逻辑控制无环流直流可逆调速系统的仿真

一题目名称：逻辑控制无环流直流可逆调速系统的仿真

二工作原理（详细描述，包括电机参数）

2.1逻辑无环流直流可逆调速系统工作原理

2.1.1 无环流可逆直流调速系统及原理图

（1）逻辑控制无环流可逆调速系统系统的控制电路由转速调节器、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控制。在两组反并联供电的直流电机可逆调速系统中，如果在一组整流器工作时，封锁另一组整理器，即切断这组整流的触发脉冲，是这组整流器不工作，这样两组整流器之间就没有环流通路，即不会产生直流环流也不会产生脉动环流。这种系统一般由逻辑控制器来判断在正反转或制动过程中哪组整流器应该工作，哪组整流器应该封锁，故称为逻辑控制无环流可逆调速系统。无环流可逆直流调速系统原理图

图3-1 逻辑无环流可逆调速系统原理图

ASR——速度调节器 VF、VR——正反组整流桥 M——工作台电动机

ACR1﹑ACR2——正﹑反组电流调节器GTF、GTR——正反组整流装置DLC——无环流逻辑控制器 GL——过流保护环节 TG——测速发电机TA——交流互感器 LB——电流变换器 A R——反号器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

组桥电流，其输出控制反组触发装置GTR，1ACR的给定信号

*

i

U

经反号器AR作为

2ACR的给定信号*i

U,这样可使电流反馈信号i U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。

2.2 主电路的工作原理

系统采用的主电路是两组晶闸管装置反并联可逆线路。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。

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，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。

2.3 逻辑控制器的工作原理

逻辑控制器模块DLC是根据控制器的输入来判断输出的逻辑状态。逻辑控制器有两个输入输出，两个输出信号Ublr和Ublf分别通过触发器来控制是否产生还是封锁触发脉冲，输出信号Ublf和Ublr的状态必须始终保持相反，以保证两组整流器不会同时处于工作状态。由于电动机的制动和改变转向都需要改变电动机的转矩方向，即电枢电流的方向，在系统控制中电流的方向是由转速调节器输出Ui*的极性来决定的，也就是说Ui*的符号改变是逻辑控制器切换的条件之一。从a=β配合控制的分析中已经知道，可逆系统的快速制动或反转过程要经历本桥逆变，反馈制动和回馈制动三个阶段。在本桥逆变阶段电动机电流下降至零，然后才经历反接制动阶段建立反向电流，如果在本桥逆变阶段尚未结束时就关断该整流器，就可能产生逆变失败现象，并损坏整流器，所以在转速调节器的输出Ui*改变极性后，还必须等待电动机原方向电流减小到零后，Ui=0，才能关断原来工作的整流器，而开通原封锁的另一组整流器，因此电枢电流下降为零Ui=0是逻辑切换的条件之二。只有在Ui*改变极性和Ui=0两个条件满足后，逻辑控制器的输出状态才能改变。

但是逻辑控制器的输入端分别联接转速调节器的输出Ui*和电流的反馈信号Ui。因电流反馈取自电动机的电枢电流，因此电流信号可以有正向，反向和零三种工作状态，而逻辑控制器仅需要判断电枢电流的有无，因此需增加绝对值计算环节。控制器输出的整流器切换信号Ublf和Ublr，则分别通过触发模块控制是否输出移相触发脉冲，而此触发模块的block端的要求是逻辑控制器输出的信号为“0”时，则该触发器允许输出脉冲，如果逻辑控制器输出的信号为“1”，则该触发器没有脉冲输出。

2.4 系统主要环节的仿真参数

电机参数：Ra=0.21Ω La=0.00021H Ur=220V Uf=220 Rf=146.7Ω Lf=0 Laf=0.84H J=0.57kg 2m2 如下图 2-4 电抗器：Ld=0.015H

图 2-4 直流电机参数

三 直流电机参数计算步骤

3.1 电流调节器的参数计算

(1)传递函数可以写成： s

s K s W i i i ACR 1)(ττ+=

(Ki ：电流调节器的比例系数； i ： 电流调节器的超前时间常数。) (2)电动机转矩时间常数：

Tm=GD2*R/375CeCm=22.5*0.21/375*0.131*1.25=0.077s

(3)电动机电磁时间常数：T1=L/R=0.83/0.5=0.076s (4)三相晶闸管整流电路平均失控时间：Ts=0.0017s

(5)电流环的小时间常数：T=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi=T1 =0.076s 。

(6)放大器放大倍数：

Kp=τi*R/2T βKs=0.076*0.5/2*0.0037*0.05*40=2.57

(7)电流调节器的比例系数：Ki=τi/Kp=0.076/2.57=0.0296

(8)电流调节器ACR 的输出限幅电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm 。本系统调节器限幅值Ucm*=±10V 。

3.2 转速调节器的参数计算 传递函数可以写成：

s s K s W n n n

ASR 1)(ττ+=

(1)τn=h(2T+Ton)=5*(2*0.0037+0.01)=0.087s (2)Kp2=(h+1)βCeTm/2h αR(2T+Ton)=

6*0.05*0.113*0.275/2*5*0.00668*0.0174*(0.4+1.35+0.5)=3.56 (3)Ki2=τn/Kp2=0.087/3.56=0.024

(4)转速调节器ASR 的输出限幅电压U*im 决定了电流给定电压的最大值； 它是由负载电流 IdL 决定。Idl=24A 。则U*im=In-Idl*λ=136-1.5*24=10V

3.3 PI 调节器及分支模块的计算

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3-3所示。

图3-3 带饱和输出限幅的PI 调节器及分支模块

电流调节器超前时间常数：τi=Ti=0.03s 电流环开环增益：取KiT Σi=0.5，

1

.1350037.05.05.0==∑=i I T K

013.15.003.01.135i =??==

β

τs i I K R K K ACR 的比例系数，计算转速调节器参数取h=5 则ASR 的超前时间常数为： s

hT

n

087.0017.05n =?=∑=τ

转速环开环增益：22

2N 4.3960174

.0526

1h -=??=+=s K K s β

四 matlab 仿真原理图

五 仿真结果分析

Speed id

σ。本设计通过经过不断的电机转速超调量：%

%=

=）

1580

（

5.7

-

1470

1470

修改参数，超调量由最初的15%降低到了7%左右，有了很大的提高，遗憾的是与要求还有一点差距。

If Te

Ud1 Ud2

Un * Ui*

1ACR的给定信号

*

i

U

经反号器AR作为2ACR的给定信号*i

U,这样可使电流反馈信

号i U的极性在正﹑反转时都不必改变