逻辑无环流可逆直流调速系统设计

逻辑无环流可逆直流调速系统设计

摘 要

直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。

在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。而本文着重介绍应用广泛的“逻辑无环流可逆直流调速系统”的设计与仿真。

对于系统的设计，采用工程上对调节器的设计方法。而对系统的仿真，则采用MATLAB中的SIMULINK工具箱对模型仿真。

关键词：逻辑无环流调速，直流电机，MATLAB仿真

I

DESIGN OF LOGIC NON-LOOP-CURRENT REVERSIBLE

DC SPEED CONTROL SYSTEM

ABSTRACT

The direct current electric motor has a good starting and braking quality, and can be modulating smoothly and easily in a wide rang. It is used frequently in controllable electric drive with high quality. Direct current drives the control system in theoretic- cally quite to be all mature with the practice in, moreover looked from the feedback closed-loop control angle, it also is the exchange drives the control system the found ation, therefore first should grasp the direct current system.

Looked from the production machinery request control physical quantity that, the electric power drives the automatic control system to have the speed control system, the position servo system, the tension control system, multi-electric motors synchronization control system and so on many kinds of types, but each kind of system often all is to achieve by controlling the speed. Through the speed control system is the most basic drives control system.

In many produces in the machinery, the electric motor often is requested both to be able to reverse, and can fast apply the brake, to need four quadrants movements the char- acterristic, this time must use the reversible speed control system. This article introduced emphatically the application widespread logic does not have the circulation reversible direct current speed control system design and the simulation.

For the system’s design, engineering design of the regulator method is adopted. While for the system simulation, MATLAB/SIMULINK to the model simulation is adopted.

Key words: logic non-loop-current speed control，DC motor，Matlab simulation

II

目 录

1 可逆调速系统概述 ------------------------------------------------------------------------ - 1 -

1.1 绪论 --------------------------------------------------------------------------------- - 1 - 1.2 可逆调速系统 --------------------------------------------------------------------- - 2 -

1.2.1 直流电动机的调速特点 ------------------------------------------------- - 2 - 1.2.2 晶闸管整流电路 ---------------------------------------------------------- - 3 - 1.2.3 可逆直流调速系统 ------------------------------------------------------- - 5 - 1.3 直流调速系统的技术指标 ------------------------------------------------------ - 6 - 2 双闭环调速系统的基本原理 ----------------------------------------------------------- - 7 -

2.1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性 ----------------------------------- - 7 -

2.1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 ---------------------------------- - 8 - 2.1.2 两个调节器的作用 ------------------------------------------------------- - 9 - 2.2 调节器的设计 --------------------------------------------------------------------- - 9 -

2.2.1 调节器结构的选择 ----------------------------------------------------- - 10 - 2.2.2 电流调节器的设计 ----------------------------------------------------- - 11 - 2.2.3 转速调节器的设计 ----------------------------------------------------- - 12 -

3 逻辑无环流可逆调速系统------------------------------------------------------------- - 14 -

3.1 晶闸管-电动机系统的可逆线路及其环流分析 -------------------------- - 14 - 3.2 系统的组成和工作原理 ------------------------------------------------------- - 16 - 3.3 可逆系统对无环流逻辑控制器的要求 ------------------------------------ - 17 - 3.4 无环流逻辑控制器的实现 ---------------------------------------------------- - 18 - 3.5 逻辑无环流系统的优点 ------------------------------------------------------- - 19 - 4 逻辑无环流可逆调速系统实验 ------------------------------------------------------ - 20 -

4.1 DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置介绍 ------------------- - 20 -

4.1.1 控制屏介绍及操作说明 ----------------------------------------------- - 20 - 4.1.2 各挂件功能介绍 -------------------------------------------------------- - 21 - 4.2 逻辑无环流可逆直流调速系统实验 --------------------------------------- - 29 - 5 系统建模与仿真 ------------------------------------------------------------------------- - 35 -

5.1 MATLAB软件介绍 ------------------------------------------------------------ - 35 -

III

5.2 逻辑无环流可逆调速系统的建模 ------------------------------------------ - 36 -

5.2.1 电力系统(Power System)工具箱 ------------------------------------- - 36 - 5.2.2 逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模 -------------------------- - 36 - 5.2.3 逻辑控制器DLC封装 ------------------------------------------------- - 38 - 5.3 系统主要环节的仿真参数 ---------------------------------------------------- - 40 - 5.3.1 系统主要环节的仿真参数 ------------------------------------------------- - 40 - 结论 ------------------------------------------------------------------------------------------- - 42 - 致谢 ------------------------------------------------------------------------------------------- - 43 - 参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------- - 44 -

IV

1. 可逆调速系统概述

1.1 绪论

在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力传动装置。轧钢机、电铲、提升机、起重机、机床、纺织机、泵、压缩机、造纸机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。

对可调速的传动系统[1]，按照传动电动机的类型可分为两大类：直流调速系统和交流调速系统。由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，故其在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。

近年来，以电力电子器件为核心配合电力电子技术、控制技术、计算机技术等，开创了电力电子技术蓬勃发展的新时代。从20世纪80年代起，在电气传动自动化领域中出现了一个革命性的变化，这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。众所周知，交流感应电动机结构简单，坚固耐用，成本低，制造维修容易，但是由于它的电压、电流和磁通之间具有强耦合，调速性能差，因此以往交流调速系统不受重视。现在，借助于新兴的电力电子技术，特别是变频和矢量控制技术的完善，很好地解决了交流调速存在的问题，使交流调速系统发生了质的飞跃。随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐渐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。

由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，目前绝大多数对调速要求较高的生产机械，仍采用直流电动机来传动。作为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。

- 1 -

1.2 可逆调速系统

1.2.1 直流电动机的调速特点

直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来直流调速系统一直占据垄断地位。近年来交流调速系统发展很快，但就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧刚、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛应用。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术来看，又是交流调速的基础。

调速系统的转速控制是各式各样的，归纳起来，有以下三个方面：

(1) 调速——在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地(有级)或平滑地(无级)调节转速；

(2) 稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下不允许有过大的转速波动，已确保产品质量；

(3) 加、减速——频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

直流他励电动机的调速方案： 他励直流电动机的转速公式：

n

EUIRCeCe (1-1)

式中：U为他励电动的电枢电压； I为电枢电流； E为电枢电动势； R为电枢回路的总电阻； n为电机的转速； Φ为励磁磁通；

Ce为由电机结构决定的电动势系数。

(1) 调节电枢电压的调速。当磁通φ和电阻R一定时，改变电枢电压Ud，可以平滑地调节转速n，机械特性将上下平移，但电枢电压只能向小于额定电压的方向变化，所以这种调速方式只能在电动机额定转速以下调速。

- 2 -

(2) 减弱励磁磁通的调速。当Ud和R不变时，减小励磁磁通φ，电动机转速将高于额定转速，其机械特性上移。

(3) 改变电枢回路电阻调速。在电枢回路中串接附加电阻，损耗较大，只能进行有级调速。

直流调速系统用的可控直流电源：

(1) 旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

(2) 静止可控整流器——用静止的可控整流器，如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。

(3) 直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器生产可变的直流平均电压。 1.2.2 晶闸管整流电路

(1) 晶闸管元件的额定电流是用最大通态平均电流来度量的。电动机的转矩与电枢电流成正比，所以电动机的转矩也是与整流电流的平均值成正比的。而晶闸管元件和电动机的发热，却和整流电流的平方成正比的，亦即与整流电流的有效值成正比。因此，当电流断续时，导通角小，同样的平均电流，与它对应的有效值要大得多，发热也严重的多。这个特点是在选择晶闸管元件、电机容量、整流电路形式和电抗器时必须注意的。

(2) 晶闸管整流电路的工作，是交流侧电流中含有较多的谐波成份，对电网产生不利影响。因此在大、中功率整流电路的交流侧大多采用交流电抗器或通过整流变压器供电以抑制谐波分量。

(3) 晶闸管元件的过载能力很小，因此不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压上升率(dv/dt)和电流上升率(di/dt)。所以晶闸管整流电路设有许多保护环节。

(4) 晶闸管直流调速系统中，采用的整流电路的形式有单相半控桥式，单相全控桥式，三相半控桥式和三相全控桥式等几种。

优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。

- 3 -

缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”[2]。

晶闸管整流电路的调节特性为输出的平均电压Uc与触发电路的控制电压Ud之间的关系，即Ud =f(Uc)。图1-1为晶闸管整流装置的调节特性。由图可见，它既有死区，又会饱和。

图1-1 晶闸管整流装置的调节特性

如果在一定范围内将非线性特性线性化，可以把它们之间的关系视为由死区和线性放大区两个部分级成。其中线性放大区有：

Ud(s)KsUc(s)(1-2)

死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用的，这主要是由于整流装置的失控时间造成的。由电力电子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通，门极便失去了作用。改变控制电压Uc，虽然可以使触发脉冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成其导通周期并自然关断后，整流电压Ud才能与新的脉冲相位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc的情况。

晶闸管触发可控整流装置的传递函数可以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K视为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：

Gk(s)Kse0s- 4 -

(1-3)

式中，τ0是晶闸管触发装置和整流装置的失控时间，单位为秒。

若再考虑到τ0的延迟时间一般很小(三相桥式τ0＝1.7ms，单相全波τ0=5ms)。这样晶闸管整流装置的传递函数为：

Ud(s)KGk(s)Kse0sKsUc(s)0s1(1-4)

1.2.3 可逆直流调速系统

生产实践中许多生产机械要求电动机能够正、反转，或在停车时要有电气制动，以缩短制动时间，如可逆轧机的来回轧制，龙门刨床工作台往返运动，矿井卷扬机和电梯的提升和下降，电气机车的前进和后退等。有些生产机械虽不要求可逆运行，但却要求快速电气制动。因此，这些生产机械都要求电动机的电磁转矩能够自由地改变方向，此类系统统称为可逆调速系统。

对于晶闸管供电的直流调速系统，由于晶闸管的单向导电性，电流不能反向，要实现可逆，只能采用两组变流装置，各负责一个方向的电流。直流电动机的电磁转矩方向可由磁场和电枢电流的方向来决定。

在要求频繁正反转的生产机械上，经常采用的是两组晶闸管装置反并联的可逆线路。如图1-2所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。

图1-2 两组晶闸管反并联的可逆线路

但在一般情况下，不允许两组晶闸管同时处于整流状态，否则将会造成电源短路。因此，这种线路对控制电路提出了严格的要求，这是反并联可逆线路的一个特别要注意的问题。

- 5 -

当其中一组向电动机供电的同时，正、反两组之间还可能产生不流过电动机的电流(称为环流)，这电流对系统有弊也有利。因此，根据对系统性能的不同要求，处理环流的方法也不同，允许环流存在的称为有环流系统。其中又分配合控制的有环流，给定环流和可控环流的可逆系统。另一类系统则为不允许环流存在，称为无环流可逆系统，其中又分为逻辑无环流和错位无环流可逆系统[3]。

1.3 直流调速系统的技术指标

(1) 调速系统的静态指标：

主要是静差率(s)和调速范围(D)。静差率是表示负载变化时转速波动的程度，一般是指最低速时的静差率。它反映了系统静态精度。调速范围是指一定静差率条件下的调速比，它反映了系统的适应性。

调速范围：

生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：

D 静差率：

nmaxnmin(1-5)

调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0之比，用s表示。即：

nnns100%0100%n0n0

两者之间的关系是：

nsDn(1s)

(2) 调速系统的动态指标：

对给定信号而言，主要是最大超调量(σ)、调整时间(ts)和振荡次数(N)；对扰动信号而言，为最大动态速降(Δnmax)、恢复时间( tf)和振荡次数(N)。

最大超调量(或最大动态速降)反映了系统的动态精度，它和振荡次数又反映了系统的稳定性。调整时间(或恢复时间)反映了系统的快速性。

(1-6)

(1-7)

- 6 -

2. 双闭环调速系统的基本原理

2.1 转速、电流双闭环调速系统及其静特性

双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流(转矩)受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2-1b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

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(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程

图2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 2.1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

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图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统

ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机

TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器

2.1.2 两个调节器的作用

(1) 转速调节器的作用：

① 使转速n跟随给定电压Um*变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差； ② 对负载变化起抗扰作用；

③ 其输出限幅值决定允许的最大电流。 (2) 电流调节器的作用：

① 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui*变化； ② 对电网电压波动起及时抗扰作用；

③ 起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；

④ 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

2.2 调节器的设计

设计过程分作两步：

(1) 先选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。

(2) 再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

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图2-3 双闭环调速系统的实际动态结构框图

Tci –电流反馈滤波时间常数 Ton –转速反馈滤波时间常数

2.2.1 调节器结构的选择

选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。 (1) 典型I型系统

作为典型I型系统，其开环传函选择为

W(s)Ks(Ts1)(2-1)

式中：T — 系统的惯性时间常数；

K — 系统的开环增益。

它的闭环系统结构框图如图2-4所示，选择参数，保证ωcT <1，使系统足够稳定。

图2-4 典型I型系统闭环系统结构框图

(2) 典型II型系统

在各种II型系统中，选择一种结构简单而且能保证稳定的结构作为典型II型系统，其中开环传递函数为

W(s)K(s1)s2(Ts1)- 10 -

(2-2)

它的闭环系统结构框图如图2-5所示，选择参数，保证τ >T，使系统足够稳定。

图2-5 典型Ⅱ型系统的闭环系统结构框图

(3) I型和II型系统在稳态误差上的区别：

典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差； 典型II型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。 2.2.2 电流调节器的设计

(1) 电流环结构的简化： ① 忽略反电动势的动态影响； ② 等效成单位负反馈系统； ③ 小惯性环节近似处理；

则图2-3中电流环结构框图最终简化成图2-6。

图2-6 电流环结构框图化简

(2) 电流调节器结构的选择：

采用典型I型系统设计，ACR选PI调节器。

为了让调节器零点与控制对象的大事件常数极点对消，选择

iTl则电流环的动态结构框图边成图2-7所示的典型形式，其中

KIKiKs iR- 11 -

(2-3)

(2-4)

图2-7 动态结构框图

2.2.3 转速调节器的设计

(1) 电流环的等效闭环传递函数：

1 (2-5)

Id(s)Wcli(s)1Ui*(s)s1KI原来双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。

电流闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是内环控制的一个重要功能。

(2) 转速调节器结构的选择：

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点的前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节。因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统。

ASR采用PI调节器，其传递函数为：

WASR(s)Kn(ns1)ns(2-6)

图2-8 转速环的动态结构框图简化

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令转速开环增益KN为

KN

则：

KnRnCeTmKN(ns1)s2(Tns1)(2-7)

Wn(s)

(2-8)

校正后的调速系统动态结构框图如下：

图 2-9 校正后的系统动态结构框图

其中： τn =hT∑n (2-9)

KN

h122h2Tn (2-10)

(h1)CeTm因此 K (2-11) n2hRTn中宽频h的选择要看动态性能的要求决定，无要求时，一般选择h=5为好。 (3) 转速环与电流环的关系：

外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这

样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

(4) 双闭环调速系统具有明显的优点： ① 具有良好的静特性；

② 具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小；

③ 系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而转速环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；

④ 由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调转速环)，调整方便。

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3. 逻辑无环流可逆调速系统

3.1 晶闸管-电动机系统的可逆线路及其环流分析

(1) 两组晶闸管装置反并联线路：

较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控装置反并联的可逆线路，如图3-1所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活的地控制电动机的起、制动和升、降速。但在一般情况下不允许让两组晶闸管同时处在整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。

图3-1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路

(2) 两组晶闸管装置的可逆运行模式：

① 正组晶闸管装置VF整流—正向电动运行(I)； ② 反组晶闸管装置VR整流—反向电动运行(III)； ③ 正组VF逆变—反向回馈制动(IV)； ④ 反组VR逆变—正向回馈制动(II)； 实现四象限运行。

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在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动，归纳起来。可将可逆线路正反转时晶闸管装置和电机的工作状态列于下表中。

表3-1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态

V-M系统的工作状态 电枢端电压极性

正向运行

正向制动

反向运行

反向制动

+ + - -

电枢电流极性 + - - +

电机旋转方向 + 电动

+ 回馈发电

- 电动

- 回馈发电

电机运行状态

晶闸管工作的组别和状态 正组整流 反组逆变 反组整流 正组逆变

机械特性所在象限 一 二 三 四

注：表中各量的极性均以正向电动运行时为“+”。

(3) 可逆V-M系统中的环流问题

采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。如图3-2中的Iε。一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。

在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：

①静态环流。两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又分两类：

A、直流平均环流：由晶闸管装置输出的直流平均电压差所产生的环流称作直流平均环流。

B、瞬时脉动环流：两组晶闸管输出的直流平均电压差虽为零，但因电压波形不同，存在瞬时的电压差，仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。

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图3-2 反并联可逆V-M系统中的环流

Rrec-整流装置内阻

② 动态环流。仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。

由图3-2可以看出，如果让正组VF和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Ublf为正时，强迫让反组处于逆变状态，使Ublr为负，且幅值与Ublf相等，使逆变电压Ublr把整流电压Ublf顶住，则直流平均环流为零。

(4) 直流平均环流与配合控制

如果正组VF和反组VR同时处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，可采取的措施如下：

① 采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作——无环流系统。

② 采用α=β配合控制，当一组晶闸管装置工作在整流状态时，另一组工作在逆变状态，则消除了直流平均环流，但仍有脉动环流——有环流系统。

3.2 系统的组成和工作原理

有环流可逆系统虽然具有反向快，过渡平滑等优点，但必需设置几个笨重而昂贵的环流电抗器，增加了设备投资。因此，当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

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平均环流，又没有瞬时脉动环流的无环流系统。按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑控制无环流系统和错位控制无环流系统。

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。

逻辑控制的无环流可逆直流调速系统的原理框图如图3-3 所示。主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用设置环流电抗器。但为了保证稳定运行时电流波形连续，仍保留平波电抗器Ld。控制系统采用典型的转速、电流双闭环系统，为了保证不出现环流，设置了无环流逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节，它按照系统的工作状态指挥正、反组的自动切换。其输出信号Ublf用来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。在任何情况下，两个信号必须是相反的，决不允许两组晶闸管同时开放脉冲，以确保主电路没有出现环流的可能。

图3-3 逻辑控制的无环流可逆直流调速系统的原理框图

3.3 可逆系统对无环流逻辑控制器的要求

无环流逻辑控制环节是逻辑无环流系统的关键环节，它的任务是，当需要切换到正组晶闸管VF工作时，封锁反组触发脉冲而开放正组脉冲；当需要切换到反组VR工作时，封锁正组而开放反组。

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(1) 由电流给定信号Un* 的极性和零电流检测信号Ui0共同发出逻辑切换指令。当Ui*改变极性，且零电流检测器发出“零电流”信号时，允许封锁原工作组，开放另一组。

(2) 发出切换指令后，须经过封锁延时时间才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时，才能开放另一组脉冲。

(3) 无论在何种情况下，两组晶闸管绝对不允许同时加触发脉冲，当一组工作时，另一组的触发脉冲必须被封锁住。

3.4 无环流逻辑控制器的实现

依据要求，得出逻辑控制器的组成和输入输出信号(图3-4)。其输入为电流给定(转矩极性)信号Ui*和零电流检测信号Ui0，输出是正组和反组脉冲的控制信号Ublf和Ublr，DLC可由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护四个基本环节组成。

图3-4 逻辑控制器的组成和输入输出信号

(1) 电平检测器

电平检测器的任务是将控制系统中连续变化的模拟量转化成“1”或“0”两种状态的数字量。无环流逻辑控制器中设立“转矩极性鉴别”和“零电流检测”两个电平检测器，分别将电流给定的极性和电流“是零”或“非零”转换成相应的“1”或“0”数字量，供逻辑判断使用。

(2) 逻辑判断电路

逻辑判断的任务是根据两个电平检测器的输出信号，正确地发出切换信号，输出均有“l”和“0”两种状态。

(3) 延时电路

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

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靠工作，这就是封锁延时tdbl和开放延时tdt。

从发出切换指令到真正封锁掉原来工作地那组晶闸管之间应该留出来的一段等待时间叫作封锁延时。由于主电流的实际波形是脉动的，而电流检测电路发出的零电流数字信号Ui0时，总有一个最小动作电流I0，如果脉动的主电流瞬时低于I0就立即发出Ui0信号。实际上电流仍在连续地变化，这时本组正处在逆变状态，突然封锁触发脉冲将产生逆变颠覆。

从封锁本组脉冲到开放它组脉冲之间也要留一段等待时间，这是开放延时。因为在封锁触发脉冲后，已导通的晶闸管要过一段时间后才能关断，再过一段时间才能恢复阻断能力。如果在此以前就开放它组脉冲，仍有可能造成两组晶闸管同时出现导通，产生环流。

(4) 联锁保护电路[4]

在正常工作时，逻辑判断与延时电路的两个输出和总是一个为“1”态，另一个为“0”态。一旦出现故障，两个输出和如果同时为“1”态，将造成两组晶闸管同时开放而导致电源短路。

3.5 逻辑无环流系统的优点

逻辑无环流可逆直流调速系统是目前应用比较成熟而且系列化的系统。它的特点是：用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。与有环流系统比较，省去了均衡电抗器，没有环流损耗，设备体积和成本均有降低。

缺点是存在切换死区，快速性不如有环流可逆系统。但是，对于切换快速性要求不高的设备，它的应用是很广泛的。在实际生产中，有许多机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地启动和制动，逻辑无环流直流可逆调速系统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态性能和能量利用率。因此，我们选择这样的系统不仅可节省成本，而且增强了系统的可靠性。

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4. 逻辑无环流可逆调速系统实验

4.1 DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置介绍

4.1.1 控制屏介绍及操作说明

(1) 特点：

① 实验装置采用挂件结构，可根据不同实验内容进行自由组合，故结构紧凑、使用方便、功能齐全、综合性能好，能在一套装置上完成《电力电子技术》、《自动控制系统》、《直流调速系统》、《交流调速系统》、《电机控制》、《控制理论》等课程所开设的主要实验。

② 实验装置占地面积小，节约实验室用地，无需设置电源控制屏、电缆沟、水泥墩等，可减少基建投资。

③ 实验机组容量小，耗电小，配置齐全。装置使用的电机经过特殊设计，其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组。

④ 装置布局合理，外形美观，面板示意图明确、清晰、直观。实验连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成设备损坏。除电源控制屏、挂件外，还设置有实验桌，桌面上可放置机组、示波器等实验仪器。

⑤ 控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，设有电压型漏电保护装置和电流型漏电保护装置，切实保护操作者的安全，为开放性的实验室创造了安全条件。

⑥ 挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。

⑦ 实验线路选择典型线路，完全配合教学内容，满足教学大纲要求。 (2) 技术参数：

① 输入电压 三相四线制 380V±10% 50Hz

② 工作环境 环境温度范围为-5~40℃,相对湿度<75%,海拔<1000m ③ 装置容量：<1.5kVA ④ 电机输出功率：<200W

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⑤ 外形尺寸：长×宽×高=1870mm×730mm×1600mm (3) 实验机组：

① 直流电动机：PN=185W，UN=220V，IN=1.20A，n =1600r/min，IfN<0.13A ② 直流复励发电机M01：PN=100W，UN＝200V，IN＝0.5A，n＝1600r/min (4) 实验挂箱：

① DJK01电源控制屏：三相电网电压指示，控制部分，定时器兼报警记录仪，单控制部分，三相主电路输出，励磁电源，面板仪表；

② DJK02挂件：三相同步信号输出端，正、反桥脉冲输入端，三相正、反桥主电路，电抗器，直流电压表及直流电流表；

③ DJK02-1挂件：移相控制电压Uct输入及偏移电压Ub观测及调节，触发脉冲指示，三相同步信号输入端，正、反桥功放电路，正桥控制端Ulf及反桥控制端Ulr，正、反桥脉冲输出端；

④ DJK04挂件：电流反馈与过流保护(FBC+FA)，给定(G)，转速变换(FBS)，速度调节器(ASR)，反号器(AR)，电流调节器(ACR)，转矩极性鉴别器(DPT)，零电平检测(DPZ)，逻辑控制(DLC)；

⑤ DJK08挂件：可调电阻、电容箱；

⑥ 选用挂件：DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表。 4.1.2 各挂件功能介绍

DJK02挂件：

DJK02挂件由三相同步信号输出端，正、反桥脉冲输入端，三相正、反桥主电路，电抗器，直流电压表及直流电流表等部份组成。

(1) 三相同步信号输出端：

同步信号是从电源控制屏内获得，屏内装有/Y接法的三相同步变压器，和主电源输出同相，其输出相电压幅度为15V左右，供DJK02-1内的KC04集成触发电路，产生移相触发脉冲。

(2) 正、反桥脉冲输入端：

从DJK02-1来的正、反桥触发脉冲分别通过输入接口，加到相应的晶闸管电路上。

(3) 三相正、反桥主电路：

正桥主电路和反桥主电路分别由六只5A/1000V晶闸管等组成。其中由VT1～

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VT6组成正桥元件；由VT1ˊ～VT6ˊ组成反桥元件。

DJK02-1挂件：

(1) 三相同步信号输入端：

通过专用的扁平线将DJK02上的“三相同步信号输出端”与DJK02-1“三相同步信号输入端”连接，为其内部的触发电路提供同步信号。

(2) 正、反桥功放电路：

正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图4-1所示。由触发电路输出的脉冲信号经功放电路中的V2、V3三极管放大后由脉冲变压器T1输出。Ulf即为DJK02面板上的Ulf，接地即可使V3工作，脉冲变压器输出脉冲。正桥共有六路功放电路，其余的五路电路完全与这一路一致。反桥功放和正桥功放线路完全一致，只是控制端不一样。

(3) 正桥控制端Ulf及反桥控制端Ulr：

这两个端子用于控制正反桥功放电路的工作与否。当端子接地，表示功放电路工作，触发电路产生的脉冲经功放电路从正反桥脉冲输出端输出；悬空表示功放不工作。Ulf控制正桥，Ulr控制反桥。

图4-1 功放电路原理图

DJK04挂件：

该挂件主要完成电机调速实验，如单闭环直流调速实验、双闭环直流调速实验、逻辑无环流等实验。

(1) 电流反馈与过流保护：

本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出

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电流超过某一设定值时发出过流信号，切断电源。其原理如图4-2所示。

TA1，TA2，TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。

图4-2 电流反馈与过流保护原理图

(2) 给定

给定的原理图如图4-3所示。

图4-3 电压给定原理图

电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0～士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。

(3) 转速变换

转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的

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电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图4-4为其原理图：

图4-4 速度变换

使用时，将DD03-2(或DD03-3)导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经R1和RP1分压，调节电位器RP1可改变转速反馈系数。

(4) 速度调节器

速度调节器的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。其原理见图4-5。

图4-5 速度调节器原理图

(5) 反号器

反号器由运算放大器及有关电阻组成，用于调速系统中信号需要倒相的场合。如图4-6所示。

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图4-6 反号器原理图

反号器的输入信号U1由运算放大器的反相输入端输入，故输出电压U2为： U2 =-(RP1+R3)/R1×U1 (4-1) 调节电位器RP1的滑动触点，改变RP1的阻值，使RP1+R3=R1，则

U2 = -U1 (4-2) 输入与输出成倒相关系。

(6) 电流调节器

电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同，其原理图如图4-7所示。电流调节器也可当作速度调节器使用。元件RP1、RP2、RP3均装在面板上，电容C1、电容C7和电阻R13的数值可根据需要，由外接电阻、电容来改变。

电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“3”端接推β信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推β信号(高电平)信号，击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，使α角向180度方向移动，使晶闸管从整流区移至逆变区，降低输出电压，保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端，当有高电平输入时，击穿稳压管，三极管V4、V5导通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端，其输入的值正好相反，如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消为零，这时就需要通过“5、7”端的电压输入来控制。在同一时刻，只有一路信号输入起作用，另一路信号接地不起作用。

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图4-7 电流调节器原理

(7) 转矩极性鉴别

转矩极性鉴别用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个有比较器组成的模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如图4-8所示。

继电特性的回环宽度为：

Uk = Usr2-Usr1 = K1(Uscm2-Uscm1) (4-3) 式中，K1为正反馈系数；Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm1和Uscm2分别为反向和正向输出电压。

图4-8 转矩极性鉴别原理图

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图4-9 零电平检测器原理

(8) 零电平检测

零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图4-9和图4-10b所示。

(a)转矩极性检测 (b)零电平检测

图4-10 转矩极性鉴别及零电平检测输入输出特性

(9) 逻辑控制

逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零电平信号进行逻辑运算，切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行。其原理图如图4-11所示。其主要由逻辑判断电路、延时电路、逻辑保护电路、推电路和功放电路等环节组成。

① 逻辑判断环节

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逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电平检测的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换。

② 延时环节

要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后，经关断等待时间t1(约3ms)和触发等待时间t2(约l0ms)之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，延时电路中的VD1、VD2、C1、C2起t1的延时作用，VD3、VD4、C3、C4起t2的延时作用。

图4-11 逻辑控制器原理图

③ 逻辑保护环节

当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为“1”状态，逻辑控制器的两个输出端Ulf和Ulr全为“0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当UZ、UF全为“1”状态时，使逻辑保护环节输出A点电位变为“0”，使Ulf和Ulr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路和环流事故。

④ 推β环节

在正、反桥切换时，逻辑控制器中的G8输出“1”状态信号，将此信号送入电流调节器的输入端作为脉冲后移推β信号，从而可避免切换时电流的冲击。

⑤ 功放电路

由于与非门输出功率有限，为了可靠的推动Ulf、Ulr,故增加了V3、V4组成的功率放大级。

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4.2 逻辑无环流可逆直流调速系统实验

实验线路及原理：

在此之前的晶闸管直流调速系统实验，由于晶闸管的单向导电性，用一组晶闸管对电动机供电，只适用于不可逆运行。而在某些场合中，既要求电动机能正转，同时也能反转，并要求在减速时产生制动转矩，加快制动时间。

本实验的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组桥路工作，另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。

该控制系统主要由“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”、“速度变换”等环节组成。其系统原理框图如图4-12所示。

图4-12 逻辑无环流可逆直流调速系统原理图

正向启动时，给定电压Ug为正电压，“逻辑控制”的输出端Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路“正桥三相全控整流”工作，电机正向运转。

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当Ug反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ulf、Ulr不变，当主回路电流减小并过零后，Ulf、Ulr输出状态转换，Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，即进入它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成反向电动运行；当Ug=0时，则电机停转。

反向运行时，Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，主电路“反桥三相全控整流”工作。 “逻辑控制”的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于“逻辑控制”的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉动环流。

实验内容： ① 控制单元调试； ② 系统调试；

③ 正反转机械特性n =f(Id) 的测定； ④ 正反转闭环控制特性n =f(Ug)的测定； ⑤ 系统动态特性的观察。 实验方法：

(1) 逻辑无环流调速系统调试原则

① 先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。

② 先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后才可组成闭环系统。

③ 先双闭环、后逻辑无环流，即先使正反桥的双闭环正常工作，然后再组成逻辑无环流。

④ 先调整稳态精度，后调动态指标。 (2) 控制单元调试 ① 调节器的调零

将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P(比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

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将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“电流调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P(比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

② 调节器正、负限幅值的调整

把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为+6V。

把“电流调节器”的“9”、“10”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节器成为PI(比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为+6V。

③ “转矩极性鉴别”的调试 “转矩极性鉴别”的输出有下列要求： 电机正转，输出UM为“1”态； 电机反转，输出UM为“0”态。

将给定输出端接至“转矩极性鉴别”的输入端，同时在输入端接上万用表以监视输入电压的大小，示波器探头接至“转矩极性鉴别”的输出端，观察其输出高、低电平的变化。“转矩极性鉴别”的输入输出特性应满足图4-10a所示要求，其中Usr1=-0.25V，Usr2=+0.25V。

④ “零电平检测”的调试 其输出应有下列要求：

主回路电流接近零，输出UI为“1”态； 主回路有电流，输出UI为“0”态。

其调整方法与“转矩极性鉴别”的调整方法相同，输入输出特性应满足图4-10b所示要求，其中Usr1=0.2V，Usr2=0.6V。

⑤ “反号器”的调试

A、调零，将反号器输入端“1”接地，用万用表的毫伏档测量“2”端，观察输出是否为零，如果不为零，则调节线路板上的电位器使之为最小值。

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B、测定输入输出的比例，将反号器输入端“1”接“给定”，调节“给定”输出为5V电压，用万用表测量“2”端，输出是否等于-5V电压，如果两者不等，则通过调节RP1使输出等于负的输入。再调节“给定”电压使输出为-5V电压，观测反号器输出是否为5V。

⑥ “逻辑控制”的调试

测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表：

表4-1 逻辑功能真值表

输入

UM UI UZ(Ulf) UF(Ulr)

1 1 0 1

1 0 0 1

0 0 0 1

0 1 1 0

0 0 1 0

1 0 1 0

输出 调试方法：

A、首先将“零电平检测”、“转矩极性鉴别”调节到位，符合其特性曲线。给定接“转矩极性鉴别”的输入端，输出端接“逻辑控制”的Um。“零电平检测”的输出端接“逻辑控制”的UI，输入端接地。

B、将给定的RP1、RP2电位器顺时针转到底，将S2打到运行侧。

C、将S1打到正给定侧，用万用表测量“逻辑控制”的“3”、“6”和“4”、“7”端，“3”、“6”端输出应为高电平，“4”、“7”端输出应为低电平，此时将DJK04中给定部分S1开关从正给定打到负给定侧，则“3”、“6”端输出从高电平跳变为低电平，“4”、“7”端输出也从低电平跳变为高电平。在跳变的过程中的“5”，此时用示波器观测应出现脉冲信号。

D、将“零电平检测”的输入端接高电平，此时将DJK04中给定部分S1开关来回扳动，“逻辑控制”的输出应无变化。

⑦ 转速反馈系数α和电流反馈系数β的整定

直接将给定电压Ug接入DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，整流桥接电阻负载，测量负载电流和电流反馈电压，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“电流反馈与过流保护”的“2”端电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β= Ufi/Id= 4.615V/A。

直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机作负载，测量直流电动机的转速和转速反馈电压值，调节“速度变换”

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上的转速反馈电位器RP1，使得n =1500rpm时，转速反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α =Ufn/n =0.004V/(rpm)。

(3)系统调试

根据图4-12接线，组成逻辑无环流可逆直流调速实验系统，首先将控制电路接成开环(即DJK02-1的移相控制电压Uct由DJK04的“给定”直接提供)，要注意的是Ulf,Ulr不可同时接地，由于正桥和反桥是首尾相连，当加上给定电压时会使正桥和反桥的整流电路同时开始工作，后果是两个整流电路直接发生短路，电流迅速增大，要么DJK04上的过流保护报警跳闸，要么烧毁保护晶闸管的保险丝，甚至还有可能会烧坏晶闸管。所以较好的方法是正桥和反桥分别进行测试。先将DJK02-1的Ulf接地，Ulr悬空，慢慢增加DJK04的“给定”值，使电机开始提速，观测“三相全控整流”的输出电压是否能达到250V左右(这段时间一定要短，以防止电机转速过高)。然后DJK02-1的Ulr接地，Ulf悬空，同样慢慢增加DJK04的给定电压值，使电机开始提速，观测整流桥的输出电压是否能达到250V左右。

开环测试好后，开始测试双闭环(与前面的原因一样，Ulf,Ulr不可同时接地)。DJK02-1的移相控制电压Uct由DJK04“电流调节器”的“10”端提供，先将DJK02-1的Ulf接地，Ulr悬空，慢慢增加DJK04的给定电压值，观测电机是否受控制(速度随给定的电压变化而变化)。正桥测试好，再测试反桥，DJK02-1的Ulr接地，Ulf悬空，同样观测电机是否受控制(要注意的是转速反馈的极性必须反一下，否则电机会失控)。如果开环和闭环中正反两桥都没有问题的话，那就可以开始逻辑无环流的实验。

(4) 机械特性n =f(Id)的测定

当系统正常运行后，改变给定电压，测出并记录当n分别为600rpm、400rpm时的正、反转机械特性n=f(Id)，方法与双闭环实验相同。实验时，将发电机的负载R逐渐增加(减小电阻R的阻值)。记录实验数据：

正转：

表4-2 n=600rpm时的正转机械特性

n(rpm) Id(A)

600 0.25

600 0.29

600 0.31

600 0.33

600 0.36

600 0.40

600 0.42

表4-3 n=400rpm时的正转机械特性

n(rpm) Id(A)

400 0.20

400 0.21

400 0.23

400 0.23

400 0.27

400 0.30

400 0.32

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反转：

表4-3 n=600rpm时的反转机械特性

n(rpm) Id(A)

600 0.25

600 0.28

600 0.31

600 0.31

600 0.34

600 0.37

600 0.40

表4-4 n=400rpm时的反转机械特性

n(rpm) Id(A)

400 0.20

400 0.22

400 0.25

400 0.27

400 0.31

400 0.33

400 0.33

(5) 闭环控制特性n=f(Ug)的测定

从正转开始逐步增加正给定电压，记录实验数据：

表4-5 正转时的闭环控制特性

n(rpm) Ug(V)

100 20

200 30

300 45

400 60

500 80

600 90

700 95

从反转开始逐步增加负给定电压，记录实验数据：

表4-6 反转时的闭环控制特性

n(rpm) Ug(V)

200 30

300 40

400 60

500 75

600 85

700 100

800 115

(6) 系统动态观察

逐渐增加正给定，电机正向启动；当给定切换到负给定时，电机正向停车，逐渐增加负给定，电机反转；当切换给定时，电机反向停车，电机正转。

注意事项：

(1) 双踪示波器有两个探头，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。

(2) 在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字储存式示波器记录动态波形。

(3) 实验时，应保证“逻辑控制”工作逻辑正确后才能使系统正反向切换运行。

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5. 系统建模与仿真

5.1 MATLAB软件介绍

电子计算机的出现和发展是现代科学技术的巨大成就之一。它对科学技术的几乎一切领域，特别对数值计算，数据处理，统计分析，人工智能以及自动控制等方面产生了极其深远的影响。熟练掌握利用计算机进行科学研究和工程应用的技术，已经成为广大科研设计人员必须具备的基本能力之一。

为了准确的把一个控制系统的复杂模型输入给计算机，然后对之进行进一步的分析与仿真，1990年MathWorks软件公司为Matlab提供了新的控制系统模型图形输入与仿真工具，并定名为Simulnk，该工具很快在控制界得到了广泛的应用。但因其名字与著名的软件Simula类似，所以在1992年正式改名为Simulink。此软件有两个明显的功能：仿真与连接，亦即可以利用鼠标器在模型窗口上画出所需要的控制系统模型，然后利用该软件提供的功能来对系统直接进行仿真。很明显，这种做法使得一个很复杂系统的输入变得相当容易。Simulink的出现，更使得Matlab为控制系统的仿真与其在CAD中的应用打开了崭新的局面。

目前的Matlab已经成为国际上最为流行的软件之一，它除了传统的交互式编程外，还提供了丰富可的矩阵运算，图形绘制，数据处理，图像处理，方便的Windows编程等便利工具，由各个领域的专家学者相继推出了以Matlab为基础的实用工具箱工具箱,其中主要有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理、鲁棒控制、非线性系统控制设计、系统辨识、最优化、μ分析与综合、模糊逻辑、小波、样条等工具箱,而且工具箱还在不断增加。借助其强大的功能，Matlab广泛应用于自动控制、图像信号处理，生物医学工程，语音处理，雷达工程，信号分析，振动理论，时序分析与建模，化学统计学，优化设计等领域，并表现出一般高级语言难以比拟的优势。

由于Matlab和Simulink是集成在一起的,因此用户可以在这两种环境下对自已的模型进行仿真、分析和修改。

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5.2 逻辑无环流可逆调速系统的建模

5.2.1 电力系统（Power System）工具箱

电力系统工具箱以Simulink为运行环境，涵盖了电工学科中常用的基本元件库。它由电源、基本元件、电力电子、电机、连接件、测量等6个模块库组成，根据需要可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到有关模块库中。Matlab 6．0以上版本还有附加模块库，其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块，如图5-1所示。

图5-1 6脉冲触发器、晶闸管全控桥、直流电机模块符号

5.2.2 逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模

组成逻辑无环流可逆调速系统的主要子模块包括：三相交流电源、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR及ACR、逻辑切换装置DLC、直流电动机。除了延时电路和逻辑切换装置DLC模块需要自己封装外，其余均可从有关模块库中直接复制。

系统主电路采用两组整流器反并联方案，系统的控制电路有转速调节器，电流调节器，逻辑控制器等组成，且两组整流器分别由两个电流调节器控制，其中反组整流器VR的电流调节器ACR2输入经过了倒相器，以确保两组整流器的控制角α=β。两组整流器的工作或封锁由逻辑控制器控制。

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5.2.3 逻辑控制器DLC封装

逻辑无环流可逆调速系统通常采用典型的转速电流双闭环系统结构，关键是设置了一套无环流逻辑切换装置(DLC)。逻辑控制器模块DLC是根据控制器输入来判断输出的逻辑状态的。

设计的逻辑控制器如图5-3所示。逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护等四个环节组成。图5-3下方的是封装后的逻辑控制器图标。

图5-3 逻辑控制器

(1) 电平检测

电平检测是将输入的模拟信号(Ui*、Ui)转换为数字信号(UT、UI)，转换由两个滞环控制模块(Relay)实现，转换的要求如下：

① 转矩极性检测。当Ui* >0时，UT=1；当Ui <0时，UT=0。

② 零电流检测。当有电流即Ui ≠ 0时，UI=0；当电流为零(Ui =0)时，UI=1。

表5-1 逻辑真值表[5]

UT

UI

Ublf

Ublr

1 1 0 0 0 1

1 0 0 1 0 0

1 1 1 0 0 0

0 0 0 1 1 1

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在滞环控制模块(Relay)的设置如图5-4所示。

a)转矩极性检测 b)零电流检测

图5-4 电平检测对话框

(2) 逻辑判断电路

按表5-1可以得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达式为(用与非门实现)

UFUR(UTUI) (5-1)

URUF[(UTUI)UI] (5-2)

逻辑判断电路由与非门YF1~YF4(见图5-3)组成，其输入为转矩极性和零电流信号UT、UI；输出为逻辑切换信号UF、UR。

(3) 延时电路

逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测到电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延迟3ms(关断延时)左右以保证电流真正为零后，才能发出指令使导通的整流器截止；并且为了确保截止的整流器能恢复阻断状态，需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放，即开放延时，一般开放延时取7ms左右。关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。由于延时发生在逻辑判断电流输出UF和UR从“0”变“1”时的上升沿，而信号下降沿不需要延时，因此设

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计延时仿真模块如图5-5所示。

图5-5 延时模块

(4) 联锁保护

为了保证正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门YF5~YF7(见图5-3)组成了联锁保护电路，YF5和YF6采用与非门是因为输出Ublf和Ublr的电平与触发单元Block端的电平要求一致。在UF和UR同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。

5.3 系统主要环节的仿真参数

5.3.1 系统主要环节的仿真参数

电机参数：Ra=0.21Ω La=0.000543H Ur=220V Uf=220 Rf=14.7Ω Lf=0 Laf=0.084H J=2.29kg·m2 ASR为PI调节器：Kp=11.7 Kn=134.5 ACR为PI调节器：Kp=5.013 Ki=33.8 电抗器：Ld=0.015H

为了使系统模型更简洁，利用SIMULINK的打包功能(Great Subsystem)将调节器模型缩小为一个分支模块，如图5-6所示。

图5-6 带饱和输出限幅的PI调节器及分支模块

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5.3.2 仿真波形及分析

逻辑无环流直流可逆系统正反转过程的仿真结果如图5-7所示。

(a)

(b)

图5-7 逻辑无环流直流可逆系统正反转过程的仿真结果

(a)转速曲线 (b)电枢电流

从仿真曲线知，图(a)和图(b)所示为正反转的过程中的转速和电枢电流曲线。电动机带载起动，电动机从正转起动到稳定运行(0～5s)，给出反转指令后电动机经历正转制动到反转起动、反转运行的转速变化过程(5～10s)，10s后系统又从反转切换到正转状态。

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结 论

本课题是以DJDK-1型实验装置为平台，以MATLAB为仿真实验平台，实现无环流可逆直流调速系统设计，在实验装置和仿真环境下实现运行，并做出分析和比较。

由于实验装置个别参数的设置跟装置本身的因数，在做实验时选取的实验数据范围偏小，所得特性曲线没能够与理论分析一致，但能够实现逻辑无环流可逆调速。

利用Matlab/Simulink和Power System工具箱对所设计的逻辑无环流可逆直流调速系统进行了仿真，可以迅速直观地分析出系统的跟随性能、抗扰性能及稳定性。从对本系统的建模过程和仿真结果可见，系统的建模过程接近实际电路设计过程，元件库中的电气元件能较全面反映相应实际元件的电气特性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统的调试周期，提高了开发系统的效率。

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致 谢

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参 考 文 献

［1］ 张世铭，王振和．直流调速系统[M]．华中理工大学出版社，1989． ［2］ 孔凡才．晶闸管直流调速系统[M]．北京科学技术出版社，1987． ［3］ 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2003． ［4］ 周渊深，许暐．逻辑无环流直流可逆调速系统的Matlab仿真[J]．淮海工学院学报，2003，

12(3)：20-24．

［5］ 洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]．北京：机械工业出版社，

2006．

［6］ 孙东辉，赵秀芬，崔瑞雪．逻辑无环流系统中逻辑控制器的设计[J]．华北航天工业学

院学报，2002，12(3)：13-14．

［7］ 王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2000．

［8］ 潘晓晟，郝世勇．MATLAB电机仿真精华20例[M]．北京：电子工业出版社，2007． ［9］ 薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M]．北京：清华大

学出版社，2002．

［10］ 李宜达．控制系统设计与仿真[M]．北京：清华大学出版社，2004．

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