逻辑无环流可逆直流调速系统设计和MATLAB仿真

.z.课程设计〔论文〕题目：逻辑无环流可逆直流调速系统设计学生：学号：班级:专业：指导教师：2017年6月逻辑无环流可逆直流调速系统设计摘要直流电动机具有良好的起制动性能，易于广泛围平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到广泛的应用。在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时一般采用V-M可逆调速系统。在反并联的V-M可逆电路中，在一定的条件下会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称为环流。它增加了电路的损耗，可能导致直流系统的逆变颠覆等问题。因此，最好的方法是消除环流。本论文通过逻辑无环流可逆调速系统的设计实例和MATLAB建模仿真，探讨和研究了逻辑无环流可逆调速系统的参数计算和系统的软硬件设计及其实现。关键词：可逆直流调速系统；逻辑无环流；逻辑控制器；MATLAB仿真目录1绪论………………51.1设计的目的和意义……………51.2设计要求及有关数据…………61.3设计任务………………………62系统方案的选择…………………72.1调速方式的选择……………72.2调速系统的主要形式选择…………………72.3电源电路的选择……………83硬件电路的设计…………………93.1直流电动机的主电路………93.2变压器的选择……………103.2.1变压器变压比和二次电压的计算…………………103.2.2变压器变压容量的计算……………103.3三相桥式全控整流电路的设计…………113.3.1晶闸管参数的计算………………113.3.2晶闸管保护措施的电路设计……123.4平波电抗器电感的计算与选择…………133.5电机励磁回路设计………154系统动、静态性能的设计………164.1系统的原理与原理框图………………164.2静态工作电路的设计…………………174.2.1静态构造框图与静特性…………174.2.2静态参数的计算…………………184.3电流环的设计……………194.3.1调节器参数计算…………………204.3.2调节器实现………204.4转速环的设计……………224.4.1调节器参数计算…………………224.4.2调节器实现………224.5逻辑无环流调速系统的起、制动过程分析……………224.5.1系统的起动分析……………………244.5.2系统的制动分析……………………254.6整个调速系统基于Bode图的动态性能分析……………265其他辅助电路设计……………285.1转速检测电路设计…………285.2电流检测电路设计………285.3零电平检测电路设计……………………295.4逻辑控制器DLC的设计…………………296系统的MATLAB仿真……………306.1MATLAB〔Simulink〕的介绍……………306.2电力系统〔PowerSystem〕工具箱……326.3系统模块的建模…………326.3.1电源和6脉冲触发器的建模与封装……………326.3.2逻辑控制器的建模与封装………336.4整个逻辑无环流可逆调速系统的建模…………………336.5仿真中所存在的问题……………………357课程设计总结…………………35参考文献…………361绪论1.1设计的目的和意义许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。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，当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，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，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，就看电动机组需要的转矩方向。假设需正向电动，应触发正组桥；假设需反向电动，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，否那么，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。本论文利用逻辑控制器解决了直流可逆调速系统中的环流问题，减少了不需要的损耗，防止了逆变颠覆问题，使得系统在启制动和运行的过程更加稳定。1.2设计要求及有关数据设计一个转速、电流双闭环无环流控制的可逆晶闸管-电动机直流调速系统，直流电动机电动机参数为：，电动势系数,电枢回路总电阻R=0.14Ω,允许电流过载倍数λ=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数=0.031s,机电时间常数=0.112s,电流反应滤波时间常数=0.002s,转速反应滤波时间常数=0.02s。设调节器输入输出电压,调节器输入电阻。1.3设计任务1.设计指标:稳态无静差，电流超调量≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量≤10%。电流调节器已按典型I型系统设计,并取参数KT=0.5。(1)选择转速、电流调节器构造,并计算其参数。(2)计算电流环的截止频率和转速环的截止频率，并考虑它们是否合理"2.设计容：(1)根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的构造型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。(2)根据双闭环直流调速系统原理图,分析逻辑无环流可逆系统起、制动的过程。(3)绘制动态波形，说明在每个阶段中ASR、ACR各起什么作用，VF和VR各处什么状态。(4)绘制双闭环直流调速逻辑无环流可逆调速系统的电气原理总图。2系统方案的选择2.1调速方案的选择调节电动机的转速有三种方法：调节电枢供电电压U、改变电枢回路电阻R和减弱励磁磁通。改变电枢回路电阻R来调速比拟简单，控制设备不复杂，但调速围不大，调速平滑性不高，并且是有级调速。采用弱磁调速优点是在功率较小的励磁电路中进展调节的话，控制方便，能量损耗较小，平滑性较高，但是弱磁调速在额定转速以上调节电动机的不可能太高，它受电动机的机械强度及换向限制。对于要求在一定围无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，其主要特点是：在整个调速围均有较大的硬度，此种方法的调速围较宽，如采用各种反应或转速控制系统，调速围可达几百至几千。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小围的弱磁升速。因此，我选择变压调速。2.2调速系统的主要形式选择采用转速负反应和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反应环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反应作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速工程必然拖长。许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题。综上所诉，选择双闭环可逆调速系统能得到较好系统性能，以满足要求。2.3电源电路的选择由于电动机的额定参数都比拟大，因此，采用三相电源供电线路。一次侧相电压为U1=220V，为了得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，防止3次谐波流入电网。而本系统要求直流电动机可在四象限运行，采用并联的两组三相桥式全控整流电路与直流电动机相接，可保证直流电动机可在四个象限运行。在进展变压器计算之前，应该确定负载要求的直流电压和电流，确定变流设备的主电路接线形式和电网电压。先选择其次级电压有效值U2，U2数值的选择不可过高和过低，如果U2过高会使得设备运行中为保证输出电流电压符合要求而导致控制角过大，使功率因数变小。如果U2过低又会在运行中出现当α=αmin时仍然得不到负载要求的直流电压的现象。通常次级电压，初级和次级电流根据设备的容量，主接线构造和工作方式来定，直流电动机的额定电压高于一次侧电压，因此，需要采用升压变压器。由于有些主接线形式次级电流中含有直流成分，有的又不存在，所以变压器容量的计算见后面的分析。图2.3三相桥式全控整流电路原理图3硬件电路的设计3.1直流电动机的主电路图3.1逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图3.1所示，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展，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局部能量回馈给电网，其余局部消耗在电机上，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。由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保存了平波电抗器。3.2变压器的选择3.2.1变压器变压比和二次电压的计算在本设计中，直流电动机的额定电压为，额定电流为。桥式全控整流电路中，输出的平均电压为，式中为控制角。因此直流电动机的额定电压和变压器二次侧的关系为：即当控制角为时，。一次侧相电压为，为了得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，防止3次谐波流入电网。而根据计算，二次应输出的是线电压为，那么其相电压为。到此，我们可以计算出其变压器的变压比为，因此，我们取变压器的变压比为N=1。综上所述，我们得到变压器的变压比为N=1，二次侧电压为。图3.2.1变压器符号3.2.2变压器容量的计算根据"电气传动控制系统设计指导"〔机械工业.2004〕中对于变压器容量的计算可得如下计算。变压器一次侧容量的计算：变压器二次侧容量的计算：式中是变压器一次、二次绕组相数。对于三相全控桥：；是一次侧电流计算系数，在此：是一次侧电流计算系数，在此：是一次侧电流计算系数，在此将具体数值代入公式中，可计算得。因此，变压器的平均容量。3.3三相桥式全控整流电路的设计3.3.1晶闸管参数的计算桥式电路中晶闸管参数计算：对于三相桥式全控整流电路，晶闸管电流的有效值为：因此，流过晶闸管的额定电流为：为了保证电路平安可靠地运行，取倍的平安裕量，为了保持电流连续，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：为保证晶闸管平安可靠地工作，取2~3倍的平安裕量，3.3.2晶闸管保护措施的电路设计〔1〕过压保护图3.3.2.1晶闸管的RC保护电路晶闸管阳极、阴极两端或晶闸管电源输入端、输出端经常加设相关保护电路，以对晶闸管提供过电压、过电流等相关保护。产生过电压的原因一般因感性负载电路的开闭、电源电压波动、快速熔断器熔断、电源侧侵入的浪涌电压等，针对形成过电压的不同原因，可采取不同的抑制方法，如抑制过电压能量的上升速率、增加其能量的耗散等，目前最常用的是中主电路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，称之为吸收回路或缓冲电路。通常过电压具有较高的频率，因此常采用电容作为吸收元件，但为防止振荡，增加阻尼电阻，构成R、C吸收回路。阻容吸收回路可以接在电源输入侧〔交流侧〕、输出侧〔直流侧〕和晶闸管的阳极和阴极之间。但R、C阻容吸收回路的时间常数是固定的，对时间短、峰值高、能量大的过电压吸收能力有限，因而在输入侧，通常还并有硒堆、压敏电阻等非线性元件，用以对晶闸管的过电压进展吸收。硒堆由多片硒片叠合而成，硒堆涌流容量大，对过电压抵抗效果好，有自恢复特性等优点，但因体积大，价格高，在中、小容量的晶闸管装置中，已经很少应用。压敏电阻的电压与电流呈非线性关系，当其两端所加电压低于压敏电压值时，压敏电阻的电阻值接近无穷大，为高阻状态，对连接电路没有影响；当压敏电阻两端电压高于压敏电压值时，迅速击穿导通〔变为低阻状态〕，形成较大的泄放电流。当其端电压因泄放又低于压敏电压值时，又恢复为高阻态。当其两端电压超过最大限制电压时，压敏电阻出现不可逆性击穿损坏。压敏电阻在电路中起到过电压保护、抑制浪涌电流、吸收尖峰电压、电压限幅、稳压等作用。图3.3.2中的电路，是并联在晶闸管阳极和阴极之间的RC吸收回路，对晶闸管两端的电压跃变产生抑制作用，降低闸管元件在换向时承受的过电压冲击。其"瞬升〞电压尖刺为电容C所吸收，电阻R为防止振荡出现的阻尼电阻。〔2〕过流保护图3.3.2.2交流侧晶闸管的过流保护产生过载的主要原因：负荷过载、线路短路、电源缺相、晶闸管本身击穿损坏或误触发等，因晶闸管元件体积小，过载时会造成结温过高而烧毁，所以必须严格限制过载电流，除控制〔电子〕电路实施的保护外，在主电路中经常采用在电源串入快速熔断器，对晶闸管的过载进展保护，在发生6倍晶闸管额定电流时，一个周波可以熔断。此外，还可采用过电流继电器、直流快速断路器等用于过载和短路保护，但保护速度和效果不如快速熔断器。快速熔断器的额定电流值为晶闸管电流平均值的1.25~1.5倍。3.4平波电抗器电感的计算与选择为了使负载得到平滑的直流，通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器，也称平波电抗器。这里主要计算在保证负载电流连续和输出电流脉动系数到达一定要求的条件下所需的平波电抗器电感量。图3.4平波电抗器假设要求变流器在某一最小输出电流时仍能维持电流连续，那么电抗器的电感按下式计算：式中为整流变压器二次侧电压有效值；为要求连续的最小负载电流平均值。取电动机额定电流的5%‐10%。为临界计算系数。对于不同控制角，所需的电感量为本设计中的参数为：，,，，临界值。将以上所述参数代入可计算出本设计所需的临界电感参数值为整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感按下式计算：式中―与整流主电路形式有关的系数，本设计，，，。将以上所需参数代入式可计算出漏电感的值，即直流电动机的电感(mH)可以按照以下公式计算：式中是直流电动机磁极对数；是计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。代入数据可得综上所述，直流电动机的电枢电感约为，可得使输出电流连续的临界电感量(上式中，在三相桥路中N取2)根据选取原理，平波电抗器要选的值应比大，应选10mH的电感作为平波电抗器。3.5电动机励磁回路设计直流电动机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电动机可分为以下几种类型。他励直流电动机；并励直流电动机；串励直流电动机；复励直流电动机。本设计采用他励形式给电动机励磁。将线路电压经过变压器和三相全桥不可控整流电路变成220V的直流电压，给电动机励磁。4系统的静、动态性能设计4.1系统的原理与原理框图图4.1逻辑无环流可逆调速系统的原理框图正向启动时，给定电压Ug为正电压，"逻辑控制〞的输出端Ulf为"0〞态，Ulr为"1〞态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路"正桥三相全控整流〞工作，电机正向运转。当Ug反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ulf、Ulr不变，当主回路电流减小并过零后，Ulf、Ulr输出状态转换，Ulf为"1〞态，Ulr为"0〞态，即进入它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成反向电动运行;当Ug=0时，那么电机停转。反向运行时，Ulf为"1〞态，Ulr为"0〞态，主电路"反桥三相全控整流〞工作。"逻辑控制〞的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ulf为"0〞态，Ulr为"1〞态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，那么Ulf为"1〞态，Ulr为"0〞态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于"逻辑控制〞的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉动环流。4.2静态工作电路的设计4.2.1静态构造框图与静特性图4.2.1逻辑无环流可逆调速系统的静态构造框图在转速调节器的输出和电力电子变换器的控制电压之间串入了电流反应控制环节，由电流调节器的输出控制。本系统采用的是带限幅的PI调节器。在稳态时输入偏差电压总为0，因此图4.3双闭环直流调速系统的静特性图4.3绘制了双闭环可逆调速系统的静态特性，图中CA段就是描述了两个调节器都不饱和时的静特性，电流的大小是从理想空载状态一直延续到，表现为一条水平特性。图4.3双闭环直流调速系统的静特性系统在稳态运行时，对应负载的电枢电流的最大值为，如图4.3中的A点。在此工作点上，ASR的的输出已到达饱和值，假设电动机负载继续增大，，造成，在此的情况下，ASR的输出维持在限幅值不变，转速外环呈开环状态。双闭环系统就变成一个电流无静差的单闭环调速系统。ASR的限幅值是自主选定的，由此限定了最大电流值。图4.3中AB段就是上式所描述的静特性，它是一条垂直的特性。所以当转速调节器不饱和时表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表现为转速无静差；转速调节器饱和时表现出来的静特性是转速双闭环系统的静特性，表现为电流无静差，电流给定值是转速调节器的限幅值。图4.3也反映了ASR调节器退保和的条件，当ASR调节器处于饱和状态时，，假设负载电流减小，，那么使得转速上升，，，ASR反向积分使得ASR调节器退出饱和又回到线性调节状态，结果使系统运行在静特性CA段。4.2.2静态参数的计算图4.2是逻辑无环流可逆调速系统的静态构造图，ASR和ACR均为PI调节器。PI调节器的输出包含了输入偏差量的全部历史，当到达稳定时，PI调节器的输入偏差必然为零，而输出量的稳态值必须满足后面其他环节稳定运行的实际需要，否那么就不是稳态。逻辑无环流调速系统在稳态工作时，转速的变化率，故电枢电流等于负载电流，,由ACR的的输入推得，转速调节器的输出〔即电流调节器的给定〕电流调节器的输出当转速调节器不饱和时，由和，推得根据各调节器的给定值和反应值可计算出相应的反应系数在本设计中，，其中。代入数据即求得，，4.3电流环的设计要求稳态无静差，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。电流调节器已按典型I型系统设计,并取参数KT=0.5。电动机参数为：PN=500kW，UN=750V，IN=760A，nN=375r/min，电动势系数Ce=1.82V·min/r,电枢回路总电阻R=0.14Ω,允许电流过载倍数λ=1.5,触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数=0.031s,机电时间常数=0.112s,电流反应滤波时间常数=0.002s,转速反应滤波时间常数=0.02s。设调节器输入输出电压Unm*=Uim*=Unm=10V,调节器输入电阻R0=40kΩ。4.3.1调节器参数计算〔1〕整流装置滞后时间常数：三相桥式全控整流电路平均失控时间。〔2〕电流滤波时间常数：〔3〕电流的小时间常数：按小时间常数近似处理：4.3.2调节器实现采用含给定滤波和反应滤波的模拟式PI型电流调节器，其原理图如图4.3.2所示。图中为电流给定电压，为电流负反应电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。根据设计要求，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：取电流反应系数：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。图4.3.2PI型电流调速器计算调节器的电阻电容：按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：，取，取，取根据原理，按照上述最正确参数设计，查表可知，电流环可以到达动态跟随性能指标，满足设计要求。4.4转速环环的设计4.4.1调节器参数计算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，取电压反应系数：4.4.2调节器实现调节器实现采用含给定滤波和反应滤波的模拟式PI型转速调节器，其原理图如图4.4.2所示。图中为转速给定电压，为转速负反应电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。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那么，取h=5，那么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：，转速环小时间常数近似处理条件为：，上述计算均满足设计要求。计算调节器的电阻与电容：图4.4.2PI型转速调节器按所用运算放大器取，那么，取，取，取当5=h

时，由查书上表得，，不能满足设计的设计要求。实际上，由于表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况计算超调量。可以满足设计要求。总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。如果主要追求的目标是快速响应，那还不如采用单闭环系统，只要用别的措施解决限流保护等问题就可以了。4.5逻辑无环流调速系统的起、制动过程分析4.5.1系统的起动分析按转速调节器ASR不饱和、饱和、退饱和分成三个阶段：图4.5.1系统起动转速和电流波形I.电流上升阶段(0~t1)。突加给定电压后，上升，当小于负载电流时，电机还不能转动。当后后，电机开场起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的完毕。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。图4.5.1系统起动转速和电流波形II.恒流升速阶段(t1~t2)。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，根本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克制它的扰动，和也必须根本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。III.转速调节阶段〔t2以后〕。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开场退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到，转矩，那么，转速n才到达峰值。〔t=t3时〕，此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间〔t3~t4)，，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在最后的转速调节阶段，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR那么力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流环是一个电流随动子系统。4.5.2系统的制动分析系统的制动过程分为三个阶段，如图4.5.2所示第Ⅰ阶段：发出停车指令，电动机并不能立即进入制动状态，由于惯性，电动机电流应从当前值降到0，正组由整流状态很快变成的逆变状态，反组投入工作，提供反方向电枢电流通路。第Ⅱ阶段：图4.5.2系统制动转速图4.5.2系统制动转速、电压和电流波形第Ⅲ阶段：反向电流到达并略有超调，ACR退出饱和，进入闭环工作状态，目的是维持电流为最大值。第Ⅳ阶段：E下降不能维持不变，于是电流立即衰减，直到电机停顿运转。4.6整个调速系统基于Bode图的动态性能分析图4.6.1系统的动态构造图逻辑无环流可逆直流调速系统的动态构造图如图4.6.1所示，它是一个转速、电流双闭环的可逆调速系统。在设计系统时，波特图是一种重要的分析工具，它的绘制方法比拟简单，可以确切地提供系统的稳定性和稳定裕度。根据前面的设计，在此绘制了系统的波特图，如图4.6.2所示。图4.6.2系统的波特图在定性分析闭环系统的性能时，通常将波特图分为低频中频和高频段。图中截止频率，从图中我们可以看出：①截止频率是以的斜率穿过横轴，其频带较宽，其稳定性能好；②同时，其截至频率为较高，那么系统的快速性能比拟好；③其次低频段的斜率比拟陡，说明其稳态精度比拟高，在上述计算也可以看出根本满足其稳态精度的要求；④再者，其高频段衰减比拟快，说明系统拥有较好的抗干扰和抗噪声能力。5其他辅助电路设计5.1转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反应信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反应信号反应回系统。其原理图如图5.1所示。图5.1转速检测电路原理图5.2电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器〔霍尔传感器〕构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其实际电路原理图如图5.2所示。图5.2电流检测电路原理图5.3零电平检测电路设计零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器一样，在控制系统中进展零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反应的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图5.3.1和图5.3.2所示。图5.3.1零电平检测器原理图图5.3.2零电平检测输出特性5.4逻辑控制器DLC的设计逻辑控制器模块DLC是根据控制器的输入来判断输出的逻辑状态。逻辑控制器两个输出信号和分别通过触发器来控制是否产生还是封锁触发脉冲,输出信号和的状态必须始终保持相反,以保证两组整流器不会同时处于工作状态。逻辑控制器的两个输入信号和是逻辑控制器判别改变输出信号状态的重要条件。由于电动机的制动和改变转向都需要改变电动机的转矩方向,即电枢电流的方向,在系统控制中电流的方向是由转速调节器输出的极性来决定的,也就是说的符号改变是逻辑控制器切换的条件之一。但是可逆系统的快速制动或反转过程要经历本桥逆变,反应制动和回馈制动三个阶段。在本桥逆变阶段电动机电流下降至零,然后才经历反接制动阶段建立反向电流,如果在本桥逆变阶段尚未完毕时就关断该整流器,就可能产生逆变失败现象,并损坏整流器,所以在转速调节器的输出改变极性后,还必须等待电动机原方向电流减小到零后即后,才能关断原来工作的整流器,而开通原封锁的另一组整流器,因此电枢电流下降为零是逻辑切换的条件之二。只有在改变极性和两个条件满足后,逻辑控制器的输出状态才能改变。其原理模型如以下图，图5.4所示。图5.4逻辑控制器DLC的原理模型6系统的MATLAB仿真6.1MATLAB〔Simulink〕的介绍Mathwork开发的Simulink是MATLAB里的重要软件工具之一，其主要的功能是实现动态系统建模、仿真与分析，从而在实际系统制作出来之前，可以预先对系统进展仿真与分析，并可以对系统做适当的实际修正或者按照仿真的最正确效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减少系统设计过程中反复修改时间，实现高效率地开发系统的目标。支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，还支持具有多种采样的系统。Simulink仿真特色：传统的系统微分方程或差方程等数学模型，非常抽象而且不易理解。Simulink建模直接绘制控制系统的动态模型构造图，就像用笔与纸来画图一样容易，且更简单、准确而快捷。这种直觉的图形化形式，非常直观，容易理解；不仅大大简化设计的流程，减轻设计负担、降低设计本钱、提高工作效率，而且使抽象深奥的数学模型变成工程技术语言——控制系统框图。实际的鼠标操作是用其点击与拖曳功能。根据实际工程中控制系统的具体构成。将上述模块库中提供的各种标准模块复制到Simulink的模型窗口"untitled〞中，再用Simulink的连线方法连接成一个完整的Simulink动态构造图。各个环节可按Simulink特定的方法设定或改变参数，以与实际控制系统相对应。必须强调，Simulink的模糊窗口"untitled〞里建立的是系统动态构造图，保存后的文件后缀为".mdl〞，而MATLAB的M文件编辑/调试器即"untitled〞窗口里建立的是M文件，文件后缀为".m〞即MATLAB程序，两者不要混为一谈。为了管理与使用程序的方便，这两种文件最好都存在MATLAB子目里。在构建完一个模型以后，可以通过Simulink的菜单或者在MATLAB命令里窗口键入命令来对系统进展仿真机分析其动态特性。对于使用者而已，菜单方式交互性强，非常方便；而命令方式对于运行某方面的仿真程序时非常有用的。其次，Simulink置有各种分析工具：多种仿真算法、系统线性化、寻找平