龙门刨床直流控制系统振荡及消除

（西安职业技术学院，陕西西安，710032）

龙门刨床直流控制系统振荡及消除

黄太龙

（西安职业技术学院，陕西西安，710032）

通过对龙门刨床直流控制系统分析，总结了系统振荡的原因，对每个方面存在的具体问题，提出了相应的检修方法和改进措施，以减小系统振荡。全文主要针对直流扩大机-直流发电机-直流电动机系统和晶闸管整流器-直流电动机系统的龙门刨床，对于全数字直制器系统的龙门刨床也提出了应注意的问题。

龙门刨床；直流控制系统；振荡原因；检修方法

龙门刨床是制造重型设备，如大型轧钢机、汽轮机、发电机、电动机、矿山设备等不可缺少的工作母机。近年来，虽然高性能交流调速系统发展很快，但直流调速系统在理论和实践上都比较成熟。目前，在企业里龙门刨床直流调速系统应用广泛。

龙门刨床主要用于加工大型工件的各种平面、斜面、槽。特别适宜于加工大型、狭长的机械零件，如机床的床身，箱体，导轨等。具体加工过程是工件放在工作台上，工作台由一台直流电动机通过机械传动机构拖动工件与刀具相对运动进行加工。

为了减小刀具在切入工件时与工件的冲击，延长刀具的使用寿命，刀具切入工件之前工作台要减速。切入工件后再加速到规定的切削速度。为防止工件边缘的崩裂，切出工件之前工作台要减速。由于返回过程不切削工件，为提高生产效率，反向时直接加速到高速返回。返回过程再反向到工作过程之前，为减小反向时的越位和对机械传动机构的冲击，系统还要求有一个减速过程，然后工作台换向，重新开始工作过程。

以上所述的生产工艺特点决定了龙门刨床工作台频繁的进行往返运动，相应拖动龙门刨床工作台的直流电动机就会频繁的工作在过渡过程。当负载发生变化，例如吃刀前后或工件有沙眼；工作台迅速改变转速时，拖动工作台的直流电动机会发生抖动现象，特别是在起动、换向和停车过程中，直流电动机可能以较高的频率来回摆动形成振荡。由于振荡破坏了系统的正常运行，影响加工质量，使电动机和传动机构承受较大的反复冲击而发生事故，所以必须消除。引起龙门刨床直流调速系统振荡故障的具体原因很多，为了快速检修电气设备故障，下面从系统振荡产生的具体原因、系统振荡的检修方法分述如下：

1 系统出现振荡的原因

1.1电磁惯性

由于直流电机是具有电磁惯性的电感元件，它的定子绕组和电枢绕组中电流的变化总是滞后于相应的电压变化，电机越大，电感线圈匝数越多电磁惯性越大。由于拖动工作台的直流电动机速度的改变是靠电枢电压变化实现的，属于恒转矩调速性质，而工作台和工件这一负载在高速时属于恒功率调速性质，拖动电动机与负载在高速时调速性质的不一致，使得拖动工作台的直流电动机的容量很大，接近满足切削功率要求的2倍。这样大的电动机电磁惯性就很大。例如，A系列龙门刨床直流发电机励磁绕组上加一直流电压后，励磁绕组中的电流要经过1.8秒的时间才能达到稳定值。因此，在减速和换向过渡过程中，往往由于反应不够及时而发生振荡现象。为了改善系统动态特性，在实际的系统中往往选择电磁惯性小的励磁调节器。

1.2负反馈环节

负反馈环节有强励磁作用，如果没有负反馈环节，励磁调节器发出的电压使电动机逐渐加速至稳定值。停下电动机时励磁调节器电压减小为零，电动机慢慢地制动直到停止。这样励磁调节器不会发出反向电压，电动机不可能反转，振荡可能性就消除了。

1.3调节器放大倍数

调节器放大倍数大，则输入信号被放大的能力就强，相反，如果放大倍数很小，对输入信号被放大的能力就弱。例如，当刨床停车时，如果调节器放大倍数小，它的输出电压就会小，不可能达到较大数值。于是直流电动机电枢两端电压的绝对值随着每次的振荡而减小，最后过渡到零，电动机经过几次减幅振荡后停下，系统不能产生等幅的持续振荡，此时系统是稳定的。也就是说，减小调节器放大倍数，即减小系统强励磁倍数，让系统的过渡过程缓慢进行，加强系统的稳定性，进而消除振荡。

综合以上因素，调节器和直流电机等电磁惯性越大，负反馈作用越强，调节器放大倍数越大，则产生振荡的可能性也越大。电磁惯性存在于一切电机中，负反馈与调节器放大倍数高又是龙门刨床调速系统所必须的。没有负反馈环节，剩磁电压就不能减小，调速范围就小，静差度就大，且不能实现强励磁，过渡过程缓慢，生产率会降低。调节器放大倍数小，机械特性就软，调速范围也受到影响，强励磁难于实现，系统快速性变差。总之，引起振荡的原因是客观存在的，但是又必须消除它。

2 系统振荡检修方法

由于系统在恒速运行时不会出现振荡，振荡发生在系统的过渡过程中。电动机在起动、制动、反向和调速的过程中都属过渡过程，而这种过渡过程的产生，是由系统电压、电阻、频率等电气参数或负载的变化引起的。但是这些参数的突变，不能使电动机的转速发生突变。例如直流他励电动机电枢两端电压突然降低，电动机的转速不会突然下降，而要经过一定的时间，才能过渡到新的较低的速度下稳定运行。

针对发生振荡时系统中电压、电流变化特别迅速这一现象，龙门刨床直流调速系统在双闭环调速的基础上，增加一个电流变化率调节器或电压变化率调节器，组成三环调速系统。这实际上是给系统加上被调量的微分负反馈，使当被调量还没有变化，只是有了变化的趋势时，其微分量就已经起着负反馈的作用了。因而有助于抑制系统的振荡，减少超调。

具体的实现方法因系统而异。在小功率系统中，通常采用RC微分电路；在大功率系统中，多采用微分变压器；例如在B2010A系列龙门刨床中利用扩大机控制绕组与接在扩大机输出端的电阻、发动机的励磁绕组和相应的电阻组成电桥稳定环节来减轻或消除系统的振荡。根据以上分析，我们在检修时，应首先检查微分负反馈环节及外围电路。

龙门刨床直流调速系统结构总体来说分为两类：对于中小型刨床一般采用机械电气联合调速，即低速时改变直流电动机电枢电压实现恒转矩调速，高速时利用机械传动的恒功率性质实现恒功率调速；对于大型刨床采用电气联合调速，即低速时改变直流电动机电枢电压实现恒转矩调速，高速时利用调磁的恒功率性质实现恒功率调速。系统运行时出现振荡的原因是多方面的，当系统出现振荡时，首先根据振荡发生的时间和振荡现象，分析各自系统的电路特点采取相应的检修方法。具体措施如下：

2.1空载时产生振荡

这种情况主要原因如下：

1)RC微分电路的电容漏电损坏或电阻烧坏；

2）微分变压器绕组匝间短路或对地短路；

3）桥形稳定环节各电阻值因温度变化造成电桥不平衡；

4）上述各微分负反馈环节引出线脱落或松动；

5） 稳定绕组接反；

6）电流截止回路中整流元件损坏；

7）电压负反馈接反。

对以上情况根据设备采用的微分负反馈具体电路检查修理，恢复正常。

2.2工作台低速蠕动

由于龙门刨床还可以进行磨削加工，工作台低速蠕动一般在磨削速度时发生，经常会遇到两种蠕动现象：一种是低速时有停顿现象：另一种在低速时有摆动现象。检修方法是：

1）检查负反馈环节回路引线是否脱落或松动；

2）调节负反馈电压值，加强电压负反馈作用；

3）检查电流正反馈环节回路引线是否脱落或松动；

4）调节电流正反馈电压值，加强电流正反馈作用；

5）微分负反馈回路或稳定环节回路是否正常；

6）调节微分负反馈回路或稳定环节回路使其作用增强；

7）检查工作台润滑油的粘度，发现问题及时更换。

上述4主要是因为在低速时励磁调节器放大倍数减小，稳定转速的效果较差，为弥补这种不利因素，需要加强电流正反馈。

2.3停车爬行

爬行是指系统无输入时，工作台仍能以一定的速度运动，爬行发生的时间是在开车前和停车后。爬行的形式很多，有时工作台爬行后停下，然后又继续向前爬行，所以也把它归为系统振荡。检修方法为：

1）检查负反馈环节回路是否正常；

2）调节负反馈环节包括速度调节器或电流调节器参数；

3）检查自消磁环节回路是否接通；

4）调节消磁环节回路的消磁能力；

5）检查两个PI调节器中的运算放大器由于温度等原因造成元器件老化；

6）对于用扩大机作为励磁调节器的龙门刨床，可以顺旋转方向稍微移动电刷位置；

7）将直流发电机电刷位置顺旋转方向移动1～2片整流片，以减少剩磁电压。

停车爬行的本质都是由于剩磁电压的影响，以上6、7都是应用直流电机电枢反应产生的磁通分量与主磁通方向相反，减少剩磁，消除工作台爬行。但是如果消磁作用太强，促成反向磁化，又会形成停车后反方向爬行。

2.4停车振荡

停车振荡现象表现为，停车时电机和工作台来回摆动几次。不仅停车时会发生振荡，工作台步进、步退或前进、后退时也会发生振荡。出现这种情况，主要原因是稳定环节不起作用。除了按前面叙述的方法检查外，重点应检查：

1）RC微分电路是否接通；

2）串联校正网络与PI调节器引出线脱落或松动；

3）微分变压器绕组是否正常；

4）桥形稳定环节电桥是否平衡；

5）稳定环节绕组的极性是否接错；

6）电动机电枢两端并联的R-C回路接线是否牢靠；

7）电动机电枢两端并联的电容是否漏电损坏或电阻因温度变化其阻值发生改变。

以上6、7两点是针对可控硅励磁的，由于可控硅输出的整流电压是脉动的，在采用晶闸管整流器-电动机系统的龙门刨床上，电动机电枢两端并联一个R-C回路，实际上就是无源并联校正装置，只有当电动机端电压发生变化时才起作用。电动机端电压上升时，由于电容器充电使电动机端电压上升速度受到抑制，阻碍电动机转速的上升。转速下降时，电枢端电压下降，电容器放电。放电电流在电阻上引起的压降与给定信号极性相同，减缓电动机转速下降的速度，抑制系统振荡的产生。

2.5电动机空载或轻载时电流断续

对于采用晶闸管整流器-电动机系统的龙门刨床，电流环PI调节器的动态参数是按电枢回路电流连续的情况选取的。然而当系统在空载或轻载下工作时，如果平波电抗器的电感量不是十分大，就会出现电流断续的情况。这种情况下系统的动态特性发生变化，使电流环调节对象的总放大倍数大大降低，并且电流调节器变成比例环节，因而整个电流环的响应过程变慢，造成转速环的低频振动。

检修时重点检查平波电抗器线圈的绝缘，若问题仍不能解决可以考虑对系统进行改造，增加一个电流自适应调节器，使调节器的结构和参数能够随着电流的连续与否而自动改变，在电流断续区，系统也有良好的动态性能。

2.6非线性因素

就龙门刨床直流调速的调节对象而言是位移，由于电动机输出轴通过机械传动装置反映在位置上，系统不可避免的存在齿轮间隙、摩擦等非线性因素。对于间隙引起的自振荡，可以在系统中串入相位超前的校正装置补偿间隙的滞后效应，消除振荡。

目前，企业运行的龙门刨床直流调速系统设备有三种形式。分别是：直流扩大机-直流发电机-电动机系统；晶闸管整流器-电动机系统；全数字直流控制器系统。例如英国欧陆全数字直流控制器，对于全数字直流控制器系统的龙门刨床，除按上述方法检修外，将单片机存储器中的控制参数调整合适，尤其是在低速运行，即深调速情况下对于减小龙门刨床直流控制系统振荡是个关键。

以上对直流调速系统振荡的原因进行了分析并提出了检修、改进方法，多年的检修经验证明以上方法在实际工作中取得了良好的效果。

[1] 陈伯时．运动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003．

[2] 周希章，周全．电动机起动、制动和调速[M]．北京：机械工业出版社，2003．

[3] 张涛．电气自动控制系统[M]．北京：高等教育出版社，2004．

Longmen planerDC controlsystem oscillationand elimination

Huang Tailong
(Xi'an Vocational and Technical College，ShaanxiXi'an，710032)

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