运动控制课程设计报告

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1、一、摘要在可逆调速系统中，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。所谓逻 辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使该组 晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调 速，还能实现回馈制动。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

2、被广泛运用。二、实验目的1. 了解并熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。2. 掌握各控制单元的原理作用及调试方法。3. 掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试步骤和方法。4. 了解逻辑无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。三、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 (U g)的测定。5系统的动态特性的观察四、实验设备及仪器1 MCL系列教学实验台主控制屏。2 MCL18 组件 适合 MCLII)或 MCL31 组件 适合 MCLIII 。3 MCL33组件或MCL53组件。4 MEL-11 挂箱5 MEL03三相可调电阻

3、或自配滑线变阻器。6 电机导轨及测速发电机、直流发电机M01或电机导轨及测功机、MEL13组件。7 直流电动机M03。8 双踪示波器。9 MCL34 组件五、实验系统的组成及工作原理1 逻辑无环流可逆调速系统许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就 需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反 并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，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，称做环 流。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。

4、换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除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，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求 不高时，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 流可逆系统。无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系 统和错位控制无环流系统。而错位无环流系统在目前的生产中应用很少，逻辑无环流系统目 前生产中应用最为广泛的可逆系统，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

5、控制的无环流可逆系统，组成逻辑无环流可逆系统的思路是：任何时候只触 发一组整流桥，另一组整流桥封锁，完全杜绝了产生环流的可能。至于选择哪一组工作，就 看电动机组需要的转矩方向。若需正向电动，应触发正组桥；若需反向电动，就应触发反组 桥，可见，触发的选择应决定于电动机转矩的极性，在恒磁通下，就决定于iU信号。同时 还要考虑什么时候封锁原来工作桥的问题，这要看工作桥又没有电流存在，有电流时不应封 锁，否则，开放另一组桥时容易造成二桥短路。可见，只要用iU信号极性和电流“有”、“无” 信号可以判定应封锁哪一组桥，开放哪一组桥。基于这种逻辑判断电路的“指挥”下工作的 可逆系统称逻辑无环流可逆系统。下图

6、为逻辑无环流可逆调速系统原理图。LE t TAASR速度调节器 ACR1、ACR2正、反组电流调节器GTF、GTR正反组整流装置VF、VR正反组整流桥DLC无环流逻辑控制器HX推图装置TA交流互感器 TG测速发电机M工作台电动机LB电流变换器AR反号器GL过流保护 环节2系统主电路设计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

7、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。图1逻辑无环流可逆直流调速系统主电路3控制及驱动电路设计主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，但是为 了保证运行时电流波形的连续性，应保留平波电抗器。控制线路采用典型的转速

8、、电流双闭 环控制系统，电流环分设两个电流调节器ACR1和ACR2, ACR1用来控制正组触发装置，ACR2 控制反组触发装置，ACR1的给定信号Ui*经反向器AR同时作为ACR2的给定信号Ui*，这样 就可以使电流反馈信号Ui*的极性在正转和反转时都不用改变，从而可采用不反应电流极性 的电流检测器，即交流互感器和整流器。由于在主电路中不设均衡电抗器，一旦出现环流将 造成严重的短路事故，所以对工作时的可靠性要求特别高，为此在系统中加入了无环流控制 器DLC，以保证系统的可靠运行，所以DLC是系统中的关键部件。逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图所示纣定:，项二流保I口梆111件洗 反一令

9、整IL7j|_1-逻辑“ L变别7省凰平橙删速迎电源（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）逻辑无环流调试系统各单元环节1. DPT （转矩极性鉴别器）转矩极性鉴别器为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化；它是一个模数转 换器，可将控制系统中连续变化的电平转换成逻辑运算所需的0”、” 1 ”状态信号。调节 同相

10、输入端电位器可以改变继电特性相对于零点的位置。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 太宽时会使系统运作迟钝。2. DPZ （零电流检测器）零电流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。3. DLC （逻辑控制器）逻辑控制器适用于直流电动机可控硅无环流反并联供电的调压调速系统中，它对转矩极性 指令和主回路零电流信号进行逻辑运算，切换加于正组桥或反组桥可控硅整流装置上的触发 脉冲。逻辑电路除了功率输出级外，全部采用CMOS集成化与非门电路组成。对于与非门 电路来说，只有当输入端全部为“1”信号（高电平）

11、时，其输出才为零（低电平）只要输 入端中任一个“0”信号，其输出便为“1”信号。DLC主要由逻辑判断电路，延时电路，逻辑保护电路，推环节等组成。A. 逻辑判断环节逻辑判断环节的任务是根据转矩极性电平检测器和零电流电平检 测器的输出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是否由“0”态变“1”态决定）。即当UM变换 后，零电流检测器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。B. 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

12、无环流系统 中逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后。经关断等待时间t1（3ms）和触发等待时间t2（10ms） 之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，电路中VD1、C1, VD2、C2起t1的延时作 用，VD3、C3,、VD4、C4起t2的延时作用。C. 逻辑保护环节逻辑保护环节也称多一保护环节。当逻辑电路发生故障时，UZ、UF 的输出同时为” 1”状态，逻辑控制器两个输出端Ublr和Ublf全为” 0”状态，造成两组整 流装置同时开放，引起短路环流事故。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Ublf和Ublr都为高电平，两组触发

13、脉冲同时 封锁，避免产生短路环流事故。D. 推环节 在正，反桥切换时，逻辑控制器中D2:10输出” 1”状态信号，将此信号送入 ACR的输入端作为脉冲后移掴指令，从而可避免切换时电流的冲击。4. ACR （电流调节器）电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减 法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予定 规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、 输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推图信号，来自电流 变换器的过流信号U由 当该点电

14、位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压 使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极 管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP 型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN 型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入 阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接

15、电容来改变。1）速度调节器的调零将MCL试验台中“速度调节器”所有输入端接地，再将可调电阻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。将电流调节器”所有输入端接地，再将可调电阻13K接到“速度调节器”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）速

16、度调节器正、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“8”、“9”短接线去掉，将的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端， 使调节器成为PI （比例积分）调节器，然后将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,使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给

17、定 时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。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。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。5）“反号器”的调试A、调零（在出厂前反号器已调零，如果零漂比较大的话，用户可自行将挂件打

18、开调 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。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:输入UM110001100100输出UZ(U L) f000111UF(U L)111000调试方法:A、首先将“零电平检测”、“转矩极性鉴别”调节到

19、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，此时将给定部分S1

20、开关来回扳动，“逻辑控制” 的输出应无变化。（3）如何实现逻辑无环流逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图所示，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式同时进行，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

21、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。这种逻辑无环流系统有一个转速调节器ASR，一个反号器AR，采用双电流调节器1ACR和 2ACR，双触发装置GTF和GTR结构。主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环 流，不用再设置环流电抗器，但是为了保证稳定运行时的电流波形的连续，仍应保留平波电 抗器，控制线路采用典型的转速、电流双闭环系统，1ACR用来调节正组桥电流，其输出控 制正组触发装置GTF； 2ACR调节反

22、组桥电流，其输出控制反组触发装置GTR，1ACR的给定 信号iU经反号器AR作为2ACR的给定信号iU,这样可使电流反馈信号iU的极性在正、反转 时都不必改变，从而可采用不反映极性的电流检测器，在逻辑无环流系统中设置的无环流逻 辑控制器DLC，这是系统中关键部件。它按照系统的工作状态，指挥系统进行自动切换，或 者允许正组触发装置发出触发脉冲而封锁反组，或者允许反组触发装置发出触发脉冲而封锁 正组。在任何情况下，决不允许两组晶闸管同时开放，确保主电路没有产生环流的可能。 六、心得与体会在完成运动控制系统理论学习后，通过几个小时完成本次的课程设计。我感觉收获颇丰， 让我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。比如对于逻辑无环流主电路、控制 电路、保护电路等方面的知识有了更多的了解，并且能进行一些简单的实际运用。通过本次课程设计，使我的实践动手能力、分析问题能力和解决问题的独立工作能力都有 了进一步的提高，还培养了我勇于探索、善于改革、严肃认真、实事求是的科学作风。