运动控制课程设计--无环流调速.doc

前言
逻辑无环流可逆调速系统控制精确，电路简单。有环流可逆调速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正反转的平滑过渡特性要求不是很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有平均环流有没有瞬时脉动的无环流可逆调速系统。
无环流可逆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。
无环流逻辑控制器的任务是在正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，在反组晶闸管工作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路，使其输出信号以0 和1 的数字信号形式来执行封锁与开放的作用，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为1。系统在反转和正转制动时应该开放反组晶闸管，封锁正组晶闸管，在这两种情况下都要开放反组，封锁正组。从电动机来看反转和正转制动的共同特征是使电动机产生负的转矩。上述特征可以由ASR 输出的电流给定信号来体现。DLC 应该先鉴别电流给定信号的极性，将其作为逻辑控制环节的一个给定信号。

1. 初始条件及要完成的任务
1.1初始条件：
1.直流电机参数： PN＝10KW，UN＝220V，IN＝55A，nN＝1000 r/min ，Ra＝0.5Ω
2.测速发电机参数：23W，110V，0.21A，1900 r/min，永磁式
3.主电路采用两组三相全控桥反并联连接，进线交流电源：三相380V
4.
1.2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。满足如下要求：
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。

2系统结构设计
2.1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。

图5 逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图
2.2方案论证
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。因此，逻辑无环流可逆调速系统在生产中被广泛运用。

3调节器的设计
3.1电流调节器的设计
3.1.1确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数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（1~2）Toi = 3.33s。因此取Toi=2ms=0.002s
（3）电流环小时间常数之和：
按小时间常数近似处理：
3.1.2选择电流调节器结构
根据设计要求稳态无静差，电流超调量不超过5％，可以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1 PI型电流调速器

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：
3.1.3 计算电流调节器参数
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：

3.1.4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）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。
3）电流环小时间常数近似处理条件：
，满足近似条件。
3.1.5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
3.2速度调节器的设计
3.2.1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为：

3.2.2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：
3.2.3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2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：

3.2.4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。
3.2.5计算调节器的电阻和电容值
按所用运算放大器取，则
，取535kΩ
，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：

4系统主电路设计
4.1主电路原理及说明
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。逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示:

图3 逻辑无环流可逆直流调速系统主电路

4.2主电路参数设计
由于主电路是采用三相桥式全控整流电路，整流输出电压的波形在一个周期内，脉动六次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值是，只需计算一个脉波即可。当整流输出电压连续时的平均值为： =2.34U2cos 由于三相电压为380V，则 =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1.5~2倍的安全裕量， ，取
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2~3倍的安全裕量，, 取。

4.3保护电路与反相器的设计
在主电路变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和电容构成关断缓冲。
过电流保护可以通过电流互感器检测输入电流的变化，与给定值进行比较，当达到设定值时发出过流信号到逻辑控制器，再由逻辑控制器来封锁触发脉冲，实现过流保护。过流保护电路如下图所示。

图4 过流保护电路
过压保护是在直流电动机的电枢两端并上电压取样电阻，当电压值超过设定值时，发出过电压信号，经过电平转换后送到逻辑控制器，由逻辑控制器封锁触发脉冲。
4.4反相器的设计
反相器AR由运算放大器及有关电阻组成，如图所示。用于调速系统中信号需要倒相的场合。反号器的输入信号由信号放大器的反相输入，故输出电压为： Uout =－(RP+R3) / R1
调解RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP+R3=R1,则Uout=－Uin，输入与输出成倒相关系。

5逻辑控制器和触发器设计
5.1逻辑控制器的设计
无环流逻辑控制器的任务是在正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，在反组晶闸管工作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路，使其输出信号以0 和1 的数字信号形式来执行封锁与开放的作用，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为1。系统在反转和正转制动时应该开放反组晶闸管，封锁正组晶闸管，在这两种情况下都要开放反组，封锁正组。从电动机来看反转和正转制动的共同特征是使电动机产生负的转矩。上述特征可以由ASR 输出的电流给定信号来体现。DLC 应该先鉴别电流给定信号的极性，将其作为逻辑控制环节的一个给定信号。
仅用电流给定信号去控制DLC 还是不够，因为其极性的变化只是逻辑切换的必要条件。只有在实际电流降到零时，才能发出正反组切换的指令。因此，只有电流转矩极性和零电流检测信号这两个前提同时具备时，并经过必要的逻辑判断，才可以让DLC 发出切换指令。
逻辑切换指令发出后还不能马上执行，需经过封锁时时间Tdb1才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时时间Tdt后才能开放另一组脉冲。通常Tdb1=3ms，Tdt=7ms。
在逻辑控制环节的两个输出信号之间必须有互相连锁的保护，决不允许出现两组脉冲同时开放的状态。
逻辑控制器装置由PLC来实现，转矩极性鉴别信号UI*和零电流检测信号Ui0作为PLC的输入信号X0和X1，再由PLC的软件来实现逻辑运算和控制。
在逻辑运算判断发出切换指令UF、UR后，必须经过封锁延时Udb1和开放延时Udt才能执行切换命令。用FX2系列PLC实现时，只要用其内部的1ms定时器即可达到延时目的。一般封锁延时取Udb1=3ms，此时封锁原导通组脉冲；再经过开放延时Udt=7ms开放另一组。若封锁延时与开放延时同时开始计时，则开放延时时间为3+7=10ms，设延时后的UF'、UR'状态分别用辅助继电器M4、M5表示。
DLC装置的最后部分为逻辑保护环节。正常时，UF'与UR'状态总是相反的；一旦DLC发生故障，使UF'和UR'同时为“1”，将造成两组晶闸管同时开放，必须避免此情况。满足保护要求的逻辑真值表如下表。设DLC的输出信号由PLC输出端子Y0、Y1输出。

M4
M5
Y0
Y1
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
1
1
禁止
表5.11 逻辑真值表
其中Y0控制GTF，Y1控制GTR。为了实现逻辑保护，一方面可以用Y0、Y1实现联锁，另一方面还可以用M4、M5接通特殊辅助继电器M8034禁止全部输出，进行双重保护。X2和X3是过压和过流检测信号。逻辑控制器的梯形图如图5.11所示。

图5.11 逻辑控制器梯形图

5.2触发器的设计
本调速体统主电路是三相桥式全控整流电路，所以可以用三片集成电路触发芯片，KJ004和一片集成双脉冲发生器芯片KJ041组成。触发电路产生的触发信号用接插线与主电路各晶闸管相连接。

总结
通过本次课程设计，让我对直流无环流可逆调速体统有更深的理解，加强了对运动控制理论的理解，提高了专业知识的应用能力。电路系统的设计是一个从整体到局部的过程，在有了整体的方案之后，通过比较论证，得出最佳方案，然后是每一个部分，每一个环节的逐步实现。通过这个过程，让我们对于电路设计的思路和方法有了更深刻的体会，同时也提高了自己的团队协作能力和独立完成任务的心理素质。
逻辑控制的直流无环流可逆调速系统，实际上就是有两部分电路组成，一个是主电路，另一个是控制电路。控制电路的目的就是要控制电动机的正反转运行和正向反向制动，但是在控制的过程当中电路不能有环流，否则会烧毁电路。加入逻辑控制器的目的就是在适当的时候能够封锁一组主电路中的晶闸管同时可以开放另外一组晶闸管保证在主电路电机运行的过程当中只有一组晶闸管工作，从而保证系统能够可靠稳定的运行，为了实现这一功能需要多种电路的配合。系统设计的原则是稳定快速，简单实用，经济高效。
由于个人水平和时间的关系，本课程设计还有不完善的地方，恳请老师批评指正。

参考文献
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【10】 曾毅.现代运动控制系统工程. 北京.机械工业出版社，2006,8

附录：

课程设计成绩评定表
姓 名

学 号

专业、班级

课程设计题目：
课程设计质疑记录：

成绩评定依据：
态度认真，组织纪律性好（20分）

设计说明书文理通顺，工整（10分）

设计方案合理，论证充分（20分）

设计资料齐全，格式规范（10分）

独立完成任务，无原理性错误（20分）

答辩（20分）

总 分：
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日