中南运控课设-四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计.doc

精选优质文档-倾情为你奉上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： 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。专心-专注-专业目录附录二：逻辑无环流系统实验报告34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MATLAB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）。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，空载起动至额定转速时的转速超调量，能实现快速制动。直流电机参数：，；，电枢回路总电阻；电流过载倍数，。张力传感器张力传感器带材左卷取机轧机右卷取机图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，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）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；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：用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。但由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。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。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”。直流斩波器或脉宽调制变换器：用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。这种电源主电路线路简单，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；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。但是实现相对复杂，制动控制较为复杂，且IGBT容量限制了电动机的容量。通过上述介绍，综合考虑花费、维修、控制实现、容量限制和实验条件等各种因素，决定选用晶闸管可控整流器作为可控电源装置。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，而根据生产工艺要求，四辊可逆冷轧机卷取机需要正反转、快速制动，因此，采用两组晶闸管装置反并联的可逆V-M系统。但因特别注意两组晶闸管不能同时导通，以免造成短路烧坏系统。另外，考虑到四辊可逆冷轧机主电动机没有反向运行的要求，采用逻辑无环流可逆V-M系统。2.5 控制方案选择2.5.1 开环直流调速系统图2-1 开环直流调速系统如图2-1所示，只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，它们都属于开环控制的调速系统，称为开环调速系统。在开环调速系统中，控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。如果生产机械对静差率要求不高，开环调速系统也能实现一定范围内的无级调速，而且开环调速系统结构简单。但是，在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率。例如多机架热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内同时轧制，为了保证被轧金属的每秒流量相等，不致造成钢材拉断或拱起，各机架出口线速度需保持严格的比例关系。在这种情况下，开环调速系统往往不能满足要求。四辊可逆冷轧机对静差率要求较高，因此排除开环调速方案。2.5.2 转速负反馈直流调速系统图2-2 转速负反馈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大大减少转速降落。闭环控制系统的代价是：增加放大器和转速检测元件。 2.5.3 直流双闭环调速系统采用PI调节的单个转速闭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，例如要求快速起动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是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。电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。实际中往往希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。因此，本设计中采用转速、电流双闭环直流调速。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，系统结构图如图2-3所示。这就是说，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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速 调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理如图2-4所示。图2-3 双闭环直流调速系统的组成ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 GT电力电子变换器图2-4双闭环直流调速系统电路原理图2.6 实现方式选择双闭环直流调速系统实现方式可分为三种：模拟式、数字式、数模混合式。这三种方式的优缺点比较如下：模拟式：所有的调节器均用运算放大器实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，但其控制规律体现在硬件电路和所有的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。数字式：以微处理器为核心，硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受期间温度漂移的影响。其控制软件能够尽享逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。微机数字控制系统的主要特点是离散化和数字化，二者导致了时间上和量值上的不连续，从而引起A/D转换的量化误差和D/A转换的滞后效应。数模混合式：转速采用模拟调节器，也可采用数字调节器；电流调节采用数字调节器；脉冲触发装置则采用模拟电路。权衡上述三种模式的特点，最终选择模拟式双闭环直流调速系统。由上分析，四辊可逆冷轧机卷取机直流调速系统设计方案最终确定为：模拟式转速、电流双闭环的逻辑无环流可逆晶闸管-电动机调压直流调速系统，且转速和电流调节器均采用PI调节器。第三章 系统各模块及其电路设计3.1 主回路设计此系统是直流调速系统，主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证可逆冷轧机的卷取机系统具有稳定的正反运行特性，以及获得较好的直流，组要设计可逆的调速系统，考虑到晶闸管的单向导电性，采用六个晶闸管构成三相桥式整流电路的反并联装置。其实现方式如下图所示。图3-1 主回路框图对于系统的供电，可将无穷大电网电压经单相变压器变压为220V，再通过一系列熔断器等保护措施，输入给桥式整流电路，进而给直流电机和其它装置供电。变压器绕组采用/Y型接法，具体方法见第四章主电路变压器的参数计算。主电路的保护措施尤为重要，设计多重保护成为必要。下图为系统供电框图：图32 系统供电框图起动开关电路里设置自锁回路，在控制电路中发现电流过大时，可使主电路常闭开关KM跳开而保护整个系统，当KM跳开失败后，由于电流过大，一段时间后快速熔断器受热熔化而使电路跳开，从而避免烧坏电机等设备。图3-3 直流调速系统起动开关电路图3.2 控制回路设计上述第二章中已提到，本设计中控制方案采用转速、电流双闭环直流调速。有环流系统中，虽然其具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是累赘。因此对于大容量的系统，从机器生产可靠性出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬间脉动环流的无环流可逆系统。而本系统的容量较大，工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不是很高，因而采用无环流控制可逆系统。即当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）根据零转矩和零电流逻辑去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断环流的通路。因此需要增加一个控制正反组工作的逻辑控制单元DLC。图3-4 控制系统框图通过分析可以确定控制系统控制回路有以下几个模块组成：给定单元、转速调节器ASR、电流调节器ACR、电流反馈模块、转速反馈模块、逻辑控制单元DLC、零转矩/零电流检测单元DPT/DPZ和一个为避免元件温升和零点漂移的零速封锁单元DZS。控制系统框图如上所示。采用一个电流调节器和一个出发模块，并采用逻辑控制单元来协调正反组晶闸管工作，从而达到调压调速的目的。3.2.1 给定单元由图3-4知，给定单元由模拟电路组成，包含三级放大器，第一级为高倍放大器，U1是饱和值，当给定过大时，要求限幅，由二级管控制，U1与Un*极性相同。第二级为积分器，经过RC积分输出电压变为斜坡信号，且为负相，与给定Un*方向相反，积分变化率可以用电位器RP来调节，可以调节RC来控制积分快慢。最后一级为反向器，将U2信号反向，使之与Un*一致方向变化，并且Ugi反馈回第一级输入端，为负反馈，以决定积分终止时刻，当Ugi>=Un*时，负反馈起作用，U1很快减小，积分终止，Ugi与U2保持恒值。图3-5 给定单元电路图3.2.2 转速调节器ASR转速调节器，有运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，甚至实现转速无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。考虑到ASR的上述作用和生产工艺要求系统对阶跃型号无静差，将ASR设计成PI调节器，通过有关书籍可知这样可以使系统构成一个二型系统，从而实现转速无静差。图3-6为ASR的主体结构图图3-6为ASR的主体结构图转速给定电压Un*和转速反馈电压Un经滤波后通过由放大器构成的PI调节器后生成电流给定电压Ui*输出给电流调节器。其实际的实现电路如下图示：图3-7 ASR单元电路图R1、R2、C1，R3、R4、C2 构成等效的阻容滤波去除转速给定和转速反馈的纹波。电阻R7，C4通过放大器构成PI调节器为了避免运放长期工作产生的零点漂移，并联一个大电阻R6形成准PI调节器。场效应管Q1做开关用，当零封输入信号(Uo)接高电平时场效应管导通将输出拉至0V，二极管D1避免由于零封信号波动而使Q1意外导通。D2,D3,RP4，RP5构成正负限幅电路。以正向限幅为例：当运放的输出端电压经限流电阻R10后，如果电压值小于D2导通电压加RP4滑动端对地电压则线性输出，否则输出D2导通将输出电压钳位在限幅值。电容C5用于限制运放输出端电压变化过快。3.2.3 电流调节器ACR1、作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 2、对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 3、在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 4、当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。 考虑到ACR的上述作用和生产工艺要求系统主回路电流超调量小,将ACR设计成PI调节器，通过有关书籍可知这样可以使电流环构成一个型结构。通过一阶最优使其动态性能达到要求。图3-8和图3-9分别为的主体结构图和实际实现图，给定电压Ui*和电流反馈电压Ui经滤波后通过由放大器构成的PI调节器后生成触发电路的控制电压Ua输出给触发电路。图3-8 ACR主体结构图ACR主体结构实际电路与转速调节器ASR基本一致，但由于采用一个ACR控制正反两组晶闸管触发电路所以ACR的输入端分别有正反两组电流给定信号输入。ACR同一时间只能向一组发出控制信号，所以采用正反组电流给定信号交替输入的方式。实现方式是采用三极管构成电子开关用DZS的正反组工作的控制信号Ubir， Ubif分别控制正反组电子开关的导通和关断。从而达到正反组电流给定信号交替输入的目的。在输出电路方面为了提高带负载能力采用了晶体管放大电路。也减少了负载电流对本环节的冲击。图3-9 ACR单元电路图3.2.4 逻辑控制单元DLC为了从根本上消除系统的静态环流和脉冲环流，则必须在任何时刻只允许开放一组晶闸管脉冲，另一组晶闸管脉冲被严格封锁，为达到此目的，电路上设计了两个模拟电子开关脉冲门、，逻辑控制器根据系统的工作情况正确发出指令来接通一脉冲门而同时切断另一脉冲门。结构上主要分为逻辑控制和延时控制，考虑换组运行的参考依据是转矩极性和电流是否为零，所以DLC输入信号是转矩极性和电流的状态。DLC的逻辑如下：正向运行：VF整流，开放VF，封锁VR；反向制动：VF逆变，开放VF，封锁VR；反向运行：VR整流，开放VR，封锁VF；正向制动：VR逆变，开放VR，封锁VF。图3-10逻辑控制单元电路图3.2.5 零转矩/零电流检测单元DPT/DPZ零转矩检测单元和零电流检测单元结构和实现电路完全相同，实际都是一个回滞比较器。但目的不同，零转矩检测单元是检测转矩正负极性，零电流检测单元检测电流是否为零。所以具体的参数不同，滞回曲线要求不同。零转矩检测单元的输出要求：电极正转：输出为“1”态；电极反转：输出为“0”态。其实现电路图如图3-11所示： 图3-11 零矩阵检测单元电路图零电流检测器的输出要求：主回路电流接近零时，输出为“1”态；主回路有电流时，输出为“0”态。其实现电路图如图3-12所示：图3-12 零电流检测单元电路图3.2.6 零速封锁单元DZS作用是：当给定信号为0时，电机不动，然而，各调节器的零点漂移将导致电动机的爬行，为确保零位时电动机不会爬行，一定要将调节器锁零，即控制场效应管使调节器的输入和输出间短接。下图为零封锁电路的电路图：图3-13 零封锁环节的电路图3.2.7 反号器三相移相触发器由三片集成电路芯片KJ004(或KC04)等组成，通过KJ041而形成六路双窄脉冲，经脉冲放大和脉冲门MT，去触发三相全控桥晶闸管。图3-14 触发器单元电路图3.2.8 触发电路三相移相触发器由三片集成电路芯片KJ004(或KC04)等组成，通过KJ041而形成六路双窄脉冲，经脉冲放大和脉冲门MT，去触发三相全控桥晶闸管。三相移相触发器有两路输入信号，一路是三相交流同步电源，以保证主电路的交流电压和触发脉冲保持同步，去正确触发各相晶闸管。另一路是脉冲移动的控制信号，用它来控制触发器脉冲发出的时刻，从而达到控制晶闸管触发角的目的。图3-15 触发器单元电路图3.2.9 电流反馈与过流保护图3-16电流反馈与过流保护本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源TA1,TA2,TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个园孔均为观测孔，不需再外部进行接线，只要将DJK04挂件的十芯电源线与插座相连接，那么TA1、TA2、TA3就与屏内的电流互感器输出端相连，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。(1)电流反馈与过流保护的输入端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7组成的3条支路上，其中:R2与VD7并联后再与R1串联，在其中点取零电流检测信号从1脚输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，“1”端的输出由R1、R2分压所得，VD7截止。当电流反馈的电压升高的时候，“1”端的输出也随着升高，当输出电压接接近0.6V左右时，VD7导通，使输出始终保持在0.6V左右。将RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由RP1进行调节。RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。(2)当电路开始工作时，由于电容C2的存在，V3先与V2导通，V3的集电极低电位，V4截止，同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低，保证V2一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值，击穿稳压管，使三极管V2导通，从而V3截止，V4导通使继电器K动作，控制屏内的主继电器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器发出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节RP2的抽头的位置，可得到不同的电流报警值。(4)过流的同时，V3由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出，作为推信号供电流调节器使用。(5)SB为解除过流记忆的复位按钮，当过流故障己经排除，则须按下SB以解除记忆，才能恢复正常工作。当过流动作后，电源通过SB、R4、VD8及C2维持V2导通，V3截止、V4导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下SB后，V2基极失电进入截止状态，V3导通、V4截止，电路才恢复正常。第四章 系统参数计算及元器件选择已有直流电动机参数如下：、 电枢回路电阻、电流过载倍数、。4.1 主回路参数计算及元器件选择 ， 整定的范围在30°150°之间，三相全控桥整流公式：。当a 在30°时整流电压为最大值,所以整流变压器二次相电压，故可取。4.1.1 整流变压器的选择由于整流线路采用三相桥整流，对于这样的可逆系统有：相电压 电机工作在额定运行点时 变压器二次侧电流有效值 所以，副方变压器容量为： 因为交流变压器二次侧为交流不存在直流磁化的问题，则原边变压器容量为变压器总容量可选择为4.1.2 整流晶闸管的选择选择晶闸管的额定参数，则必须考虑极端情况1）额定电流的选择直流端最大电流为 则此时晶闸管电流有效值为考虑安全裕量，可得额定电流为可取 2）额定电流的选择晶闸管承受的最大反向电压为晶闸管承受的最大正向电压为晶闸管的额定电压可选取4.1.3 平波电抗器的选择为使直流电动机运行时的机械特性较硬，需保证电动机运行到最小电流时电枢电流仍能连续。此时的电流取为额定电流的5 %10%。这里取为10%，则： 。电枢回路总电抗为： 电枢需要串入的电枢电抗器大小可以选为2mh。 4.1.4保护电路参数计算1、压敏电阻额定电压的选择（漏电流为1mA时的电压）代入数据可得可选择为400V2、晶闸管关断过电压阻容吸收装置，选取的晶闸管为则可得可选用C=2uF/1kV 式中n为桥臂串联器件数可选用20欧/10W的电阻。4.2 控制回路参数计算在第三章的方案论证当中确定了系统为逻辑选触无环流可逆系统，且该系统主要包括一个转速调节器ASR、一个电流调节器ACR、一个无环流逻辑控制环节DLC和测速反馈环节。首先我们可以先根据转速、电流双闭环直流调速系统的设计方法设计ASR和ACR，然后再系统的逻辑控制规律设计DLC。设计要求：电流超调量为，空载起动到额定转速的速度超调量，稳态无静差。4.2.1 系统静特性分析与计算静态结构图如图4-2，该系统设计为典型的电流速度双闭环系统。a转速反馈系数; b 电流反馈系数；ASR转速调节器；ACR电流调节器；KS 为晶闸管触发整流装置的电压放大系数；R为电枢回路总电阻；Ce 为电动机的电动势系数；Id 为电枢电流。其中两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，也就限制了电动机的最大起动电流。 图4.1 静态结构图根据经验取电动机转速达到额定值时的转速给定U*nm为15V，ASR输出的限幅值U*im为10V ，ACR输出的限幅值Ucm为6V ，ks= Udm/ Ucm =230/6=38.3,取ks=40。（1）电流反馈系数为：（2）速度反馈系数为：（3）触发器和可控硅静态放大倍数为（4）电动机的电势系数为：4.2.2系统动态结构参数设计系统动态结构图，忽略反电动势影响，如图4.2所示：图4.2 系统动态结构图图中为速度调节器的传递函数为电流调节器的传递函数为晶闸管平均失控时间常数，对于三相桥式整流电路，取为电动机机电时间常数 ，取为电动机电磁时间常数， 为机电时间常数，计算得=0.01S为电动机转矩系数，由上面知可取 为电流反馈滤波时间，取 =0.002S为速度反馈滤波时间，取 =0.01S4.2.3 电流调节器的参数选择1、确定时间常数整流装置滞后时间常数：按小时间常数近似处理。s2、选择电流调节器结构根据设计要求：%5%，保证稳态电流无差，按典型I型系统设计。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的。其中，3、选择电流调节器的参数ACR超前时间常数；电流环开环时间增益: ACR的比例系数:4、校验近似条件电流环截止频率: 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。 2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。3）电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容根据下图，取，各电阻和电容值为 ，取， 取，取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求4.2.4 速度调节器的参数选择1确定时间常数由 知 转速环小时间常数2转速调节器选择结构按照设计要求，选用PI调节器，生产工艺一般要求转速调节系统稳态时为无静差，动态性能具有良好的抗扰性能。典型型系统能满足这些要求，所以转速环按典型型系统进行设计。其传递函数为式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超前时间常数。3计算转速调节器参数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为求得转速环开环增益K=于是，由式可得ASR的比例系数为4检验近似条件转速环截止频率1）校验电流环传递函数简化条件是否满足 满足简化条件。 2）校验转速环小时间常数近似处理条件是否满足 满足近似条件。5计算转速调节器的电路参数含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器原理图如下图。取，各电阻和电容值计算如下，取，取，取6校核转速超调量当h=5时，查附表3得,不能满足。实际上，附表3是按线性系统计算的超调量，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，具有饱和非线性特性。所以，应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。7.按退饱和超调量的计算方法计算转速超调量设理想空载起动时，当时，查附表2得：进行可见满足转速超调量的要求。4.2.5 外限幅电路电流调节器和速度调节器均还有积分环节，必须用外限幅电路来限制其输出电压过大而带来冲击。所以一般带有积分作用的运放一点要加外限幅电路，来保证运放的线性特性，保护系统各部分不受损害。在双闭环系统中，转速调节器ASR输出限幅电压决定电流调节器的给定最大值，也决定了电机加减速度及最大起动电流。电流调节器ACR的输出限幅电压限制了晶闸管整流器的最大输出值，即最小整流触发角。第五章 系统调试及校正5.1 系统各功能模块性能的调试与测试5.1.1系统的相位整定定相分析：定相的目的是根据各相晶闸管各自的导电范围内，触发器能给出触发脉冲，也就是确定触发器的同步电压与其对应的主回路电压之间的正确相位关系，因此必须根据触发器的结构原理，主变压器的接线组别来确定同步变压器的接线组别。5.1.2触发器的整定1、先将DJK02的触发脉冲指示开关拨至窄脉冲位置，合DJK02中的电源开关，用示波器观察A相、B相、C相的三相锯齿波，分别调节所对应的斜率调节器，使三相锯齿波的斜率一致。2、观察DJK02中VT1VT6孔的六个双窄脉冲，使间隔均匀，相位间隔60度。3、触发器移相控制特性的整定：如图十七所示，系统要求当Uct0V时，90°，电机应停止不动。因此要调整偏移电阻Up，使90°。图5-1 触发器移相控制特性测得当min30°时所对应的值Uctm4.07V，该值将作为整定ACR输出最大正限幅值的依据；测得当150°（min30°）时所对应的值Uctm3.36V，该值将作为整定ACR输出最大负限幅值的依据。5.1.3 系统的开环运行及特性测试1、高速特性的测试：逐步增加给定电压，使电动机启动、升速。调节Ug（Uct）和滑动变阻器的阻值，使电机电流IdIN1.2A，转速nnN1500rpm。给定不变做得高速特性如表一所示。表一 电机高速特性Id（A）1.21.82.93.5Ud (V)230228225222n(r/min)15001400135013002、低速特性的测试：调节Ug（Uct）和滑动变阻器的阻值，使电机电流IdIN0.5A，转速nnN100rpm左右。测得低速特性如表二所示。表二 电机低速特性Id（A）0.50.60.80.90.9Ud (V)2726262525n(r/min)10080706050电机高低速开环特性如图十八所示：图5-2 电机高低速开环特性5.1.4 速度反馈特性的测试改变Uct，使电动机的转速分别为表三中所示，读出对应的反馈电压Ufn