逻辑无环流可逆直流调速系统

目录

摘要??????????????????????????????2

一．逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理 ????????2

二．无环流逻辑装置的组成 ?????????????????4

三．无环流逻辑装置的设计 ??????????????????5

四．逻辑无环流可逆调速控制系统各种运行状态??????10

五．系统参数计算及测定??????????????????13

六、参考文献????????????????????????16

摘要：

逻辑无环流可逆直流调速系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，节省变压器和晶闸管装置的附加设备容量。和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。

关键词：无环流；可逆直流调速系统；逻辑控制器

一．逻辑无环流可逆直流调速系统工作原理

逻辑无环流可逆直流调速系统主电路如图 1 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2 逻辑无环流可逆调速系统原理图

ASR——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?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

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Ui经反号器AR作为2ACR的给定信号Ui,这样可使电流反馈信号Ui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。

??二．无环流逻辑装置的组成

在无环流控制系统中，反并联的两组整流桥需要根据所要求的电枢电流极性来选择其中一组整流桥运行，而另一组整流桥触发脉冲是被封锁的。两组整流桥的切换是在电动机转矩极性需要反向时由逻辑装置控制进行的。其切换顺序可归纳如下：

①由于转速给定变化或负载变动，使电动机应产生的转矩极性反向。 ②由转速调节器输出反映这一转矩的极性，并由逻辑装置对该极性进行判断，然后发出切换开始的指令。

③使导通侧的整流桥（例如正组桥）的电流迅速减小到零。

④由零电流检测器得到零电流信号后，经3～5ms延时，确认电流实际值为零，封锁原导通侧整流桥的触发脉冲。

⑤由零电流检测器得到零电流信号后，经10ms延时，确保原导通侧整流桥晶闸管完全阻断后，开放待工作侧整流桥（例如反组桥）的触发脉冲。

⑥电枢内流过与切换前反方向的电流，完成切换过程。

根据逻辑装置要完成的任务，它由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护电路四个基本环节组成，逻辑装置的功能和输入输出信号如图4-1所示。

图4-1 无环流逻辑控制环节DLC

其输入为电流给定或转矩极性鉴别信号Ui*和零电流检测信号Ui0，输出是控制正组晶闸管触发脉冲封锁信号U1和反组晶闸管触发脉冲封锁信号U2。

三．无环流逻辑装置的设计

①电平检测器

逻辑装置的输入有两个：一是反映转矩极性信号的转速调节器输出Ui*，二是来自电流检测装置反映零电流信号的Ui0，他们都是连续变化的模拟量，而逻辑运算电路需要高、低电位两个状态的数字量。电平检测器的任务就是将模拟量转换成数字量，也就是转换成―0‖状态（将输入转换成近似为0V输出）或―1‖状态（将输入转换成近似为?15V输出）。

采用射极偶合触发器作电平检测器。为了提高信号转换的灵敏度，前面还加了一级差动放大和一级射极跟随器。其原理图见图4-2。

图4-2 电平检测器原理图

电平检测器的输入输出特性如图4-3所示，具有回环特性。由于转速调节器的输出和电流检测装置输出都具有交流分量，除入口有滤波外，电平检测需要具有一定宽度的回环特性，以防止由于交流分量使逻辑装置误动作，本系统电平检测回环特性的动作电压Ur1?100mV，释放电压Ur2?80mV。调整回环的宽度可通过改变射极偶合触发器的集电极电阻实现。

图4-3 电平检测器输入输出特性

转矩极性鉴别器的输入信号为转速调节器的输出Ui*，其输出为UT。电机正转时，反转时Ui*为正，UT为高电位（―1‖态）。 Ui*为负，UT为低电位（―0‖态）

零电流检测器的输入信号为电流检测装置的零电流信号Ui0，其输出为UI。有电流时Ui0为正，UI为高电位（―1‖态），无电流时Ui0为0，UI为低电位（―0‖态）。

②逻辑运算

电路的输入是转速极性鉴别器的输出UT和零电流检测器输出UI。系统在各种运行状态时，UT和UI有不同的极性状态（―0‖态或―1‖态），根据运行状态的要求经过逻辑运算电路切换其输出去封锁脉冲信号的状态（―0‖态或―1‖态），由于采用的是锗管触发器，当封锁信号为正电位（―1‖态）时脉冲被封锁，低电位（―0‖态）时脉冲开放。利用逻辑代数的数学工具，可以设计出具有一定功能的逻辑运算电路。

设正转时Ui*为负，UT为―0‖；反转时Ui*为正，UT为―1‖；有电流时Ui*为正，

UI为―1‖；无电流时Ui*为负，UI为―0‖。

U1代表正组脉冲封锁信号，U1为―1‖时脉冲封锁，U1为―0‖时脉冲开放。

U2代表反组脉冲封锁信号，U2为―1‖时脉冲封锁，U2为―0‖时脉冲开放。 UT、UI、U1、U2表示―1‖，UT、UI、U1、U2表示―0‖。

按系统运行状态，可列出各量要求的状态，如表4-1所示，并根据封锁条件列出逻辑代数式。

表4-1 逻辑判断电路各量要求的状态 运 行 状 态 正向起动，I=0 正向运行，I有 正向制动，I有 正向制动，I=0 反向起动，I=0 反向运行，I有 反向制动，I有 反向制动，I＝0 根据正组封锁条件：

U1?UTUIU2?UTUIU2?UTUIU2 （3-1） 根据反组封锁条件：

U2?UTUIU1?UTUIU1?UTUIU1 （3-2） 逻辑运算电路采用分立元件，用或非门电路较简单，故将上述（3-1）式和（3-2）式最小化，最后化成或非门的形式。

U1?UTUIU2?UTUIU2?UTUIU2

?UTU2?UTUIU2?U2(UT?UTUI)

?U2(UT?UI)?U2?(UT?UI) （3-3）

UT 0 0 1 1 1 1 0 0 UI U1 U2 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 U2?UTUIU1?UTUIU1?UTUIU1 ?UTU1?UTUIU1?U1(UT?UTUI)

?U1(UT?UI)

?U1?(UI?UT)

（3-4）

根据（3-3）、（3-4）式可画得逻辑运算电路，如图3-4所示，它由四个或非门电路组成。依靠它来保证两组整流桥的互锁，并自动实现零电流时相互切换。

图3-4 逻辑运算电路

现举例说明其切换过程，例如，整流装置原来正组工作，这时逻辑电路各点状态如图3-4中―1‖、―0‖所示。

图3-5 或非门电路

UT由现在要求整流装置从正组切换到反组，首先是转矩极性信号改变极性，

―0‖变到―1‖，在正组电流未衰减到0以前，逻辑电路的输出仍维持原状（U1为―0‖，正组开放。U2为―1‖，反组封锁）。只有当正组电流衰减到零，零电流检测器的状态改变后，逻辑电路输出才改变状态，实现零电流切换，这是逻辑电路各点状态如图3-4所示。或非门电路如图3-5所示。采用锗二极管2AP13和硅开关三极管3DK4C是为了减小正向管压降。

③延时电路

前面的逻辑运算电路保证零电流切换，但仅仅采用零电流切换是不够的。因为零电流检测装置的灵敏度总是有限的，零电流检测装置变成―0‖态的瞬间，不一定原来开放组的晶闸管已经断流。因此必须在切换过程中设置两段延时即封锁延时和开放延时，避免由于正反组整流装置同时导通而造成短路。根据这个要求，逻辑装置在逻辑电路后面接有延时电路。

图3-6 延时电路

延时电路如图3-6所示，其工作原理如下：当延时电路输入为―0‖时，输出亦为―0‖态（BG1截止、BG2导通），相应的整流桥脉冲开放。当输入由―0‖变为―1‖时，电容C经R1充电，经一定延时后，BG1导通，BG2截止，即输出由―0‖延时变―1‖。相应的整流桥脉冲延时封锁。其延时时间由R1C决定，这里整定为3ms。当输入出―1‖变―0‖时，电容C的电荷要经过R2和BG1基射极回路放电，经一定延时后，BG1截止，BG2导通，即输出由―1‖延时变―0‖。相应的整流桥脉冲延时开放。其延时时间由CR2参数决定，这里整定为10ms，这样就满足了―延时3ms封锁‖、―延时10ms开放‖的要求。

④逻辑保护

逻辑电路正常工作时，两个输出端总是一个高电位，一个低电位，确保任何时候两组整流一组导通，另一组则封锁。但是当逻辑电路本身发生故障，一旦两个输出端均出现低电位时，两组整流装置就会同时导通而造成短路事故。为了避免这种事故，设计有逻辑保护环节，如图4-7所示。

逻辑保护环节截取了逻辑运算电路经延时电路后的两个输入信号作为一个或非门的输入信号。当正常工作时，两个输入信号总是一个是高电位，另一个是低电位。或非门输出总是低电位，它不影响脉冲封锁信号的正常输出，但一旦两个输入信号均为低电位时，它输出一个高电位，同时加到两个触发器上，将正反两组整流装置的触发脉冲全部封锁了，使系统停止工作，起到可靠的保护作用。

图3-7 逻辑保护装置结构图

由电平检测、逻辑运算电路、延时电路、逻辑保护四部分就构成了无环流逻辑装置。其结构如图3-8所示。

图3-8 无环流逻辑装置结构图

四．逻辑无环流可逆调速控制系统各种运行状态

1.1 正向起动到稳定运转

*当给出正向起动讯号，Un为正，转速调节器ASR的输出Ui*为负，转矩极

性鉴别器DPT输出UT的状态仍为―0‖。在起动电流未建立以前，零电流检测器DPZ输出的状态也不变，仍为―0‖，所以逻辑装置输出仍封锁反向组脉冲，正向组开放。在给定电压的作用下，正向组触发器的脉冲控制角?由90?往前移动，正组整流装置VF的平均整流电压逐渐增加，电机开始正向起动，在起动过程中由正组电流调节器ACR1的调节作用使起动电流维持最大允许值，得到恒加速起动。在起动电流作用下，电动机一直加速到给定转速，进入稳定运行。当主回路电流建立后，通过电流检测装置送给零电流检测器DPZ一个信号Ui0为正，这时DPZ的输出UI为―1‖，但由于逻辑电路的记忆作用，其输出状态不变，正向组开

*放，反向组封锁。电动机稳定运行，转速的高低取决于给定电压Un的大小，改*变Un的大小，可以在一定范围内任意调速。

1.2 正向减速过程

*正向减速时，则要突减给定电压Un（其极性不变），系统便进入降速过程。

本系统降速过程可分为以下四个阶段：

①.本桥逆变阶段

*由于Un极性不变，仅数值突然减小，而转速来不及改变，所以使得转速调

节器ASR的输入偏差为负，其输出Ui*立即变正，但电枢电流不为零，逻辑装置的输出不发生翻转。此时电流调节器为负的最大值，?min?30?，使正向整流装

置进入逆变状态。电枢电流Id减小，主回路电感通过处于逆变状态的正组整流装置将能量回送电网。此过程一直进行到Id衰减到零，本桥逆变结束。

②.第一次切换

当Id衰减到零，本桥逆变结束，零电流检测器输出UI从1态变为0 态，经封锁延时tdbl，逻辑装置的输出U1从0态变为1态，封锁正组整流装置触发脉冲，再经开放延时tdt，U2由1态变为0态，开放反组晶闸管整流装置脉冲。但是，在tdt延时过程中，逻辑装置输出U1已经变为1态，而U2还没有变为0态仍是1态，但由于推?环节的T型滤波网络的惯性，可以将逆变状态保持一小段时间，避免了换向时电流的冲击。

③.他桥逆变阶段

经过tdt延时后，逻辑装置的输出U2变为0态。此阶段电流调节器输出退出负限幅值，向正的Uctf变化，?前移（向增大方向移），当反组的逆变电压小于电动机反电势后，建立反向组的逆变电流。在反电势作用下，这个逆变电流上升到（?Idm）后，电动机的转速n直线下降，反组整流装置处于有效逆变状态，电动机处于发电制动状态，通过反组整流装置逆变将电机的机械能回馈到电网，称此过程为它桥回馈制动。

待电动机转速下降到新的转速给定电压后，转速调节器的输入偏差为正，转速调节器的输出Ui*退出限幅成为负值。由于此时电枢电流不为零，逻辑装置输出不翻转。这时电流调节器输出为负的限幅值Uctf，则?min?30?，反组整流装置输出逆变电压又变为最大值，使反组逆变电流减小，在主回路电感两端产生感应电势，阻碍逆变电流减小。电感释放能量，维持反组继续逆变工作。此过程仍为它桥逆变，其作用迫使逆变电流衰减到零。

④.第二次切换

当反组逆变电流衰减到零后，逻辑装置经tdbl延时，U2变为1态，封锁反组脉冲，再经tdt延时，U1变为0态，开放正组脉冲。待电流调节器输出Uctf变为正值并且正组整流电压Ud1?E后，建立整流电流Id1，使正组整流装置又重新进入整流状态工作。电枢电流开始上升，待电流上升到负载电流值并略有超调后，经系统调节作用，使系统重新稳定于正向低速度运行状态。

1.3 正转制动

*当给定停车命令后，Un?0，由于机械惯性，转速负反馈仍存在，在它的作

用下，转速调节器的输出Ui*由负变正。因此DPT输出UT由―0‖变―1‖，如图5-1

所示。但是只要电流未衰减到零，DPZ输出UI仍为―1‖。或非门HF1、HF2状态不变，逻辑装置总输出状态亦不变，仍维持正组整流装置电流导通，只有当DPZ输出变为―0‖即电流过零了，或非门HF2输出的状态才改变，由―0‖变为―1‖，HF4输出的状态由―1‖变为―0‖，致使HF3的输出由―0‖变―1‖。经延时电路延时3ms后输出由―0‖变―1‖，逻辑装置输出至正组触发器的脉冲封锁信号U1由―0‖经tdbl延时后变―1‖，即当电流过零后正组整流装置的脉冲经tdbl封锁延时后被封锁。在HF4输出的状态由―1‖变―0‖后，经延时电路，延时10ms后输出由―1‖变―0‖，故它的输出由―1‖变―0‖时延时tdt（7ms）逻辑装置输出至反组触发器的脉冲封锁信号U2由―0‖经tdt延时后变―1‖，即当电流过零后反组整流装置的脉冲经tdt开放延时后开放。

从制动过程来看大体可以分为两个阶段。制动的第一阶段是主回路电流过零以前，这是由于转速调节器输出Ui*改变了极性，正组触发装置GTF的输入移相控制信

图5-1 制动时的逻辑电路图

号Uctf变负，而正组整流装置仍然是导通的，故处于逆变状态。主回路电感很快衰减，释放能量，通过处于逆变状态的正组整流装置将能量送回电网，这个过程称为―本桥逆变‖过程。这个过程是很短的，因为此刻Ldi?Udf?E（E—电机dt的反电势，Udf—正组整流装置的逆变电压），所以电流的衰减是很快的。

制动的第二阶段，也就是制动的主要阶段，是在切换到反组整流装置以后。当切换开始，由于转速调节器的输出由负变正。这个极性使U1为正，对正组整流装置是逆变状态（??90?）。而使U2为负，对反组整流装置则是整流状态（??90?）。因此，刚切换过来反组整流装置开放时是处在整流状态，其整流电

压与电动机反电势同极性相串联，形成很大的制动电流，这电流通过电流调节器的作用才把反组的触发脉冲推向??90?的逆变状态，而且维持电流为恒值，直到最后电机转速制动到零为止。

同理，可分析反向时的各种运行状态。当反向起动的主令信号给出后，由于首先要完成逻辑切换，解除反向组触发脉冲的封锁，因此反向起动要滞后一个延时时间。

1.4 停车状态

*停车时，转速给定信号Un?0，转速调节器ASR和电流调节器ACR的输出

Ui*和Uct均为零，触发器GT输出的触发脉冲在??90?位置，变流装置输出整流电压为零，电动机处于停止状态。此时，零电流检测器DPZ的输出UI为0态，但转矩极性鉴别器输出UT的状态却有两种可能：一种是Ui*由负变为零，则UT为0态；另一种是Ui*由正变为零，则UT为1态。所以停车状态是正组晶闸管有脉冲，还是反组晶闸管有脉冲，则视接通电源时，UT的状态而定，或者是系统已经工作了一段时间之后，则由停车前一时刻的状态而定。为方便以下分析，先假设停车时，UT为0态，UI为0态，则U1为0态，U2为1态，此时再正向起动，其逻辑装置不必进行切换；若是再反向起动，逻辑装置输出就应切换，且有

tdbl?tdt的延时，才能反向起动，比正向起动拖长了约10ms的时间。

五．系统参数计算及测定

1.1 电枢回路电磁时间常数

①.主回路总电阻

如图5-2接线，拉掉电机磁场，利用单组整流桥试验。先在主回路中串入电阻R1，调节触发装置输入电压Uct，使整流电压为115V，整流电流为93A，然后使Uct固定不变，主回路加串一段电阻R2，整流电流由93A降到47A，整流电压由115V升到120V。

?U?120V?115V?5V

?I?93A?47A?46A

图5-2 整流电源内阻测试线路

整流电源内阻

Rn??U5??0.125? ?I46电动机电枢电阻

12UeIe?Pe12220?305?60?103RS?(～)?0.038～0.051? ?(～)222323305Ie取RS?0.04? 平波电抗器的电阻

RP?2%Re?2%?主回路总电阻

Ue220?0.02???0.0144? Ie305R??1.2(Rs?Rn?RP)?1.2?(0.04?0.125?0.0144)??0.215? 式中 1.2——环境温度为75?C时电阻值修正系数 ②.主回路总电感

由第三章计算知电枢电感Ls?1.202mH，折算到变流变压器二次侧每相绕组漏电感LB?0.084mH，平波电抗器电感L?0.75mH 故主回路总电感

L??La?2LB?L?2.08mH

③.电枢回路电磁时间常数

L?2.08?10?3Tl???0.0097s

R?0.2151.2 电动机机电时间常数

①.电机飞轮惯量GD2的测定

把空载的电动机起动到自然特性上，转速稳定后迅速拉开电枢电源（但保持激磁电源，并使激磁电流为额定值）用转速表记下自由停车过程中转速的变化（每隔1或2秒读一次数）读数力求准确，重复做两三次，画出n=f(t)曲线，如图5-3所示。

图5-3 飞轮惯量GD2的测定曲线

再测得在不同转速下电动机的空载损耗曲线PK?f(n)，由于MK?975PK，故n如图5-3所示。借助于MK?f(n)与PK?f(n)曲线可以转化为MK?f(n)曲线，

n?f(t)可求出电动机飞轮惯量。在n?f(t)上任取一点X，求得斜率(?n)X，再?t从曲线MK?f(n)上凭转速n的对应点找到MKX，于是：

GD2?375MKX ?n()X?t本装置实测电动机飞轮惯量GD2?8kg?m2。 ②.电动机机电时间常数

电动机转矩系数

Cm?Ce0.208??0.202V

rmin1.031.03电动机机电时间常数

GD2R?8?0.215Tm??s?0.109s

375CeCm375?0.208?0.2021.3 触发器晶闸管放大倍数的测定

图5-4 晶闸管放大倍数测定接线图

用电动机的激励绕组作为负载，按图5-4接线，在触发器上加一个可调的直流电压，用万用表测出触发器的输入电压Uc和相应的整流器输出电压Ud，画出Uc和

Ud的特性曲线，在工作点附近取一个增量，则

KS?Ud1?Ud2

UC1?UC2试验测得：KS?30

参考文献：

1．陈伯时．电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第 3 版）．机械工业出版社，2003

2．顾谷绳. 电机及拖动基础——第四版 （上、下册） 机械工业出版社，2009

3．黄俊，王兆安．电力电子技术（第 4 版）机械工业出版社，2009 4．直流电机调速系统 倪忠远 机械工业出版社， 1996

伺服驱动系统

数控机床中的伺服驱动系统取代了传统机床的机械传动，是数控机床的重要特征之一，因此在一定意义上，伺服驱动系统的性能和可靠性决定了整台数控机床的性能和可靠性。位置伺服驱动系统是由驱动系统与ＣＮＣ 系统中的位置控制部分构成的。数控机床的驱动系统主要有两种：主轴驱动系统和进给驱动系统。从作用看，前者控制机床主轴旋转运动，后者控制机床各坐标的进给运动。不论

是主轴驱动系统还是进给驱动系统，从电气控制原理来分都可分为直流驱动和交流驱动系统。直流驱动系统在２０世纪７０年代初至８０年代中期占据主导地位，这是由于直流电动机具有良好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度高，控制原理简单，易于调整等。

随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展，又推出了交流驱动系统，标志着新一代驱动系统的开始。由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机维护简单，便于制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代。 一、主轴驱动系统

数控机床要求主轴在很宽的范围内转速连续可调，恒功率范围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功能时，就要对主轴提出相应的速度控制和位置控制要求。 １．直流主轴驱动系统

由于直流调速性能的优越性，直流主轴电动机在数控机床的主轴驱动中得到广泛应用，主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的方式。 （１） 工作原理

数控机床直流主轴电动机由于功率较大，且要求正、反转及停止迅速，故驱动装置通常采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网。

１） 主电路图６－９为三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统的主电路，逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸管之间流通的电流。图６－１０为逻辑无环流可逆系统的四象限运行示意图。其工作原理如下：正组晶闸管ＶＴ１提供电动机顺时针驱动（正转）的电枢电流Ｉｄ，若速度指令由正变负，即电动机由正转到反转过程中，正组晶闸管进入有源逆变状态，将电感储能逆变回送电网。由于此时逆变是发生在原来工作着的桥路上，故称为本桥逆变，此时仍处于电动机运行状态，因而电枢电流迅速衰减。当Ｉｄ回到零时，命令级电路使正组晶闸管ＶＴ１ 完全封锁，此时正、反组晶闸管均被封锁，电动机作惯性运转。在一个安全周期后，反组晶闸管ＶＴ２ 接通，进入有源逆变状态，电

动势Ｅ 大于电枢电压Ｕｄ ，通过反组晶闸管ＶＴ２，机械能由电动机送回电网，电动机运行在发电制动状态，转速很快下降至零。由于此时逆变发生在原来封锁的桥路上，因而称为它桥逆变。如果反组在开放时处于整流状态，其整流电压与电动机电动势串联，形成电动机的电源反接制动，电流冲击很大。为此在反组开放前，在电流调节器的输入端加上一个从逻辑电路来的电压，习惯上称为推β环节，加入推β环节后，反组一开始就是发电制动，从而避免了反接制动造成的电流冲击，保证电动机从正转到反转过程中，电枢电流正向平稳下降至零再反向

平稳上升。当逆时针驱动（反转）时，晶闸管ＶＴ２ 作为整流器，晶闸管ＶＴ１ 作为逆变器，运行情况同正转，因此可四象限运行。

命令级电路的作用是防止正、反向两组晶闸管同时导通，它要检测电枢电路的电流是否到达零值，判别旋转方向命令，向逻辑电路提供正组或反组晶闸管允许开通信号，这两个信号是互斥的，由逻辑电路保证不同时出现。逻辑电路必须保证系统满足下述条件：

① 只允许向一组晶闸管提供触发脉冲。

图６－９ 三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统主电路

② 只有当工作的那一组晶闸管断流后才能撤销其触发脉冲，以防止晶闸管处于逆变状态时，未断流就撤销触发脉冲，以致出现逆变颠覆现象，造成故障。 ③ 只有当原先工作的那一组晶闸管完全关断后，才能向另一组晶闸管提供触发脉冲，以防止出现过大的电流。

④ 任何一组晶闸管导通时，要防止晶闸管输出电压与电动机电动势方向一致，导致电压相加，使瞬时电流过大。逻辑无环流可逆调速系统除了用于数控机床直流主轴电动机的驱动外，还可用于功率较大的直流进给伺服电动机。

２） 控制电路直流主轴电动机控制电路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统，其中内环是电流环，外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机，励磁绕组与电枢绕组无连接关

系，由另一路直流电源供电。图６－１１为ＦＡＮＵＣ 直流主轴电动机驱动控制示意图。磁场控制电路由励磁电流设定回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路组成，电枢电压与电枢电压经比较后控制励磁电流。以ＦＡＮＵＣ 直流主轴电动机为例，当电枢电压低于２１０Ｖ，电枢反馈电压低于６．２Ｖ 时，磁场控制回路中电枢电压反馈相当于开路不起作用，只有励磁电流反馈起作用，维持励磁电流不变，实现调压调速；当电枢电压高于２１０Ｖ，电枢反馈电压.高于６．２Ｖ 时，励磁电流反馈相当于开路不起作用，而引入电枢反馈电压。随着电枢电压的稍许提高，调节器对磁场电流进行弱磁升速，使转速上升。这样，通过速度指令，电动机转速从最小值到额定值对应电动机电枢的调压调速，实现恒转矩控制；从额定值到最大值对应电动机励磁电流减小的调磁调速，实现恒功率控制。

（２） 工作特点

图６－１０ 逻辑无环流可逆系统的四象限运行示意图

图６－１１ ＦＡＮＵＣ直流主轴电动机驱动控制示意图

直流主轴驱动装置双闭环调速系统以速度调节器的输出作为电流调节器的给定信号来控制电动机的电流和转矩。其优点在于：可以根据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩，以便尽快地使电动机的转速达到给定值；而当转速接近给定值时，又能使电动机的转矩自动地减小，这样可以避免过大的超调，保证转速稳态无静差。当系统受到外界干扰时，电流环能迅速做出抑制干扰的响应，保证系统具有最佳的加速和制动的时间特性。

另外，双闭环调速系统以速度调节器的输出作为电流调节器的输入给定值，速度调节器的输出限幅值就限定了电流环中的电流。在电动机起动或制动过程中，电动机转矩和电枢电流急剧增加，使电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到给定值时，速度调节器的输出从限幅值降下来，作为电流调节器的输入给定值使电枢电流降下来，随之电动机的转矩也将下降，开始减速。当电动机的转速小于负载转矩时，电动机又会加速直到重新回到速度给定值。因此双闭环直流调速系统对主轴的快速起停、保持稳定运行等功能是很重要的。 例题６－３ 某加工中心采用直流主轴电动机、逻辑无环流可逆调速系统。起动时有“咔、咔”的冲击声，电动机换向片上有轻微的火花，起动后，无明显的异常现象；用Ｍ０５ 指令使主轴停止运转时，换向片上出现强烈的火花，同时伴有“叭、叭” 的放电声，随即交流回路的保险丝熔断。火花的强烈程度与电动机的转速有关，转速越高，火花越大，起动时的冲击声也越明显。用急停方式停止主轴，换向片上没有任何火花。 分析：

该机床的主轴电动机有两种制动方式： （１） 电阻能耗制动，只用于急停。

（２） 回馈制动用于正常停机。主轴直流电动机驱动系统是一个逻辑无环流可逆控制系统，任何时候不允许正、反两组晶闸管同时工作，制动过程为“本桥逆变—电流为零—它桥逆变制

动”。根据故障特点，急停时无火花，而用Ｍ０５指令时有火花，说明故障与逆变电路有关。它桥逆变时，电动机运行在发电机状态，导通的晶闸管始终承受着正向电压，这时晶闸管触发控制电路必须在适当时刻使导通的晶闸管受到反压而被迫关断。若是漏发或延迟了触发脉冲，已导通的晶闸管就会因得不到反压而继续导通，并逐渐进入整流状态，其输出电压与电动势成顺极性串联，造成短路，引起换向片上出现火花、熔丝熔断的故障。同理，起动过程中的整流状态，若漏发触发脉冲，已导通的晶闸管会在经过自然换向点后自行关断，这将导致晶闸管输出断续，造成电动机起动时的冲击，因此，本故障是由晶闸管的触发电路故障引起的。

例题６－４ 某加工中心主轴在运转时抖动，主轴箱噪声增大，影响加工质量。经检查，主轴箱和直流主轴电动机正常，为此把检查转移到主轴电动机的控制系统上来。 分析：

经测试，速度指令信号正常，而速度反馈信号出现不应有的脉冲信号，问题出在速度检测元件即测速发电机上。当主轴电动机运转时，带动测速发电机转子一起运转，这样测速发电机输出功率正比于主轴电动机的直流反馈电压。经检查，测速发电机碳刷完好，但换向器因碳粉堵塞，而造成一绕组断路，使得测速反馈信号出现规律性的脉冲，导致速度调节系统调节不平稳，使驱动系统输出的电流忽大忽小，从而造成电动机轴的抖动。用酒精清洗换向器，彻底消除碳粉，即可排除故障。

２．交流主轴驱动系统

随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴电动机配变频器控制的方式。变频器的控制方式从最初的电压空间矢量控制（磁通轨迹法）到矢量控制（磁场定向控制），发展至今为直接转矩控制，从而能方便地实现无速度传感器化；脉宽调制（ＰＷＭ）技术从正弦ＰＷＭ 发展至优化ＰＷＭ 技术和随机ＰＷＭ 技术；功率器件由ＧＴＯ、ＧＴＲ、ＩＧＢＴ 发展到智能模块ＩＰＭ，功能得到进一步完善。 （１） 工作原理

以西门子６ＳＣ６５０系列交流主轴驱动系统为例进行分析。西门子６ＳＣ６５０ 系列交流主轴驱动装置由１ＰＨ５、１ＰＨ６系列交流主轴电动机与晶体管脉宽调制变频器组成数控机床的主轴驱动系统，可实现主轴自动变速、主轴定位控制和主轴Ｃ轴进给。图６－１２为西门子６ＳＣ６５０系列交流主轴驱动装置原理图。图６－１３所示为６ＳＣ６５０系列主轴驱动系统组成。

图６－１２ 西门子６ＳＣ６５０系列交流主轴驱动装置原理图

１） 电网端逆变器电网端逆变器是由六只晶闸管组成的三相桥式全控整流电路，通过对晶闸管导通角的控制，既可工作在整流方式，向中间电路直接供电，也可工作于逆变方式，完成能量反馈电网的任务。

２） 控制调节器控制调节器将整流电压从５３５Ｖ 上调到５７５Ｖ±５７５Ｖ×２％，并在变流器逆变工作方式时，完成电容器Ｃ 对整流电路的极性变换。 ３） 负载端逆变器负载端逆变器由带反并联续流二极管的６ 只功率晶体管组成。通过磁场计算机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）电压，使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。输出的三相ＳＰＷＭ 电压幅值控制范围为０～４３０Ｖ，频率控制范围为０～３００Ｈｚ。在回馈制动时，电动机能量通过交流器的６只续流二极管向电容器Ｃ充电，当电容器Ｃ上的电压超过６００Ｖ 时，就通过控制调节器和电网端交流器把电容器Ｃ 上的电能经过逆变器回馈给电网。６只功率晶体管有６个互相独立的驱动级，通过对各功率晶体管的监控，可以防止电动机过载以及对电动机绕组匝间进行短路保护。 ４） 编码器电动机的实际转速是通过装在电动机轴上的编码器进行测量的。 ５） 闭环转速和扭矩控制闭环转速和扭矩控制以及磁场计算机是由两片１６ 位分数处理器

（８０１８６）所组成的控制组件完成的。 （２） 组件

对于大功率的６ＳＣ６５０４至６ＳＣ６５２０变频器（输出电流４０／２００Ａ），其功率部件是安装在散热器上的；对于较小功率的６ＳＣ６５０系列交流主轴驱动变频器（输出电流２０／３０Ａ），其功率部件是安装在印制线路板Ａ１上的，如图６－１３（ｂ）所示，主要组件如下：

１） 控制模块（Ｎ１） 控制模块（Ｎ１）包括两片８０１８６，五片ＥＰＲＯＭ。完成电网端逆变器的触发脉冲控制、矢量变换计算以及对变频器进行ＰＷＭ 调制。

２）Ｉ／Ｏ 模块（Ｕ１） Ｉ／Ｏ 模块（Ｕ１）通过Ｕ／ｆ变换器为Ｎ１组件处理各种Ｉ／Ｏ 模拟信号。

３） 电源模块（Ｇ０１） 电源模块（Ｇ０１）和中央控制模块（Ｇ０２）除供给控制电路所需的各种电源外，在中央控制模块（Ｇ０２）上还输出各种继电器信号至数控系统进行控制。

４） 选件（Ｓ１） 选件（Ｓ１）配置主轴定位电路板或Ｃ轴进给控制电路板，通过内装轴端编码器

图６－１３ ６ＳＣ６５０系列主轴驱动系统组成

１—用于测速的编码器及电动机温控插座；２— 风扇接线盒；

３—用于定位的轴端编码器；４— 主轴电动机三相电源接线盒或外装轴端编码器对主轴进行定位或Ｃ轴控制。 （３） 工作特点

西门子６ＳＣ６５０系列交流主轴驱动系统具备开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、效率高、噪声小、故障率低、有效控制干扰等优点。 ３．常用主轴驱动系统介绍

（１）ＦＡＮＵＣ公司主轴驱动系统

从１９８０年开始，该公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机为：Ｓ系列电动机，额定输出功率范围１．５～３７ｋＷ；Ｈ 系列电动机，额定输出功率范围１．５～２２ｋＷ；Ｐ 系列电动机，额定输出功率范围３．７～３７ｋＷ。该公司 交流主轴驱动系统的特点为：

① 采用微处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。

② 主电路采用晶体管ＰＷＭ 逆变器，使电动机电流非常接近正弦波形。 ③ 具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。 （２）ＳＩＥＭＥＮＳ公司主轴驱动系统

ＳＩＥＭＥＮＳ公司生产的直流主轴电动机有ＩＧＧ５、ＩＧＦ５、ＩＧＬ５ 和ＩＧＨ５四个系列，与上述四

个系列电动机配套的６ＲＡ２４、６ＲＡ２７系列驱动装置采用晶闸管控制。２０世纪８０年代初期，该公司又推出了１ＰＨ５和１ＰＨ６两个系列的交流主轴电动机，功率范围为３～１００ｋＷ。驱动装置为６ＳＣ６５０系列交流主轴驱动装置或６ＳＣ６１１Ａ 主轴驱动模块，主电路采用晶体管ＳＰＷＭ 变频控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用微处理器８０１８６可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。通过选件可实现Ｃ 轴进给控制，在不需要ＣＮＣ 系统的帮助下，实现主轴的定位控制。 二、进给驱动系统 １．工作原理

数控机床进给驱动系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链等组成，进给驱动系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。ＣＮＣ 系

统根据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置控制指令，同时，位置检测装置将实际位置检测信号反馈至ＣＮＣ 系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元伺服驱动电机带动滚珠丝杠传动实现进给运动。 ２．常用进给驱动系统介绍

（１）ＦＡＮＵＣ公司进给驱动系统

从１９８０年开始，ＦＡＮＵＣ 公司陆续推出了小惯量Ｌ系列、中惯量Ｍ 系列和大惯量Ｈ 系列直流伺服电动机。ＦＡＮＵＣ 公司在２０世纪８０年代中期推出了晶体管ＰＷＭ 控制的交流驱动单元和永磁式交流同步电动机，驱动装置有α系列交流驱动单元等，电动机有Ｓ 系列电动机、Ｈ 系列电动机、ＳＰ系列电动机和Ｔ 系列电动机。

（２）ＳＩＥＭＥＮＳ公司进给驱动系统

ＳＩＥＭＥＮＳ公司在２０世纪７０年代推出了１ＨＵ 系列永磁式直流伺服电动机，与其配套的速度控制单元有６ＲＡ２０和６ＲＡ２６两个系列，前者采用晶体管ＰＷＭ 控制，后者采用晶闸管控制。之后，该公司又推出了交流驱动装置，由６ＳＣ６１０系列驱动装置和６ＳＣ６１１Ａ 系列驱动模块、１ＦＴ５和１ＦＴ６系列永磁式交流同步电动机组成。 三、伺服驱动系统的常见故障分析

当伺服驱动系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在ＣＲＴ 显示器或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在驱动装置上用报警灯或数码管显示驱动装置的故障；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。伺服驱动系统常见故障分析如下： １．主轴电动机不转

（１） 主轴电动机故障，需维修或更换； （２） 主轴驱动装置故障，需维修或更换；

（３）ＣＮＣ系统无速度控制信号输出，需检查接口及ＣＮＣ系统排除故障； （４） 润滑、冷却等主轴的起动条件不满足，需维修或更换油液。 ２．主轴驱动出现随机和无规律性的波动

（１） 外界电磁干扰使主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，需消除电磁干扰源；

（２） 屏蔽和接地措施不良，需检查并调整；

第二章 转速、电流双闭环直流调速系统

2.1.1 n-i双闭环系统的组成（如书本P53图2-2）：

1，如图可知：n环—外环,主环, 主要作用：调转速；ASR（转速调节器）输出-- i环的给定通过调电流来调转速。 2，i环--内环,辅环,作用是：调电流，i环通过调电压来调电流是n环前向通道的一个环节 。 3，ASR（转速调节器）的作用：输出限幅U*im--决定电流(给定电压)的最大值； 4，ACR（电流调节器）的作用：输出限幅Ucm --决定最大输出电压Udm。 5，n-i双闭环系统电路结构（如图书本P54图2-3）：要求会标记各电压极性； 2.1.2 稳态结构图和静特性 1，结构框图如图所示：

2，限幅作用：因为限幅使调节器饱和，导致①产生最大操作量；②失去线性控制能力。 2.2.2 起动过程分析 Ⅰ阶段：恒流调节 1，ASR: 突加U*n→ΔUn =Un*大值 →输出Ui*↑→饱和Uim* 起动过程:n 0→PI的I功能维持饱和；ASR产生最大电流给定

2，ACR : 按电流给定Uim*升压,调Id=Uim*/β；电机以最大电流升速起动 Ⅱ阶段：恒转速调节

3，n升至超速n>n*→ΔUn<0 →ASR退饱和(I功能,输出↓)→恢复线性调速功能→Ui*↓ →ACR降Id →n↓，经衰减波动调节过程→n=n*,Id=IL。 2.2.3 动态抗扰性能分析

1，n-i双闭环静特性、动态限流、起动快速性、抗网压扰动性能比n单闭环优；而n单闭环抗负载扰动的性能比n-i双闭环优。 2.3 调节器的工程设计方法 2.3.1 工程设计处理：

1， 高频段小惯性群近似为惯性环节；低频段大惯性近似近似为积分环节。 2.3.2 典型系统

1，2阶I型最佳系统动态性能：（1）跟随性好，超调小；（2）抗扰性差，恢复慢；（3）跟随超调越大→抗扰恢复越快。 2，3阶2型最佳系统动态性能：（1）(线性)跟随性差:超调大；（2）抗扰性好:恢复快（3）最大超速Δn=1.62*(R/CeΦ)ΔI*(TΣn/Tm)。

3，退饱和后: 超速Δnm与终速无关;超调σ与终速有关。 2.4 调节器的设计及参数计算： 1，电流调节器的实现：（书本P78及例题2-1）

TR参数：

Kpi?(l) 2Ks?T?i

Ci?Tl/RiRi?KpiR0

2，转速调节器的参数计算 Cfi?4Tfi/R0

记中频宽h??n/T?n

(h?1)?Ce?Tm Rn?KpnR0Kpn?2h?RT?n

Cn??n/Rn

Cfn?4Tfn/R0

（书本P82及例题2-2） 2.5（略）

2.6 压磁配合控制的直流调速系统（如书本P92图2-36）

1，调压回路：n-i双闭环，通过调Un*调速，调磁回路：电压U-磁场F双闭环. 给定Uv*固定，自动实现基速以下恒(满)磁，以上恒(满)压减磁 2，调磁回路--电压U-磁场F双闭环：

（1）电压U环--主(外)环：作用：调压，通过调电机磁场调压，输出Uif*--励磁给定, 饱和值Uifm*对应额定磁场 ---电压环通过调励磁力图 恒定电枢电压为额定

（2）磁场F环—内(辅)环,U环前向通道一环节.作用：调磁，通过调励磁回路电压调磁。 3，系统工作原理： （1）基速以下

调压回路(n-i双闭环)调速→结果Ud0→AUR(I作用) →输出Uif*增至饱和→产生恒满磁给定→F环AFR调磁→恒满磁 （2） 基速以上

调压回路(n-i双闭环)调速过程 ↑Ud > UN→调磁回路U环: Uv >Uv* →ΔUv<0→AUR↓输出Uif* →F环减磁→ n↑升→ 超速→调压回路↓Ud ?→ 稳态 Ud= UN。 （3）基速以上调速过程：先过压→减磁→超速→降压→稳态恒压；调速过程Ud,n必然波动。 4，系统性能改善：

（1）U环用部分电压反馈可以减小动态波动； （2）F环用?环反馈代替i环反馈可以加快响应；

（3）加调磁回路后,n环应加自适应环节(Φm / Φ) ,以保持动态性能。

第三章（暂略）

第四章 可逆直流调速系统和位置随动系统

4.1、可逆直流调速系统

所谓可逆直流调速系统是指：系统电流、电磁转矩可逆的直流调速系统。 4.1.1PWM电枢可逆直流调速系统（适用于中小功率系统） 4.1.2 有环流控制的可逆晶闸管——电动机系统（V-M系统） 1，两组晶闸管装置反并联可逆线路

（1）V-M系统反并联可逆线路的工作状态（书本P124表4-1）

（2）励磁可逆线路：①优点装置容量小；②缺点励磁绕组的电感大,响应慢反向经0磁，控制复杂。

2，可逆V-M系统中的环流问题

（1）环流: VF,VR同时导通时，不流过负载， 只在VF,VR、电源间流通的短路电流

（2）环流的分类：①静态环流，包括直流环流，脉动环流；②动态环流控制角α变化过程的环流。 （3）配合控制：αf +αr≥180°αf≥βr → α≥β，Uc=0→αf =αr =初相位α0 ≥90 ° Αf和ar为控制角 ，βr为逆变角。

（4）环流的处理：①自然环流系统直流环流用配合控制消除；②脉动环流用电抗抑制。 （5）环流前后，换流前正组逆变;换流后反组整流。

（6）可控环流系统环流控制原则：环流随负载增大减小至消失。

（7）有环流可逆系统特点：过渡平滑、响应快，但环流与电抗器加大系统风险与成本。 4.1.2 无环流可逆V-M系统

1，逻辑无环流可逆系统结构与工作原理（见书本P130图4-11）

（1）VF/VR工作原则：①Id≠0时, 维持原整流器组工作--整流或逆变--无论Ui*(Id要求)为 + 或 – ②切换原则：Id回0时,根据Ui*极性切换；

（2）逻辑无环流系统问题与改进：①增加反组逆变,减小电流冲击；②有准备推β切换: 推β至满足:Uβ=E ,消除推β时间死区。推β用正反馈实现记忆。 2，逻辑无环流系统特点

（1）优点：无环流电抗,系统成本降低;无环流损耗与风险,可靠性提高 （2）缺点：有切换时间死区，影响快速性。 4.2 位置随动系统

4.2.1 位置随动系统的组成（书本P133了解） 4.2.2 位置随动系统与调速系统的比较

1，调速系统---恒值控制，主要问题是抗扰；

2，随动系统---跟踪控制，主要问题是跟随；调速系统是随动系统前向通道的一环节。

4.2.3 位置传感器主要有：电位器、基于电磁感应的位置传感器、光电编码器、磁性编码器 4.2.4 位置随动系统的稳态误差分析 1，跟随性能：（I型、II型系统相比较） 终值误差e(∞)

=(1/K)(d/dt)m+1x(t)|t→+∞

I型系统 II型

输入x(t) m+1 = 1 2 --积分环节 位置 C 终值ep(+∞)= 0 0 均速 Vt ev(+∞)= V/K 0 均加速 at2/2 ea(+∞)= +∞ a/K 直接跟踪终值误差 差 好 但 相裕/稳定性 大/高 小/低 带宽/动态响应 宽/快 窄/慢 4.2.5 位置随动系统的抗扰分析级校正

1，系统的主要扰动来自调速系统内部其消除方法主要有以下两种： （1），开环调速抗扰：f前积分个数m >/= f阶数 ---扰动误差→0/恒值 （2），闭环调速抗扰: 通常调速系统都用闭环,提高抗扰动能力；

①抗扰前馈控制：可主动快速减小扰动偏差,但不能消除偏差，属于粗调。 ②抗扰反馈控制：被动慢速，可消除误差，属于细调。 ③复合控制：复合控制=反馈控制+前馈(给定,抗扰)控制

2，若n环改为加速度a环：可限制起动加速度与制动的减速度,防机械冲击、也可间接限制了电机电流。

目 录

第一章MCL系统挂箱介绍和使用说明.................................. 35 1.1零速封锁器（DZS） ........................................... 35 1.2 FBS（速度变换器） ........................................... 36 1.3 ASR（速度调节器） ........................................... 37 1.4 ACR（电流调节器） ........................................... 37 1.5 MCL—34挂箱 ................................................ 38 1.6 MCL—10挂箱 ................................................ 41 第二章自动控制系统实验............................................ 42 2.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 ...................... 42 2.2 晶闸管直流调速系统主要单元调试 .............................. 49 2.3 不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 ........................ 53 2.4双闭环晶闸管不可逆直流调速系统 .............................. 56 2.4双闭环晶闸管不可逆直流调速系统 .............................. 57 2.5逻辑无环流可逆直流调速系统 .................................. 61 2.5逻辑无环流可逆直流调速系统 .................................. 62 2.6双闭环可逆直流脉宽调速系统 .................................. 67

第一章MCL系统挂箱介绍和使用说明

1.1零速封锁器（DZS）

零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输出使电机爬行的不正常现象。原理电路如图1.1所示。

它的总输入输出关系是：

（1）当1端和2端的输入电压的绝对值都小于0.07V左右时，则3端的输出电压应为0V；

（2）当1端和2端的输入电压绝对值或者其中之一或者二者都大于0.2V时，其3端的输出电压应为―15V；

（3）当3端的输出电压已为―15V，后因1端和2端的电压绝对值都小于0.07V，使3端电压由―15V变为0V时，需要有100毫秒的延时。

3端为OV时输入到各调节器反馈网络中的场效应管，使其导通，调节器反馈网络短路而被封锁，3端为―15V时输入到上述场效应管使其夹断，而解除封锁。具体原理如下：

它是由两个山形电平检测器和开关延时电路组成。

（1）DZS前半部分别由线性集成电路A1：A和A1：B组成二个山形电平检测器，山形电平检测器的输入输出特性如图1.2所示，输入电压是指1或2端送入的电压（S3放在封锁位），输出电压是指在4或5上得到的电压。调整参数到输出电压突跳的几个输入电压为：

Ua=―0.2V Ub=―0.07V Uc=+0.07V Ud=+0.2V

输出正向电压无限幅，约为+12V，输出负向电压用二极管VD9和VD10箝位到―0.7V。

（2）DZS的后关部为开关延时电路

（a）当1和2端电压绝对值均小于0.07V，则4和5得到的电压都为+15V，高电平为“1”态，输入单与门4011，其输出10脚也为“1”态，二极管VD11截止，这样单与非门的输入为“1”态，输出3脚为“0”态，VD12导通，使稳压管VST不能击穿，所以三极管VT1截止，从而3端输出为0V。

（b）当1和2端电压绝对值或其中之一或二者都大于0.2V时，则在4和5上或者4为―0.7V，或者5为―0.7V，或者4、5均为―0.7V，低电平为“0”态，三种情况输入D：C，其输出都为“0”态，VD11导通，接0V，D:A输入为“0”态，其输出为“1”态，使VD12截止，稳压管VST在30V的电压作用下而击穿，VT1饱和导通，可使3端输出为―15V。

（c）当已在（b）的情况，3端子输出为―15V，此时D:C的输出为0V，D:A上输入电压接近0V。若要回到（a）的情部，则D：C的输出先由“0”态变成“1”态，VD11截止，D:A上输入上电压应为+15V，但电容C5二端电压不能突变，+15V电源通过R27对C5充电，C5电压逐步上升，上升到一定数值后D：A的输出由“1”态变为“0”态，从而使3端输出为0V，所以3端由―15V变为0V有一延时时间，其延时长短取决于R27C5的充电回路时间常数。

（d）钮子开关S3有二个位置，放在“封锁位”，用在调速系统正常工作的情况，即为上述分析情况，放在“解除位”，A1：A组成的山形电平检测器输入总是+15V，3端子电位总是―15V，使各调节器解除封锁，以便单独调试调节器用。

1.2 FBS（速度变换器）

速度变换器（FBS）用于转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈。

其原理图如图1.3所示。

使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2。分两路输出。

（1）一路经电位器RP2至转速表，转速表(0??2000n/s)已装在电机导轨上。

（2）另一路经电阻及电位器RP，由电位器RP中心抽头输出，作为转速反馈信号，反馈强度由电位器RP的中心抽头进行调节，由电位器RP输出的信号，同时作为零速封锁反映转速的电平信号。

元件RP装在面板上。 1.3 ASR（速度调节器）

速度调节器ASR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。

它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图1.4所示。

转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。

速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1.4中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。

元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。 1.4 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。其原理图如图1.5所示。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?信号，来自电流变换器的过流信号U?，当该点电位高于某值时，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，由外接电容来改变。

1.5 MCL—34挂箱

MCL—34为逻辑无环流可逆直流调速专用挂箱。由AR(反号器)、DPT（转矩器性鉴别器）、DPZ（零电流检测器）、DLC(逻辑控制器）构成。

1．AR（反号器）

反号器AR由运算放大器

及有关电阻组成，如图1.6所示。用于调速系统中信号需要倒相的场合。

反号器的输入信号由运算放大器的反相端接入，故输出电压为

USC=-（RP+R3）/R1 调节RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP+R3=R1，则USC=-USR，输入与输出成倒相关系。元件RP装在面板上。

2．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。其原理图如图1.7所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图1.8所示，具有继电特性。调节同相输入端电位器可以改变继电特性相

对于零点的位置。特性的回环宽度为

Uk=Usr2-Usr1=K1(Uscm2-Uscm1) 式中K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越大，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；Uscm2和Uscm1分别为正向和负向饱和输出电压。

逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.2?0.6V，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。

3．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，其原理图和输入输出特性分别如图1.9和图1.10所示。

4．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）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。其原理图如图1.11所示。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

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