直流调速系统DSC32的技术分析.docx

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直流调速系统DSC32的技术分析

直流调速系统DSC-32的技术分析

二傻

北京市工业技师学院

2011年11月11日

摘要：

本文对直流双闭环调速系统进行了技术分析，指出了现代控制技术相关知识点在一个具体电气系统中的典型应用。

关键词：

直流调速、闭环控制

1概述

传统的分立元件级的直流调速系统曾作为机床类、产线类的自动化设备中的主流系统，但该系统在运行稳定性、无故障工作时间等指标上尚有可改进空间。

特别是随着集成电子技术的广泛应用，对传统的各类分立元件为主的直流调速系统的技术改进已是迫不可待。

现以直流调速系统“DSC-32”为例，介绍一下以集成电路作为核心控制元件的直流调速系统的核心技术。

2该系统所涵盖的技术范围

直流调速系统“DSC-32”是天津源峰科技发展公司近几年开发的，曾作为2008年全国第二届职业院校技能大赛决赛阶段维修电工专业的实操竞赛题目。

该系统能较为综合地含盖“职业标准（维修电工）”的有关知识点，且现已普遍成为各级职业院校、企业培训机构的技师研修类课题之一。

该系统涉及的主要知识点如下

A、电机：

直流电动机、直流测速电发机、直流电动机的机械特性

B、变压器：

三相、同步变压器、零序变压器

C、模拟电子：

二极管、三极管、稳压管、场效应管

D、数字电子：

触发器、开关管、运放、集成块、微分电路、积分电路

E、自控：

开环、单双环闭环的各个环节

F、绘图：

protel

G、调试：

各Wi的调节、整机的调试过程

DSC-32型晶闸管直流调速实训装置，专供拖动直流电动机调速用，也可作为可调直流电源使用。

以晶闸管整流器将交流电整流成为可调直流电，对直流电动机电枢供电，并引入电压负反馈，电流截止负反馈、转速负反馈等，组成自动稳速的无级调速系统。

3DSC-32型晶闸管直流调速系统的设备总成

晶闸管直流调压/调速装置采用功能模块化设计，立柜式结构。

柜内最下层安装整流变压器；柜内前面上半部分装有电源板、调节板、触发板和隔离板；下半部分装有继电线路和保护线路配电盘；柜内后面装有晶闸管门极电路、保护电路、电流截止信号取样电路和电压反馈信号取样电路；晶闸管安装在前后板之间；指示器件和操作器件安装在左前门的上部。

设备内装有保护报警电路，当快速熔断器熔断，直流输出过流或短路，保护电路发出指令，可自动切除主电路电源，同时故障指示灯亮，直至操作人员切断控制装置电源，故障指示灯才可熄灭。

保护电路的设置提高了设备运行的安全性。

图1系统外形示意图

4电路组成及技术分析

附件中给出了该系统的电气原理图。

4-1主电路组成及分析

其主电路采用三相全控桥式整流电路，使用交流电流互感器检测负载电流。

由整流变压器，给定环节，给定积分放大器，零速封锁电路，集成脉冲触发器，电流截止负反馈，电压负反馈，滤波型调节器，电压隔离电路，过流保护电路，缺相保护电路，继电电路组成自动稳压的无级调速系统，并设有保护报警电路。

独立的励磁电源，向直流电动机提供励磁电流。

线路各部分原理简单叙述如下。

4-1-1．整流变压器

整流变压器用于电源电压的变换。

为了减少对电网波形的影响，整流变压器接线采用△/Y0-11方式。

4-1-2．晶闸管可控整流部分

主电路采用三相桥式整流电路，三相交流电经交流接触器KM1引至整流变压器B1原边，经电压变换后过快速熔断器RSO引至三相桥式可控整流电路，经整流后，输出直流电源，向被控电动机电枢馈送电能。

通过控制晶闸管整流元件的导通角度，就可以调节整流电路的输出直流电压。

电路图如图3所示。

图3晶闸管可控整流电路图

4-1-3．给定环节

由中间继电器KA控制的给定电源通过一个电阻R112加到控制盘上的给定电位器，调节此电位器可得到0—+10V的直流给定电压。

给定电路图如图4所示。

图4给定电路图

4-1-4．集成脉冲触发器

采用专用的集成脉冲产生芯片KC04作为系统的脉冲产生电路。

该芯片性能稳定可靠、移相范围宽、外围控制元件简单，是目前国内采用较多的晶闸管触发电路。

集成脉冲触发器线路原理见附图四。

4-1-5．电压负反馈

采用并联反馈方式，电压、电流反馈量均与给定电压并联综合。

从晶闸管输出端按一定比例反馈过来的直流电压，该电压经电压隔离器隔离后加到调节放大单元。

由于给定电压和反馈电压是反极性连接，所以构成电压负反馈，加到运算放大器输入端的电压为给定电压与反馈电压的差值△U，其值经PI调节运算后，加到触发器的输入端作为触发器的控制电压。

电压负反馈线路原理如图5所示。

图5电压负反馈线路图

4-1-6．保护系统

本装置在整流桥输入侧及整流桥各元件上安设了阻容吸收回路，防止整流元件因瞬时过电压而击穿；并在整流桥输入侧安设了快速熔断器，对各整流元件进行过电压保护；此外，设备还设有信号保护系统。

4-2控制电路组成及分析

图6双闭环系统框图

本装置线路系统方框图如图6所示。

双闭环系统由晶闸管整流电路、调节器、集成移相脉冲触发器、电流负反馈、速度负反馈、继电控制电路、保护电路、励磁电源等组成。

4-2-1电源板工作原理及调试

（1）整流环节电路原理图如图7所示。

图7整流环节电路原理图

（2）滤波稳压环节

将输出电压U1分为正负两组后进行滤波。

正电压经C1，C3，负电压经C2，C4滤波。

滤波原理是利用电容两端电压不能突变的原理。

C1，C2为电解电容，其作用是工频滤波，提高输出电压，减小电压脉动。

C3，C4为小容量电容起高频滤波作用，减小高频信号对电路的影响。

对于C1，C2来讲，其阻抗Xc=1/wc=1/2лα×1000×10-6Xc=106/314×1000=3.1

。

图8稳压电路图

4-2-2调节板工作原理及调试

调节板的电路可划分为：

低压/低速封锁电路、给定积分调节器、积分先行放大调节器、正负限幅电路、电压反馈电路、电流截至负反馈电路、缺相保护电路、滞环电压比较器、过电流保护电路、限流整定和设定电路。

下面对各电路的工作过程进行分析。

1．给定积分电路

给定电路的电路图如图11所示。

图11给定积分电路原理图

在实际控制系统中，当给系统突加一个阶跃给定信号时，系统会产生冲击效果。

这是我们不希望的。

为此必须使用能把阶跃信号变换为缓变信号的电路，而积分调节器能满足这一要求。

因此积分器在给定电路中，故称为给定积分器。

在使用晶闸管整流电路作为直流电机的电枢电源时，为什么要限制突加给定呢？

我们先分析一下当突加给定时会产生什么结果。

在直流电机调压调速系统中，首先，启动时突加给定时，电机此时的转速为零，电枢内没有反电动势形成，此时将会产生很大的负载电流，该电流可能会使晶闸管损坏；其次，因为晶闸管的导通是一个过程，过大的电流也会使其局部击穿；最后，电流的上升率太快，可能会导致晶闸管的门极击穿。

基于此三种可能后果的产生，在设计时要考虑将阶跃给定信号变为缓变信号。

此给定积分器有两部分组成，一是前级的电压比较器，二是后级的积分器。

1）电压比较器中各元件的作用如下：

⑴电容C5起滤波的作用。

当Ug中含有交流成份时，由于C5的作用可以消除交流成份的影响，

⑵R10与C6组成无源迟后网络起抗干扰作用。

迟后网络对低频有用信号不产生衰变，而对高频噪声信号有消弱作用，b值越小，通过网络的噪声电平越低。

⑶IC1的作用。

IC1与其它元件组成电压比较器。

⑷D4、D5并接在运算放大器的同相与反相输入端起正负限幅，即钳位作用，用以保护运算放大器。

工作过程分析。

给定电压Ug由+15V经电位器分压取得，在0V--+10V之间可调，经R10、R11、C6滤波校正后，作用于由LM324，R13，W6组成的同相电压比较器的输入端+（LM324-5#），在其7#端输出Ua，其值约为+15V，Ua为后面的积分器提供输入信号。

2）积分器中各元件的作用如下：

（1）W6来改变积分常数

（2）R11，R12，R14，R15的作用。

为运算放大器输入匹配电阻，使运放的工作理想。

（3）W6、IC2与C7，C8组成积分器起给定积分的作用，将阶跃信号变成连续缓慢变化的信号。

（4）R18的作用。

反馈电阻保证运放输入端的输入信号在一定的数值范围内。

（5）D6的作用。

限定积分方向。

（6）C7、C8位积分器的电容，两个有极性的电容统计串联使用是为了获取大容量无极性的电容。

工作过程分析。

前级信号Ua经电阻R13和电位器W6分压后，作为积分器的输入信号，调节W6可改变积分常数（即积分时间），经由IC2，C7，C8等元件组成的积分输出，再经校正网络输出Ua与其它信号综合，作用于后面的放大器。

为什么调节W6改变积分时间呢？

我么们知道，积分调节器的积分时间常数是由电阻阻值和电容容量的乘积决定的。

如果需要改变积分时间，可以改变电阻的阻值或改变电容的容量来实现。

但是在电路设计是我们要充分考虑其工艺性，如果使用可变电容器，来达到改变电容的容量的目的，我们知道可变电容器的制造比较困难，其体积也比较大，使用起来很不方便。

另外也可以改变电阻的阻值，虽然容易做到，但是阻值大范围的将会影响运放的输入电阻。

为了消除这些不利应诉，同时达到调节积分时间的目的，使用了改变输入信号的方法，即使用电位器W6调节电压。

2．滤波型放大调节器

滤波型放大调节器由运放电路LM324、二极管D7和D8、电阻R19和R20、电容C9和C10等元件组成。

其电路原理如图12所示。

图12积分先行放大调节器电路原理图

1）元件的作用

⑴C9，C10的反向串联的作用。

C9，C10的反向串联使其电容值减小一半，而电压增大一倍，并且组成一无极性的电容起减小静差率，提高稳定性的作用。

⑵R19为反馈比例系数的产生电阻给定积分器的输出信号Ua加到运放的5#脚作为输入。

当给电的一瞬间，电容器两端的电压不能突变，电容器相当于短路，使运放输出端8#脚的电位不能突变，只能随着电容器的充电逐渐上升，此时积分的效应明显，二电阻的作用变为次之，当电容器两端的电压达到一定值之后，电容相当于断路，电容器失去作用，此时电阻发挥作用。

该电路近似于积分调节器的惯性环节，可将信号成比例放大的同时，还具有减小静差率，提高稳定性的作用。

放大倍数可靠放大，由于C9，C10的作用，使输出信号不能突变，只能缓慢变化。

3．正负限幅电路

限幅电路原理图见图13，工作原理分析如下。

图13限幅电路原理图

⑴正限幅。

调节W1中心插头的位置，可使U1为一需要电压。

当Ub值小于U1时，Uk=Uk，当Ub值小于Uc+0.7v时，Uk=Ub。

当Ub＞U1+0.7v时，Uk=U1+0.7v不变，D9导通，使Uk在Uc+0.7v以下变化。

⑵负限幅。

调节W2中心插头的位置，可使U2为一固定电压值（小于零）。

当Ub值大于U2时，Uk=Ub，当Ub值小于U2-0.7v时，Uk=U2-0.7v，D10导通，使Uk在U2-0.7v以上变化。

限幅电路的作用。

控制Uk值在U2-0.7v——U1+0.7v之间变化，调节合理的U1及U2可以有效的控制Uk的变化范围，从而控制amin及bmin的大小。

4．电压负反馈电路

反馈概念是将被控量变换成与输入量相同性质的物理量，并送回到输入端，用以与输入信号相叠加。

而比较环节的作用是将输入信号和反馈信号在此处相比较。

电压负反馈电路原理如图14所示。

反馈电压信号由电枢两端经取样电路，在电阻R108上由45#和45#线取出，送到隔离板上，经隔离电路和调制解调电路处理后，由电位器W1的中心点输出给调节板的207#（FUu）。

图2-14电压负反馈电路原理

反馈信号UFu（大于零的正值），经校正环节后，输出Ufu1，加至LM324-9#脚。

Ug经过给定积分环节输出Ua，Ua与Ufu1综合后作用于积分先行放大调节器，Ua<0，Ufu1>0，Ua与Ufu1极性相反，因此为负反馈。

其作用是稳定转速，提高机械特性，加快过渡过程。

5．零速封锁电路

为了防止系统电机在给定信号很小的时候出现爬行现象，在设计时应考虑保护电路，零速封锁电路就能防止此现象的发生。

零速封锁电路原理如图15所示。

图15零速封锁电路原理

1）电路的组成零速封锁电路主要由运算放大器LM324及电阻和二极管等元件构成近似电压比较器。

为防止放大倍数过大，取电阻R5的阻值为2M，电阻R1、R2、R3、R4为取得标准电压而设，二极管D3是为了防止负电压加到积分先行放大器的输入端，造成电机转速失控而设计的。

低速时的标准电压设定为0.3V，当给定电压小于此值时，该电路起作用。

2）原理分析+15V经电阻R1、R2分压后，使得Ub=15/（30+2）=0.95v。

Ub再经电阻R3、R4分压，使得Uc=0.95×10/30=0.31v。

即运算放大器同相输入为0.31v。

运算放大器同相输入为0.31v，反相器输入为Ug，由于反馈电阻R5=2mn，所以该电路近似为电压比较器。

当Uc＞Ug时，即Ug＜0.3v时，运算放大器输出端1#为+15v，二极管D3导通，Ua=+15v。

当Uc＜Ug时，即Ug＞0.3v时，运算放大器输出端1#为-15v，二极管D3截止，Ua=0v。

该电压Ua与给定积分器的输出信号及反馈电压信号综合叠加后作用于积分先行放大调节器输入端。

当该放大器的输出端电压（Uk）大于0v时，可控硅电路输出电压，当该放大器的输出端电压（Uk）小于0v时，可控硅电路输出电压Ud=0v。

当0＜Ug＜0.3v时，运算放大器输出端1#为+15v，二极管D3导通，Ua=+15v，放大器的输出端电压（Uk）小于0v，可控硅电路输出电压Ud=0。

当Ug较小时，如没有封锁电路，则产生积分先行放大调节器的输出端电压（Uk）大于0v，但很小，Ud有一定的数值，也很小，若此时电动机有负载则容易出现堵转现象，导致电机损坏。

6．电流截止负反馈

1）信号取出在主电路的交流侧通过交流互感器将信号（41#、42#、43#）取出，经三相桥式整流电路整流后，为+Ufi和-Ufi两个信号。

+Ufi作为截流负反馈的监测信号。

信号取样电路如图16所示。

图16信号取样电路

2）电流截止负反馈电路分析。

⑴电流截止负反馈电路原理图如图17所示。

图17电流截止负反馈电路原理

⑵原理分析+Ufi经电位器W3调节反馈强度后，整定值Ui为稳压二极管的稳压值，当主电路正常工作时，Ui小于WD2的稳压值，稳压管不会被击穿，Ua2=0v。

此时电流反馈信号电压对电路没有任何影响；当Ui大于WD2+0.7v时，Ua2>0v，此信号与给定积分器的输出信号和低速封锁电路的输出信号，在积分先行电路的输入端叠加，使Uk值减小，从而使输出电压变低，负载电流不再上升。

⑶作用使电动机获得挖土机特性，即当负载电流I<1.25Ie时，电流截止负反馈不影响电路，当I>1.25Ie时由于反馈的作用使电动电枢两端电压下降，有效的进行过载保护，且当负载减小后还可以自动恢复正常进行。

7．过电流保护电路

（1）限流设定电路如图2-18所示。

图18限流值设定电路限流值整定电路

该电路将+15V经调节限流设定电位器W5可以获得一个合适的基准比较电压U1，且U1≈3V。

（2）过流值整定电路过流值整定电路如上图。

将电流反馈信号-Ufi通过W4的调节可得到反馈信号U2且U2<0。

此信号与基准比较电压信号在LM311的正输入端叠加，两信号比较使滞环比较器输出翻转，保护电路起作用。

（3）滞环比较器电路如图2-19所示。

图19滞环比较器电路

当U1+U2+U3>0时，即U1>-（U2+U3）LM311-7#输出为-15v，D17截止，U5=0v。

当U1+U2+U3<0时，即U1<-（U2+U3）LM311-7#输出为+15v，D17导通，U5=14.3v

迟滞环的作用是抗干扰的，此电路环宽仅为0.3v左右。

U2+U3为过流或缺相，当（U2+U3）>1v时，电路中的保护电路工作。

8．缺相保护信号电路

缺相保护信号电路如图20所示。

将缺相变压器的副边输出信号Qx经二极管D14的半波整流后，由C14，R25滤波得到反馈信号U3，且U3<0。

U3=-127/220x65x0.5=-14v。

此信号与基准比较电压信号在LM311的正输入端叠加。

图20缺相保护信号电路

9．保护电路

保护电路如图21所示。

上电时，R=1,S=0,Q=0,/Q=1；稳定时，R=0,S=0,Q=0,/Q=1。

电路正常工作时U5=0，电路不工作，SCR不导通。

当电路过流时，U5=14.3v（1S=1）时，D1翻转，1Q=1即15v，U2’=15v，通过电阻R44叠加在LM324-9#上，强反馈使Uk<0。

同时D12截止，Vcc经R24、C16充电达到一定值时，2S=1/2Q=0，D13导通，三极管导通产生脉冲使SCR导通，并保持。

C17和R25组成上电复位电路。

图21保护电路

10．速度调节器ASR

速度调节器是把给定电压信号Ug与反馈电压信号Ufn进行比例积分运算，

图22速度调节器电路图

通过运算放大器使输出按某种预定的规律变化。

电路图如图22所示。

11．电流调节器ACR

电流调节器的作用与速度调节器的作用类似，它把速度调节器的输出信号与电流反馈信号进行比例积分运算。

在系统中起到维持电流恒定的作用，并保证在过渡过程中维持最大电流不变，以缩短转速的调节过程。

电流调节器电路图如图23所示。

图23电流调节器电路图

4-2-3触发板工作原理

对触发电路的要求

1）触发脉冲信号应有足够的功率和宽度。

2）触发脉冲信号应有一定的宽度才能保证触发的晶闸管可靠导通。

3）触发脉冲的形式要有和晶闸管导通时间有一定的对应性。

4）触发脉冲要有足够的移相范围并且要与主回路电源同步。

5）防止晶闸管误导通的措施。

各环节的工作原理

触发板主要电路可分为同步电源、锯齿波形成、脉冲移相、脉冲形成、脉冲分选与放大输出等五个环节。

下面分析各环节的工作原理。

图24触发板原理图

1．同步电源环节

同步电源环节主要由V1～V4等元件组成，同步电压us经限流电阻R20加到V1、V2基极。

当us在正半周时，V1导通，V2、V3截止，m点为低电平，n点为高电平。

当us在负半周时，V2、V3导通，V1截止，n点为低电平，m点为高电平。

VD1、VD2组成与门电路，只要m、n两点有一处是低电平，就将Ub4箝位在低电平，V4截止，只有在同步电压|us|<0.7V时，V1～V3都截止，m、n两点都是高电平，V4才饱和导通。

所以，每周内V4从截止到导通变化两次，锯齿波形成环节在同步电压us的正、负半周内均有相同的锯齿波产生，且两者有固定的相位关系。

2．锯齿波形成环节

锯齿波形成环节主要由V5、Cl等元件组成，电容C1接在V5的基极和集电极之间，组成一个电容负反馈的锯齿波发生器。

V4截止时，+15V电源经R6、R22、RP、-15V电源给C1充电，V5的集电极电位UC5逐渐升高，锯齿波的上升段开始形成，当V4导通时，Cl经V4、VD3迅速放电，形成锯齿波的回程电压。

所以，当V4周期性的导通、截止时，在端4#即UC5就形成了一系列线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率是由C1的充电时间常数（R6+R22+RP）C1决定的。

3．脉冲形成环节

脉冲形成环节主要由V7、VD5、C2、R7等元件组成，当V6截止时，+15V电源通过R25给V7，提供一个基极电流，使V7饱和导通。

同时+15V电源经R7、VD5、V7、接地点给C2充电，充电结束时，C2左端电位uc6=+15V，C2右端电位约为+1.4V，当V6由截止转为导通时，uc6从+15V迅速跳变到十0.3V，由于电容两端电压不能突变，C2右端电位从+1.4V亦迅速下跳到-13.3V，这时V7立刻截止。

此后+15V电源经R25、V6、接地点给C2反向充电，当充电到C2右端电压大于1.4V时，V7又重新导通，这样，在V7的集电极就得到了固定宽度的脉冲，其宽度由C2的反向充电时间常数R25C2决定。

4．脉冲移相环节

脉冲移相环节主要由V6、Uc、Ub及外接元件组成，锯齿波电压UC5经R24、偏移电压Ub经R23，、控制电压Uc经R26在V6的基极叠加，当V6的基极电压Ub6>0.7V时，V6管导通（即V7截止），若固定Uc5、Ub不变，使Uc变动，V6管导通的时刻将随之改变即脉冲产生的时刻随之改变，这样脉冲也就得以移相。

5．脉冲分选与放大输出环节

V8、V12组成脉冲分选环节，功放环节由两路组成，一路由V9～V11组成，另一路由V13～V15组成。

在同步电压us一个周期的正负半周内，V7的集电极输出两个相隔1800的脉冲，这两个脉冲可以用来触发主电路中同一相上分别工作在正、负半周的两个晶闸管。

那么，上述两个脉冲如何分选呢?

由图—可知，其两个脉冲的分选是通过同步电压的正半周和负半周来实现的。

当us为正半周时，V1导通，m点为低电平，n点为高电平，V8截止，V12导通，V12把来自V7集电极的正脉冲箝位在零电位。

另外，V7集电极的正脉冲又通过二极管VD7经V9～V11组成的功放电路放大后由端1#输出。

当us为负半周时，则情况相反，V8导通，V12截止，V7集电极的正脉冲经V13～V15组成的功放电路放大后由端15#输出。

电路中Vl1～V20是为了增强电路的抗干扰能力而设置的，用来提高V8、V9、V12、V13的门坎电压，二极管VDl一VD2、VD6～VD8起隔离作用，端子13#、14#是提供脉冲列调制和封锁脉冲的控制端。

该集成触发电路脉冲的移相范围小于1800，当us=30V，其有效的移相范围为1500。

6．波形图如下：

图25KC04电路波形图

结束语

掌握本系统的技术分析，不仅可以提高专业理论知识，熟悉现代控制技术的相关主流技术，还可以在实际系统应用中作为维修术的指导依据。

通过本系统的技术培训及技能训练可以更好地展开技术培训，并最终为生产实践作出贡献。

参考文献

DSC-32使用说明书.天津源峰科技发展公司

附图一主电路及继电保护系统原理图

附图二电源板原理图

附图三双闭环调节板原理图

附图五触发板原理图