闸管可控整流装置调速 通过移相电路的移相，改变晶闸管的触发角，从而改变整流器
7、的平均输出电压， 进而实现调速的目的。电路如下所示： 图 2晶闸管可控整流装置调速电路图 运动控制课程设计 4 电路的特点：采用晶闸管整流，由于 SRC 可承受的阻断电压和导通电流都相对 较大，所以其传输的能量很大，而且目前技术成熟，可靠性高。文中要设计的对象电 机系统的容量是 125kW，采用晶闸管整流装置可以很好的满足容量的要求。其次， 由于触发电路简单，而且有现成的集成触发芯片，设计起来相对简单。但是由于该系 统是可逆系统，所以存在正反组问题，需要考虑逻辑控制问题。 2、采用 PWM 调压调速的方法 PWM 技术是当前很流行，应用十分广的一种技术。利用面积等效原理，将不同 的波形调制成与
8、正弦波等效的一系列脉幅相等， 脉宽不等的脉冲作为控制信号去控制 开光器件的导通与关断，从而得到想要的输出。 图 3PWM 调压调速电路图 上图就是 PWM 可逆电路，正反组分别对电机供电，实现电动机的正反转运行。 首先通过二极管整流，将交流电转变为直流电，再通过 H 桥式电路进行直流斩波， 调节输出电压的平均值。由于 PWM 调制电路及相关的控制电路设计相对复杂，而课 程设计的时间有限，故文中采用晶闸管可控整流装置进行调压调速。 2.3 控制电路方案论证控制电路方案论证 为了得到较好的调速效果，需要采用一些控制策略。下面介绍常用的一些控制策 略： 1、开环直流调速系统：开环直流调速系统原理图如
9、下图： 运动控制课程设计 5 图 3晶闸管电动机调速系统(VM 系统)原理图 图 3 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 c U 来移动触 发脉冲的相位，即可改变整流电压 d U ，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。通过改变触发角从而改变 d U 以进行调速。 图 4三相桥式全控整流电路 开环直流调速系统控制电路简单，有利于在实验室实现， 并且能实现一定范围内 的无级调速。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 是可以满住要求
10、的。然而，开环直流调速系统没有控制结果的反馈，控制精度不高， 在需要调速的生产机械对静差率有一定的要求的场合往往不能满住要求。 例如龙门刨 床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为了保证工件的加工精 运动控制课程设计 6 度和加工后的表面洁净度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不 能太大。这时就不能使用开环直流调速系统了。 2.4 转速负反馈直流调速系统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
11、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： 图 5转速单闭环系统原理图 图 6转速单闭环系统结构框图 可见转速单闭环系统实际上是开环直流调速系统的“闭环化”。转速单闭环系统 将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经检测转化与给定信号相比较并经放大 运动控制课程设计 7 后，得到移相控制电压 ct U ，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到 晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反 馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化， 电机最高转速由速度调节器的输出限幅所 决定，速度调节器采用P（比
12、例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差， 则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起 到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时， 电机的转速能稳定在一定的范围内变 化。与开换系统相比，转速单闭环直流调速系统性能更为稳定。根据转速单闭环系统 原理图作如下分析： 转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 11 psn d ee K K U RI n CKCK 式中： p K 放大器的电压放大系数; s K 电力电子变换器的电压放大系数;转 速反馈系数； n U 给定电压。 设/ pse KK KC，则可得： 闭环系统的转速降： 1 d cl e RI
13、n CK ； 闭环系统的静差率： 0 / clcl snn ； 调速范围： 1 N cl cl n s D ns ； 可见经过适当调节 p K 、 s K ，可以使系统的特性更硬，调速范围更宽。 2.5 带电流截止负反馈的直流调速系统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 nn UU ，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
14、惯性都很小，电枢电压 d U 一下子就达到它的最高值，对 运动控制课程设计 8 电动机来说，相当于全压起动，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所示： 图 7带电流截止负反馈
15、的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。它的静特性分为两段，当 dcrd II 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 dcrd II 后，引入了电流截止负反 馈，静特性变为： )1 ( )( )1 ( )( )1 ( )( )1 ()1 ( * KC IRKKR KC UUKK KC RI UIR KC KK KC UKK n e dssp e comnsp e d comds e sp e nsp 2.6 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统 采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭
16、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 运动控制课程设计 9 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 8 所示： 图 8单闭环直流调速系统起动电流和转速波形图
