专业方向综合课程设计——逻辑无环流可逆直流调速系统设计
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，I N=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
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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。
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+U*n+-ASRU*UiiUn1ACRUcfGTFVFUi0DLCU*iUblf+Uii-1ARU*2UcrACRUblrGTR--TGM--LdVR 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。
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电流调节器ACR123Uβ4Ug5Uz8R9+15VRP1-++5011UscRP26ugf7Uf50%RP350%-15V-15V 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 * 。
速度调节器(ASR)1R5450%6+15VRP172-++3RP250%RP350%-15V 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。
50%RP1-++反号器AR 图4 反号器AR
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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
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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。
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