双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计.doc

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武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

电气1001班

指导教师：

李向明工作单位：

自动化学院

题目:

双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计

初始条件：

1.直流电动机额定参数为：

UN＝220V，IN＝140A，nN＝1100r/min，Ra＝0.4Ω

电机过载倍数λ＝1.4，

2.测速发电机参数：

23W，110V，0.21A，1900r/min，永磁式

3.主电路采用三相全控桥，交叉连接，进线交流电源：

三相380V

要求完成的主要任务:

1.ASR及其反馈电路设计

2.ACR及其反馈电路设计

3.无环流逻辑控制器DLC设计

4.主电路及保护电路设计

5.集成触发电路设计

课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。

要求如下：

1．稳态无静差，转速超调量不超过10％，电流超调量不超过5％。

2.对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。

3.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。

4.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。

时间安排：

2013.5.27－2013.5.28收集课程设计相关资料

2013.5.29－2013.6.03系统设计

2013.6.04－2013.6.05撰写课程设计及答辩

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

摘要 1

1系统结构设计 2

1.1方案论证 2

1.2系统设计 2

2转速、电流双闭环直流调速系统 3

2.1转速、电流双闭环直流调速系统设计思路 3

2.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成 3

2.3转速、电流双闭环直流调速系统工作原理 4

3转速、电流双闭环直流调速系统设计 5

3.1电流调节器的设计 5

3.1.1电流调节器的参数计算 5

3.1.2确定时间常数 6

3.1.3电流调节器结构的选择 6

3.1.4电流调节器参数的计算 7

3.1.5校验近似条件 7

3.1.6计算调节器电阻和电容 8

3.2速度调节器的设计 9

3.2.1确定时间常数 9

3.2.2选择转速调节器结构 9

3.2.3计算转速调节器参数 9

3.2.4检验近似条件 10

3.2.5计算调节器电阻和电容 10

3.2.6校核转速超调量 11

4逻辑无环流可逆调速系统 12

4.1逻辑无环流调速系统工作原理 12

4.2逻辑无环流调速系统设计 14

4.3无环流逻辑装置的组成 14

4.4无环流逻辑装置的设计 15

4.4.1电平检测器 15

4.4.2逻辑运算 16

4.4.3延时电路 18

4.2.4逻辑保护 19

5系统主电路设计 20

5.1主电路原理及说明 20

5.2主电路参数设计 21

6保护电路设计 22

7集成触发电路设计 23

8电气原理总图 26

9基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真 27

心得与体会 28

参考文献 29

本科生课程设计成绩评定表 30

摘要

本次的课程设计是对双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计，双闭环直流调速系统是电力拖动自动控制系统中一个很重要的系统，而逻辑无环流可逆直流调速系统是双闭环直流调速系统的典型系统。

本文对直流双闭环调速系统和逻辑无环流控制的设计进行了理论分析，并对其原理进行了一些简要说明，阐述了了其主电路及其保护电路、电流转速两个调节器、无环流逻辑装置以及触发电路的设计，详细根据题目设计的数据要求并按照工程设计方法的设计步骤以及一些调节器参数的计算。

最后我利用MATLABSimulink工具箱，分别对直流调速系统的电流反馈环和转速反馈环进行系统仿真，检验理论计算参数是否符合实际设计要求。

并仿真过程中，根据系统响应波形和参数来调节调节器参数。

关键词：

直流双环系统转速调节器电流调节器逻辑无环流控制MATLAB仿真

双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统设计

1系统结构设计

1.1方案论证

本系统采用双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统。

转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差，而在此甚础上再加中电流负反馈，则可使系统的电流不能无限制的增加，而当系统在最大电流（转矩）受限制时，调速系统所能获得的最快的起动过程。

由此可知，双闭环使得系统的调速性能大大提高。

逻辑无环流可逆调速系统是目前在生产中应用最为广泛的可逆系统。

在可逆调速系统中，电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。

而要改变电动机的旋转方向有两种办法：

一种是改变电动机电枢电压的极性，第二种是改变励磁磁通的方向。

对于大容量的系统，从生产角度出发，往往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，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。

但为保证稳定运行时电流波形的连续，仍保留平波电抗器Ld。

所以它兼有无环流和电流波形连续的特点，所以比直流平均环流与配合控制有更好的效果。

1.2系统设计

要实现逻辑无环流可逆调速，就要采用桥式全控整流逆变电路。

要达到电流和转速的超调要求就要设计电流-转速双闭环调速器；逻辑无环流的重要部分就是要采用逻辑控制，保证只有一组桥路工作，另一组封锁。

逻辑控制器可以采用组合逻辑元件和一些分立的电子器件组成，也可用单片机实现，本文使用PLC来实现逻辑控制；触发电路要保证晶闸管在合适的时候导通或截止，并且要能方便的改变触发脉冲的相位，达到实时调整输出电压的目的，从而实现调速。

保护电路有瞬时过压抑制，过电流保护和过电压保护，当过压或过流时封锁触发脉冲，从而实现保护功能。

2转速、电流双闭环直流调速系统

2.1转速、电流双闭环直流调速系统设计思路

采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。

在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

在起动过程中，应始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。

2.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，本系统设计中设置两个调节器，分别用来调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，如图2-1所示。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

ASR

ACR

U*n

U*i

UPE

图2-1转速、电流双闭环直流调速系统

2.3转速、电流双闭环直流调速系统工作原理

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都是采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图2-2所示：

图中含有两个调节器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的变换电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒向作用。

图中还含有两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。

RP2

U*n

ASR

ACR

RP1

U*i

UPE

图2-2双闭环直流调速系统电路原理图

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

如果采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差。

3转速、电流双闭环直流调速系统设计

3.1电流调节器的设计

转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。

把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统。

和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为。

电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统，应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成，—电流调节器的比例系数；—电流调节器的超前时间常数。

3.1.1电流调节器的参数计算

电流反馈系数：

由已知条件计算电枢回路总电感量

L=0.693=0.6936.3mH取L=0.0063H

则励磁时间常数

计算电动机电动势系数

=0.149

3.1.2确定时间常数

⑴整流装置滞后时间常数。

取三相桥式电路的平均失控时间为。

⑵整流滤波时间常数。

三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有,因此取=2ms=0.002s。

⑶电流环小时间常数之和。

按小时间常数近似处理，。

3.1.3电流调节器结构的选择

根据设计要求，并保证稳态电流误差，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：

参照表3-1的典型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

表3-1典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

3.1.4电流调节器参数的计算

电流调节去超前时间常数：

。

电流环开环增益：

要求时，按表3-2，应取，

经计算得：

于是，ACR的比例系数为：

表3-2典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系

3.1.5校验近似条件

电流环截止频率：

1、晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

满足近似条件。

2、校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3、电流环小时间常数近似处理条件

均满足近似要求

3.1.6计算调节器电阻和电容

图3-1PI型电流调节器

取=40k,则

，取

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为（见表3-2），满足设计要求。

3.2速度调节器的设计

3.2.1确定时间常数

⑴电流环等效时间常数:

有前面的计算可得

⑵转速滤波时间常数：

有条件可知s。

转速环时间常数：

按小时间常数近似处理，取

3.2.2选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数表达式为

3.2.3计算转速调节器参数

转速反馈系数：

按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取,则ASR的超前时间常数为

转速开环增益

ASR的比例系数

3.2.4检验近似条件

由公式可得转速环截止频率为

（1）电流环传递函数简化条件为

（2）转速环小时间常数近似处理条件为

均满足近似要求。

3.2.5计算调节器电阻和电容

图3-2PI型转速调节器

，，取=40K,则

，取，

取。

3.2.6校核转速超调量

表3-3典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

当时，由表3-3得，，不能满足设计的要求。

实际上，由于表3-3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。

下面对转速调节器退饱和时转速超调量的计算：

设理想空载启动时，

，带入

可得

可以满足设计要求。

4逻辑无环流可逆调速系统

4.1逻辑无环流调速系统工作原理

这种逻辑无环流系统有一个转速调节器ASR，一个反号器AR，采用双电流调节器1ACR和2ACR，双触发装置GTF和GTR结构。

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，但是为了保证稳定运行时的电流波形的连续，仍应保留平波电抗器，控制线路采用典型的转速﹑电流双闭环系统，1ACR用来调节正组桥电流，其输出控制正组触发装置GTF；2ACR调节反组桥电流，其输出控制反组触发装置GTR，1ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号,这样可使电流反馈信号的极性在正﹑反转时都不必改变，从而可采用不反映极性的电流检测器，在逻辑无环流系统中设置的无环流逻辑控制器DLC，这是系统中关键部件。

它按照系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，或者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组，或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁正组。

在任何情况下，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路没有产生环流的可能。

图4-1逻辑无环流可逆调速系统原理图

ASR——速度调节器

ACR1﹑ACR2——正﹑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

HX——推装置

TA——交流互感器

TG——测速发电机

M——工作台电动机

LB——电流变换器

AR——反号器

GL——过流保护环节

4.2逻辑无环流调速系统设计

要实现逻辑无环流可逆调速，就要采用桥式全控整流逆变电路。

要达到电流和转速的超调要求就要设计电流-转速双闭环调速器；逻辑无环流的重要部分就是要采用逻辑控制，保证只有一组桥路工作，另一组封锁。

逻辑控制器可以采用组合逻辑元件和一些分立的电子器件组成，本文使用PLC来实现逻辑控制；触发电路要保证晶闸管在合适的时候导通或截止，并且要能方便的改变触发脉冲的相位，达到实时调整输出电压的目的，从而实现调速。

保护电路有瞬时过压抑制，过电流保护和过电压保护，当过压或过流时封锁触发脉冲，从而实现保护功能。

4.3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：

①由于转速给定变化或负载变动，使电动机应产生的转矩极性反向。

②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。

③使导通侧的整流桥（例如正组桥）的电流迅速减小到零。

④由零电流检测器得到零电流信号后，经～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。

⑤由零电流检测器得到零电流信号后，经延时，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（例如反组桥）的触发脉冲。

⑥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4-2所示。

图4-2无环流逻辑控制环节DLC

其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。

4.4无环流逻辑装置的设计

4.4.1电平检测器

逻辑装置的输入有两个：

一是反映转矩极性信号的转速调节器输出，二是来自电流检测装置反映零电流信号的，他们都是连续变化的模拟量，而逻辑运算电路需要高、低电位两个状态的数字量。

电平检测器的任务就是将模拟量转换成数字量，也就是转换成“0”状态（将输入转换成近似为输出）或“1”状态（将输入转换成近似为输出）。

采用射极偶合触发器作电平检测器。

为了提高信号转换的灵敏度，前面还加了一级差动放大和一级射极跟随器。

其原理图见图4-3。

图4-3电平检测器原理图

电平检测器的输入输出特性如图4-4所示，具有回环特性。

由于转速调节器的输出和电流检测装置输出都具有交流分量，除入口有滤波外，电平检测需要具有一定宽度的回环特性，以防止由于交流分量使逻辑装置误动作，本系统电平检测回环特性的动作电压，释放电压。

调整回环的宽度可通过改变射极偶合触发器的集电极电阻实现。

图4-4电平检测器输入输出特性

转矩极性鉴别器的输入信号为转速调节器的输出，其输出为。

电机正转时为负，为低电位（“0”态），反转时为正，为高电位（“1”态）。

零电流检测器的输入信号为电流检测装置的零电流信号，其输出为。

有电流时为正，为高电位（“1”态），无电流时为0，为低电位（“0”态）。

4.4.2逻辑运算

电路的输入是转速极性鉴别器的输出和零电流检测器输出。

系统在各种运行状态时，和有不同的极性状态（“0”态或“1”态），根据运行状态的要求经过逻辑运算电路切换其输出去封锁脉冲信号的状态（“0”态或“1”态），由于采用的是锗管触发器，当封锁信号为正电位（“1”态）时脉冲被封锁，低电位（“0”态）时脉冲开放。

利用逻辑代数的数学工具，可以设计出具有一定功能的逻辑运算电路。

设正转时为负，为“0”；反转时为正，为“1”；有电流时为正，为“1”；无电流时为负，为“0”。

代表正组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。

代表反组脉冲封锁信号，为“1”时脉冲封锁，为“0”时脉冲开放。

、、、表示“1”，、、、表示“0”。

按系统运行状态，可列出各量要求的状态，如表4-1所示，并根据封锁条件列出逻辑代数式。

运行状态

正向起动，I=0

正向运行，I有

正向制动，I有

正向制动，I=0

反向起动，I=0

反向运行，I有

反向制动，I有

反向制动，I＝0

表4-1逻辑判断电路各量要求的状态

根据正组封锁条件：

（4-1）

根据反组封锁条件：

（4-2）

　　逻辑运算电路采用分立元件，用或非门电路较简单，故将上述（4-1）式和（4-2）式最小化，最后化成或非门的形式。

（4-3）

（4-4）

根据（4-3）、（4-4）式可画得逻辑运算电路，如图4-5所示，它由四个或非门电路组成。

依靠它来保证两组整流桥的互锁，并自动实现零电流时相互切换。

图4-5逻辑运算电路

4.4.3延时电路

前面的逻辑运算电路保证零电流切换，但仅仅采用零电流切换是不够的。

因为零电流检测装置的灵敏度总是有限的，零电流检测装置变成“0”态的瞬间，不一定原来开放组的晶闸管已经断流。

因此必须在切换过程中设置两段延时即封锁延时和开放延时，避免由于正反组整流装置同时导通而造成短路。

根据这个要求，逻辑装置在逻辑电路后面接有延时电路。

图4-6延时电路

延时电路如图4-6所示，其工作原理如下：

当延时电路输入为“0”时，输出亦为“0”态（截止、导通），相应的整流桥脉冲开放。

当输入由“0”变为“1”时，电容C经充电，经一定延时后，导通，截止，即输出由“0”延时变“1”。

相应的整流桥脉冲延时封锁。

其延时时间由决定，这里整定为。

当输入出“1”变“0”时，电容C的电荷要经过和基射极回路放电，经一定延时后，截止，导通，即输出由“1”延时变“0”。

相应的整流桥脉冲延时开放。

其延时时间由参数决定，这里整定为，这样就满足了“延时封锁”、“延时开放”的要求。

4.2.4逻辑保护

逻辑电路正常工作时，两个输出端总是一个高电位，一个低电位，确保任何时候两组整流一组导通，另一组则封锁。

但是当逻辑电路本身发生故障，一旦两个输出端均出现低电位时，两组整流装置就会同时导通而造成短路事故。

为了避免这种事故，设计有逻辑保护环节，如图4-7所示。

逻辑保护环节截取了逻辑运算电路经延时电路后的两个输入信号作为一个或非门的输入信号。

当正常工作时，两个输入信号总是一个是高电位，另一个是低电位。

或非门输出总是低电位，它不影响脉冲封锁信号的正常输出，但一旦两个输入信号均为低电位时，它输出一个高电位，同时加到两个触发器上，将正反两组整流装置的触发脉冲全部封锁了，使系统停止工作，起到可靠的保护作用。

图4-7逻辑保护装置结构图

由电平检测、逻辑运算电路、延时电路、逻辑保护四部分就构成了无环流逻辑装置。

其结构如图4-8所示。

图4-8无环流逻辑装置结构图

5系统主电路设计

5.1主电路原理及说明

逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示:

图5-1逻辑无环流可逆直流调速系统主电路

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，因为已经导通的晶闸管并不能在触发

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