【正文】 直流電源電壓為 Us，將電樞串聯(lián)一個(gè)電阻 R，接到 Us，則穩(wěn)態(tài)電壓方程式如式： IdRUsUd ?? () 但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速的方法，其效率很低。由圖 ，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過(guò)程中，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 Un*由靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過(guò)渡過(guò)程波形如圖 。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到最大給定電流后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到電流的自動(dòng)保護(hù)。 4）當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到 快速的安全保護(hù)作用，如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動(dòng)恢復(fù)正常。 2）起動(dòng)時(shí)，可限制起動(dòng)電流，保證在允許最大電流下起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)最佳起動(dòng)過(guò)程。 4）其輸出限幅值決定允許的最大電流。 2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)，在抗負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，要求電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。因此在突加 (減 )負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降 (升 )。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，這個(gè)問(wèn)題便大有好轉(zhuǎn)。負(fù)載擾動(dòng)作用在被調(diào)量轉(zhuǎn)速的前面，它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測(cè)出來(lái)，從而在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上得到反映。在單閉環(huán)存在不能及時(shí)調(diào)節(jié)的 問(wèn)題。當(dāng)然，這里只是實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)控制的基本思想，因?yàn)樵谄饎?dòng)過(guò)程的第一和第三階段并不是按時(shí)間最優(yōu)進(jìn)行控制的，但是這兩個(gè)階段在整個(gè)起動(dòng)時(shí)間中并不占主要地位。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在飽和期間，它也不是沒(méi)有作用，而是起著飽和非線性控制作用，只有這樣，才能保證內(nèi)環(huán)的恒值電流調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有一定的超調(diào)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 飽和，才真正發(fā)揮線性調(diào)節(jié)器的作用，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，又表現(xiàn)為一個(gè)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。在這個(gè)階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器同時(shí)發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，自處于主導(dǎo)地位，而電流調(diào)節(jié)器則是力圖使電樞電流盡快地跟隨速度調(diào)節(jié)器輸出電壓信號(hào)，電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，由于在速度調(diào)節(jié)器的入口出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使速度調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是電流調(diào)節(jié)器 的電流給定立即從限幅值降下來(lái)，主回路電流也隨之從最大電流下降。 第三階段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個(gè)階段中者發(fā)揮作用。也就是說(shuō)，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持電樞電流的恒定，獲得“時(shí)間最佳”起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的上升，直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) E也按線性增長(zhǎng)。在這個(gè)階段中，由于轉(zhuǎn)速低于給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直是飽和的，轉(zhuǎn) 速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)只有電流環(huán)工作，表現(xiàn)為電流恒值的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。從電流升到最大值開(kāi)始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段。當(dāng)電流上湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 升到接近設(shè)計(jì)時(shí)所選定的最大值時(shí)，電流反饋電壓與最大電流給定電壓幾乎相等，并保持動(dòng)態(tài)平衡，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋就是按此要求確定的。突加給定電壓后，由于電動(dòng)機(jī)的機(jī)電慣性較大，轉(zhuǎn)速增長(zhǎng)較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差的數(shù)值較大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出迅速達(dá)到飽和值，該飽和值作為 電流調(diào)節(jié)器的輸入給定，使電流調(diào)節(jié)器的輸出、電樞電流迅速上升，當(dāng)電樞電流 負(fù)載電流后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)。最大電流是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。 （ 2）調(diào)節(jié)器飽和：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩加大，達(dá)到設(shè)定的最大電流以后，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速偏差增大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到飽和值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)恒電流無(wú)靜差的單環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在此段內(nèi)，電流調(diào)節(jié)器起輔助作用，負(fù)載電流大小與電流給定值成正比。只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在飽和與 不飽和兩種情況。 實(shí)際上，對(duì)于雙閉環(huán)系統(tǒng)。電流調(diào)節(jié)器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用，保證起動(dòng)時(shí)獲得允許的最大電流，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中，使電流跟隨其給定電壓 Ui*變化，當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至于堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。本課題用 PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)。而電網(wǎng)電湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，因此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)性能。這樣就行成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制兩組IGBT管的觸發(fā)。 圖 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 圖中： ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， ACR為電流調(diào)節(jié)器， Un*和 Un為轉(zhuǎn)速給定（數(shù)字量）和轉(zhuǎn)速反饋（數(shù)字量）， Ui*和 Ui為電流給定（數(shù)字量）和電流反饋（數(shù)字量）， TG為測(cè)速發(fā)電機(jī)， Ld為平波電抗器。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第三章 雙閉環(huán)直流 脈寬 調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù) 反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。 由于當(dāng)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速 1500r/min時(shí)， 測(cè)定 測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)的電壓為 6V，經(jīng) AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后為 （ 6/10） *2048，取整數(shù)為 1229， 由于輸入時(shí)要求轉(zhuǎn)速與實(shí)際鍵入的數(shù)值不同，所以進(jìn)行一下?lián)Q算，把 1229存入寄存器 D10中，換算后的值存到寄存器 D12中。將電樞額定電流轉(zhuǎn)換成電壓形式為 ，再經(jīng) AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字量為（ ） *2048，取整數(shù)為 20。由于霍爾電流傳感器的額定輸入電流是 50A，對(duì)應(yīng)的輸出電壓是 4V（見(jiàn)表 ）。一般來(lái)說(shuō)堵轉(zhuǎn)電流是非常大的，因此我們采用的截止電流經(jīng)常為額定電流的 ，有利于保護(hù)設(shè)備。 圖 系統(tǒng)電路 圖 系統(tǒng)重要參數(shù)測(cè)定和計(jì)算 Idmax 限流保護(hù)是為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題而采取的一種限流措施，當(dāng)直流電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊 電流；運(yùn)行過(guò)程中若遇到堵轉(zhuǎn)情況，電流就會(huì)超過(guò)允許值，對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力低的晶體管來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。 系統(tǒng)采用可編程控制器進(jìn)行邏輯控制以實(shí)現(xiàn) 可逆控制。其調(diào)速結(jié)構(gòu)圖如圖 。 驅(qū)動(dòng)電路如圖 所示。上拉電阻阻值由加在其上的電壓和 IGBT管的基極電流來(lái)確定，本設(shè)計(jì) 選用 5V 的驅(qū)動(dòng) 電壓，基極電流為 10 豪 安，計(jì)算出 上拉電阻為 500 歐姆。當(dāng) MOSFET 的溝道形成以后，從 P基極注入道 N層的空穴，對(duì) N層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少 N 層的電阻使 IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。反 之，加反向門極電壓消除溝道，流過(guò)反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。絕緣柵雙極晶體管本質(zhì)是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多一個(gè) P型層。 驅(qū)動(dòng)電路 [13] 絕緣柵雙極晶體管簡(jiǎn)稱 IGBT，由于 IGBT 內(nèi)具有寄生晶體管，所以也可稱作絕緣柵門極晶體管。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 雙極式 H型 PWM變換器電路 [8]如圖 。 （ 7）四個(gè) IN4007—— 續(xù)流二極管。 （ 5）直流測(cè)速裝置。 15(177。 1%V VC電源電壓 177。 霍爾電流傳感器 參數(shù) [12]如表 。 霍爾電流傳感器 結(jié)構(gòu) [12]如圖 。 湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 霍爾電流傳感器有四根輸出線，從 1到 4分別為＋ 15V、－ 15V、輸出和地。 霍爾電流傳感器的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高、線形度好、可以做到無(wú)接觸檢測(cè)，這是一般電流傳感器無(wú)法達(dá)到的。 （ 3） CS50B1—— 霍爾電流傳感器。 3 FX2N4AD 通道選擇初始化 通道初始化緩沖器的＃ 0 用 16 位進(jìn)制的 4 位數(shù)表示 HOOOO 最小的控制 1通道，第 4位控制 4 通道。在從特殊模塊讀出數(shù)據(jù)之前，先確認(rèn)這些設(shè)施是否被輸入到模塊。 2 FX2N4AD 緩沖器分配 對(duì)于沒(méi)有 *標(biāo)志的緩沖器來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)可以用 FROM 指令讀入 PLC。 如果有較強(qiáng)的電子干擾，連接 FG 接地端和 FX2N4AD 的地端。如果電壓波動(dòng)在輸入的時(shí)候發(fā)生或者外部接線引起電子干擾，需連接一個(gè) F? 到 F? 的電容。 FX2N4AD 可以從基本單元或者功率擴(kuò)展單元的 5V內(nèi)得到 30mA。 FX2N4AD占有 FX2N 8 位輸入輸出擴(kuò)展總線。模擬范圍可以在直流－ 10V到＋ 10V、 4mA 到 20mA 和－ 20mA 到＋ 20mA(分辨能力 20 A? )中選擇。最大分辨率為 12 位。該模塊有四個(gè)輸入通道。 因?yàn)橄到y(tǒng)還包括了橫梁、垂直刀架、左右測(cè)刀架等的設(shè)計(jì)， 這部分主要用繼電器 輸出類型，而直流調(diào)速部分要 用到的 是晶體管 輸出 類型 ， 并且橫梁刀架所用的輸入輸出比較多，通過(guò)計(jì)算 綜合考慮 這 些因素 選擇了 FX2N32MR， 擴(kuò)展單元用三個(gè) FX16EX、一個(gè) FX8EYT。 在具體配置上 包括主模塊 FX2N32MR，擴(kuò)展單元用三個(gè) FX16EX、一個(gè) FX8EYT、FX2N4AD。 三菱 FX2N 系列 PLC 運(yùn)算速度 極 快，基本指令運(yùn)行速度為 ,應(yīng)用指令運(yùn)行速度為： 至幾百 μS/ 指令。 系統(tǒng)主要配置和使用方法 針對(duì)原系統(tǒng)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，經(jīng)分析和研究，系統(tǒng)采用如下配置： （ 1）主拖動(dòng)直流電機(jī)，額定電樞電壓為 220V，額定直流電流為 。問(wèn)題是希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流湖北汽車工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端 ； 到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再依靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程。 理想起動(dòng)過(guò)程波形 [8~9]如圖 。使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這是由于以下的原因 ： 對(duì)于龍門刨床 這樣電機(jī) 經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。綜合上述，本課題選用了 PLC和雙極式 H型 PWM變換器電路完成工作臺(tái)直流電動(dòng)機(jī) PWM調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)榭删幊炭刂破鞒四芡瓿梢恍┗镜墓δ芡?，它還有許多特殊的指令，例如在本課題中用到的 PWM指令就可以完成調(diào)速功能，完全可替代直流調(diào)速器。系統(tǒng)通過(guò)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)主拖動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)速，采用可編程控制器進(jìn)行邏輯控制實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)可逆控制。這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋。 這樣一來(lái)，一旦電流超過(guò)某一規(guī)定值時(shí)，電流負(fù)反饋即投入運(yùn)行，使靜特性急劇地“軟化”。因此，引入電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過(guò)允許值。過(guò)大的電流不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力底的晶閘管來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。 ：限流保護(hù)是為了解決反 饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過(guò)大的問(wèn)題而采用的一種限流措施。 實(shí)現(xiàn)理想速度運(yùn)行曲線的方法 ：安裝直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。其理想的速度運(yùn)行圖 [3~7]如圖 ： 圖 工作臺(tái)理想速度運(yùn)行圖 圖中： LQ—— 工作行程； LH—— 返回行程； VQ—— 切削速度； VH—— 返回速度； 0t1—— 工作臺(tái)前進(jìn)加速至穩(wěn)定工作速度階段； t1t2—— 穩(wěn)定工作速度階段； t2t3—— 減速至零前進(jìn)換向； t3t4—— 后退加速階段； t4t5—— 后退穩(wěn)定速度階段； t5t6—— 減速至零后退換向。 （ 4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行和調(diào)試，測(cè)定系統(tǒng)的運(yùn)行情況。 （ 2）本課題要用雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，所以主要是對(duì)其論述。 本課題的主要任務(wù) 本課題對(duì)龍門刨床的控制系統(tǒng)進(jìn)行全面改造，對(duì)龍門刨床主電機(jī)設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，以取代原來(lái)的控制系統(tǒng)，消除其諸多弊端，使刨床經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行。龍門刨床主要分為機(jī)械和電氣控制兩大組成部分，機(jī)械部分相對(duì)比較穩(wěn)定，使龍門刨床運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)主要取決于電氣控制系統(tǒng)控制方式。因此，提高調(diào)速精度和工作效率，消除換向沖擊，保護(hù)主電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，成為大型龍門刨床期待解決的技術(shù)問(wèn)題。而且， 由于老式龍門刨床大多數(shù)采用的是“電機(jī)擴(kuò)大機(jī) 直流 發(fā)電機(jī)直流 電動(dòng)機(jī) (KFD)”主拖 動(dòng)系統(tǒng)， 存在投資大、用料多、耗電量大、占地面積寬、噪音大、難維護(hù)等一系列缺點(diǎn)。 現(xiàn)有龍門刨床控 制系統(tǒng)存在的問(wèn)題 從速度運(yùn)行圖 ，