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1、运动控制系统课程设计学 院：信息科学与工程学院专业班级 ：XXX学 号：姓 名：SHEN指导老师：、八 、亠前言本次课程设计主要为大四第一学期所学的运控课程而安排的， 主要目的在于 加深对理论知识的理解， 并针对具体的控制对象四辊可逆冷轧机来设计一个 具体的控制系统， 将理论运用于实践， 在实践中加深理论的理解。 同时此次课程 设计可以为大四第二学期的毕业设计打下坚实的基础。 因此，认真做好此次课程 设计意义重大。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
2、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当 大的比重，短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。在可逆调速系统中， 电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。 而要改变电 动机的旋转方向， 必须改变电动机电磁转矩的方向， 在该系统中， 采用改变电动 机电枢电压的极性。 对于大容量的系统， 从生产角度出发往往采用既没有直流平 均环流，又没有脉动环流可逆系统， 无环流可逆系统省去了环流电控
3、器， 没有了 附加的环流损耗， 节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。 因此，逻辑无环流 可逆调速系统在生产中被广泛运用。本文通过对逻辑无环流可逆直流调速系统实验的分析， 研究了逻辑无环流可 逆直流调速系统各个重要环节的设计， 并设计双闭环调速系统的双闭环调速系统 的硬件，通过实际事物的安装与测试来验证本设计的正确性。 具体内容有： 对电 流调节器和转速调节器进行设计； 对电流环和转速环进行单独测试； 对双闭环流 调速系统进行整体测试，对双闭环直流调速系统进行整体动态性能测试。目录第一章 课程设计概述 3.1.1 设计背景及目的 3.1.2 设计内容 3.1.3 设计题目 3.第二章 设计方案
4、比较和论证 3.2.1 题目分析 3.2.2 设计思想 3.2.3 直流调速方式选择 4.2.4 电源装置选择 4.2.5 控制方案选择 5.2.5.1 开环直流调速系统 52.5.2 转速负反馈直流调速系统 62.5.3 直流双闭环调速系统 62.6 实现方式选择 7.第三章 系统各模块及其电路设计 9.3.1 主回路设计 9.3.2 控制回路设计 1.03.2.1 给定单元 113.2.2 转速调节器 ASR 113.2.3 电流调节器 ACR 133.2.4 逻辑控制单元 DLC 143.2.5 零转矩 / 零电流检测单元 DPT/DPZ 153.2.6 零速封锁单元 DZS 163.2
5、.7 反 号器 163.2.8 触发电路 163.2.9 电流反馈与过流保护 17第四章 系统参数计算及元器件选择 1.94.1 主回路参数计算及元器件选择 1.94.1.1 整流变压器的选择 194.1.2 整流晶闸管的选择 194.1.3 平波电抗器的选择 204.1.4 保护电路参数计算 204.2 控制回路参数计算 2.14.2.1 系统静特性分析与计算 214.2.2 系统动态结构参数设计 224.2.3 电流调节器的参数选择 224.2.4 速度调节器的参数选择 244.2.5 外限幅电路 27第五章 系统调试及校正 2.8.5.1 系统各功能模块性能的调试与测试 2. 85.1.
6、1 系统的相位整定 285.1.2 触发器的整定 285.1.3 系统的开环运行及特性测试 285.1.4 速度反馈特性的测试 295.1.5 调节器的调试 305.1.6 电流调节器 ACR 的调试 305.1.7 反相器 AR 的调试 305.2 系统整体功能测试 3.25.3 系统小结 3.2.第六章 课程设计总结 3.3.附录3.4.附录一：各种整流电路的失控时间 3.4附录二：逻辑无环流系统实验报告 3.4附录三：四辊可逆冷轧机卷取机直流调速系统原理图 40参考文献 4.1.第一章 课程设计概述1.1 设计背景及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
7、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 识和理论分析和解决运动控制系统设计问题， 是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。轧机控制的核心是板形和厚度控制。 要达到良好的板形和保证可接受的厚度 公差，轧机就必须保证良好的速度、张力的稳定性。在控制方式上，主机的速度 控制，给整个轧机提供稳定的线速度基准。 开卷机和卷曲机为恒张力控制。 速度 设定由主操作手在操作
8、台控制， 控制信号传送到各个传动系统， 速度设定是以主 机为线速度基准， 计算减速箱速比以及传动辊工作辊辊径， 可以得出电机每分钟 需要的转速是多少。根据控制功能，具有正反点动功能，用于穿带及断带处理。 按照线速度同步的原则计算转速分配给传动系统。 张力控制在冷轧行业是个必须 面对和正确处理的问题，在整个轧制过程中至关重要。本次课程设计旨在设计四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统，采用转速、 电流双闭环调速系统，通过 MATLA仿真克制设计的系统具有较好的静态、动态 性能，完全满足设计要求。1.2 设计内容1）根据工艺要求，论证、分析、设计主电路和控制电路方案，绘出该系统 的原理图（ 2 号图纸
9、）。2）设计组成该系统的各单元，分析说明。3） 选择主电路的主要设备，计算其参数（含整流变压器的容量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）设计电流环和转速环（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，论述该系统设计的正确性。1.3 设计题目设计题目：四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计 机械参数：带卷内径（卷筒直径） ： 500mm；带卷外径：6801100mm 带卷最大重量：2000kg； 带卷最大张力：2000kg； 卷取机传动比：i=1.87。设计要求：1）两台
10、卷取机控制原理完全一样，仅设计其中一台;2）技术指标：稳态无静差，电流超调量；二岂5%，空载起动至额定转速时的转速超调量叮0%，能实现快速制动。直流电机参数：Pnom = 150kW ， U nom = 230V，I nom = 165A， nnom = 1400r / min ；& =0.08 ，电枢回路总电阻 R = 0.18；电流过载倍数 =2.5，GD2=121.5N m2左卷取机轧机右卷取机张力传感器张力传感器图1-1设备结构简图第二章 设计方案比较和论证2.1 题目分析四辊可逆冷轧机是提供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，为提高生产效率， 冷轧机要往返轧制金属材料， 直到达到要求的厚度
11、时才停止。 因此要求冷轧机左 右两边的两台卷取机在从左往右的正想轧制过程中，左边一台卷取机作为开卷 机，其工作在发电状态，右边一台卷取机作卷机用，工作在电动状态。若逆向轧 制，右边卷取机做开卷机，工作在发电状态，左边卷取机则作卷取机用，工作在 电动状态。两个卷取机不能同时工作在卷取或开卷状态。板材在恒张力下进行轧制是保证板材厚度均匀、表面光洁的重要条件，这种 控制对机器的任何运行速度都必须保持有效， 包括机器的加速、 减速和匀速。 即 使在紧急停车情况下， 也应有能力保证被分切物不破损。 张力控制的稳定与否直 接关系到分切产品的质量。 若张力不足， 原料在运行中产生漂移， 会出现分切复 卷后成
12、品纸起皱现象； 若张力过大， 原料又易被拉断， 使分切复卷后成品纸断头 增多。卷取过程中，板材张力是由卷取机建立的，卷取过程中卷材卷径由小变大， 如果要求卷取过程中板材张力恒定， 卷取电动机的其它参数必须随卷径的变化处 于动态调整之中。 卷取机在上料时需要点动工作， 此时张力给定不投入， 系统 为常规的转速、 电流双闭环可逆调速系统。 卷取机在正常卷取工作时， 张力电流 给定作为电流调节器电流给定， 速度环不投入工作， 此时整个系统为电流单闭环 不可逆调速系统，电枢电流随张力电流给定而变化，以达到上述恒张力控制。2.2 设计思想本设计针对四辊可逆冷轧机的卷取机，主要控制卷取机的正反转以及调速，
13、 由实验仪器及应用情况我们选择直流调速系统。 所谓直流调速系统是指直流电动 机带动负载，改变直流电动机的速度即可改变负载的运行速度。直流调速系统主要是两个问题：一是如何实现调速，该系统选定调压调速； 二是控制的精度， 即能否达到控制要求， 即考虑系统的静态性能和动态性能。 第 一个问题归根于调速方式的选择， 第二个问题归根于控制方式的选择， 要根据设 计要求选择最适合的方案， 本设计中还有一个问题， 即如何实现可逆， 这可以放 在第一个问题中解决。本设计先整体论证整个系统的方案，再分别设计各个模块，画出各模块的原 理图，计算参数并选择器件。之后再连接线路检测系统的运行情况及动态性能， 根据实验
14、所得数据调整系统参数以以使系统更加完善。2.3直流调速方式选择直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为（式 2-1）U - IRCe-式中n转速（r/min）；U电枢电压（V）;I电枢电流（A）;R电枢回路总电阻（Q）;:励磁磁通（Wb;Ce由电机结构决定的电动势常数在上式中，Ce是常数，电流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U ;2）减弱励磁磁通门;3）改变电枢回路电阻R。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，但调速范围不 大，往往只是配合调压方案，在基速以上
15、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电压调速为主。本设计中的调速方式也选择电压调速方式。2.4电源装置选择由上述可知四辊可逆冷轧机卷取机直流调速系统需采用电压调速方式，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控制流电源有一下三种：1）旋转变流机组；2）静止式可控整流器；3）直流斩波器或脉宽调制变换器。以上三种电源各有优缺点，以下是简要介绍：旋转变流机组：用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电 压。采用旋转变流机组，无论正转减速还是反转减速都能够实现回馈制动，因此可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，运行有噪声，维护不方便。静止式可控整流器：用静止式的可控
