邏輯無環流可逆直流調速系統設計

摘 要：本文介紹了邏輯無環流可逆直流調速系統的基本原理及其構成，并對其控制電路進行了計算和設計。經過設計研究發現，和有環流系統相比，邏輯無環流可逆直流調速系統省去了環流電抗器，沒有了附加的環流損耗，節省變壓器和晶閘管裝置的附加設備容量，因換流失敗造成的事故率大為降低。

關鍵詞：邏輯無環流；可逆調速；直流電機；

文章編號：1674-3520（2015）-12-00-01

隨著電力傳動裝置在現代化工業生產中的廣泛應用，拖動控制的電機調速系統在工農業生產、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機調速的研究有著積極的意義。眾所周知，在工業控制中，和交流調速系統相比，由于直流調速系統的調速精度高，調速范圍廣，變流裝置控制簡單，長期以來在調速傳動中占有統治地位，常用于寬范圍平滑調速、起動性能好等需要高性能可控電力拖動的直流調速自動控制系統。根據對環流的不同控制方式，可逆系統可分為有環流可逆系統與無環流可逆系統。本課題主要基于邏輯無環流可逆系統的應用研究，它表示當一組晶閘管工作時，用邏輯控制電路封鎖另一組晶閘管的觸發脈沖，使另一組完全處于阻斷狀態，確保兩組晶閘管不同時工作，從根本上切斷了環流的通路。

一、概述

（一）課題背景。隨著微計算機控制技術的發展，直流傳動系統已經廣泛使用單片機，實現了全數字化控制。直流調速系統較以往的模擬直流調速系統相比具有以下幾個方面：1、高精度。其內部的運算采用數字的方式帶來了普通模擬系統無法實現的高精度。 2、操作簡單。在數字的驅動器中只需使用統一的菜單選項即可完成修改任務。3、功能強大。集成了智能模塊的數字驅動器可以由程序控制獨立完成對被控對象的參數采集和相應的控制參數的選擇。4、體積小。與模擬系統的大型控制柜相比，使得整個系統的體積縮小。5、可靠性高。數字驅動器使用的分立元件很少，而且集成的分立元件均為可靠性產品。6、成本低。與使用工控機的系統相比，專業的數字驅動器更具有價格優勢。

（二）國內外研究現狀及應用背景。1、國外研究現狀。80年代以來，由于電力電子技術、計算機技術和通信技術的飛速發展。使得直流調速系統數字式方面的研究受到了很多國家的重視，目前，國際上出現了各種型號的全數字直流調速裝置，以德、日、美、英為主要生產國。它們的一些公司相繼推出各自的產品，有成熟的系列化、標準化、模板化的應用產品供選用。如英國CT公司是電氣傳動設備、伺服控制系統及過程控制傳感專業的制造商，總部設在英國，；美國的羅克韋爾（Rockwell）公司也是生產直流驅動器的主要公司，它的產品為PowerFlex700s是PowerFlex系列產品中最新產品。美國通用（GE）公司，它的產品為直流調速器DV300。此外，目前在我國應用最為廣泛的有西門子公司的6RA70、歐陸的590系列。2、國內研究現狀。在現階段，我國自主的比較成熟的數字化直流調速裝置工業應用很少，該市場主要還是依賴于國外的品牌。由于國外先進的數字控制器價格昂貴，這也給了國產全數字控制直流調速裝置區大的發展空間。研發及更好的利用國外先進的控制器進行調速裝置的理論研究及相應的開發工作，具有重要的實際意義和重大的經濟價值。

二、系統方案選擇和總體結構設計

本設計主電路采用晶閘管三相全控橋整流電路供電方案，控制電路由軟件實現系統的功能。

（一）調速方案的選擇。調速方案的優劣直接關系到系統調速的質量。根據電機的型號及參數選擇最優方案，以確保系統能夠正常，穩定地運行。1、系統控制對象的確定。本次設計選用的電動機型號為 型，額定功率1.1KW，額定電壓230V，額定電流6.58A，額定轉速1000r/min，勵磁電壓220V，運轉方式連續。2、電動機供電方案的選擇。調節電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：旋轉電流機組，靜止可控整流器，直流斬波器和脈寬調制變換器。根據本此設計的技術要求和特點選V-M系統，選晶閘管三相全控橋整流電路供電方案。

（二）總體結構設計。全面比較單閉環和雙閉環調速系統，把握系統要求實現的功能，選擇最適合設計要求的虛擬控制電路。根據系統實際，選擇轉速，電流雙閉環調速系統。

系統結構選擇。靜特性優于單閉環系統。在動態性能方面，雙閉環系統在起動和升速過程中表現出很快的動態跟隨性，在動態抗擾性能上，表現在具有較強的抗負載擾動，抗電網電壓擾動。

三、控制電路設計

控制電路基本由單片機，觸發電路，A/D轉換，數據采集電路以及顯示電路構成。80C51單片機觸發晶閘管門極，晶閘管導通。雙閉環系統由兩個PI調節器組成，由單片機通過PI算法實現。

（一）微機控制的主要功能。1、邏輯控制。2、運算、調節和控制。3、自動保護。4、故障檢測和實時診斷

（二）8051單片機簡介。單片微型計算機SCM，也稱作微控制器，是把微型計算機主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。1、8051單片機內部結構。8051是MCS-51系列單片機的最初產品，也是MCS-51系列器件的核心。2、8051擴展系統的結構MCS—51單片機屬總線結構型單片機，系統擴展通常采用總線結構形式。1）地址總線（Address Bus，簡寫為AB）地址總線可傳送單片機送出的地址信號，用于訪問外部存儲器單元或I/O端口。3、數據總線（Data Bus，簡寫為DB）。數據總線用于在單片機與存儲器之間或單片機與I/O端口之間傳送數據。4、控制總線（Control Bus，簡寫為CB）。控制總線實際上就是一組控制信號線，包括單片機發出的，以及從其它部件送給單片機的控制或聯絡信號。

四、技術經濟分析

目前，在各種閉環直流調速系統中，電流調節器和速度調節器通常采用的是 PID控制器，其具有結構簡單、穩定性好、易于工程實現等優點。本設計所采用的芯片的平均價格：8051單片機芯片10元，A/D轉換器0809 芯片10元，8155芯片4元，2764芯片2元，以及其他一些外圍芯片等，總成本大約在200元。

五、結論

在電氣傳動系統中，邏輯控制的無環流直流調速系統應用最為廣泛，這種系統的優點是省掉了四個環流電抗器。既無直流平均環流又無瞬時脈動環流，可靠性高。常應用于反向過程平滑性不高，可靠性要求高的大型系統。

電機調速系統采用微機實現數字化控制，是電氣傳動發展的主要方向。采用微機控制后， 整個調速系統可以實現全數字化、結構簡單、可靠性提高、操作維護方便、精度可達較高水平， 各項指標均能較好地滿足工業生產中高性能電氣傳動的要求。