全数字闭环直流调速龙门刨床系统设计.docx
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全数字闭环直流调速龙门刨床系统设计
1.绪论
传统的大型龙门刨床其调速系统采用直流发电机—电动机组拖动系统，靠改变直流发电机与直流电动机的磁通量来调节速度，控制系统采用分离元件，交流接触器、继电器等来控制电机组的起动以及刀架、横梁及工作台的换向、抬刀等动作。
这种控制系统故障环节较多，维修困难，调速系统占地面积大，噪音大，设备投资大，惯性大，调整系统动态及静态性能均不理想[1]。
我们采用一种新型全数字式大功率直流调速装置来进行调速，它采用了16位（或32位）微处理器及其它先进技术，使其具有很高的调速精度，优良的控制性能和较强的抗干扰能力，大大减少了故障环节，降低噪音，节约电能，提高可靠性等[2]，且欧陆590全数字式直流调速系统采用16位微处理器，通过优化的闭环控制，实现直流他励电动机和永磁电动机的精确调速控制。
2全数字闭环直流调速系统的工作原理
概述
该系统采用先进的网络数字技术，以串行通讯方式把所有指令器件、检测器件以及执行设备连接在一起。
系统还采用先进的数字式行程检测定位技术，淘汰了原来用行程开关检测刨台的行程及控制刨台换向的传统方式。
系统的主要控制环节是由三菱公司FXZN系列LPC、英国欧陆590数字化直流调速器（590+/38A0）和鞍山通用电气公司生产的龙门刨床AT59RH型汉字显示人机对话装置组成，并且由此构成《全数字龙门刨床控制系统》【3】。
全数字化直流调速装置传动简介
全数字化直流调速控制传动是指由三相交流电源直接供电，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。
其中单象限工作装置的电枢整流回路为三相桥式全控电路;四象限工作装置的电枢整流回路为反并联三相桥式全控电路。
励磁整流回路采用单相半控桥，所有的控制、调节、监控及附加功能都由微处理器来实现，且全部控制过程在VLS（I极大规模集成电路）技术和微机化硬件环境下以程序软件实现，系统内部信息交换以数字方式进行。
全数字化的应用解决了模拟系统中电子元器件参数性能受环境因素影响的问题，特别是温度漂移问题，从而使系统精度的不可控影响因素得以消除，控制精度仅受微处理器字长、检测元件精度的影响，从而达到极高品质的控制功能和水平【4】。
工作行程数字定位原理
2.3.1龙门刨床的运动特征
龙门刨床是一种广泛使用的切削加工机床，其电力拖动自动控制主要包括江作台的、后往复运动;横梁的升、降运动及夹紧、放松控制;刀架的快速移动和自动进给运动及抬刀和落刀控制。
在上述三大运动中，尤以工作台的前、后往复运动要求最高，它不仅要求调速，而且调速范围要宽;不仅要求频繁地换向，而且要求动态及静态性能优良。
龙门刨床工艺要求工作台前、后往复运动的速度图如图所示【5】。
2.3.2工作行程数字定位原理【6】—【9】
传统龙门刨床的往返行程控制和速度自动控制，都是采用机械式限位开关或晶体管接近开关来完成。
其故障率高，在现场经常撞坏;同时操作者要经常调节挡铁的位置，以改变刨台的行程，这就给工人操作带来许多不便，既费劲、费工还容易跑偏。
本系统采用先进的数字定位技术，能使刨刀及工作台按设定的行程和速度进行有序的运行。
按着刀架进给一刀架落刀一工作台前进一工作台加速一工作台速度保持一工作台减速一工作台前进到位一刀架抬刀一工作台后退……工作台后退到位一刀架进给……，自动循环工作。
在操作上，本系统可利用Af59RH面板上的清零和定位按钮，很方便的设置其工作区间。
刨台数字定位的原理是利用旋转编码器来检测刨台拖动电机旋转的角位移量，再把这个角位移量输送到主站PLC进行运算后通过串行接口输出到欧陆590数字直流调速装置对其进行控制。
系统数字定位控制过程图如图。
刨台在自动往复运动中，需要在刨台后退结束时自动进刀，在刨台前进结束时自动退刀（抬刀），那么刨台的行程位置可这样确定:
（1）后退终点即进刀位置的设定:
当需要设置刨台工作行程时，按动吊挂正向点动按钮，使刨台正向运行到进刀位置，停止正向点动;再按Af59RH清零按键，Af59RH会把这个指令输到PLC并把PLC内部的测量角位移量计数器清零，系统会自动记忆住这个起始位置;
（2）前进终点即退刀位置的设定:
按动吊挂反向点动按钮，使刨台正向运行到退刀位置，停止反向点动;再按AT59RJI的定位按键，AT59RH会把这个指令传输到主站PLC，并把PLC内部测量角位移量计数器置位，同时记忆住这个结束位置。
在运行时，在主站PLC把这两个反映工作台之间实际运行距离的信号，与来自数字测速装置的信号进行比较进行运算处理，从而产生控制工作台的行程及刨台电机正反运转及加减速的指令。
本章小结
本章重点介绍了利用PLC技术将全数字直流调进装置，以及HMI（人机对话）编码器反馈以数字通讯方式适连接起来，构成一个全数字闭环直流调速系统，合理用于Zx6m龙门创床的电气设计改造中，并对其工作原理作了简单描述。
利用转编码器来检测刨台拖动电机旋转的角位移量，通过串行数字通讯技术，从而实现数字定位控制，减少故障率且操作方便。
3全数字闭环直流调速系统的合理匹配
全数字直流调速系统构成
通过分析研究
，所设计的系统如图所示。
（1）主站CPU:
是控制系统的核心，它把智能型HMI（人机对话装置）、角速度及行程检测、直流调速装置等以数字通讯方式连接起来，各种控制信号传送到CUP，再经CUP运算处理后，分别控制刨台电机和其它辅助设备，对它们进行起动，停止及调速等控制。
（2）通讯转换模块:
主要是实现电平匹配，以保证主站CUP和全数字直流调速装置之间的数据通讯。
（3）全数字直流调速装置:
从吊挂按钮站给定的各种控制信号传送到CUP，再经CUP运算处理后直接通过485/232串行通讯模块以数字传输方式，控制全数字直流调速装置，使其负载电动机按系统控制需要进行运转。
（4）MH工（人机对话装置）:
即智能型吊挂按钮站，该装置能以全中文的形式显示系统对全数字直流调速装置的设定参数、系统的运行状态及故障等。
并且当系统发生故障时，它能自动准确迅速的指示该系统的故障位置。
（5）行程及速度检测:
该系统采用先进的数字式行程检测定位技术，淘汰了原来用行程开关检测刨床台面的行程及控制刨床台面换向。
（6）限位开关站:
主要功能是把系统在工作时所有限位开关的工作状态进行采集处理后，以串行通讯的方式传输到主站PLC，再由主站PLC根据系统控制要求控制相应的辅助设备及主轴电机。
（7）辅助设备:
辅助设备包括润滑电机、主轴风机、进给电机、抬落刀电磁阀。
它们在刨台自动运行时都是由主站PLC的程序进行控制的。
（8）线路电抗器:
其主要作用是消除电网中存在的谐波分量，抑制从网侧过来的过电流冲击，减小电流的脉动，保护直流调速装置。
全数字直流调速装置的选择
3.2.1直流电机调速原理
众所周知，直流电机的外加电压即电枢电压Ua、电枢反电动势Es、电枢绕组压降的关系是:
Ua=Es+IaxRS
式中:
Es=
，Rs=Ra+RA
因此
n=[Ua一Ia（Ra+RA）]/
式中:
Ce一电机结构决定的电势系数;
Ra一电枢回路电阻;
RA一与电枢回路串联的电阻;
If一电枢电流。
由式可知，直流电动机的调速方法可分为三种，即改变电枢电压Ua、改变电枢回路的串联电阻Ra和改变磁通
进行调速。
590控制器介绍
欧陆590可完美地实现直流电动机单向或可逆运行的调速，能完全满足用户的使用条件，具有较高的性能价格比，是目前在机床中应用最多的数字式直流电动机调速驱动器。
590全数字直流调速器具有如下主要特点:
①高速16位CPU实现全数字化控制，所有功能均由参数设定完成。
②电流环自适应，参数自优化;具有斜坡给定、程序停机、惯性滑行停机等多种设定功能，O电流时间可自行设定。
③有3种反馈方式:
测速机、编码器、电枢电压、均由用户自主选择。
④具有多种保护功能，如过流、过压、失速、超速、失磁、缺相、堵转、触发失败等;并且具有完善的自诊断及记忆显示功能。
⑤调速范围宽，调速比>100:
1。
⑥稳态精度高:
测速反馈<%，编码器反馈<%，电压反馈<2%。
⑦可方便地与计算机、PLC等接口，并可实现通讯联网。
⑧过载能力强:
200%额定电流时.10秒动作，150%额定电流时30秒动作。
⑨可自行定义指定的模拟、数字量输入/输出端子。
⑩工作宽松，主回路电源电压110-500V，控制电源110-240V，频率:
45-65HZ
HMI（人机接口）和PLC（可编程控制器）的选择
工业人机界面（HunlnaMachineIniearfec），简称HMI，又称触摸屏监控器，是一种智能化操作控制显示装置。
工业人机界面由特殊设计的计算机系统（32位RJSCCPU芯片）为核心，在STN，TFT的液晶显示屏或EL（电发光）显示器上罩盖有透明的电阻网络式的触摸屏。
Af59FJJ人机对话操作站
590原配有两排16个字符的液晶显示器给用户提供了一个简单明了的用户窗口。
上边一行显示说明现行菜单或功能，下一行说明下一个菜单或功能，或上边一行所选功能的数值或状态，便于用户设定或修改参数。
AT59RH人机对话装置如图所示，其核心部件是单片机89C52，它通过三总线（地址、数据、控制）和LCD液晶显示器、1/0扩展模块、SK数据存储模块实现总线连接;利用通讯模块ADM485与外部实现数据交换。
图B220龙门刨床人机对话装置电气结构图
LCD（T6963C芯片）点阵图形液晶显示模块，选用FM240128型，具有240X128
3.3.2PLC（可编程控制器）
PLC基于微机技术，且适用于工业现场工作，通用性强的自动控制设备。
它既能控制开关量，也能控制模拟量，控制规模从几十点到上万点不等。
作为590数字调速器的上位机，可很方便地实现数字通讯。
（1）PLC硬件
本系统PLC选用三菱公司FX-2N型，属小型可编程序控制器，采用模块化组合。
CPU模块选用常见的CPU226，它负责执行程序和存储数据，并且作为网站的指挥中心实现和操作站AT59RH及590等的通讯联网，以便实现机床的控制和调速。
CPU226模块主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。
另外，还有总线接口，以实现CPU与内存及Uo模块等的联系。
系统中选用RS-485接口，它具有通讯距离远、数据传输速率高，抗干扰能力强等优点。
本系统选用光电隔离型接口转换器HF485G，它将RS232接口转换为隔离型RS-485接口，使系统变得简单。
其内部独特的控制电路使之无需修改RS232通讯软件即可实现多机通讯和远程通讯。
（2）PLC软件
本系统的软件流程图见图【9】
图软件流程图
光电旋转编码器的选择
光电旋转编码器（以下简称旋转编码器）主要应用于检测角度位置，也可通过机械联动转换成直线运动来检测线性位置。
常见的类型主要有:
单相输出、正交AB相增量脉冲输出、绝对值格雷码输出、原点输出、防溅、防水、防油、耐震动、抗冲击等等。
与以前使用的检测旋转角度产品，如凸轮开关、旋转变压器测速机等相比，在性能、价格、体积、重量、数字化方面，旋转编码器都具有较大的优势，它已成为检测旋转角度和线性位置的最为重要的手段
图基本原理
图所示为旋转编码器的基本原理:
主轴与两块圆光栅盘相连，光射入并通过该光栅时，分别用两个光栅面感光。
由于两个感光面具有9b0的相位差。
因此，将该输出输入数字加减计算器，就能以分度值来表示角度。
旋转编码器主要由光栅、光源、检读器、信号转换电路、机械传动等部分组成。
本章小结
在需要精确调速控制的工业场合，直流电机仍占据着交流电机难以取代的地位。
作为新一代直流调速控制装置的代表，590系统以其可靠性高、功能完善、操作简单、免维护等优良特性，在越来越多的通用或专用工业领域得到应用。
系统的核心元件是可编程序控制器（PLC）和全数字直流调速器欧陆590系统。
PLC的输入信号，其一路是来自吊挂的AT59RH人机对话操作站，它是由单片机配以中文显示终端及各种控制信号和数字给定按键组成;另一路是来自机床的限位、油泵过热等各种保护信号，由外部进入PLC。
PLC作为数字控制的中枢，通过数字通讯指挥机床的运转。
4控制系统的研究方法
直流调速装置的调试
4.1.1电源接线
（1）3一相外部接触器
接触器并不切换电流，主要是断开和接通电源桥路。
主接触器必须通过其线圈直接受控制器控制线圈的额定参数应适合于所连接的控制器。
不允许附加的串联触点或开关，因为他们会干扰控制器的顺序，引起不稳定和可能产生故障。
注:
如果3相接触器的线圈吸合电流大于3A，则需采用一个中间继电器来带动接触器线圈。
接触器和中间继电器（如有需要）的线圈电压应与控制器的辅助电源电压一致。
4和5型结构:
电源板上有一个继电器短接线（ocnnl），可使端子3和4，使之成为电源（辅助电源一默认位置）或无源（用户自己对接触器供电）。
（2）直流接触器:
可以采用直流接触器，但是要修改接线以适应这种使用方式，接触器的一个辅助常开无源触点必须与“允许”输入端（CS）串联，这样在直流接触器闭合之前调速器被禁止。
（3）交流线路电抗器（ACLineChoke）要安装推荐的电抗器。
4.1.2调速装置的性能调整
（1）电流环一自动调谐性能
现在执行自动调谐以查找并保存以下电流环参数:
比例增益
积分增益
DISCONTINUOUS断续点
（2）初始条件:
主接触器释放，即在接线端3C处没有起动/运转信号。
设置AUTOTUNE（自动调谐）参数为0FF（关）。
程序停机（接线端BS）和惯性停机（接线端Bg）应该是高电平，即24V。
注:
在执行自动调谐顺序时，对某些电机而言，可能需要将轴夹紧，以防转速大于20%。
如果是永磁电机，轴必须被夹紧。
（3）执行自动调谐
（4）速度环
PID（比例积分微分）常用来控制闭环系统的响应。
特别用于那些能提供设定值和反馈值之间零稳态误差和良好的瞬态特性的驱动控制系统。
（5）比例增益（PRORGA取）
该参数用于调整闭环系统的基础响应，PID误差乘以比例增益即为输出。
（6）积分时间常数（创
积分时间常数用来减小PID系统的设定值和反馈值之间的稳态误差。
如果积分时间常数设置为零，则永远存在稳态误差。
（7）PID增益的设置方法
增益的设置结果应该是，对一个设定值的阶跃输入能得到临界的阻尼响应。
一个欠阻尼系统，即振荡系统可能就是由于增益太大，而过阻尼系统则由于增益太小。
如图所示。
图PID增益
调速系统内部PID参数整定
（l）PID控制算法
比例+积分+微分调节（proportional+Integral+Deviative即PID）是工业控制中常用的调节方法。
积分调节可以消除静差，微分调节可以改善系统的动态响应速度。
比例、积分、微分三者结合起来可以满足不同的控制要求。
（2）本装置PID功能说明:
该模块执行比例增益（P）+积分（I）+微分（D）控制算法，并附加一滤波器来衰减高频噪声。
您可以根据需要选择，PP，DPI或PID。
①比例增益（PRORGAE呀）
它用来调节闭环控制系统的基本响应。
它被定义为使整个系统稳定时输出和输入之比。
Pm偏差乘以比例增益即为输出。
②积分（取.
积分项用来获得PID的给定值和反馈值间的零稳态偏差。
如果积分庙宇为一个小的值，它将导致控制系统欠阻尼或不稳。
③微分（DERJV戌1，IVETC）
微分用来修正某些类型的控制环不稳定性，并因此改善响应。
④比例增益
比例增益根据输入偏差来调整输出。
增大比例增益将改善响应时间但会增加超调。
MODE（模式）选择比例增益曲线。
当设为O时，在整个卷取过程中，比例增益保持恒定。
⑤积分增益
积分消除稳态偏差。
减小.（积分时间常数）可改善响应，但是如果它设置的太小，将导致不稳定。
积分值在内部可通过设置POSITIVELIMIT（正极限）和NEGTIVELIMIT（负极限）来钳位。
当PIDCLAMPED（PID箱位）输出为TRUE（真）时，它可以保持在最后的值。
设定（积分失效）为ON，将去除积分增益项。
⑥微分增益
微分增益会瞬间加大PDI输出信号。
增加DERIVATIVETC（微分时间常数），将减小阻尼，在大多数情况下，这将导致超调和振荡，产生无法接受的系统响应。
以下的框图显示从MODE=O到MODE=4，可能的系统响应类型。
在欠阻尼系统中，输出发生震荡，庙宇时间常数加大。
在临界阻尼系统中，没有超调或震荡。
在期望的响应时间内达到了设定值。
在过阻尼系统中，没有震荡，但是，在期望的响应时间内没有达到设定值。
如图所示。
图临界阻尼响应
本章小结
控制系统的调试是相当关键的环节，在调试过程中应结合具体对象采取相应方法，在对欧陆590直流调速装置的调试中，可直接通过590自带的MM工接口界面进行系列参数设定，严格按步骤一步一步完成调整，通过测试，反复验证，从而完成对该装置的调试以达到满意的控制效果。
PLC的调试中首先要根据龙门刨床控制要求定义输入输出信号，编制相应控制程序，可充分利用在线监控功能进行试验，这种方法既直观又方便。
为确保控制系统安全正常运行，对装置合理的布线，采取接点保护，以及柜内柜外隔离的措施是十分必要的;在PLC设计时也要注意，电源、输入电路、输出电路三部分的硬电电路是否合理，其设计的合理则可提高PLC运行可靠性，又使得.PlC维护工作变得简单、快捷。
另外PLC控制系统中的干扰是一个十分复杂的问题，因此，要提高PLC控制系统的可靠性，必须综合运用抗干扰的措施，才能合理有效地抑制干扰。
对某些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作。
5实际性能及经济指标的测试分析
概述
采用全数字直流调速装置和PLC对B220（Zx6M）龙门刨床实施电气改进设计，克服了原控制系统中的缺点，对解决维护困难、提高设备运行率及降低能源消耗、提升经济效益起到了重要作用。
改造后的控制系统有如下优点【10—13】:
（1）采用数字控制装置可以大大提高调速系统的稳态精度，元器件高度集成化，便于维护。
（2）经数模转换后，放大与调节部分仍可用模拟装置，可获得足够的控制功率，保证系统有良好的动态性能。
（3）可以进行数字、逻辑运算、实现Pl、PID控制以及其它各种特殊控制。
（4）软件功能丰富，自身故障诊断齐全，带有错误信息代码表，出现故障时，能自动封锁主回路，防止事故的扩大【7-8】。
实际运行质量的测试分析
（1）改造后效果
改造后设备所达到的技术性能参数指标如下:
①调速范围
原出厂要求：
刨台3一60米/分，电机转速64一1000一1280转/分。
改造后实测:
刨台2一60米/分，电机转速42一1000一1280转/分。
②主电动机（2台串联）
原出厂要求:
电枢电压30—220V电枢电流最大整定为400A。
改造后实测:
电枢电压18一220，V电枢电流最大整定为400A。
③速度稳定精度
原出厂要求:
静态速降<5%动态速降改造后实测:
静态速降要求加工过程中，突然吃大刀，刨台没有明显的停滞现象;加工平面表面应没有波纹。
改造后均已达到预期要求。
④过载能力及过流保护
原出厂要求:
200%额定电流时，过流保护动作。
改造后实测:
200%额定电流10秒保护动作;150%额定电流30秒保护动作。
⑤保护功能
原出厂要求:
具有过电流保护、堵转保护、失磁保护。
改造后:
具有过流、过压、欠压、失磁、失速、超速、缺相、堵转、SCR模块超温、
SCR触发失败等多种保护功能。
改造性能分析
经改造后，系统性能有明显改善，主要表现在以下方面。
①节能。
改造前交流电机的输入功率为60KW，取交流电机和发电机的机械效率为85%，设备负荷率为80%，则输入DC主电机前功率损失为1332KW，全年电能损失为。
改造后每台每年可节约近6万电能（约合万元）。
②机械特性较硬，平稳性好。
本装置由于采用了双层控制回路，从而使系统运行非常平稳，机械特性较硬，可大大提高切削表面质量。
③调速平滑，换向无冲击。
④控制精度高，工作效率高。
⑤噪声减少，工作环境改善。
⑥提高了控制系统可靠性，简化了硬件线路。
改造后通过近1年的使用，效果明显，两年内即可收回成本，经济效益显著，运行安全可靠，有推广前景。
本章小结
对龙门刨床实施电气改造后，克服了以往F—D调速系统的如下缺点:
①调速系统占地面积大，噪音大，设备投资大;②耗电量大，效率低;③惯性大，调速系统动态及静态性能均不理想;④操作、维护、检修工作量大:
⑤可靠性差等。
改造后，大大提高了工作效率，提高了设备可靠性，改善了工作环境，有效降低了企业生产成本。
该系统实际运行证明，龙门刨床全数字直流调速系统具有如下优点:
（1）由于用CPU取代多种模拟单元，所以整个系统连线极少，电气原理图简单明了，维护方便，可靠性高。
（2）电流环具有自整定功能，保证电流环总是工作在最佳状态，系统的动态和静态性能优良。
（3）系统具有自适应功能，因此低速运行平稳，无抖动，保证系统不仅能进行切削加工，而且能进行铣、磨加工，实现一机多能，提高生产率。
（4）系统具有“软换向”功能，大大减轻了换向时的机械撞击，延长了机械设备使用寿命。
（5）数据窗口实时显示龙门刨床在运行中的特征参数，为操作及维护人员掌握刨床工作状态提供了极大的方便。
（6）采用数字行程定位技术取代原机械撞击式行程开关，保证龙门刨床工作台准确无误地自动往复运动。
（7）采用编码器作速度反馈，减少维护工作，提高了系统运行精度及稳定性。
（8）采用工作可靠、编程灵活、方便的可编程序控制器取代原系统众多的中间继电器和时间继电器，因此能够准确无误地指挥全数字直流调速系统工作，大大提高了产品质量和工作效率。
6结论
本文研究的全数字直流调速闭环控制系统，是对大功率直流拖动电机控制的关键技术之一，在对该控制系统理论分析的基础上，通过现场对B220（2‘6M）龙门刨床实施改造。
全数字直流调速闭环系统与传统F一D调速系统相比:
它克服了F一D系统的系列缺点（占地面积大，噪音大，设备投资大，耗电量大，效率低;惯性大，调速系统动态及静态性能不理想;操作维护、检修工作量大河靠性差…），提高工作效率，节能，集成度高，控制技术先进，维护方便，可靠性高，调整方便，控制精度高（调整范围广，超调量夕%，动态速降少%，恢复时间劝.35，越位冲程达50，）。
本文研究内容为B220（Zx6M）龙门刨床电气控制设计中的关键技术，通过研究与实际应用得出:
创新地提出了一种全数字直流调速闭环控制系统，该系统能实现数字定位，成功应用先进的全数字调整装置一欧陆590系列产品，利用PLC技术建立数字通讯，将光电编码器用作速度及角位移量的反馈，使其控制精度大大提高，利用PLC技术使其硬件电路大大简化，提高可靠性。
根据龙门刨床调速控制特点，借助传统的一些控制方式，结合实际情况，建立一个全数字直流调速闭环控制系统框图，并对其工作原理进行分析，建立、优化系统控制程序。
根据系统框图，进行合理匹配，介绍各元器件特点，进行硬件选型，优化设计，对部分元器件进行设计计算。
根据实际施工情况，总结出该系统现场调试的步骤、方法等，以及关键元器件的安装、维护要点;提出控制系统在实际运行中的抗干扰措施，确保安全运行的注意事项。
本文所建立的系统框图，是根据长期工作经验、参考同行及受企业生产实际制约所限建立的，在选型上还缺少较多的理论计算及优化比较。
参考文献
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