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1、中南大学本科课程设计 题 目： 四辊压延机传动直流调速系统 专业班级： 自动化0301班 学 号： 0901030116 学生姓名： 指导教师： 完成时间： 2009-1-29 前言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，在电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已经基本被功率开关器件所取代，因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制（PWM）；交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统。然而，直流拖动控制毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且我国早期的许多工业生产机械都是采用直流拖动控制系统，所以它在工业生产中还占有相
2、当大的比重，短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。调速系统按照不同的标准又可分为不同的控制系统。但是，从一定角度上来说，可以把调速系统笼统的分为开环调速系统和闭环调速系统。开环调速系统结构简单、容易实现、维护方便，但是它的静态和动态性能往往不能满足生产和控制要求。而闭环控制系统可以很好的解决这些问题，因此在实际生产中得到了广泛的应用。其中，转速、电流双闭环控制直流系统是性能最好、应用
3、最广的直流调速系统。本次课程设计通过对四辊压延机主传动直流调速系统的设计对双闭环直流调速系统做一个基本的介绍。关键词：直流拖动控制系统 双闭环直流调速系统目录1. 设计目的和内容51.1 设计目的51.2 设计题目51.1.1 生产工艺流程51.1.2 控制要求51.1.3 设计要求61.1.4 主机1或2直流电动机参数62 设计过程62.1 整体设计62.1.1 主电路方案设计72.1.2 控制电路方案设计92.2 系统运行特性112.2.2 系统电路原理图112.2.2 系统静态和动态结构框图122.3 单元模块设计及参数计算133 实验过程183.1 实验目的183.2 实验内容183.
4、3 实验设备183.4 实验步骤193.4.1 双闭环可逆调速系统调试原则193.4.2 系统的开环调试193.4.3 系统各单元的调试和参数整定193.4.4 电流环闭环调试（电动机不加励磁）203.4.5 速度环闭环调试（电动机加额定励磁）203.4.6 实验数据203.4.7 分析与结论214 结论225 参考文献22一、设计目的和内容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，运动控制系统的设计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
5、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、设计题目压延机生产线主要是生产飞机轮胎的生产线，四棍压延机是飞机轮胎生产厂家最关心的生产设备。1.2.1、生产工艺流程帘布放布机接头硫化机前三辊电机储布机前四辊电机 干燥 四辊压延主机 后四辊电机2台卷机仓库1.2.2、控制要求（1）在压延前，必须给干燥辊加热60到80的度（供帘布烘干水分），给主辊加热到70度左右。（2）所有直流电机可单动也可连动，并均要求电枢可逆。（3）连动时，前四主机和后四主机不允许单动，而前三点饥可单独
6、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，卷取机可单独停（便于2台卷取换卷）。（4）两台压延主机必须同时起、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）有后四电机来控制。（6）在给定压延张力的情况下，其压延速度有操作人员通过改变主机速度来达到。1.2.3、设计要求四辊压延机主传动机1和2的参数相同，要求相同，只设计其中一台即可。稳定无静差，电流超调量s5%，空载启动至额定转速时的转速超调量s10%，且起动是尽量避免电流的过大冲击。1.2.4、主机1或2直流电动机参数Pnom=125k
7、w, Unom=200V,Inom=640A,nnom=750r/min,Ra=0.08欧，电枢路总电阻R=0.15欧，,电流过载倍数=1.5二、设计过程2.1、整体设计因为生产机械要求压延机主传动电机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的起动和制动，这就需要所设计的电力拖动系统具有四象限运行的特性（如图1）。n正向工作状态反向制动状态OTeTL-TLn0n1n2正向制动状态反向电动状态图1 四象限工作机械特性2.1.1、主电路方案设计针对上述工作机械特性，选取主电路设计方案：方案一：G-M系统调速G-M系统（国际上通称Ward-Leonard系统）是通过用交流电动机和直流发电机组成机组，以
8、获得可调的直流电压。其工作原理是由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流If即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。电路原理图见图2图2 旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）由图可见，无论正转减速还是反转减速时都能实现回馈制动，因此G-M系统可以在允许转矩范围内四象限运行。但是该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大费用高，效率低，安装需打地基没，运行有噪声，维护不方便。方案二：可逆V-M系统调速晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又
9、称静止的Ward-Leonard系统），图中VF、VR 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。与G-M系统相比较,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10000以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，所以只好采用正、反两组全控整流电路并联来实现电机四象限工作，
10、变流设备增加一倍。电路原理图见图3图3 可逆晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）另外，V-M系统中晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。方案三：桥式可逆PWM变换器调速系统PWM的基本思想是冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同，即惯性环节的输出响应相同。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图4所示。图中，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双
11、极式、单极式、受限单极式等多种，这里选用的是最常用的双极式控制可逆PWM变换器调速系统。可逆PWM系统主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。但是它需要先将交流转换为直流，再通过H桥式电路直流斩波，调节输出电压的平均值。这里同样需要逻辑控制正反组IBGT的导通与关断，以免发生直流
12、直通短路。这种方法虽然可以实现，但实现相对复杂，而且制动控制较为复杂，关键是IGBT容量相对晶闸管容量小，限制了电动机的容量不能做的很大，较由SRC做整流装置的V-M系统小的多。这对于所要求设计的四辊压延机传动调速系统是不利的。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图4 桥式可逆PWM变换器综上所述，考虑到三种方案的优缺点，选择第二种方案。2.1.2、控制电路方案设计方案一：带电流截止负反馈和PI调节器的单闭环速度反馈调节方法该调节方法实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等很简单。由
13、于采用了PI调节器，能够实现无静差；采用了单闭环速度反馈，能够满足较高的调速范围和静差率的要求。但是，因为所要求设计的系统控制要求中，对张力的最大值有限制，所以采用了电流截止负反馈将电流截止的幅值位置顶在张力最大的位置，当电流值超过限幅值后，靠强烈的负反馈作用来限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形，从而使加速过程拖长。这对于所设计的经常要求正、反转的调速系统很不利，不仅减慢了电动机的起、制动时间，还可能由于难以把握电流的动态过程，产生断带，张力不均匀等现象。方案二：转速、电流双闭环直流调速方法该方法的电流还（内环）和速度环（外环）均采用PI调节器，以实现稳态无静差。由于采用了双闭环
14、结构，使电机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，只有转速负反馈，电流负反馈不再发生作用，从而获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，实现在允许的条件下最快起、制动。其起、制动时转速和电流波形分别见图5和图6n OOttIdm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1 I.电流上升阶段II.恒流升速阶段III.转速调节阶段图5 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形图6 可逆直流调速系统正向制动过渡过程波形由上面两图可以看出，双闭环在起，制动过程中都有一段恒定电流的加速或减速的过程，可以很好的满足生产要求。综合上面两种控制电路设计方案的优缺点，我选择第二种设计方案。2.2、系统运行特性2.2.1、系统电路原理图由2.1中所述，本课程设计我采用可逆转速，电流双闭环直流调速系统，转速和电流调节器均采用PI调节器，以实现稳态无静差；为了限制可逆系统的环流，将系统设计成逻辑控制无环流可逆调速系统。基本电路原理图见图7如图所示，该系统主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，以实现电机
