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1、精选优质文档-倾情为你奉上运动控制课程设计四辊压延机主传动直流调速系统的设计题 目：四辊压延机主传动直流调速系统 专业班级：自动化090X班 学 号： 学生姓名： 指导教师：欧阳老师 目录3.2 前言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，在电力电子变换器中以晶闸管为主的可控器件已经基本被功率开关器件所取代，因而变换技术也由相位控制转变成脉宽调制（PWM）；交流可调拖动系统正逐步取代直流拖动系统。然而，直流拖动控制毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且我国早期的许多工业生产机械都是采用直流拖动控制系统，所以它在
2、工业生产中还占有相当大的比重，短时间内不可能完全被交流拖动系统所取代。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（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。调速系统按照不同的标准又可分为不同的控制系统。但是，从一定角度上来说，可以把调速系统笼统的分为开环调速系统和闭环调速系统。开环调速系统结构简单、容易实现、维护方便，但是它的静态和动态性能往往不能满足生产和控制要求。而闭环控制系统可以很好的解决这些问题，因此在实际生产中得到了广泛的应用。其中，转速、电流双闭环控制直流系
3、统是性能最好、应用最广的直流调速系统。本次课程设计是关于对四辊压延机主传动直流调速系统的设计说明。该系统具体主要关于调速系统方案进行比较论证，包括主电路方案和控制回路方案；系统各模块参数的计算，包括信号给定单元、电流调节器、速度调节器、反号器单元、零速封锁单元、转矩极性单元、零电流单元、无环流逻辑控制单元、和触发电路单元的参数计算。本设计是以小组合作形式，在18、19两周完成，可能还有不够完善的地方，望老师谅解和指正。 第一章 四辊压延机主传动直流调速系统的设计概述1.1 设计目的运动控制系统是自动化专业的主干专业课，具有很强的系统性、实践性和工程背景，运动控制系统课程设计的目的在于培养学生综
4、合运用运动控制系统的知识和理论分析和解决运动控制系统设计问题，使学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法，提高学生调查研究，查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力，理解分析、制定设计方案的能力，设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力。1.2 设计内容（1）根据工艺要求，论证、分析、设计主电路和控制电路方案，绘出该系统的原理图。（2）设计组成该系统的各单元，分析说明。（3）选择主电路的主要设备，计算其参数（含整流变压器的容量S，电抗器的电感量L，晶闸管的电流、电压定额，快熔的容量等），并说明保护元件的作用（必须有电流和电压保护）。（4）设
5、计电流环和转速环（或张力环），确定ASR和ACR（或张力调节器ZL）的结构，并计算其参数。（5）结合实验，论述该系统设计的正确性。1.3 课题设计要求 1.3.1生产工艺和机械性能帘布放布机接头硫化机前三辊电机储布机前四辊电机 干燥 四辊压延主机 后四辊电机2台卷机仓库1.3.2控制要求（1）在压延前，必须给干燥辊加热60到80的度（供帘布烘干水分），给主辊加热到70度左右。（2）所有直流电机可单动也可连动，并均要求电枢可逆。（3）连动时，前四主机和后四主机不允许单动，而前三点饥可单独停（便于帘布的硫化接头），因有贮布架，也不影响后面的正常工作，卷取机可单独停（便于2台卷取换卷）。（4）两台压
6、延主机必须同时起、停或加、减速，且控制要求和技术指标完全相同。（5）前张力区的张力（最大为1000Kg）通过前四电机来控制，后张力区的张力（1500Kg）有后四电机来控制。（6）在给定压延张力的情况下，其压延速度有操作人员通过改变主机速度来达到。1.3.3设计要求四辊压延机主传动机1和2的参数相同，要求相同，只设计其中一台即可。稳定无静差，电流超调量s5%，空载启动至额定转速时的转速超调量s10%，且起动是尽量避免电流的过大冲击。1.3.4主机1或2直流电动机参数 ，电枢路总电阻 ,电流过载倍数。第二章 系统设计方案的选择2.1直流电机调速方案的选择理想化直流电动机，直流电动机转速方程可表示为
7、：式中 n转速（r/min）；U电枢电压（V）； I电枢电流（A）； R电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决定的电动势常数；在上式中，是常数，电流I是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：1） 调节电枢供电电压U；2） 减弱励磁磁通；3） 改变电枢回路电阻R2.1.1 串电阻调速 调速原理：在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢中串入不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即斜率不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法，为恒转矩调速。优点：实现原理简单，控制电路简单可靠，操作
8、简便。 图2.1缺点：外串电阻只能实现有级调速，不能实现无极调速，而且电阻消耗大量功率，低速运行时转速稳定性差，易产生张力不稳难以控制，造成经常断带，严重影响轮胎生产的效率的质量。2.1.2弱磁调速 调速原理：保持电源电压为恒定额定值，通过改变励磁线圈中的电压，使磁通量改变，从而改变电动机的转速，属于基速以上的恒功率调速方法。优点：在电流较小的励磁回路内进行调节，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器的功率小，控制方便且易实现，而且可以实现无级调速，为生产节约了成本。图2.2缺点：难以实现低速运行和可逆运行，且由于电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度能调得太高，限制了调速范围。针对我们要设计的目
9、标调速系统，速度要求大约在 转速实现可逆，很明显这种调速方法难以做到这一点，须配合其他的控制方法才能实现，成本升高，控制变得复杂，失去了弱磁调速本身的优点。2.1.3 调压调速 调速原理：保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况，电枢回路不串入电阻，将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性。属于基速向下的恒转矩调速。优点：只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，且低速运行时的机械特性基本保持不变，所以调速范围可以达到很宽，实现可逆运行。 图2.3 缺点：对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。 因此，对于要求在一定范围内无
10、级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但是调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。这种方法完全满足了飞机轮胎生产工艺的要求。2.2 系统主电路方案设计 主电路主要是指电源装置和执行机构，这里即直流电动机，电动机是系统的控制对象，若需要实现直流电动机可逆运行，我们一般采用G-M系统调速、可逆V-M系统调速方案和PWM电动机调速方案。下面就二者的可行性进行比较。2.2.1 G-M系统调速方案方案一：G-M系统调速原理：G-M系统（国际上通称Ward
11、-Leonard系统）是通过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。其工作原理是由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速n。图2.4 旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）优点：无论正转减速还是反转减速时都能实现回馈制动，因此G-M系统可以在允许转矩范围内四象限运行。缺点：但是该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大费用高，效率低，安装需打地基没，运行有噪声，维护不方便。2.2.2 可逆V-
12、M系统调速方案二：可逆V-M系统调速原理：晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VF、VR 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。优点：与G-M系统相比较,晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10000以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。缺点：但是由于晶闸管的单
13、向导电性，它不允许电流反向，所以只好采用正、反两组全控整流电路并联来实现电机四象限工作，变流设备增加一倍。图2.5 可逆晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）另外，V-M系统中晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。2.2.3 桥式可逆PWM变换器调速方案三：桥式可逆PWM变换器调速系统原理：PWM的基本思想是冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同，即惯性环节的输出响应相同。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的
14、是桥式（亦称H形）电路，如图4所示。图中，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里选用的是最常用的双极式控制可逆PWM变换器调速系统。优点：可逆PWM系统主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。缺点：但是它需
15、要先将交流转换为直流，再通过H桥式电路直流斩波，调节输出电压的平均值。这里同样需要逻辑控制正反组IBGT的导通与关断，以免发生直流直通短路。这种方法虽然可以实现，但实现相对复杂，而且制动控制较为复杂，关键是IGBT容量相对晶闸管容量小，限制了电动机的容量不能做的很大，较由SRC做整流装置的V-M系统小的多。这对于所要求设计的四辊压延机传动调速系统是不利的。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图2.6 桥式可逆PWM变换器综上所述，考虑到三种方案的优缺点，选择第二种方案，即主电路采用两组
16、三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路。 2.3 系统控制电路的设计 开环调速系统系统能够实现在负载的生产工艺对运行的静差率要求不高时的一定范围内的无极调速。但是许多生产机械常常对静差率有一定的要求，对应本次课程设计的内容要求，开环调速系统不能满足要求了。所以，本系统须采用闭环控制系统。2.3.1带电流截止负反馈单闭环速度反馈调节方案一：带电流截止负反馈单闭环速度反馈调节方法图2.7带电流截止负反馈单闭环速度反馈稳态结构图为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，引入电流截止负反馈，简称截流反馈，保持电流基本不变，使它不超过允许值。 n C A B o 图2.8 带电流截止负反馈闭环调速
17、系统的静特性原理：这种电流负反馈作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随着负载增减。它的静特性分为两段，AC段，当时，电流截止负反馈环节不起作用，静特性与只有转速负反馈系统的相同。AB段，当后，引入了电流截止负反馈，其静特性变得很软，限制电流的增大。针对本设计系统的适用性分析 采用带电流截止负反馈单闭环速度反馈方法，实现虽然比较方便，快捷，成本低，而且系统的调试等都很简单。但根据本次设计内容，生产要求张力有最大的限制，如果采用这种方法，只有将电流截止的幅值位置设置在张力最大的位置，但是在启动过程中系统是非线性的，而且是一个复杂的动态过程，不能简单地将最大张力时的电流值定
18、为电流截止负反馈的限制值，不仅影响了电动机启动时间，且难以把握电流的动态过程，易产生断带，张力不均匀等缺点。所以，此种控制方式不适用于本设计系统。2.3.2 转速、电流双闭环直流调速系统 图2.9 转速、电流双闭环直流调速系统图(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)原理：为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级)联接。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环;
19、转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。以下分别对双闭环调速系统的静态特性、动态特性以及抗扰性能进行分析。分析静特性图2.10 双闭环调速系统的稳态结构图 （转速反馈系数电流反馈系数）在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。转速调节器不饱和：CA段静特性从理想空载状态的=0一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段。转速调节器ASR饱和：这时ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调节系统。图2.11双闭环直流调速系统静特性图分析动
20、态特性 为分析动态特性以及抗扰性能参考双闭环直流调速系统的动态结构图如下图：图2.12 双闭环直流调速系统的动态结构框图由于采用了双闭环结构，使电机在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈,从而获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，实现在允许的条件下最快起、制动。n oottId IIIIIIt4 t3 t2 t1 I.电流上升阶段II.恒流升速阶段III.转速调节阶段图2.13 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制：根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。（2） 转速超调：由于ASR采用了饱和非线性控制，
21、起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，。（3） 准时间最优控制：起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是负载扰动和抗电网电压扰动的性能。对于负载扰动，由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。对于电网电压扰动，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反反馈得到比较及时的调节，不必等到它影响到转速以后才能反馈回来，
22、抗扰性能大有改善。通过以上分析，系统已基本上确定为转速、电流双闭环的晶闸管-电动机调压调速系统。2.4 系统设计方案的确定然而采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，可能会产生有害的环流，如下图中所示（Ic 为环流、Id 为负载电流）。图2.14 两组晶闸管反并联的可逆V-M系统这便对控制方法提出了更高的要求。这里我主要论证两套在实际工业生产中得到广泛应用的控制方案：a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统和无环流控制的可逆V-M系统。（一） a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统图中主电路是三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，控制电路为典型的转速、电流双闭环系统。ASR和ACR都设置了双
23、向输出限幅值，以限制最大起制动电流和最小控制角amin 和最小逆变角 bmin 。a = b 配合控制已经消除了直流平均环流，但由于上下两桥整流与逆变的瞬时电压不一样，所以主电路还存在脉动的环流。这一环流对系统及有好处也有坏处。它使电动机的正转制动和反转起动的过程完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流可逆调速系统的优点，适用于要求快速正反转的系统；但需要向系统添加环流电抗器，而且晶闸管等器件都要负担负载电流和环流。对于大容量的系统来说，这些缺点就会比较明显。而四辊压延机直流调速系统的容量比较大，所以将a = b 配合控制的这种控制方法应用于本系统不太合适。我们的选择其它的控制方法。图2.15
24、 a = b 配合控制的有环流可逆V-M系统（二） 无环流控制的可逆V-M系统逻辑控制的无环流可逆系统工作原理：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以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调速系统的原理框图如图2.13所示。系统结构的特点： 由于没有环流，不用设置环流电抗器；仍保留平波电抗器 Ld ，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用转速、电流双闭环方案；电流环分设两个电流调节器，1ACR用来控制正组触发装置GTF，2ACR控制反组触发装置GTR；1
25、ACR的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化，可以采用不反映极性的电流检测方法。为了保证不出现环流，设置了无环逻辑控制环节DLC，这是系统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、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。图2.16 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图在逻辑控制无环流可逆调速系统中，采用了两个电流调节器和两套触发装置分别控制正、反组晶闸管。实际上任何时刻都只有一组晶闸管在工作，另一组由于脉冲被封锁而处于阻断状态，这时它的电流调节器和触发装置都是等待状态。这
26、样的系统称作辑选触无环流可逆系统 。图中：SAF，SAR分别是正、反组电子模拟开关。其它的和图2.12所示的一样。系统节省了一套电流调节器和触发装置。有环流可逆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很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。所以系统设计方案选择了逻辑选触无环流控制的可逆晶闸管电动机系统。图 2-17逻辑选触无环流可逆系统的原理框图第三章 系统各单元分析设计3.1双闭环调速系统结构概述 主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证四辊压延机
27、主传动调速系统具有稳定的正反运行特性，则需要设计可逆的调速系统，采用六个晶闸管构成三相桥式整流电路的反并联装置可以解决电动机的正反转运行和回馈制动的问题。其实现方式如图3.1所示。 图3.1 主电路框图对于系统的供电，可将无穷大电网电压经三相变压器变为220V，再通过一系列熔断器等保护措施，输入给桥式整流电路，进而给直流电机和其他装置供电。变压器绕组采用 /Y接法，具体方法见主电路变压器的参数计算。主电路的保护措施尤为重要，设计多重保护电路成为必要。在起动开关电路里面设置自锁回路和，在控制电路中发现电流过大，这可使主电路常闭开关KM跳开而保护整个系统，当KM跳开失败后，由于电流过大，一段时间后
28、快速熔断器受热而熔化使电路跳开，从而避免烧坏电机等设备。上框图中起动开关KM部分电路图如图3.2所示。 图3.2 起动开关电路图3.2速度调节器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，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。其原理如图3.3所示：图3.3 速度调节器在图中“1、2、3”端为信号输入端，二极管VD1和VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节。改变R7的阻值改变了系统的放大倍数，改变
29、C5的电容值改变了系统的响应时间。RP3为调零电位器。3.3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3-4所示。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
30、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。图3-3-1电流调节器图3.4电流调节器3.4锯齿波同步移相触发电路图3.5 锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成。由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿
31、波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲。3.5电流反馈与过流保护图3.6电流反馈与过流保护原理图本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源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，面板上的
32、三个园孔均为观测孔，不需再外部进行接线，只要将DJK04挂件的十芯电源线与插座相连接，那么TA1、TA2、TA3就与屏内的电流互感器输出端相连，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。(1)电流反馈与过流保护的输入端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及R1、R2、VD7组成的3条支路上，其中:R2与VD7并联后再与R1串联，在其中点取零电流检测信号从1脚输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，“1”端的输出由R1、R2分压所得，VD7截止。当电流反馈的电压升高的时候，“1”端的输出也随着升高，当
33、输出电压接接近0.6V左右时，VD7导通，使输出始终保持在0.6V左右。将RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“2”端输出，电流反馈系数由RP1进行调节。RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。(2)当电路开始工作时，由于电容C2的存在，V3先与V2导通，V3的集电极低电位，V4截止，同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低，保证V2一直处于截止状态。(3)当主电路电流超过某一数值后，RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值，击穿稳压管，使三极管V2导通，从而V3截止，V4导通使继电器K动作，控制屏内的主继电器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器
34、发出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节RP2的抽头的位置，可得到不同的电流报警值。(4)过流的同时，V3由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出，作为推信号供电流调节器使用。(5)SB为解除过流记忆的复位按钮，当过流故障己经排除，则须按下SB以解除记忆，才能恢复正常工作。当过流动作后，电源通过SB、R4、VD8及C2维持V2导通，V3截止、V4导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下SB后，V2基极失电进入截止状态，V3导通、V4截止，电路才恢复正常。3.6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电压信号变换成适用于控制单元的电压
35、信号。图3.7 速度变换图使用时，将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。 图3.8 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。按以下步骤拨动S1、S2，可获得以下信号：(1)将S2打到“运行”侧，S1打到“正给定”侧，调节RP1使给定输出一定的正电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃
36、信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。(2)将S2打到“运行”侧，S1打到“负给定”侧，调节RP2使给定输出一定的负电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。(3)将S2打到“运行”侧，拨动S1，分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压，当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压
37、值。要注意的是不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。3.7零速封锁器零速封锁器的原理图如下：图3.9 零速封锁器原理图零速封锁器由两个具有“山”型继电器特性的电平检测器，逻辑门及延时环节组成，其原理如图3-9。零速封锁器的作用是：当给定电压及速度反馈电压均为零时（即调速系统在停车状态），封锁电压调节器的输出，保证电机不会低速爬行或者系统在零速时出现振荡。两个“山”型电平检测器分别对给定和速度反馈信号进行检测，当输入信号为正值时，通过二极管VD1和VD3分别进入运放的反向输入端，而当输入信号为负值时，则通过VD2和VD4进入运放的正相输入端。故当输入信
38、号绝对值大于某值时（0.3V左右）时，运放输出始终为负值，通过二极管VD9和VD10钳位至-0.7V，作为“0” 信号，当输入信号的绝对值小于某一整定值时（0.2V左右），则运放输出正电压，作为“1”信号。因此可得到如图3-10所示的“山”型继电特性。图3.10 零速封锁器的“山”型继电特性当电平检测到输入电压大于0.3V时，其输出为低电平“0”，当电平检测到输入电压小于0.2V时，其输出为高电平“1”。两个电平检测器的输出经与门和非门后，V2的基极为低电平，V2导通，零速封锁器输出约为-15V的电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极，使其关断，从而使电压调节器开放工作，在出现故障时，电平检
39、测器输出低电平“1”，V2基极为低电平，则V2截止，零速封锁器输出0V电压加到电压调节器反馈环节场效应管的栅极，使其导通，使调节器的反馈环节短路，输出为“0”。电容C3和电阻R25起延时作用，当与门输出由低电平跳变到高电平时，该电电位由正电源向C3和R25充电，其电位逐渐升高，从而避免在低速运行或换向过程中引起误封锁。面板上装有S1开关，当开关拨到“封锁”时，零速封锁器处于工作状态；当S1开关拨到“解除”时，零速封锁器处于关闭状态。3.8转矩极性鉴别(DPT)转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个由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
40、辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如图3-11所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图3-12所示，具有继电特性。调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的回环宽度为: Uk = Usr2一Usr1 = K1(Uscm2一Uscm1)式中，K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越小；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。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝。图3.11 转矩极性鉴别原理图
41、 图3.12转矩极性鉴别器的输入输出特性3.9零电平检测(DPZ)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3-13和图3-14所示。图3.13 零电平检测器原理 图3.14 零电平检测器输入输出特性3.10逻辑控制(DLC)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3.15所示。其主要由逻辑判断电路、延时
42、电路、逻辑保护电路、推b电路和功放电路等环节组成。图3.15 逻辑控制器原理图(1)逻辑判断环节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(由UM是否变换状态决定)及切换条件是否具备(由UI 是否从“0”变“1”决定)。即当UM变号后，零电平检测到主电路电流过零(UI =“1”)时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。(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
43、时间t2(约lOms)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。(3)逻辑保护环节逻辑保护环节也称为“多一”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)推环节在正、反桥切换时，逻辑控制器中的G8输出“1”状态
44、信号，将此信号送入调节器的输入端作为脉冲后移推信号，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。3.11 15V直流稳压电源设计 该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如图3.16所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图3.16 15V电源电路原理图 其中起关键作用的固定式三端稳压器W7815和W7915,输出电压分别为定值负15V和正15V。 滤波
