龙门刨床电气系统设计


运动控制课程设计
龙门刨床电气系统的设计

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目录
第一章 第二章 1.1 龙门刨床简介........................................................................................... 4 龙门刨床系统要求................................................................................... 5 生产工艺要求........................................................................................... 5

1.2 刨床工作台直流调速系统设计要求 ............................................................ 6 1.3 直流电动机参数 ............................................................................................ 6 第三章 龙门刨床电气系统总体设计思路.................................................................. 8 第四章 直流 PWM 变换器的设计 .............................................................................. 9 4.1 需求分析 ........................................................................................................ 9 4.2 整流电路的设计 ............................................................................................ 9 4.3 PWM 变换电路的设计 ................................................................................. 10 4.4 PWM 整流器的控制 ..................................................................................... 11 第五章 双闭环直流调速系统的设计........................................................................ 14 5.1 双闭环直流调速系统结构图 ...................................................................... 14 5.2 龙门刨床电气系统各部分参数的确定 ...................................................... 14 5.3 电流环(ACR)的设计 ................................................................................ 16 5.3.1 电流环时间常数的确定 ................................................................... 16 5.3.2 电流调节器结构的选择 ................................................................... 16 5.3.3 电流调节器参数的计算 ................................................................... 16 5.3.4 电流环近似条件的校验 ................................................................... 16 5.3.5 电流环运算电路的设计 ................................................................... 17 5.3.6 运算放大电路的参数计算 ............................................................... 17 5.4 转速换(ASR)的设计 ................................................................................ 18 5.4.2 转速调节器结构的选择 ................................................................... 18 5.4.3 转速调节器参数的计算 ................................................................... 18 5.4.4 转速环近似条件的校验 ................................................................... 19 5.4.5 转速环运算电路的设计 ................................................................... 19 5.4.6 运算放大电路的参数计算 ................................................................ 20 5.4.7 校核转速超调量 ............................................................................... 20 第六章 双闭环直流调速系统的 MATLAB 仿真 ........................................................ 21 6.1 电流环的 MATLAB 仿真 ............................................................................... 21

6.2 转速环的仿真 .............................................................................................. 24 第七章 龙门刨床的行程控制以及整体系统设计.................................................... 25 第八章 收获体会........................................................................................................ 26 参考文献...................................................................................................................... 27

第一章 龙门刨床简介
龙门刨床具有门式框架和卧式长床身的刨床。 龙门刨床主要用于刨削大型工 件,也可在工作台上装夹多个零件同时加工,是工业的母机。龙门刨床的工作台 带着工件通过门式框架作直线往复运动,空行程速度大于工作行程速度。横梁上 一般装有两个垂直刀架,刀架滑座可在垂直面内回转一个角度,并可沿横梁作横 向进给运动;

图 1-1 龙门刨床

刨刀可在刀架上作垂直或斜向进给运动;横梁可在两立柱上作上下调整。一般在 两个立柱上还安装可沿立柱上下移动的侧刀架,以扩大加工范围工作台回程时能 机动抬刀,以免划伤工件表面。机床工作台的驱动可用发电机-电动机组或用可 控硅直流调速方式,调速范围较大,在低速时也能获得较大的驱动力。有的龙门刨 床还附有铣头和磨头,变型为龙门刨铣床和龙门刨铣磨床,工作台既可作快速的 主运动,也可作慢速的进给运动,主要用于重型工件在一次安装中进行刨削、铣 削和磨削平面等加工。

第二章 龙门刨床系统要求
1.1 生产工艺要求
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机有负载。一 个切削行程完毕后,工作台后退时,及方向行程时,刀具抬起,主电动机为空载 运行。为提高生产效益,返回速度要高于切削速度,为了减小刀具所承受的冲击 力,延长其实用寿命,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)的末尾同样工作自动减速。

工件

车身
工作台

图 1-1 刨削原理图

图 1-2 刨床速度图

1.2 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 ≤ 5%,空载启动到额定转速的速度 超调量≤ 10%,稳态无静差。

1.3 直流电动机参数
_ = 60 = 220 = 305 = 1500/ = 0.1 电流过载倍数 = 2

电枢总回路电阻=0.2 2 = 97.5 ? 2

第三章 龙门刨床电气系统总体设计思路
龙门刨床从结构上可以分为三个部分。 第一个部分是电机控制的部分。直流电机是运动控制的主要对象,对实时性 要求较高,考虑到模拟控制具有无延迟的优点,电机的控制采用典型模拟方式的 双闭环直流控制系统。该系统具有静、动态性能,适合需要四象限运行的系统。 第二个部分是驱动电动机的电源模块。 由于龙门刨床的电动机容量不是很大, 加上现在电力电子技术的发展,所以,驱动模块采用使用全控器件的 PWM 脉宽 整流系统。PWM 相对于传统的晶闸管相控系统具有时间常数小的优点。 第三个部分主要是行程的判断以及直流电机速度的给定, 该部分主要涉及到 一些逻辑运算, 没有涉及复杂的数学运算, 由于单片机具有强大的逻辑运算能力, 故该系统采用单片机来实现。 综上所述,该系统主要的设计任务如下: 一、PWM 整流系统的设计; 二、直流电机双闭环调速系统的设计; 三、刀具行程的判断和支路电机速度的给定。 整个系统是一个数字与模拟控制的有机结合体。

第四章 直流 PWM 变换器的设计
4.1 需求分析
根据龙门刨床加工工件的特点,电动机要工作在正传电动、正传制动、反转 电动和反转制动的情况下,即死象限运行。直流 PWM 变换器的时间常数是越小 越好,考虑到现有的技术,我们选择开关频率在几十 KHz 下的 IGBT 全控器件。 根据龙门刨床电动机运行的特点 PWM 转换电路我们采用桥式可逆 PWM 电路。 考虑到龙门刨床的电机系统属于中小容量的系统以及控制成本的要求, 将直流侧 的电能回馈的电网没有太大的意义,所以,PWM 系统所需要的直流电源采用实 用单向导电的二极管电路实现,为不可控电路。

4.2 整流电路的设计
当龙门刨床的电机工作在制动状态时,直流 PWM 功率变换器把机械能转化 的电能回馈到直流侧,由于二极管整流器的单向性,该装置是不可逆的,电能不 可能通过整流器送回到交流电网, 只能向滤波电容充电, 使电容两端的电压升高, 这就是泵升电压,过高的泵升电压将超过电力电子器件的限制,会导致电力电子 器件永久性的损坏,甚至引起更大的故障。所以,能量回馈的问题在这个系统是 一个很突出的问题。因此,直流滤波的部分需要认真的设计。 上面已经提到过高的电压会损坏电力电子器件,因此,滤波电容不能太小。 另外,该电机的容量已达到 60Kw,加上大容量的电容制造十分困难,所以该系 统不能只靠电容来限制泵升电压, 或者说, 光靠电容来限制泵升电压不是很可靠。 所以,在直流整流系统的设计中,必须加上额外的泵升电压控制电路来实现保护 电力电子器件与节约能量的平衡。

L c

R VT
PWM电路

PWM控制 器

图 4-1 AC-DC 整流电路

在图 4-1 中,L 是平波电抗器,主要作用有两个,一个是使从整流桥出来的 电压波形变得平稳,一个是防止刚刚接通电源时,防止电容 C 的充电电流过大, 损坏整流用的二极管。 VT 在图中是一个泵升电压保护开关, PWM 控制器系统检测到泵升电压超 当 过规定值时,开关器件 VT 导通,使制动过程中多余的动能以铜耗的形式消耗在 电阻 R 中,此时,PWM 可逆调速系统的制动过程实际上是能耗制动过程。

4.3 PWM 变换电路的设计
根据系统的要求,PWM 变换电路采用桥式电路,控制方式为双极性控制。 这种双极性桥式可逆 PWM 变换器具有一下特点: 1、电流一定连续; 2、可使电动机四现象运行; 3、电动机停止时仍有高频微震电流,能消除静摩擦死区; 4、低速时平稳性较好,并且低速时,开关器件的驱动脉冲仍较宽,有利于 保证器件的可靠导通。

由于双极性桥式可逆 PWM 变换器自身特点,可以很好的满足龙门刨床的加 工需要。

U

s

V

T

V

T

Ug1

1

IGBT-P

3

1

2

IGBT-P

V

D

1

V

D

Diode

B

Motor

M

?

Diode

3

V

T

V

T

Ug2

2

IGBT-P

IGBT-P

4

V

D

2

V

D

Diode

G

N

图 4-2 桥式可逆 PWM 变换器电路

4.4 PWM 整流器的控制
在设计完 PWM 整流器的电路后,PWM 控制器就是接下来要解决的最总要 的部分。 双极性控制可逆变换器的四个驱动电压的关系是:Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。 在一个开关周期内,当0 ≤ < _时, = ,电枢电流 Id 沿回路 1 流通; 当 ≤ < 时,驱动电压反号,Id 经二极管续流, = ? 。因此, 在 一个周期内具有政府相间的脉冲波形。 双极性控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为

=
(4-1)



?

?

D

= (

2

? 1)

若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同,则在双极性控制的 可逆变换器中 = 2 ? 1 (4-2)

Diode

4

Ug4

Ug3

就和不可逆变化期中的关系不一样了。 调速时,的可调范围为0~1,相应的, = ?1~ + 1。当 > 时,为正,
2 1

电动机正转;当 < ,为负,电动机反转;当 = 时, = 0,电动机停止。
2 2

1

1

但电动机停止时,电枢电压的瞬时值并不等于零,而是正负脉宽相等的交变脉冲 电压,因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零,不产生转矩,但会增 大电动机的损耗, 但是也消除了正反转时的静摩擦死区, 起着所谓的 “动力润滑” 的作用,这刚好符合龙门刨床的要求。 弄清楚 PWM 的控制方式后,接下来要做的就是设计 PWM 控制器的参数。 根据自动控制理论的相关知识,PWM 整流器的传递函数近似的可以以用一阶惯 性环节来表示如下

() ≈

+1

(4-3)

其中, 为 PWM 整流器的放大倍数, = 40。 为 PWM 整流器的时间常数, 取 设 PWM 整理器的开关器件工作在 10KHz 的频率下,则 =
1 10000

= 0.0001。

在设计好 PWM 整流器的参数后,最后需要进行的是 PWM 控制器的设计。 由于现在很多品种的单片机都有一路甚至好几路 PWM 输出,所以 PWM 波的产 生不需要编程实现,直接通过硬件实现,然后再通过相印的借口电路将单片即的 信号放大,驱动电力电子器件就可以实现所需要的 PWM 输出来驱动直流电机的 运转。

电压检测

单片机

驱动电路

泵升电压限制开关

图 4-3 PWM 控制器的整体结构框图

控制信号
PWM输出 驱 动 电 路 PWM整流器

PWM输出

第五章 双闭环直流调速系统的设计
5.1 双闭环直流调速系统结构图

* Un ?

?

WASR ?s ?

U ?
* i

?

WACR ?s?

K T
s

s

Ud0 ?

? 1

?

?

I dl
1/ R Tl s ? 1
Id ?

?

?

R Tm s

Un ?

Ui ?

E

1 Ce

n

?

?
图 5-1 双闭环直流调速系统的动态结构图 图中各个环节一次为转速调节器,电流调节器,PWM 整流器以及转速、电 流反馈系数。这是整个系统的核心部分,接下来的设计都是基于这个动态结构图 来设计的。

5.2 龙门刨床电气系统各部分参数的确定
根据上面的分析,已知的参数如下 _ = 60 = 220 = 305 = 1500/ = 0.1 电流过载倍数 = 2 电枢总回路电阻=0.2

2 = 97.5 ? 2

=
根据公式

1 10000

= 0.0001

=
可以求出

0 ?

(5-1)

= 0.1263 ? / 转速反馈系数:

(5-2)

=
电流反馈系数:

12 1500/

= 0.008 ? /

(5-3)

=
电枢回路电磁时间常数

12 2?305

= 0.01967/

(5-4)

=
其中 L 没有给出,可以人为的设定,使



(5-5)

= 0.05 机电时间常数

(5-6)

=
又因为

2 375

(5-7)

=
根据式 5-6 和式 5-7 可得

30



(5-8)

= 1.707

(5-9)

三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为了基本滤平波头,应有(1~2) = 3.33,因此,取 = 0.002 (5-10)

5.3 电流环(ACR)的设计
5.3.1 电流环时间常数的确定 见 5.2 节中的相关类容,其中最小时间常数之和 ∑ = + = 0.0021

5.3.2 电流调节器结构的选择 根据设计要求 ≤ 5%,并保证稳态电流无差,可按典型Ⅰ型系统设计电流 调节器。电流环控制的对象是双惯性的,因此可以用 PI 型电流调节器,其传递 函数如下:

=
检查对电源电压的抗扰性能: 统表,各项指标都是可以接受的。 5.3.3 电流调节器参数的计算


( +1)

(5-11)



0.05 0.0021

?1 ≈ 23.8,经查典型的Ⅰ型系

电流调节器超前时间常数 = = 0.05. 电流环开环增益:要求 ≤ 5%时,应取 ∑ = 0.5,因此 = 于是,ACR 的比例系数为 = 238.1 × 0.05 × 0.2 = ≈ 3.02 40 × 0.0197 0.5 0.5 ?1 = ≈ 238.1 ?1 ∑ 0.0021

5.3.4 电流环近似条件的校验 电流环截止频率: = = 238.1 ?1 1) 校验 PWM 整理装置传递函数的近似条件 1 1 = ?1 ≈ 3333.3 ? 3 3 × 0.0001

满足近似条件。 2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
3√ 1 1 =3×√ ?1 ≈ 3.43 ?1 < (注,此处为开根号运算,显示可能不正确) 1.707 × 0.05

满足近似条件。 3) 校验电流环小时间常数近似处理条件
3√ 1 1 =3×√ ?1 ≈ 2182 ?1 < (注,同上) 0.0001 × 0.0021

5.3.5 电流环运算电路的设计 根据模电的相关知识,很容易得到相关的运算放大电路,如下:
C R i i Res2 R0/2 Ui* R0/2 Cap

U

Res2

Coi

Res2

Cap

2

8

1

A

U

G

N

D

3

R0/2

-βId

R0/2

Res2

Coi

Res2

G

N

D

Cap

G

N

图 5-2 含给定滤波和反馈滤波的 PI 型电流调节器

5.3.6 运算放大电路的参数计算 0 可按所用运算放大器来酌情选择,在这里选择为40kΩ,其他电阻和电容 的估算值如下:

D

Res2

Rbal

4

A

e

= 0 = 3.02 × 40 = 120.8 =

取 120kΩ

0.05 ?6 = 3 = 0.42 × 10 = 0.42 取 0.42 120 × 10 4 4 × 0.002 = = 0.2 × 10?6 = 0.2 0 40 × 103 = 4.3% ≤ 5% 取 0.2

0 =

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。

5.4 转速换(ASR)的设计
5.4.1 转速换时间常数的确定 1) 电流环等效时间常数 1 = 2∑ = 2 × 0.0021 = 0.0042 2) 转速滤波时间常数。根据测速发电机纹波的情况,取 = 0.01. 3) 转速换最小时间常数

∑ =

1

+ = 0.0042 + 0.01 = 0.0142

5.4.2 转速调节器结构的选择 按照设计要求,选用 PI 调节器,其传递函数如下

=
5.4.3 转速调节器参数的计算

( +1)

(5-12)

按照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


则转速环开环增益

= ?∑ = 5 × 0.0142 = 0.071

=

?+1 2?2



2

=

6 2 × 5 × 0.01422
2

?2 = 595.1 ?2 (5-13)

于是可以求得 ASR 的比列系数 = (? + 1) 6 × 0.01967 × 0.1263 × 1.707 = ≈ 22.4 2?∑ 2 × 5 × 0.008 × 0.2 × 0.0142 (5-14) 5.4.4 转速环近似条件的校验 转速环截止频率为

=
(5-15)

1

= = 595.1 × 0.071 ?1 = 42.3 ?1

1) 电流环传递函数简化条件
2 1 2 1 1 ×( ) = ×( ) ?1 ≈ 112.2?1 > 3 ∑ 3 0.0042 × 0.0021 1 1

满足简化条件。 2) 转速环小时间常数近似处理条件
2 1 2 1 1 ×( ) = ×( ) ?1 ≈ 51.4?1 > 3 3 0.0042 × 0.01 1 1

满足近似条件。

5.4.5 转速环运算电路的设计 转速环的运算放大电路和电流环的一样,现重绘如下:

C

R

Res2

n

R0/2

Un*

R0/2

Cap

n

U

Res2

Con

Res2

Cap

2

8

1

A

G

N

D

3

R0/2

-αn

R0/2

Res2

Con

Res2

G

N

D

Cap

G

N

图 5-2 含给定滤波和反馈滤波的 PI 型转速调节器

5.4.6 运算放大电路的参数计算 0 可按所用运算放大器来酌情选择,在这里选择为40kΩ,其他电阻和电容 的估算值如下: = 0 = 22.4 × 40 = 896 = 取 900kΩ

0.071 = = 0.078 × 10?6 = 0.078 取 0.8 900 × 103 4 4 × 0.01 ?6 = 3 = 1 × 10 = 1 0 40 × 10 取 1

0 =

5.4.7 校核转速超调量 见仿真

D

Res2

Rbal

4

A

Ui*

第六章 双闭环直流调速系统的 MATLAB 仿真
6.1 电流环的 MATLAB 仿真

图 6-1 电流环的仿真模型 以下是 ∑ 取不同的值时,系统的阶跃响应曲线

图 6-2 ∑ = 0.5时,系统响应曲线, 可以看得出系统有一定的超调

图 6-3 ∑ = 1时 从图中可以看到,此时超调量更严重

图 6-4 ∑ = 0.25时 从图中可以看到,此时系统没有明显的超调,但是上升时间慢了一点。 观察图 6-2、图 6-3 和图 6-4 的仿真曲线,在直流电机的恒流升速阶段,电流 值低于λIN =610A,其原因是电流调节器系统受到电动机反电动势扰动,它是一个 线性渐增强上网扰动量,所以系统做不到无静差,而是 略低于 .

6.2 转速环的仿真

图 6-5 转速环的仿真模型

第七章 龙门刨床的行程控制以及整体系统设计
根据第三章的分析,由于双闭环调速系统已经具有很好的跟随与稳态性能, 所以行程控制用单片机才控制, 由单片机来处理行程开关的型号以及针对目前的 行程完成速度的给定, 单片机给出的速度信号经过 D/A 转换器再经过功率放大来 驱动或者实现双闭环电压信号的给定。其具体设计框图如下:

PWM控制器

PWM整流电路

直流电动机

模拟的双闭环 控制系统

转速检测

D/A转化及功 率放大

单片机

行程检测

图 7-1 龙门刨床整体系统结构

第八章 收获体会
在这次运控的课程设计中能够成功的做出离不开老师的细心指教, 没有老师 直到我们熟悉硬件平台,我们是很难顺利完成课程设计的。此外在课程设计的过 程中指导老师也是有问必答,解除我们的疑惑。所以这次课程设计的顺利完成是 和老师息息相关的。 此外在这次的课程设计过程中,进一步熟悉的运动控制理论,以及 MATLAB 仿真技术。借助现代的网络技术,有什么不懂得马上 Google,不让问题遗留到 下一天,极大地加快的进度,在上 Google 的过程中也让我们对汇编有了更深一 层的认识,并且还让我们初步领略到计算机控制的魅力,可谓一举多得。课程设 计是我们从书本到时间非常关键的一步, 当代大学生动手创新能力是社会所急需 的,所以我们不要做象牙塔里的秀才,一定要努力把此次的课程设计做好。正如 课程设计的任务和地位中所说的那样, 计算机科学在应用上得到飞速发展, 因此, 学习这方面的知识必须紧密联系实际: 掌握这方面的知识更要强调解决实际问题 的能力。同学们要着重学会面对一个实际问题,如何去自己收集资料,如何自己 去学习新的知识, 如何自己去制定解决问题的方案并通过实践不断地去分析和解 决前进道路上的一切问题,最终到达胜利的彼岸。 最后想说的是,在这次课程设计中我们不仅收获胜利的喜悦,再设计的过程 中我们也付出了努力,但是,这种付出是快乐的,因为它让我们培养了细致认真 的工作太多,培养的我们发现问题、分析问题、解决问题的能力,让我们从汗水 中尝到了喜悦。 再次感谢老师的谆谆教导和学校给我们提供了这么一次机会。

参考文献
[1] 陈伯时,阮毅. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统. 北京:机械工业出 版社,2010. [2] 王兆安,黄俊. 电力电子技术. 北京:机械工业出版社,2010. [3] 欧阳昌华,刘建良.自动控制系统实验指导书. 长沙:中南大学,2003.


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