毕业设计（论文）-逻辑无环流直流可逆调节器设计

逻辑无环流直流调速系统设计任务书1.题目：逻辑无环流直流调试系统2.直流电动机的额定参数:型号Z241它励Pnom=3KWUnom=220VInom=17.2Annom=1500rpmUnom=220VInom=0.573A3.其它的已知参数: 折合到电动机轴上的总飞轮惯量GD2=5.6Nm2 变流器的内阻Rrec=1.35 电枢电阻Ra=1.4 平波电抗器电阻Rpl=0.5 电枢回路总电感L=40mH Ce=(UnomInomRa)/nnomVmin/r 过载倍数=1.5 各调节器限幅值及给定值Unm*=10VUim*=10V电流调节器的限幅值为8V速度反馈滤波Tom=10ms电流反馈滤波Toi=2ms4.系统的技术性能指标要求:稳态指标：稳态无静差动态指标：i5%n10% 前言随着电力传动装置在现代化工业生产中的广泛应用，以及对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本设计的课题是逻辑选触无环流直流调速系统。该系统属于模拟系统，虽然不是很先进，但仍然在工矿企业中有着广泛的应用，本设计有较高的集成度，大量采用了LM和CMOS、HTL集成器件,使模拟数字集成电子电路的各种型号的运放.逻辑单元,时序单元,触发器,光电器件纷呈在电路版上，同时也大量的使用分立元件等特点。本文将先分析主回路及计算,论述其工作原理,接着讲解各个控制单元,本系统的控制线路采用速度、电流、双闭环调速系统。此外，为了控制给定信号的加速度，系统中又加入了一个给定积分器，两个环节的调节器均采用PI调节器在本论文的最后，对系统进行动态校正和工作过程各阶段进行较详细的图文讨论。本系统采用的是串联校正。本设计采用逻辑选触无环流调速系统,投资少,调整方便,较符合实际需要,并且使用起来也比较的安全和方便，出故障时能及时察觉和排除。由于作者水平有限,时间仓促,望指导老师,专家同仁多加批评指正。作者目录第一章系统主回路设计 51-1系统主回路的论述、比较及选择 5一.三相半波与三相桥式的比较 6二.电枢反接可逆线路与励磁反接可逆线路的比较 61-2主回路的工作原理 7一关于三相桥式反并联 7二主回路的工作原理 71-3主回路各元件的参数的选择及计算 8一、整流变压器额定参数的计算与选择 8二、晶闸管和整流管的选择及计算 9三、平波电抗器的电感量的选择及计算 10四、闸管的保护装置及其计算 11第二章系统控制单元论述 172-1可逆调速系统的方案 172-2逻辑无环流可逆系统 172-3控制单元的论述 20第三章操作回路工作原理 35第四章系统的工作过程分析 374-1双闭环调速系统的组成 374-2调速系统的工作原理及静态特性 38一、系统的组成过程中应注意的两个问题 38二、系统的静态特性 404-3调速系统的动态特性 40一、双闭环调速系统突加给定时的动态响应 40二双闭环调速系统的抗扰性能 44第五章系统的动态校正 465-1二阶及三阶最佳校正 46一、二阶最佳校正 46二、三阶最佳校正 475-2电流环的设计 475-3转速环的设计 49附件一环流直流调速实验装置元器件材料明细表 51主回路，励磁回路及操作电路部分 51脉冲功放部分 53调节大板部分 54附件二参考文献 59附件三图纸 60第一章 系统主电路的设计1-1主回路方案的论述、比较及选择 生产控制过程中，当要为某生产机械制造一台晶闸管整流装置。首先要确定采用什么样的整流电路，只有整流电路的形式确定后，才能根据负载来决定晶闸管、变压器、电抗器、熔断器等元件，才能对触发电路提出移相范围、脉冲等技术要求，才能选择适当的保护元件。为此，我们的首要任务是选择比较理想的主电路方案。对于晶闸管可控整流电路而言，主要分单相和三相可控整流电路，其中，单相可控整流电路的整流电压脉动大，脉动频率低，而且对三相电网电源而言，仅是其中的一相负载，就影响三相电网的平衡运行，所以我们在设计中就不采用单相整流电路。一般当负载容量较大（4KW以上），或者要求直流电压脉动较小、易滤波或要求快速控制时，应考虑采用三相可控整流电路，这是因为三相整流装置三相是平衡的，输出的直流电压和电流脉动小，对电网影响小以及控制滞后时间短的缘故。三相整流的类型有很多，例如：三相半波、三相全控桥式、三相半控桥式整流电路等。此次设计采用的是在工业上广泛应用的三相桥式反并联整流电路。三相桥式全控整流电路的实质是三相半波共阴极与共阳极组的串联。下面对各种整流电路逐一分析和比较。一.三相半波与三相全控桥1.三相半波和三相全控桥流过晶闸管的电流有效值和平均值相同，晶闸管所承受的最大正反电压也相同，都是线电压的峰值，即Ufm=Urm=62/12.三相半波只用三个晶闸管，接线简单是它的优点。在感性负载时，三相半波输出电压Ud=1.17U2cosa。很显然，要输出同样的Ud时，与三相桥式电路相比较，晶闸管承受的正反相的峰值电压高一半，变压器二次侧绕组周期导电角仅为120度，绕组利用率低，而且电流是单方向的，它的直流分量使铁心直流磁化，为了防止铁心饱和必须加大变压器铁心的截面积，因而还要引起附加损耗。上述缺点导致三相半波可控整流电路一般只用于中小容量的设备上。三相桥式整流电路中，可以看出，绕组的利用率提高了。二.电枢反接可逆线路与励磁反接可逆线路在三相桥式可逆系统中，有两种逆变方式。一种为电枢反接可逆线路，另一种为励磁反接可逆线路。其中对于大容量的电动机，励磁反接的方案投资较少，比较经济。但此种方案，快速性较差，只适用于正反转不大频繁的大容量可逆系统，如卷扬机、电力机车等。在电枢反接可逆线路中，通常采用接触器切换的可逆线路和用晶闸管开关切换的可逆线路。用接触器切换比较简单、经济，但如果接触器频繁切换，电气动作噪声较大、寿命较短、且需要的动作时间相当长，不灵活，只适用于不经常正反转的生产机械。故此我们采用晶闸管可逆线路。方案是三相全控桥式反并联整流电路。1-2主回路的工作原理一关于三相桥式反并联三相桥式反并联是通过公共的三相交流电源组成两条并联的环流通道，它们分别以变压器的基相绕组为始端，经某组变流器中共阴极相连的一个晶闸管，回到变压器的其它一相绕组为终端，如下图所示：二主回路的工作原理三相式整流电路是从三相半波电路发展而来的。两组三相半波整流电路，一组是共阴极，另一组是共阳极。由于共阴极组是正半周导电，流经变压器的是正向电流；而共阳极组在负半周期导电，流经变压器的是反向电流。本系统采用的是三相桥式反并联可逆线路，可使电动机在四个象限内运转，主电路由两组变压器组成，在任何时间内都只能由一组投入工作，可根据电动机所需的运转状态来决定由哪一组变压器工作及相应的工作状态：整流或逆变。同时为了限制环流，必须在主回路内串入环流电抗器。工作原理如下：1.三相桥式反并联线路在任何时候都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个是共阴极组的，另一组是共阳极组的。2.关于触发脉冲的相位，共阴极组的三个晶闸管之间应互差120共阳极组的晶闸管之间也应该互差别120接在同一相的两管之间互差180。3.为了保证整流桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管导通，或者在电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。4.三相桥输出的是变压器二次线电流的整流电压。1-3主回路各元件的参数的选择及计算本系统主电路为三相桥式反并联电路,被控电机额定电压220V,对于本电路,采取了阻容保护,非线性电路及过电流保护,现对电路中各元件参数选择做简要说明。一、整流变压器额定参数的计算与选择在平均电压Ud和主电路形式一定的条件下,晶闸管交流侧的电源相电压有效值U2只能在一个较小的范围内变化。因为电压U2选择过高,则晶闸管装置运行的控制角过大造成功率因数变坏,无功功率增大。并在电源回路的电感上产生很大的电压降,但若电压U2过低,则有可能在晶闸管控制角=0时仍达不到负载要求的电压额定值因而达不到负载要求的功率,在一般情况下,晶闸管装置所要求的交流供电电压于电网电压往往不一致,另外,为了尽可能减小电网与晶闸管装置的相互干扰,要求能够隔离,所以通常需配用整流变压器,整流变压器的一次相电压U1就是电网相电压,根据本系统要求的整流电压Ud=220V,及整流电流Id=10A,在下面对整流变压器的额定参数,二次相电压U2、二次相电流I2、一次相电流I1、二次容量S2、一次容量S1和平均容量S进行一些必要的计算。1二次相电压U2的计算U2=(1.21.5)U0/A=1.3220/2.34=122VU0电动机电枢额定电压A 系数对于三相桥式，A=2.342.二次相电流I2和一次相电流I1I2=k2IdI1=I2/kk=U1/U2则I2=0.81617.2=14.04AI1=14.04/380/122=4.51AId电动机的额定电流K2电流的波形系数为0.8163.二次容量S2、一次容量S1和平均计算容量SS1=3U1I1=32204.51=5141.4VAS2=3U2I2=312214.04=5138.64VAS=(S1+S2)/2=5140.02VA二、晶闸管和整流管的选择及计算1.整流器件的额定电压UTNUm=61/2U2=299VUTN=(23)Um取系数为2.5则可得UTN=747V2整流器件的额定电流IT(AV)IT(AV)=(1.52)kfbIdmax=1.80.36817.21.5=14.7A式中kfb=0.368Idmax=电动机的额定电流为过载倍数三、平波电抗器的电感量的选择及计算在使用晶闸管装置时,为了提高它对负载供电的性能和提高运行的安全可靠性,常在直流侧使用带有空气隙的铁芯电抗器,本节着重于电抗器的计算,电抗器的主要参数是:流过电抗器的电流和电抗器的电感量。1.使输出电流连续所需的电感量当晶闸管的控制角较大,负载电流小到一定程度时,会出现输出电流不连续的现象,为保证电流连续,电枢回路中应有的电感量:Ll=KlU2/Idmin=0.693122/（5%17.2）=98.3mHIdmin要求连续的最小负载电流平均值为5%InomKl=0.6932.平波电抗器电感的计算LD电动机的电枢电感LD=KDUe/2PneIe103=6220/22150017.2103=12.8mH式中P极对数(P=2)KD=812（无补偿的电机）KD=56（有补偿的电机）LB变压器二次测每相的漏电感LB=KBUk%U2/100Ie=3.95/100122/17.2=1.38mHUk%变压器的短路比,对于100KVA以下的变压器Uk%=5%KB=3.9LP平波电抗器的电感LP=Ll(LD+2LB)=98.3(12.8+21.38)=82.74mH四、闸管的保护装置及其计算晶闸管虽然具备多种优点，但是它承受过电流和过电压的能力较差。为了使器件能长期的运行，必须采用适当的保护装置。1.过电压保护凡超过晶闸管正常工作时承受的最大峰值电压Um的都算过电压，其中一种为操作过电压是由晶闸管装置的拉闸合闸和器件关断等电磁过程引起的过电压，这些操作过程经常发生是不可避免的，另一种过电压是由于雷击等原因为从电网侵入的偶然性浪涌电压，它可能比操作过电压更高，采取过电压保护措施后，应使经常发生的操作过电压限制在额定电压UTN以下，而希望使偶然性的浪涌电压限制在器件的断态和反向不重复峰值电压Udsm和Ursm以下。交流侧过电压保护阻容保护在变压器二次并联电阻和电容，构成阻容保护电路。计算单相变压器交流侧过电压保护电容C和电阻R的公式：C6i0%S/U22R2.3U22/S（UK%/i0%）1/2其中：S变压器每相平均计算容量U2变压器二次相电压有效值i0%变压器激磁电流百分数,100KVA以下i0%=7Uk%变压器的短路比,100KVA以下Uk%=5由以上的公式可得:C675140.02/1222=14.5FR2.31222/5140.02（5/7）1/2=5.63变压器的接法 单相 三相二次侧Y接法阻容装置的接法 与变压器次极并联 Y接法 接法电容C C C C/3电阻R R R 3R 则根据上表得到:电容=C/3=4.83F电阻=3R=16.89阻容保护压敏电阻保护护装置只能把操作过电压一直在允许的范围内，因此在采用阻容保护的同时，可以设置非线性电阻。它们接近于稳压管的伏安特性，能把浪涌电压一直在允许范围之内。压敏电阻可按下式选取它的额定电压Ue:Ue/(8-9)(压敏电阻承受的额定电压峰值)压敏电阻保护直流侧过电压保护直流侧也有发生过电压的可能，例如在快熔断时，平波电抗器所贮能量释放，可以造成过电压，或是在雷击时，过电压到直流侧。因此，在直流侧也搭接了压敏电阻保护。2.晶闸管关断过电压保护晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于晶管的结电容、导通时间和关断时间等等差别。为了使开关过程中的电压分配均匀，应对晶闸管并联电容C。为了防止晶闸管导通瞬间，电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容支路中串联电阻R。这样就采用RC回路来进行抑制。电容值C=(25)103IT=410314.7=0.06F电容值R=(13)(LB/C)2/1=2(1.38/0.06)2/1=9.59式中：IT器件的额定电流LB变压器每相的漏感RC回路3.过电流保护由于过载短路，晶闸管正向误导通和反向击穿，以及在逆变时换流失败等原因，都会产生过电流。过电流的保护措施有数种，我们这里采用快速熔断器来防止晶闸管过电流的损坏。其原理图如下：主电路如下：第二章系统控制单元论述2-1可逆调速系统的方案在由两套可控硅变流装置组成的电枢可逆系统，除了流经电枢支路的负载电流之外，还有一只流经两套可控硅变流装置之间的电流，这个电流称作环流。由于环流对于系统由不小的影响，我们所选择的调速系统必须要能解决这一方面的问题。针对电机本身的可逆方案实现的方法以及处理环流的方式不同，可控硅直流调速系统的形式，结构很多，大致上有以下四种：（1） 有环流电枢可逆直流调速系统（2） 逻辑无环流电枢可逆直流调速系统（3） 错位无环流电枢可逆直流调速系统（4） 磁场可逆直流调速系统在这四种直流调速系统中，我们选择逻辑无环流电枢可逆直流调速系统,这是因为无环流系统不仅消除了直流环流，还消除了脉动环流。这种系统不用限制环流电抗器，即减少投资又节省电能损耗。以下我们就来介绍一下逻辑无环流可逆系统。2-2逻辑无环流可逆系统要得到既无直流又无脉动环流的系统，可采用下述两种不同的方法来实现。一种是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，从根本上切断了环流的通路，将其称为逻辑控制无环流可逆系统。另一种是利用触发脉冲相位的错开来实现无环流，将其称为错位控制无环流可逆系统。一、可逆系统对逻辑装置的基本要求1.任何情况下，绝对不允许同时开放两组晶闸管的触发脉冲，必须是一组晶闸管工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁。2.逻辑装置应有两个必要的信号：一是能反映系统各种运行状态对转矩极性要求的极性信号，二是反映主电路电流有无的零电流信号。3为了可靠工作，防止逆变颠覆，必须在主要电路电流为零后经过t1=23ms的关断时间才能封锁工作组晶闸管的触发脉冲，为了防止出现环流，再经过t2=67ms的开放等待时间才能开放要工作组的晶闸管触发脉冲。二、可逆系统的组成主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于无环流，不必在其中设置环流电抗器。系统控制部分与自然环流系统无本质的区别，所不同的是仅仅多了一个无环流逻辑切换装DLC,DLC按照转矩极性信号Ui*系统正确的选组与换组，而且在任何情况下杜绝环流的发生，获得电动机四象限正常运行。逻辑控制无环流系统三、逻辑装置的功能无环流系统中逻辑装置的功能就是选组、换组与杜绝环流。所谓选组，就是将触发脉冲施加到所期望的一组晶闸管上，让其工作。当电枢电流为0时，逻辑装置根据住信号Ui*极性相对应，因此Ui*极性必是逻辑切换的一个必要条件。可逆系统运行中还常要求逻辑装置进行换组。为了杜绝环流，由VF到VR必须按一定程序进行。当系统发出“停车信号”时，则Ui*极性发生了变化，由负变正，这时Ui*极性变化是切换的必要条件。还有一个充分必要条件是零电流的控制信号。只有检测到VF组流过的电流为零时，才允许逻辑装置发出由VF切换到VR指令。切换指令发出后，为了确保电流真正断续或为零，经过封锁延时时间23ms,撤掉FM组上的脉冲，考虑晶闸管的恢复阻断能力的时间，确保晶闸管真正关断，再经过开放延时57ms,对VR加脉冲。以上便是以VF为例说明换组时逻辑装置的情况。四、逻辑选触无环流系统实际上，任何时刻只有一组晶闸管在工作，另一组电流调节器触发装置是闲置的。如采用电子模拟开关进行选择，两组晶闸管公用一个电流调节器和一套触发装置，称为逻辑选触无环流系统。其中FS是正组模拟开关，RS是反组模拟开关，途中左边的模拟开关是用来切换电流调节器给定输入信号Ui*的极性的，即系统在不同的工作状态下工作时，Ui*的极性是不同的。经模拟开关控制后，送入电流调节器ACR的Ui*的极性总是正的，与总是负极性的Ui构成负反馈。右边模拟开关是脉冲的切换开关。换组时DLC还对电流调节器送入-U信号，俗称“推”信号，其作用是使系统在正、反组切换时避开反向冲击电流，正向制动过程中，变流装置由正组切换到负组时，由于反组工作在整流状态，则电动机反电动势和反组整流电压共同建立反向电流，此时，电流迅速增大，造成一个很大的反向冲击电流，若在换组时，让反组处于逆变状态，把逆变角推到最小，这就避免了反接制动而没有冲击电流，当然，加入“推”信号后，一开始制动就是回馈制动，冲击电流是没有了，但由于反电动势一般都低于min所对应的最大逆变电压，所以换组后，不能立即实现回馈制动，必须等到移到它所对应的逆变电压低于反电动势以后，才能产生制动电流，由于一处角所占用的死区，是系统快速性变差。为了缩小这个死区，可采用“有准备逻辑无环流系统”。2-3控制单元的论述控制回路的主要组成单元:给定积分器GI、速度调节器ST、电流调节器LT、逻辑电路WLZ、触发器电路CF;电压变换YB单元;速度变换SB单元以及故障保护GB等。以下我们就来简单的对它们进行一下论述。一、给定积分器GI调速系统中,阶跃信号是一种容易实现的施令信号。启动时,在阶跃给定信号的作用下,转速调节器往往立即饱和,从而使电枢电流立即达到整定最大值。负载一定时系统在过载能力允许的条件下,以最大的加速度启动,具有启动时间最短的最佳动态响应。但是,按电动机最大过载能力来加速,也可能引起过大的冲击以致引起设备事故,因此本系统就要采用给定积分器使给定的阶跃信号变为按一定斜率上升,下降的连续信号，经过一段时间才稳定下来，这样就可以避免由于阶跃响应而造成的强大冲击给设备的损伤。给定积分器是由两个运算放大器1UA,1UB及阻容网络所组成的，其结构图如下所示：给定积分器给定积分器的原理说明：第一级运算放大器是具有很高放大倍数的限幅电路，其输出U1恒为饱和值：第二级是积分器，经过R8C1积分，输出电压Ugi成为斜波信号。积分的变化律是通过移动W1的位置来调节的。最后，再由Ugi引出负反馈信号回到第一级，以决定积分的终止时刻。只要Ugi的绝对值小于U*w则第一级输出Ugi始终饱和，负反馈对它没有影响，知道两者的绝对是想等时，Ugi才很快的降到零，积分终止，Ugi保持恒值。二、速度调节器ST本调速系统是一个双闭环转速调节系统，当系统给定某一转速，应该不受负载变化或电源电压波动等因素的影响。据自动控制原理，要保持速度不变，必须引入速度反馈,从而要加入一个调节器来调节速度的大小。它由比例放大器2UA,2UB,2UC，积分器以及阻容网络组成。其结构图如下所示：以下就来分析一下它的工作过程：来自给定积分器Ugi和转速反馈信号Uz分别经过比例放大，积分作用，最后通过加法器相加，作为电流调节器的给定信号，此信号的幅值决定于允许的最大电流。显然，转速调节器是一个PI调节器，它既可以提高系统的快速响应，又可以消除稳态误差，是系统具有良好的动、静态性能指标。转速调节器处于双环系统的外环中，当负载电流小于Idm时，转速调节器起主要调节作用，是转速n跟随给定电压Um变化，稳态无静差。此外，负载的扰动处于转速环中，转速调节器能对它进行及时的克服。三、电流调节器LT设置电流调节器是为了充分的利用电机允许的过载能力，在系统暂态过程中，始终保持电流为允许的最大值，使系统尽可能用最大的加速度起动，制动，缩短调节时间，保证系统具有良好的快速响应的性能。当到达稳态时，又让电流立即降低下来。本系统中的电流调节器采用PI调节器，这是因为PI调节器的比例部分可以提高系统的快速性，积分部分可以消除电流静差，是系统具有良好的动、静态品质。电流调节器处于双闭环的内环中，此内环是一个随动系统，在转速调节过程中，电流调节器的给定值随着转速调节器的输出值改变而改变。由于运放的饱和原因，转速调节器的输出值不能无限制的增长，所以当电机过载甚至堵转时，就可以通过哦调节转速调节器的输出线幅值来限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。此外电流环对电网电压起及时抗扰作用。电流调节器的主要组成部分同速度调节器一样，也是由一个比例调节器和一个积分调节器构成。它的电路图如下：电流调节器四、电压变换单元YB电压变换单元实际上就是一个运算发放器组成的差动运算电路，将电枢两端较大的电压成比例地变换成合适的控制电压作为电压反馈和过电压信号。来自电枢两端的电压经过比例缩小，在经过电阻、电容组成的滤波环节，滤去交流分量，最后送给电压调节器，与给定值进行比较。其结构如下：电压变化单元推导可得：(U1-UE)/R48=(UE-U1)/R50(1)(U2-UE)/R49=(UE-U2)/R51(2)(U1-UE)/R50-(U2-U1)/(Rw14+R52)+(U1-U0)/R53=0(3)(U2-UE)/R51-(U2-U1)/(Rw14+R52)-U2/R52=0(4)(1)-(2)可得：U1-U2=R50/R48(U1-U2)(5)(3)-(4)可得：U0=2(U1-U)1+R50/(Rw14+R52)(6)将(5)代入(6)得：U0=21+R50/(Rw14+R52)(U1-U2)R48/R50(7)由(7)式可见： 改变Rw14的值可以改变放大倍数; 放大倍数改变时，共模抑制比不变； 只能放大差模信号。五、电流变换单元1作用：将主回路交流侧大电流变换成与之成比例的直流电压，作为电流反馈信号、“零电流”检测信号、及过流保护信号。2原理说明：通过主回路交流侧的电流互感器的藕合关系，可以检测电枢回路的电流大小，交流侧电流大小与直流侧电流大小成比例的关系，然后经过三相整流桥，D22-D27的整流，输出正比于电枢回路电流的直流电压信号。该直流信号较小，可以作为控制回路的输入信号。这样，既达到了检测直流回路的目的，又实现了主回路与控制回路的隔离。电流变换电压输出信号分三路：一路经过R103和电位器W19分压后送电流调节器；第二路经过R201、R102分压作为零电流检测信号和转矩极性信号共同发出逻辑切换指令；第三路信号直接从整流桥输出，作为过流保护信号与过电压保护信号一起去激发保警电路。3结构图如下：六、速度变换单元SB以往一般采用测速发电机来检测转速的大小，根据测速发电机输出特性可以把转速信号变成电信号来处理。其优点是简单可行，缺点是安装和维护比较麻烦。而且容易造成机械的损坏。本系统采用光电测速，避免了机械的冲击，起测速原理是光电码盘与被测同轴连接，旋转电机就可以得到脉冲信号，又由频压变换电路即可得到与频率成正比的电压信号。光电码盘的工作过程：光电码盘是一种光电传感器件。它在圆盘上有节距相等的辐射状窄缝，与它相对应的还有两组检测窄缝a和b，其节距与圆盘上的节距相同，但a、b两组窄缝与圆盘上的窄缝的对应位置要错开1/4个节距，其目的是使A、B两个光电变流器的输出信号的相位相差90，再将信号进行逻辑便可辨别出电动机的转动方向。光电码盘工作时，检测窄缝是静止的，而窄缝圆盘与被测转轴一起转动，于是光电元件A和B接受到的光时断时续，并输出相位相差90的近似正弦波。信号处理线路：由光码盘输出的A、B两个序列脉冲信号，一方面反映了电动机转速的大小，另一方面反映了电动机转速的方向。转速大小由A或B决定，而方向由A和B的相位关系决定，A滞后B时，电动机正转；反之，电动机反转。七、逻辑控制器1逻辑控制：所谓逻辑控制,就是根据系统工作情况的要求,发出逻辑指令,开放正组脉冲,封锁反组脉冲,使正组工作;或者开放反组脉冲,封锁正组脉冲,使反组工作。但决不允许两组脉冲同时开放,以确保系统回路无环流。逻辑控制装置的组成如图所示：其中：Ugi转矩极性鉴别信号Ufio零电流鉴别信号2作用：在错位选触无环流系统中，逻辑控制器的作用是根据电压指令信号来指挥正桥或反桥工作，同时保证系统在任何时刻只允许有一组桥开放，另一组桥封锁，或者两组桥全部封锁。3原理说明： 电平检测：Ugi和Ufio都是连续变化的模拟量,而逻辑判断部分是用数字量和运算的,所以需要一个从模拟量转移到数字量的模拟转换单元。电平检测器就是这样的一个模数转换器,其主要任务是将控制系统中连续变化的模拟量转变成“1”或“0”两种状态的数字量，它是由输出带正反馈的运算放大器和输出带有二极管的钳位电路组成。器结构图如下：转矩极性鉴别器及特性：当反映转矩极性的Ugi为负时,其电平变换器输出Um为高电平即“1”态;当反映转矩极性的Ugi为正时,其电平变换器输出Um为低电平即“0”态当主电路有电流时,Ufi00时,其电平变换器输出U2为“0”态;当主电路没有电流时即Ufi0=0,其电平变换器输出为“1”态。其中，Ufi0是零电流信号，它的值永远为正，随着负载电流I的大小而改变。其结构图如下：.逻辑判断电路逻辑判断电路的任务是根据两个电平检测器的输出信号UT和UI,经过计算，正确的发出切换信号UZ和UF，两者均有“0”和”1”两种状态，为“0”态表示开放触发器脉冲，为“1”态表示封锁触发脉冲，并且根据它们的状态去开放或封锁电子开关，以确保电流调节器处于负反馈状态。具体的表现如下：当Ugi为“-”时,UT为“1”态,输出UZ为“0”态,输出UF为“1”态，此时，开放正组可控硅脉冲，封锁反组可控硅脉冲。当Ugi为“+”时,UT为“0”态,开放反组可控硅脉冲;UZ为“1”态,封锁正组可控硅脉冲。详细情况可参看逻辑判断电路各量之间的逻辑关系。逻辑判断电路真值表UT 1 1 0 0 0 1UI 1 0 0 1 0 0UZ 0 0 0 1 1 1UF 1 1 1 0 0 0辑判断电路各量之间的逻辑关系 延时电路：逻辑切换指令发出后并不能马上执行，还需要经过两段延时，以确保系统可靠工作，即封锁延时和开放延时。封锁延时：检测零电流的电平检测器总有一个最小动作电流I0，如果脉动的电流瞬时值低于I0，而实际上仍在连续变换时，就将检测到的零电流信号发出去，封锁本组脉冲，这时本组正处在逆变状态，势必造成逆变颠覆。因此在发出切换指令到真正封锁掉原来工作的那组脉冲之间应该留出等待时间Tdlb。UZ在由“0”变成“1”时，C8放电，放电时间就作为Tdlb。开放延时：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的关断，而且在关断之后还要过一段时间才能恢复阻断能力，如果在这之前就开放另一组晶闸管，仍可能造成两组晶闸管同时导通，时电源短路。为了防止产生这种事故，在发出封锁本组脉冲信号后，必须等待一段时间tdt。UF和UR在由“0”变为“1”或“1”变为“0”时C9、C10充放电，所花的时间作为tdt。 逻辑保护电路：当报警电路检查到系统发生故障时，报警信号经过C12延时和10UB逻辑运算，送给10UA、10UD最后输出UT=1和UI=1封锁触发脉冲。当UT和UI全为1时，电子开关4UC导通，于是“推”信号加在6UC的输入端，使得投入组的逆变角一下子推到min，使它组制动阶段已开始就进入了逆变子阶段，避开了反接制动，冲击电流就小得多了。下图便是推的结构图：八、触发器单元1作用：在同步电压及控制电压的作用下，准确可靠地产生与主电路同步的、前沿陡、宽度满足要求的脉冲信号。2原理说明：该触发器为一锯齿波触发器，它由同步电源、锯齿波形成、移相、脉冲形成四部分组成。+15V经电阻R157，C45，C46滤波以后，再经R160，R161分压后加到24UA的反向输入端。-15V经过R178，C57，C59滤波后，经过R163，R162分压后加到24UB的同向输入端。由于24UA，24UB具有很高的放大倍数，所以两个输出均为负饱和值。来自同步变压器次极的正弦电压UT经过R158，C47，R159移相60电角度后，其正负半周分别经D60，D61加到24UA同向输入端和24UB反向输入端。R158，C47，R159除移相，保证同步外，还起滤波作用。UT负半波电压分别作用于24UA，24UB则交替由负变正由于R160，R161，R162，R163的作用使UA，UB输出负值的时间略长于其输出正值的时间，再经过25UA，25UB，25UC逻辑运算，得出波形如图所示。25UC输出经过二极管D64的钳位，高电平被钳制为低电平，经过R166，C48的微分作用，低电平被转化为负电压。当D65截止，+5V经W23，R167加到24UC的反向输入端，24UC的输出值反向积分T=（R167+W23）C49；当D65导通，负脉冲加在U24的反向端，24UC的输出值正向积分，积分时间常数T=R166C49。经过这些运算便得到如图所示的锯齿波电压。锯齿波的正向被W5钳制为零电平，负向电压经过比较器输出为正限幅值。输出波形如图所示，当给定投入J2合上，与非门开通；当给定切除，J2断开经过延时，与非门封锁。由于C50的电压不能突变，在与非门输出由低电平跳到高电平时，电容右端电平应突然上升，但由于D69的钳制，仍然保持不变，故二极管起到了削波的作用。当与非门输出由高电平跳到低电平时，由于微分作用，电容右端电平突然下降，形成突出脉冲，此脉冲每个周期内有两个，它们同时送到26U的6，8号端，但26U在触发脉冲作用下能否有高电平输出，则由26U的4，10的号端电位来决定，若4号端为高电平，则CK37有高电平输出；10号端为高电平，则CK38有高电平输出，反之，则没有。由于24UA，24UB不可能同时输出有高电平，这就保证了M5，M2两端不可能同时出现高电平，由于24UA，24UB的输出波形在相位上相差180则M5，M2间隔180就输出一个脉冲信号，该信号送脉冲功放单元。当M5，M2有脉冲输出，FG11，FG12发光，作为脉冲指示。控制电压UK经R170输入触发器，改变UK的大小，就改变了25UD输出电位正变负的时刻，从而实现移相。调节可以改变积分的斜率，保证UK=0时，使成为我们所要的角度。九、自动报警单元1作用：接收过流、过压及超速故障信号。当由故障发生时，喇叭会自动报警，并有不同的信号灯亮，以确定发生了什么故障自动报警单元的结构图如下：2原理说明： 绝对值变换电路：本绝对值变换器是将极性无论是正还是负的信号统一变换成大小不变，极性为负的信号。当电压反馈信号为正，D19截止，由于运放倒相的作用，运放输出为负值，D20导通，于是负信号加在电位器的两端；当电压反馈信号为负时，经过运放倒相输出信号为正被D20阻隔住，而D19可以导通，故输入的负信号不经过运放直接加在电位器两端。其结构图如下： 故障显示单元：过压、过流故障的显示单元都是经过绝对值电路来处理的。故障显示单元输入信号恒为负。当负信号值较大，比较器输出为负，通过R99电阻引入正反馈，比较器输出逐渐增大，直至负饱和值。于是发光而极管导通，故障的信息被显示出来，由于D21的钳制，故障显示单元的输出值被钳制为零电平。其结构图如下: 故障报警单元：只要有故障发生，与非门有一输入为“0”态，则输出为“1”态。这样由555电路就组成了多谐振荡器，驱动喇叭报警。其结构图如下 保护单元：当有故障发生，通过MC1416的逻辑运算，线圈J1导通，其操作回路的常闭接点断开，于是主回路断电，系统自动停车。其结构图如下：第三章操作回路工作原理 操作回路是实现人对系统的控制，通过一定步骤的对按钮的操作使系统进入运行或停车状态，操作包括励磁合闸、主回路合闸、给定投入和给定指示等电路组成。操作回路工作情况：当希望系统进入工作状态时，则首先按励磁合闸按钮1QA，于是线圈2XC得电，直流电动机励磁绕组有电流通过，并有磁场产生；接下来再按主回路按钮2QA,则线圈1XC得电，主回路的触点导通，210V的交流电压加到整流装置的输入端；最后按给定投入按钮3QA，线圈J2得电，则由J2接点控制的脉冲被解除封锁而开启。于是晶闸管由截止开始导通，整流电压加在直流电动机两端，这样直流电动机就带动生产机械而转动。当要系统停车时，则首先按给定切除按钮3TA，J2失电，则控制回路中的线圈J3失电，其常开接点断开，再按主回路断开按钮2TA，最后按励磁切除按钮1TA，否则系统不能停车。本系统操作回路还包括了自锁电路和互锁电路，并对线圈采用了阻容保护，当线圈被强制断开时，线圈的磁场能量能迅速的被释放掉。随着现代科学技术的迅速发展，可编程序控制器PLC代替了接线纷繁复杂的继电器电路指日可待，因为其与继电器相比有很多的优点：布线少、减少了故障率，维护也更加的容易；用软件修改线路和参数非常方便；噪音更小，造价也越来越低。下图便是系统的操作电路图：在接下来的一个章节里，将对系统的调速过程进行简单的介绍。第四章系统的工作过程分析在许多工业生产中，有一类生产机械由于生产工艺要求，会使电动机经常处于起动、制动、反转工作状态。基于这种情况，为了实现系统快速起动，制动时间最短，必须设法充分利用电动机的过载能力，使系统在最大允许的动态转矩下加速和减速，从而使得电动机在最短时间内达到所需要的转速变化。以下我们就来先简单的介绍一下双闭环调速系统的组成。4-1双闭环调速系统的组成1控制整流电压Ud的变化规律，可以对转速、电流变化规律产生相应的影响，这样就能使得系统的起动过程达到最佳。2控制变流装置输出的逆变电压Ud的变化规律，同样可以对转速、电流变化规律产生相应的影响，这样也能使得系统的制动过程达到最佳的。为了达到以上所说的过程最佳状态，在转速电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节；又要控制电流，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最快的动态响应，但是其中关键问题是怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系。单环系统是采用一个调节器来完成转速控制和电流控制的，由于一个调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质，所以单环调速系统的动态性能不好，其原因是电流调节作用不够理想。因此，我们就要把主要被调量转速和辅助被调量电流分开加以控制，这样系统便需要两个调节器：转速调节器ST和电流调节器LT，并以转速调节器ST的输出电压Ugi作为电流调节器LT的电流给定信号，再用电流调节器的输出电压Uh作为可控硅触发装置的移相控制电压。这样就组成了转速、电流双闭环调速系统。以下的一个小节我们将对双闭环调速系统的工作原理以及动、静态特性作一些简单的了解。4-2调速系统的工作原理及静态特性一、系统的组成过程中应注意的两个问题1.为使转速电流双闭环调速系统具有良好的静动态性能，转速和电流两个调节器均采用PI调节器，转速与电流都采用负反馈闭环。这就要求转速给定信号Ugn与转速反馈信号Ufn；电流给定信号Ugi与电流反馈信号Ufi的极性相反，这就是信号的极性的确定问题。为了正确的确定以上信号的极性，必须首先考虑可控硅触发装置的移相特性要求，然后决定电流调节器输出电压Uh的极性，再根据电流调节器LT和转速调节器ST输入端的具体接法来确定Ugi和Ugn的极性，最后按照负反馈要求就可以确定Ufi和Ufn的极性。在双闭环调速系统中，由给定积分器，调节器，触发器以及转速和电流检测环节组成的控制电路一般都采用15V的直流稳压电源供电；而由线性集成电路运算放大器组成的调节器，最大输出电压可达10V以上，一般完全可以满足触发装置所要求的移相电压，无论从极性上和幅值上都要相互匹配。由于系统中使用的调节器，其习惯用法是从组件的反相输入端输入信号，因而调节器的输入与输出信号互为反极性。2.另一个问题就是调节器限幅值的整定问题，在双环系统中转速调节器ST的输出电压Ugi是电流调节器LT的电流给定,其限幅值Ugim为最大电流给定值，所以ST调节器的限幅整定值完全取决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的需要。而电流调节器输出电压的正限幅（+Ukm），则表示对最小角的限制。由于转速与电流调节器都采用的是PI调节器，所以当系统处于稳态时，转速和电流都可认为是无静差的。具体表现如下：转速无静差：Un=UgnUfn0UgnUfn=nUnST入口偏差电压电流无静差：Ui=UgiUfi0UgiUfi=IdUiLT入口偏差电压当系统稳态时，虽然Ui和Un为零，但由于调节器ST和LT的积分保持作用，使ST和LT都有恒定的输出电压：Ugi=IdUk=Cen()+IdR/K其中：UgiST输出电压值UkLT输出电压值二、系统的静态特性当负载增加，负载电流Ifz大于电动机电流Id时，就会出现转速下降。使UfnUgn，依靠ST的积分作用，将使Ugi增大，迫使电动机电流Id增大，提高电动机转速n，直到转速恢复到原值，使UfnUgn为止。只要Ufn还小于Ugn，ST的积分调节作用就一直进行下去。当负载电流Ifs再进一步增大时，则将重复上述调节过程。当负载电流Ifz增大到Idm时，ST进入饱和状态转速环失去转速恒值调节作用。当负载电流继续增大，将使IfzIdm，此时电动机已带不动负载，其转速n将迅速下降，则UfnUgn，ST输出电压Ugim维持在限幅值。此时在最大电流给定下，依靠电流调节器对电流进行恒值调节，这时双闭环系统由恒转速调节过渡到恒电流调节，从而得到较为理想的下垂特性。4-3调速系统的动态特性一般来说调速系统的动态性能主要是指系统对给定输入的跟随性能和系统对扰动输入的抗扰性能而言。两者综合在一起就能完整的表征一个调速系统的动态性能。下面将对双闭环调速系统突加给定时的动态响应以及系统的抗扰性能作一些简单的介绍。一、双闭环调速系统突加给定时的动态响应现在我们就来分析起动过程中，两个调节器的相互配合关系以及转速调节器饱和非线性的特殊作用。起动前系统处于停车状态，此时Ugn=0，Ugi=0，Uk=0，可控硅移相角=90，即触发脉冲在初始相位上，整流电压Ud0=0，电动机转速n=0。为了避免系统处于停车状态时出现电动机爬行的现象，必须强调ST和LT两个PI调节器在起动前锁零，以保证系统起动时Ugi和Uk都从零值开始变化。为了使双闭环调速系统获得近似理想的启动过程，必须经过三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。系统的动态响应波形图如下：其中、分别表示三个阶段。1电流上升阶段突加给定电压Ugn后，由于电动机的机电惯性较大，转速和转速反馈的增长不会很快，所以转速调节器ST的输入偏差电压的数值比较大，ST迅速达到饱和，其输出也达到了限幅值Ugim，并将其输出给电流调节器LT，使Uk迅速增大，脉冲从90初始位置快速前移，强迫整流电压Ud建立。由于Ud增长得很快，迫使电流迅速增大，直到电流上升到最大值Idm时，电流调节器LT的作用就使得电流不再迅猛的增长，即保持动态平衡：Ufim=Ugim。这就标志着这一阶段的结束。在此阶段中，转速调节器ST由不饱和很快到饱和，而电流调节器LT一般是不饱和的，以保证电流环的调节作