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1、运动控制系统课程设计学 院 ： 专业班级 ： 学 号 姓 名 ： 目录第一章 课程设计任务及要求11.1 设计目的11.2 设计内容11.3 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32.1引言32.2 直流电动机调速方法32.3 开环直流调速系统42.4 开环直流调速系统42.5 直流双闭环调速系统52.5.1系统静特性62.5.2系统动态特性72.5.3模拟式双闭环直流调速系统92.5.4数字式双闭环直流调速系统92.5.5数模混合控制系统10第三章直流双闭环调速系统设计123.1系统总体概述123.2主电路设计143.2.1整流变压器的选择153.2.2整流电路晶闸管的选择
2、163.2.3整流晶闸管的保护163.2.4电流互感器的选择173.2.5平波电抗器的选择173.2.6其他保护电路选择及其作用173.3速度环和电流环设计183.3.1 直流双闭环系统设计方法183.3.2 电流调节器的设计213.3.3 速度调节器的设计233.4系统其他功能单元分析253.4.1 给定单元GJ253.4.2 逻辑控制器DLC263.4.3 零电流检测单元DPT和转矩极性单元DPZ263.4.4 零速封锁单元DZS263.4.5 反号器AR263.4.6 电流变换及电流反馈BC263.4.7 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284.
3、1 系统实验调试概述284.2 触发器的整定294.3 系统的开环运行及特性测试294.4 系统各单元的调试30第五章 总结与展望335.1调试心得体会335.2设计调试结论345.3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
4、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
5、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
6、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）
7、； 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
8、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
9、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
10、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
11、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P I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-
12、5 所示，n0IdIdnomOnABC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。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。 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
13、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-IdLnUd0Un-b +-UiWASR(s)）)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/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：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
14、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。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。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
