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1、运动控制课程设计与综合实验报告 设计课题：四辊压延机的前辊（开卷机）直流调速系统设计学 院：信息科学与工程学院专业班级： 自动化0608班 学 号：0901060816 姓 名： 张世强 指导教师： 申群太 同组同学：伍芸辉 蒙畅菲 陈兆铭完成日期：2010年1月 前言 此次课程设计针是对我们所学电力拖动自动控制系统运动控制系统而安排的，所以目的明确，即学以致用。作为一名大四学生，大学期间课程已基本修完，基础知识和专业知识有了一定基础，所以此次课程设计又是自己大学四年所学的综合体现，是毕业设计前的一次“练兵”。课程设计的内容是四辊压延机前辊(开卷机)直流调速系统设计。 本文对直流电动机调速系统
2、进行了设计。尽管近年来，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，电力拖动系统包括调速系统、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。直流电动机具有良好的起、制
3、动性能，易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。随着科技的发展，直流调速系统的控制方法不断创新，控制性能不断提高。直流双闭环调速系统可谓直流调速经典方法，具有很好的控制性能，其实现方式也扩展到了全数字数字式。本文首先提出了针对直流电机的多种调速系统，通过对比并结合设计要求最终确定了转速、电流双闭环直流调速系统，并根据工程设计方法对系统进行了设计。通过在实验室对方案进行调试设计，获取了该电机的静态及动态性能，满足设计要求，且性能良好。由于自己水平有限，时间有限，所以只是对压延机开卷机的直流调速系统进行了单方面设计，未对其它方面做深入考虑和涉及。在设计过
4、程中参考了一些文献资料，对其作者表示衷心感谢。设计者2010年1月于中南大学目录前言2第一章绪论5四辊压延机开卷机直流调速系统设计背景以及设计要求5四辊压延机开卷机的技术特点和发展现状5第二章调速方案选择72.1 直流调速的一般原理72.2 开环直流调速系统82.3 转速负反馈直流调速系统92.4 带电流截止负反馈的直流调速系统102.5 双闭环直流调速系统112.6 四辊压延机开卷机直流调速系统调速方案的选择14直流电动机调速方法14开环直流调速系统152 开环直流调速系统16 直流双闭环调速系统17第三章双闭环调速系统结构以及各功能模块概述18双闭环调速系统结构概述18各功能模块概述193
5、.2.1速度调节器19电流调节器19锯齿波同步移相触发电路20电流反馈与过流保护21转速变换23零速封锁器24转矩极性鉴别(DPT)26第四章 双闭环调速系统的常规工程设计28设计准备28电流调节器的设计29转速调节器的设计31第五章 恒张力控制系统的设计355.1 卷曲开卷冲动张力控制系统35第六章 逻辑无环流系统的调试41系统实验调试概述41触发器的整定42系统的开环运行及特性测试43系统单元调试45小结47第七章 总结48参考文献49致 谢50第一章 绪论1.1 四辊压延机开卷机直流调速系统设计背景以及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
6、，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
7、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，
8、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,Ra5,GD22,允许电流过载倍数1.2 四辊压延机开卷机的技术特点和发展现状四辊压延机，英文名是four-roll calender，有四个辊筒的压延机。辊筒的排列形式有T型、L型、S型和Z型等。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。 图 1-2-1 四辊压延机实物图压延机
9、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6101730型四辊压延机。2.精密压延机：除了具备普通压延机
10、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（7001800）、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、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
11、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。第二章 调速方案选择2.1 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：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（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数；在上式中，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；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
12、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。以下介绍在直流调速系统中比较常用的开环控制、转速负反馈控制、转速、电流双闭环控制等控制方法2.2 开环直流调速系统开环直流调速系统原理图如下图2-2-1： 图2-2-1晶闸管电动机调速系统(VM系统)原理图图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
13、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。2.3 转速负反馈直流调速系统
14、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后，得到移相控制电压UCt，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n=Kp*Ks
