四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计文档格式.doc
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3.2.6 逻辑控制单元 14
3.2.7 零转矩检测单元和零电流检测单元 15
3.2.8 零封锁环节 16
3.2.9电流反馈与过流保护 17
第四章 系统参数设计与计算 19
4.1整流变压器的选择 19
4.2晶闸管的选择 19
4.3晶闸管保护措施 20
4.4电流互感器的选择 20
4.5平波电抗器的计算 21
第五章双闭环的动态设计和校验 23
5.1静特性分析和计算 23
5.2系统动态结构参数设计 23
5.2.1电流调节器的设计和校验 24
5.2.2转速调节器的设计和校验 26
第六章系统调试和校正 28
6.1系统各功能模块性能的调试与测试 28
6.1.1 系统的相位整定 28
6.1.2 触发器的整定 28
6.1.3系统的开环运行及特性测试 29
6.1.4速度反馈特性的测试 30
6.1.5调节器的调试 31
6.1.6电流调节器ACR的调试 31
6.1.7反相器AR的调试 31
6.2系统整体功能测试 31
6.3系统小结 32
第七章 总结 33
参考文献：
34
附图 34
第一章 设计的介绍
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和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，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、设计主电路和控制电路方案，绘出该系统的原理图（2号图纸）。
2、设计组成该电路的各单元，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
四辊可逆冷轧机的卷取机直流调速系统设计
1.3.1 生产工艺和机械性能
四辊可逆冷轧机是供冷轧紫铜及其合金成卷带材之用，为提高其生产效率，冷轧机要往、返轧制其金属材料。
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向轧制过程中，左边一台卷取机作开卷机用，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（从右往左轧制），右边卷取机作开卷机，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。
两台卷取机的电动机参数完全一样，机械参数如下：
带卷内径（卷筒直径）：
500mm
带卷外径：
680~1100mm
带卷最大重量：
2000kg
带卷最大张力：
卷取机传动比：
i=1.87
张力传感器
带材
左卷取机 轧机 右卷取机
图1-1 四辊可逆冷轧机原理图
1.3.2 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。
1.3.3 直流电动机参数
，，，，，电枢回路总电阻，电流过载倍数，。
第二章 四辊可逆冷轧机的介绍
图2-1 四辊可逆冷轧机
四辊可逆冷轧机是生产冷轧板带典型的传统轧机。
80年代末以来，随着世界小钢厂的发展，尤其是薄板柸连铸连轧技术发展及对热带深加工的需要，四辊可逆式冷轧机成为板带小钢厂热带深加工的主要生产设备。
其装置技术水平不断发展提高。
现代串列式冷轧机及全连续冷轧机上的现代化技术，也用于可逆式冷轧机上。
并且，双机架四辊可逆冷轧机也得到发展。
现代四辊可逆冷轧机的生产及装备技术水平远远超过传统的四辊可逆式冷轧机。
四辊可逆冷轧机生产特点：
1.提高生产力
2.扩大产品品种规格
3.提高产品质量
4.提高自动化装备水平
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，为了获得较好的直流采用三相整流；
由于生产工艺要求电机正反转，考虑到晶闸管的单向导电性，可用正反两组晶闸管反并联可逆控制系统。
其实现方式如下图：
图3-1主回路设计原理图
可逆的调速系统能满足电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，即需要电力拖动系统具有四象限运行的特性的要求。
3.2 控制回路设计
为了满足生产工艺对电流的电流超调量的要求，并且为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。
必需采用电流闭环调节环ACR。
为了满足生产工艺对电流的转速超调量和转速无静差的要求。
必需采用转速闭环调节环ASR。
因此为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
二者之间实行嵌套（或称串级）联接。
有环流系统中，虽然其具有反向快、过度平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。
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很，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的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。
通过分析可以确定控制系统控制回路由以下几个模块组成：
给定模块、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、零转矩和零电流检测单元DPT、DPZ和一个为避免元件温升和零点漂流的零速封锁单元DZS，反号器AR，电流反馈与过电流保护FBC+FA。
图3-2控制系统框图
控制系统框图如上图所示。
采用一个电流调节器和一个触发模块，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
有上图可知，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都是饱和值，当给定过大时，要求限幅，由二极管控制，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3-3 给定单元电路图
3.2.2转速调节器
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队阶跃信号无静差,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3-4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。
图3-4ASR的主体结构图
其实际的实现电路如下图示：
图3-5ASR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
1、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。
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Ⅰ型结构。
通过一阶最优使其动态性能达到要求。
图3-6和图3-7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3-6ACR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3-7ACR单元电路图
3.2.4反号器
电流反馈信号的级性总是为“+”，而且，此系统只采用了一个电流调节器，为保证电流环为电流负反馈环，实现负反馈控制，必须采用一只反号器AR，为此，由逻辑DLC的两个相反的和信号分别控制电流的给定信号，以实现电流反馈永远是负反馈。
图3-8 AR单元电路图
3.2.5 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3-9触发器单元电路图
3.2.6 逻辑控制单元
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让。
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
因此，DLC的输出有两种状态：
VF开放—Ublf=1VF封锁—Ublf=0
VR开放—Ublr=1VR封锁—Ublr=0
R32与C34，R34与C37构成延时环节为以下两个延时提供条件以保证两组晶闸管装置可靠切换。
t1延时——关断等待时间，以确认电流已经过零，而非因电流脉动引起的误信号；
t2延时——触发等待时间，以确保被关断的晶闸管已恢复阻断能力，防止其重新导通。
3.2.7 零转矩检测单元和零电流检测单元
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，回滞曲线要求不同。
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
3.2.8 零封锁环节
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。
图十二为零封锁电路的电路图。
图3-12零封锁环节的电路图
3.2.9电流反馈与过流保护
图3-13 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:
①R2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。
②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。
③RP2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β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 系统参数设计与计算
4.1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：
又整流电流
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
变压器总容量为
取变压器容量为300KVA
4.2晶闸管的选择
晶闸管额定电压：
晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即=（2～3）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则
取V.
晶闸管额定电流：
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值，即
=1.57>
或>
==
考虑（1.5～2）倍的裕量
式中K=/（1.57）--电流计算系数。
此外，还需注意以下几点：
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。
②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。
③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。
由表查得K=0.367，考虑（1.5～2）倍的裕量
取。
故选晶闸管的型号为KS800A
4.3晶闸管保护措施
为了限制电压上升率和电流上升率，系统加入了桥臂电抗器，桥臂电抗器采用空心电抗，为了提高电感量，每个电抗器内安置有铁氧磁棒。
用快速熔断器作为过流保护，桥臂快熔的额定电流为：
环流快熔的额定电流为：
所以选择的桥臂快熔的型号为：
，
环流快熔的型号为：
4.4电流互感器的选择
由于交流变压器副方电流为624.24A，所选LMZ-0.5-1型，额定电流为800A，做计量保护用。
4.5平波电抗器的计算
为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。
其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。
（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。
式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；
为最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。
根据本电路形式查得=0.695所以
==2.18mH
（2）限制输出电流脉动的临界电感量
由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。
该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。
通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。
因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。
平波电抗器的临界电感量（单位为mＨ）可用下式计算
式中－系数，与整流电路形式有关，－电流最大允许脉动系数，通常三相电路≤（5～10）％。
根据本电路形式查得=1.045,所以
==1.64mH
（3）电动机电感量和变压器漏电感量
电动机电感量（单位为mH）可按下式计算
式中,n－直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；
P－电动机的磁极对数；
－计算系数。
一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。
本设计中取=8、==230V、==765A、n=1400r/min、p=1
变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算
式中 －计算系数，查表可得3.9
－变压器的短路比，取3。
本设计中取=3.9、=3
所以
=3.9×
3×
120/（100×
765）=0.018mH
（4）实际串入平波电抗器的电感量
考虑输出电流连续时的实际电感量：
如上述条件均需满足时，应取作为串入平波电抗器的电感值，所以本电路选取=2mH作为平波电抗器的电感值。
第五章双闭环的动态设计和校验
5.1静特性分析和计算
静态结构图如下图所示，系统设计为典型的电流速度双闭环系统。
图5-1静态结构图
（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：
（5）电枢回路总电阻为：
R=0.18
5.2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5-2所示：
图5-2系统动态结构图
图中为速度调节
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