逻辑无环流直流调试系统的设计

1、运动控制系统课程设计 题目：逻辑无环流直流调试系统的设计 院 （系）： 电子信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 目录 摘要（）1 绪论 （1） 1.1电力拖动简介.（1） 1.2无环流调速系统简介.（1）2逻辑无环流可逆调速系统工作原理 （3）3无环流逻辑装置的组成 （5）4实验步骤 （6）4.1按图接线，触发电路检查及调试.（6）4.2单元测试.（6）4.3闭环机械特性测定.（7） 4.4闭环控制特性的测定.（7） 4.5系统动态波形的观察.（7）5. 调节器的设计 （8） 5.1电流调节器的设计. (8) 5.2 速度调节器的设计. (10

2、) 5.3主电路参数设计.(13).6. 总结 (14)7参考文献 (15) 摘要 逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。关键词：无环流；可逆直流调速系统；逻辑控制器 1绪论1.1电力拖动简介 随着科学技术的发展，人力劳动被大多数生产机械所代替。电力拖动及其自动化得到不断的发展。随着生产的发展，生产工艺对电力拖动系统的要求越来越高，尤其在其准确性、快速性、经济性、先进性等方面的要求，与日俱增。因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化可以跟得上技术要求。电力拖动系统

3、由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置等四部分组成。电动机及其供电电源是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能进行传递与分配；执行机构是使机械能完成所需的转变；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用。随着生产的要求不断提高，技术不断更新，拖动系统也随之更新。同时，新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的发展使电力拖动自动化发生了巨大的变革。1.2无环流调速系统简介 无环流控制的可逆调速系统主电路由两组反并联的晶闸管组成，当一组晶闸管工作时，用逻辑电路或逻辑算法去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，

4、以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系统和错位控制无环流系统。而错位无环流系统在目前的生产中应用很少，逻辑无环流系统目前生产中应用最为广泛的可逆系统，组成逻辑无环流可逆系统的思路是：任何时候只触发一组整流桥，另一组整流桥封锁，完全杜绝了产生环流的可能。至于选择哪一组工作

5、，就看电动机组需要的转矩方向。若需正向电动，应触发正组桥；若需反向电动，就应触发反组桥，可见，触发的选择应决定于电动机转矩的极性，在恒磁通下，就决定于信号。同时还要考虑什么时候封锁原来工作桥的问题，这要看工作桥又没有电流存在，有电流时不应封锁，否则，开放另一组桥时容易造成二桥短路。可见，只要用信号极性和电流“有”、“无”信号可以判定应封锁哪一组桥，开放哪一组桥。基于这种逻辑判断电路的“指挥”下工作的可逆系统称逻辑无环流可逆系统。 2逻辑无环流可逆调速系统工作原理 逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如图2.1所示。 图2.1 逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图ASR速度调节器ACR1ACR2正

6、反组电流调节器GTF、GTR正反组整流装置VF、VR正反组整流桥DLC无环流逻辑控制器TA交流互感器TG测速发电机M工作台电动机 AR反号器 逻辑无环流可逆直流调速系统由两组晶闸管反并联组成，两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，因为已经导通晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放式同时进行，原先导通的那组桥不能立即关断，而原先封锁着的那组桥已经开通，出现两组桥同时导通的

7、情况，因没有环流电抗器，将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原晶闸管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的晶闸管，使其触发导通。 主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，但是为了保证运行时电流波形的连续性，应保留平波电抗器。控制线路采用典型的转速、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器ACR1和ACR2，ACR1用来控制正组触发装置，ACR2 控制反组触发装置，ACR1的给定信号经反向器AR同时作为A

8、CR2的给定信号，这样就可以使电流反馈信号的极性在正转和反转时都不用改变，从而可采用不反应电流极性的电流检测器，即交流互感器和整流器。由于在主电路中不设均衡电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故，所以对工作时的可靠性要求特别高，为此在系统中加入了无环流控制器DLC，以保证系统的可靠运行，所以DLC是系统中的关键部件。 3无环流逻辑装置的组成在无环流控制系统中，反并联的两组整流桥需要根据所要求的电枢电流极性来选择其中一组整流桥运行，而另一组整流桥触发脉冲是被封锁的。两组整流桥的切换是在电动机转矩极性需要反向时由逻辑装置控制进行的。其切换顺序可归纳如下：由于转速给定变化或负载变动，使电动机应产生

9、的转矩极性反向。由转速调节器输出反映这一转矩的极性，并由逻辑装置对该极性进行判断，然后发出切换开始的指令。使导通侧的整流桥（例如正组桥）的电流迅速减小到零。由零电流检测器得到零电流信号后，经35ms延时，确认电流实际值为零，封锁原导通侧整流桥的触发脉冲。由零电流检测器得到零电流信号后，经10ms延时，确保原导通侧整流桥晶闸管完全阻断后，开放待工作侧整流桥（例如反桥）的触发脉冲。电枢内流过与切换前反方向的电流，完成切换过程。根据逻辑装置要完成的任务，它由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护电路四个基本环节组成，逻辑装置的功能和输入输出信号如图3.1所示。 图3.1 无环流逻辑控制环节DLC 其

10、输入为电流给定或转矩极性鉴别信号和零电流检测信号，输出是控制正组晶闸管触发脉冲封锁信号和反组晶闸管触发脉冲封锁信号。 4实验步骤4.1按图接线，触发电路检查及调试（主电路电源未通电）依次打开实验台主控屏上的自动开关、中央锁控开关、低压直流开关、激磁电源开关、有正常的电压LED指示。（1）有同步电源相序，触发电路脉冲（正、反桥）检查。（2）调节脉冲初始相位=。4.2单元测试（1）系统开环结构， 整定转速反馈FBS输出为-5V。 整定电流反馈FBC输出为5V。（2） 主电路未通电， 调节ASR输出正、负限幅为5V。 调节ACR输出正、负限幅为U+0.3V及=30。（3） 主电路未通电， 调节倒相器

11、AR放大倍数为1。 调节转矩极性鉴别器DPT回环特性对称于纵坐标（环宽0.40.6V）。 调节零电流检测器DPZ回环特性向纵坐标右侧偏移0.10.2V(环宽0.4 0.6V)。（4）检测逻辑控制器DLC满足一定逻辑关系。转动方向正向反向输入U110001U100100输出U（U）000111U（U）1110004.3闭环机械特性测定 给定电位器RP1左旋到底，使U=0，S1开关打向“正给定”，S2开关打向“给定”电机空载。合上主电路电源，逐渐调节给定电压U，使电机空载转速n=1500r/min。反复调节系统ASR、ACR调节器的PI参数，使系统稳定，动态品质良好。电机空载转速至n=1500r/

12、min，调节发电机负载R，在空载至额定负载的范围内（0.8A）测取7-8点，读取电机电枢电流I以及对应转速n。求取闭环系统正转时的静态特性。4.4闭环控制特性的测定测出正、反转情况下的闭环控制特性。4.5系统动态波形的观察 用双踪慢扫描示波器同时观察系统动态转速、电流波形并记录。 (1)给定值阶跃变化（正向启动正向停车反向切换到正向正向切换到反向反向停车）时的动态波形。 (2)电机稳定运行于额定转速，保持U不变，突加、突减负载（20%I100%I）的动态波形。 (3)改变ASR、ACR的参数，观察动态波形如何变化。 5调节器的设计5.1电流调节器的设计确定电流调节器的时间常数 （1）整流装置滞

13、后时间常数Ts： 三相桥式电路平均失控时间Ts = 0.0017s （2）电流滤波时间常数Toi： 三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头应有（12） Toi = 3.33s。则Toi=0.002s。 （3）电流小时间常数： 按小时间常数近似处理：设计电流调节器结构采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图5.1所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图5.1 PI型电流调速器根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：检

14、查对电源电压的抗扰性能：电流调节器超前时间常数：取电流反馈系数：电流环开环增益：取，因此 于是，ACR的比例系数为： 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。 5. 1.4计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：，取，取 ，取5.2 速度调节器的设计 计算节电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后可视作转速环的一个环节，为此其闭环传递函数为： 忽略高次项，可降阶近似为：接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环 中应等效

15、为： 确定转速调节器的时间常数电流环等效时间常数：转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取电压反馈系数：转速调节器结构设计采用含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理图如图3.1所示。图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。图5.2 PI型转速调节器按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：按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：转速开环增益为：于是，ASR的比例系数为： 校验近似条件转速环截止频率为：电流环传递函数简化条件为：，满足近似条件。转速环小时间常数近似处理条件为： ，满足近似条件。 计算调节

16、器的电阻和电容值按所用运算放大器取，则，取890k ，取 ，取按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超 调量： 能满足课设要求。5.3主电路参数设计Ud=2.34U2cos Ud=UN=220V, 取=0° U2=Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则：L=0.693 晶闸管参数计算：对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为： 则晶闸管的额定电流为：取1.52倍的安全裕量，由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰 值，即： 取23倍的安全裕量，。 6总结通过这次课程设计让我懂得了理论与实践相结合的重要性。使我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深