逻辑无环流可逆调速系统设计.docx
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逻辑无环流可逆调速系统设计
一、设计内容及要求
逻辑无环流可逆直流调速系统，它主要是由速度调节器，电流调节器，反号器，转矩极性鉴别，零电平检测，逻辑控制单元，速度变换等环节组成。
其功能主要是实现对直流电机的平滑调速。
设计要求系统在给定值连续变化时实现对电机的控制（正向启动—正向停车—正向切换到反向—反向启动—反向停车—反向切换到正向—正向启动—正向停车）。
观察这一过程的Id及n的动态波形，改变电流调节器，速度调节器的参数，观察动态波形的变化。
技术要求：
1、该调速系统能进行平滑的速度调节。
2、系统静特性良好，无静差（静差率s≦2）。
3、动态性能指标：
电流的超调量δi＜5%，在额定负载下启动到额定转速时的超调量δn0＜5%。
4、系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。
5、调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。
已知负载电机额定数据PN=185W，UN=220V，IN=1.2A,nN=1600r/min，Ra=0.08Ω。
系统主电路RΣ=0.12Ω，Tm=0.1s。
二、方案论证
有环流可逆调速系统虽然具有反映快、过渡平滑等优点，但终究是要设置几个环流电抗器，增加系统的体积、成本和损耗。
因此，当生产工艺过程对系统过渡特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，从生产可靠性要求出发，常采用既没有直流环流又没有脉动环流的无环流可逆调速系统。
按实现无环流的原理不同，可将无环流系统分为两类：
逻辑无环流系统和错位无环流系统。
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。
使用逻辑无环流可逆调速系统进行调速控制，可靠性高，并且可降低成本。
三、电路原理图的总体设计
逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图如图1所示。
主电路采用两组晶闸管反并联线路，由于无环流，不用再设置环流电抗器，但仍然保留平波电抗器，以抑制电枢电流的脉动和保证电流连续。
控制回路仍采用典型的速度、电流双闭环系统，并分设了两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR用来控制反组触发装置GTR。
1ACR的给定信号Ui*经反相器反相后作为2ACR的给定信号——Ui*，这样可使电流反馈信号Ui的极性在正、反时都不必改变，从而可以采用不反映极性的电流检测器，如图中的交流互感器。
为了对正、反两组出发脉冲实施封锁和开放控制，达到无环流的目的，在系统中设置了无环流逻辑控制器DLC，这是系统中的关键部分，必须保证其可靠工作。
它按着系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，或者允许正组发出触发脉冲而封锁反组，或者允许反组发出触发脉冲而封锁正组。
由于主电路没设环流电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故。
所以在任何时候，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路没有环流产生。
正反组触发脉冲的零位仍整定在90°，工作时移相方法仍和自然环流系统一样，我们采用用DLC（无环流逻辑控制器）来控制两组触发脉冲的封锁和开放，以确保主电路没有环流产生，保证系统安全可靠地工作。
图1逻辑无环流可逆调速系统原理框图
四、单元电路设计
4.1电流环ACR的设计
如图2所示。
其中，Ui*为电流给定电压，-Id为电流负反馈电压，调节器的输出是电力电子变换器的控制电压。
图2电流调节器ACR
4.2速度环ASR的设计
转速调节器ASR与ACR类似，含有给定滤波和反馈滤波的PI调节器原理图如图3所示。
图中Un*为转速给定电压，—n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Ui*。
图3速度环ASR的设计
4.3反号器AR
采用反向比例运放，其中，R’=R0//Rf取
R0=Rf根据U0=-（Rf/R0）*Uin那么U0=-Uin实现
反号功能。
其电路原理图如图4所示。
图4反号器AR
4.4无环流逻辑控制器DLC的设计
无环流逻辑控制器的任务是：
根据可逆系统的运行状态，正确地控制两组晶闸管装置触发脉冲的封锁与开放，使得在正正晶闸管VF工作时封锁反组脉冲，在反组晶闸管VR工作时封锁正组脉冲。
两组触发脉冲决不能同时开放。
为了知道是根据什么信息来指挥逻辑控制器的动作，我们首先分析一下系统的各种运行状态与晶闸管装置工作状态的关系。
可逆系统共有四种运行状态，即四象限运行。
当电动机正转和反向制动时，系统运行在第Ⅰ象限和第Ⅳ象限，它们共同点是电枢电流方向为正（在磁场极性不变时，电磁转矩方向与电枢电流方向相同），这时正组晶闸管VF分别工作在整流和逆变状态，而反组晶闸管VR都处于待工作状态。
当电动机反转和正向制动时，系统运行在第Ⅲ和第Ⅱ象限，其共同点是电枢电流方向为负，这时反组晶闸管VR分别工作在整流和逆变状态，而正组晶闸管VF都处于待工作状态。
由此可见，根据电流的方向（也就是电磁转矩的方向）就可以判断出两组晶闸管所处的状态（工作状态或待机状态），从而决定逻辑控制器应当封锁哪一组，开放哪一组。
具体为：
当系统要求有正的电枢电流时，逻辑控制器开放正组触发脉冲，使正组晶闸管工作，而封锁反组触发脉冲；当系统要求有负的电枢电流时，逻辑控制器当开放反组触发脉冲，使反组晶闸管工作，而封锁正组触发脉冲。
速度调节器ASR的输出Ui*，也就是电流给定信号，它的极性正好反映了电枢电流的极性。
所以，电流给定信号Ui*可以作为可以作为逻辑控制器的指挥信号。
DLC首先鉴别Ui*的极性，当Ui*由正变负时，封锁反组，开放正组；反之，当Ui*负由变正时，封锁正组，开放反组。
然而，Ui*的极性变化只是逻辑切换的必要条件，而不是充分条件。
从有环流可逆系统制动过程的分析中可以看出这个问题，例如，当正向制动开始时，Ui*的极性由负变正，但当实际电流方向未变以前，仍须保持正组开放，以便进行本组逆变。
只有在实际电流降到零时，才应该给DLC发出命令，封锁正组，开放反组，转入反组制动。
因此，在Ui*改变极性以后，还需要等到电流真正到零时，再发出“零电流检测”信号Ui0，才能发出正、反组切换指令，零电流检测”信号Ui0作为逻辑控制环节的第二个输入信号。
逻辑切换指令发出后并不能马上执行，还须经过两段延时时间，以确保系统的可靠工作，这就是封锁延时td1和开放延时td2。
封锁时间——从发出切换指令到真正封锁掉原来工作组的触发脉冲之前所等待的时间。
因为电流未降到零以前，其瞬时值是脉动。
而检测零电流的电平检测器总有一个最小动作电流值I0,如果脉动的电流低于I0而实际仍然在连续变化时，就根据检测到的零电流信号去封锁本组脉冲，势必使正处于逆变状态的本组发生逆变颠覆事故。
设置封锁延时后，检测到的零电流信号等待一段时间td1，使电流确定下降为零，这才可以发出封锁本组脉冲的信号。
开放延时——从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间。
因为在封锁原工作组脉冲时，已被触发的晶闸管要到电流过零时才真正关断，而且在关断之后还要一段恢复阻断能力的时间，如果在这之前就开放另一组晶闸管，让可能造成两组晶闸管同时导通，形成环流短路事故。
为防止这种事故发生，在发出封锁本组信号之后，必须等待一段时间td2才允许开放另一组脉冲。
由上可见，过小的td1和td2会因延时不够而造成两组晶闸管换流失败，造成事故；过大的延时将使切换时间拖长，增加切换死区，影响系统过渡过程的快速性。
对于三相桥式电路，一般去td1=2~3ms，td2=5~7ms。
最后，在DLC中还必须设置联锁保护电路，以确保两组晶闸管的触发脉冲不能同时开放。
综上所述，对于逻辑无环流控制器的要求可以归纳如下：
（1）两组晶闸管进行切换的必要充分条件是，电流给定信号改变极性Ui*和零电流检测器发出零电流信号Ui0，这时才能发出逻辑切换指令。
（2）发出切换指令后，须经过封锁延时td1才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时td2后，才能开放另组脉冲。
（3）在任何情况下，两组晶闸管的触发脉冲决不允许同时开放，当一组工作时，另一组的脉冲必须被封锁住。
4.3.1无环流逻辑控制器的组成原理
根据以上要求，逻辑控制器的结构及输入、输出信号如图5所示。
其输入为反映转矩极性变化的电流给定信号Ui*和零电流检测信号Ui0，输出是封锁正组和封锁反组脉冲信号Ublf和Ublr。
这两个输出信号通常以数字形式表示：
“0”表示封锁，“1”表示开放。
逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四部分组成。
逻辑控制切换程序流程图如图6所示。
图5逻辑无环流控制器DLC的功能及输入输出信号
图6逻辑控制切换程序流程图
1.电平检测器
电平检测器的功能是将控制系统中连续变化的模拟量转换成“1”或“0”两种状态的数字量，它实际上是一个A/D转换器。
一般可用带正反馈的运算放大器构成，并且具有一定要求的回环继电特性，其原理、结构及回环继电特性如图7所示。
a）原理图b）结构图c）回环继电特性
图7电平检测器原理图、结构图及其回环继电特性
电平检测器根据转换对象的不同，又分为转矩极性鉴别器DPT（图8）和零电流检测器DPZ（图9）。
图8转矩极性极性鉴别器DPT电路及特性
图9零电流检测器DPZ
2.逻辑判断电路
逻辑判断电路的功能是根据转矩极性鉴别器和零电流检测器输出信号UT和UZ状态，正确地发出发出切换信号UF和UR，即封锁原来工作组的脉冲，开放另一组脉冲的指令信号。
UF和UR均有“1”和“0”两种状态，究竟有“1”还是“0”去封锁触发脉冲，取决于触发电路结构。
对于采用NPN型的晶体管触发电路，“0”态表示封锁脉冲，“1”态表示开放脉冲。
图10无环流逻辑控制器DLC原理图
为了确定逻辑判断电路的逻辑机构，先列出各种情况下逻辑判断电路各量之间的逻辑关系于表1中。
表1辑判断电路各量之间的逻辑关系
运行
状态
转矩（电流给定）极性
电枢
电流
逻辑电路输入
逻辑电路输出
Te
Ui*
UT
UZ
UF
UR
正向
启动
＋
－
无
1
1
1
0
＋
－
有
1
0
1
0
正向运行
＋
－
有
1
0
1
0
正向制动
－
＋
有（本组逆变）
0
0
1
0
－
＋
无（逆变结束）
0
1
0
1
－
＋
有（制动电流）
0
0
0
1
反向
启动
－
＋
无
0
1
0
1
－
＋
有
0
0
0
1
反向运行
－
＋
有
0
0
0
1
反向制动
＋
－
有（本组逆变）
1
0
0
1
＋
－
无（逆变结束）
1
1
1
0
＋
－
有（制动电流）
1
0
1
0
删去上表中的重复项，可得逻辑判断电路真值表，如表2所示。
表2逻辑判断电路真值表
UT
UZ
UF
UR
UT
UZ
UF
UR
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
根据真值表，按脉冲封锁条件可列出下列逻辑代数式：
——UF=UR（——UTUZ+——UT——UZ+UT——UZ）=UR（——UT+——UZ）
若用与非门实现，可变换成
同理，可以写出的逻辑代数与非表达式
根据上面的两个与非表达式，可以采用具有高抗干扰能力的HTL与非门组成逻辑判断电路，如图4中的逻辑判断电路部分。
3.延时电路
在逻辑判断电路发生切换指令UF、UR之后，必须经过封锁延时td1和开放延时td2，才能执行切换指令。
因此逻辑电路中还必须设置延时电路，它是由接在与非门输入端的电容C和二极管VD组成的，如图5所示。
图11带与非门的延时电路
4.联锁保护电路
系统正常工作时，逻辑电路的两个输出U’F和U’R总是一个为“1”态，另一个为“0”态。
但是一旦电路发生故障，两个输出U’F和U’R如果同时为“1”态，将造成两组晶闸管同时开放而导致电源短路。
为了避免这种事故，在无环流逻辑控制器的最后部分设置了多“1”联锁保护电路，如图4所示。
其工作原理如下：
正常工作时，U’F和U’R一个是“1”，另一个是“0”。
这时保护电路的与非门输出A点电位始终为“1”态，则实际的脉冲封锁信号Ublf、Ublr与U’F、U’R的状态完全相同，使一组开放，另一组封锁。
当发生U’F和U’R同时为“1”的故障时，A点电位立即变为“0”态，将Ublf和Ublr都拉到“0”，使两组脉冲同时封锁。
五、参数计算及器件的选择
5.1固有参数的计算
已知电动机：
PN=185W，UN=220V，IN=1.2A，nN=1600r/min，Ra=0.05Ω
机电时间常数取为Tm=0.1s。
主回路中取RΣ=0.98Ω；LΣ=2mL；全控桥式整流m=6；
则固有参数
电动势系数Ce=UN-INRa/nN=220-1.2*0.05/1600=0.137V/（r.min﹣1）；
电磁时间常数TL=LΣ/RΣ=2*10﹣³/0.08=0.025s；
晶闸管整流器滞后时间常数为Ts=1/2mf=1/2*6*50=0.0017s；
取ACR限幅值Uctmax=6V,则Ks=Ud0/Uctmax=1.05*220/6.25=38.5；
取ASR限幅值Uim﹡=6V；
电流反馈系数β=Ufi/Id=6V/1.2A=5V/A；
取电流反馈滤波时间常数Tfi=0.002s；
转速反馈系数α=Ufn/n=5.8/1500rmp=0.04V；
取转速反馈滤波系数Tfn=0.01s。
5.2电流调节器ACR参数计算
由于电流环的主要作用是限制电流过大，因此，一般电流环校正为典型Ι型系统。
这里，ACR采用PI调节器，并校正为典型Ι型系统。
1.确定时间常数
1）整流装置滞后时间常数Ts三相式电路平均时间Ts=0.0017S
2）电流滤波时间常数Toi三相式电路每个波头时间为3.3ms为了基本滤平波头，取Toi=2ms=0.002s
3）电流环小时间常数之和TΣi按最小时间常数处理TΣi=Ts+Toi=0.0037s
求得：
Toi=Tfi=0.002s
Τi=Tl=0.025s
Tσi=Ts+Tl=0.0017s+0.002s=0.0037s
Ki=TlRΣ/2βKsTΣi=0.025*0.98/2*5*38.5*0.0037=0.67
取R0=20KΩ时
Ri=Ki*R0=0.67*20KΩ=13.2KΩ
Ci=τi/Ri=0.25/25*10³=1uF
Coi=4Tfi/R0=4*0.002/20*10³=0.4uF
则等效电流闭环传递函数为;
Wcli=1/5/（2*0.0037s+1）=1/5*（0.0074s+1）
5.3转速调节器ASR参数计算
由于转速的超调与动态速降均可由抗扰指标来衡量，其指标以典型Ⅱ型系统为佳，因此，ASR采用PI调节器，按典型Ⅱ型系统预期特性设计。
1）确定时间常数：
KiTΣi=0.5，1/Ki=2T=2*0.0037=0.0074s
2）转速滤波时间常数：
Ton=0.01s
3）转速环小时间常数：
TΣn=1/Ki+Ton=0.0074+0.01=0.0174
取h=5，求得ASR参数为：
TΣn=2TΣi+Tfn=2*0.0037+0.01=0.0174s
Τn=5TΣn=5*0.0174=0.087s
Kn=（h+1）/2h*βCeTm/αRΣTΣn=6*5*0.137*0.1/2*5*0.004*0.98*0.0174=20
取R0=20KΩ，则
Rn=KnR0=20*20=400KΩ
Cfn=Tfn/R0=4*0.041/20*10³=2uF
Cn=τn/Rn=0.087/4*105=0.22uF
5.4性能指标校验
1）动态指标
由于电流环校正为典型Ⅰ型系统，其输出Id的超调量δi=4.3%，调节时间ts=4.14*0.0037=15ms，符合设计要求。
又由于转速环校正为典型Ⅱ型系统，并取h=5，查表可知，δ=81.2%*Z，因此在额定负载下，起动到额定转速时的超调：
δn=81.2%*2*0.0174*0.98/1600*0.1*0.137*（1.5*1.2-1.2）=0.2%<5%，符合设计要求。
2）静态指标
由于ASR采用了PI调节器，对恒值给定输入及恒值负载扰动均无静差，符合设计要求。
六、实验情况、调试方法
多环调速系统调试的基本原则：
（1）先部件，后系统。
即先将各环节的特性调好，然后才能组成系统。
（2）先开环，后闭环。
即先使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈后组成系统。
（3）先内环，后外环。
即闭环调试时，先调电流环，然后再调转速外环。
6.1控制单元的调试
（1）主控制屏开关设置。
打开DJK01总电源开关，检查三相电网电压是否平衡：
在“电源控制屏”上的“调速电源选择开关”拨到“直流调速”侧。
（2）触发器整定。
将DJK02-1面板的Uif端接地，DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨到“通”，观察正桥VT1-VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。
同理，检查反桥的情况，根据实际情况进行处理。
（3）调节器调零。
ASR及ACR调零，将所有输入端接地，反馈电容短接，调节调零电阻阻值，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
6.1.1速度调节器（ASR）的调试
（1）直键开关选择ASR档，调整数出正、负限幅值
把“5”,“6”端接到MEL-11挂箱，使ASR调节器为P1调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅值电位器RP1，RP2，使输出正负值等于正负5V。
（2）测定输入输出特性
将反馈网络中的电容短接，使ASR调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。
（3）观察PI特性
拆除5”,“6”端短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。
反馈电容由外接电容箱改变数值。
6.1.2电流调节器（ACR）的调试：
（1）数显窗选择直键开关拨至ACR档，调整输出正负限幅值。
（2）测定输入输出特性
（3）观察PI特性
6.1.3反相器（AR）的调试
测定输入输出比例，输入端加入+5V电压，调节RP，使输出端为-5V.
6.1.4逻辑控制器（DLC）的调试
测定逻辑功能，列出真值表，看是否与表2相吻合。
调试时的阶跃信号可从给定器得到。
6.1.5电平检测器的调试
（1）测定转矩极性鉴别器（DPT）的环境，要求环宽为0.4-0.6伏，记录高电平值，调节RP使环宽对称纵坐标。
具体方法：
a、调节Ug，是DPT的“1”脚得到约0.3V电压，调节电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。
b、调节负给定，从0V起调，当DPT的“2”端从“0”变为“1”时，检测DPT的“1”端应为-0.3V左右，否则应调整电位器,使“2”端电平变化时，“1”端电压大小基本相等。
（2）测定零电流计检测器（DPZ）的环宽，要求环宽也为0.4-0.6V，调节RP，使环向纵坐标右侧偏离0.1-.02伏。
具体方法：
a、调节给定Ug，使DPZ的“”端为0.7V左右，调节电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。
b、减小给定，当“2”端电压从“0”变为“1”时，“”端电压在0.1-0.2V范围内，否则应继续调节电位器RP。
6.2主电路的调试
1、未合上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。
（1）、打开MCL-01电源开关，给定电压有电压显示。
（2）、开关设置：
脉冲选择指示灯为“窄”，DZS的扭子开关扳向“封锁”。
（3）、用示波器观测单、双脉冲观察孔，应由间隔均匀、幅度相同的单、双脉冲。
（4）、检查相序，用示波器观察“1”、“2”单脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲60度，则相序正确，否则，应调整输入电源。
（5）、用万用表检查Ublf,Ublr的电压，一为高电平，一为低电平，不能同时为低电平。
2、MCL-02调试及开关设置
将控制I组桥触发脉冲通断的六个值键开关弹出，观察对应脉冲指示发光二极管是否正常。
同时，观察熔断器通断指示发光二极管是否正常。
将控制II组桥触发脉冲通断的六个值键开关弹出，观察对应脉冲指示发光二极管是否正常。
同时，观察熔断器通断指示发光二极管是否正常。
用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V-2V的脉冲。
注意：
若给定为正（大于1伏）则I组晶闸管对应的脉冲指示发光二极管亮，若给定为负（小于-1伏），则II组晶闸管对应的脉冲指示发光二极管亮。
6.3系统调试
1、初始相位角的调试
控制电压Uct接地，用示波器看α角，调节偏移电压Up，使整流输出电压为0，并记下此时的α角。
2、最小α角和最小β角的确定及ACR正负限幅值的调整
控制电压Uct由给定器Ug直接接入，直流发电机负载电阻Rg调到最大。
断开原来的Ublr、Ublf线，将Ublr接地。
合上主电路电源，调节调压器旋钮，使Uvw，Uwu为220V，逐渐增加给定电压Ug，使整流输出电压达到220V，记下此时的Ug值，将ACR正限幅调到这个电压值。
然后，S1打向下，加负给定电压，用示波器看β角，当β角达到45度时记下此时的电压值，将ACR的负限幅调到这个电压值。
3、ASR正负限幅值可调整为正负5V。
4、载流值得调整
首先将电流反馈电位调到最大位置，关掉电机励磁，给定Ug和移相控制电压Uct恢复正常接法。
ASR和ACR上的调整放大倍数电位器都逆时针调到底使放大倍数最小。
合上主电路电源，逐渐增加给定电压，则ASR输出达到限幅值，由于此时电流反馈最强，电流较小，调节电位器，使Id=1.1Ied。
此时载流值为1.1Ied。
5、速度反馈极性的判断和速度反馈强度的调整
控制电压Uct有给定器Ug直接接入，给定加正电压，MCL-03上输出显示窗选择FBS。
合上主电路电源，增加给定电压，使电机起动，看MCL-03上输出显示窗的正负，如是负则对，否则对调速度反馈的两根线。
给定Ug和移相控制电压Uct恢复正常接法，将速度反馈电位器调到反馈最强位置，直流发电机负载电阻Rg调到最大值。
合上主电路电源，增加给定电压值到5V，然后调节速度反馈电位器，使转速达到1400r/min。
6.4系统动态波形的观察
控制单元、主电路及系统的调试都完成后，接好示波器观察波形：
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，Ug不变，突加、突减负载（20％Ied--100％Ied）
的动态波形。
③改变ASR、ACR的参数，观察动态波形的变化。
在此处需要注意的地方：
电机电枢电流波形的观察可通过MCL-3的ACR的“1”端；转速波形的观察可通过MCL-03的ASR的第“1”端。
6.5系统特性的测定
1、开环特性的测定：
①控制电压Uct由给定器Ug直接接入，直流发电机负载电阻R调到最大。
②合上主电路电源，逐渐增加给定电压Ug，使电机启动、升速，调节Ug使电机空载转速n0=1400r/min，再调节负载电阻RL，改变负载,使直流电机空载至额定负载范围，测取7-8点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，即可测出系统的开环特性n=f（Id）。
2、正反转闭环机械特性的测定：
给定Ug和移相控制电压Uct恢复正常接法（Ug接ASR：
2，Uct接ACR
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