電力電子與電力傳動實驗、S7-300 PLC實驗

1、綜合實訓講義電力電子與運動控制技術研究班級 姓名 學號 信電學院2012.10實驗一 邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)實驗1 實驗目的(1)了解、熟悉邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)的原理和組成。(2)掌握各控制單元的原理、作用及調試方法。 (3)掌握邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)的調試步驟和方法。(4)了解邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。2 預習要求(1)閱讀電力拖動自動控制系統(tǒng)教材中有關邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的內容，熟悉系統(tǒng)原理圖和邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)的工作原理。(2)掌握邏輯控制器的工作原理及其在系統(tǒng)中的作用。3 實驗所需掛件及附件序號 型 號備 注1DJK01 電源控制屏該控制屏包含

2、“三相電源輸出”等幾個模塊。2DJK02 晶閘管主電路 3DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路該掛件包含“觸發(fā)電路”、“正反橋功放”等幾個模塊。4DJK04 電機調速控制實驗 I該掛件包含“給定”、“調節(jié)器I”、“調節(jié)器II”、“轉速變換”、“反號器”、“電流反饋與過流保護”等幾個模塊。5DJK04-1電機調速控制實驗II該掛件包含“轉矩極性檢測”、“零電平檢測”和“邏輯控制”等幾個模塊。6DJK08可調電阻、電容箱7DD03-3電機導軌、光碼盤測速系統(tǒng)及數(shù)顯轉速表8DJ13-1 直流發(fā)電機9DJ15 直流并勵電動機10D42三相可調電阻11慢掃描示波器自備12萬用表自備4 實驗線路及原理在此之前

3、的晶閘管直流調速系統(tǒng)實驗，由于晶閘管的單向導電性，用一組晶閘管對電動機供電，只適用于不可逆運行。而在某些場合中，既要求電動機能正轉，同時也能反轉，并要求在減速時產生制動轉矩，加快制動時間。要改變電動機的轉向有以下方法，一是改變電動機電樞電流的方向，二是改變勵磁電流的方向。由于電樞回路的電感量比勵磁回路的要小，使得電樞回路有較小的時間常數(shù)。可滿足某些設備對頻繁起動，快速制動的要求 。本實驗的主回路由正橋及反橋反向并聯(lián)組成，并通過邏輯控制來控制正橋和反橋的工作與關閉，并保證在同一時刻只有一組橋路工作,另一組橋路不工作，這樣就沒有環(huán)流產生。由于沒有環(huán)流,主回路不需要再設置平衡電抗器，但為了限制整流電

4、壓幅值的脈動和盡量使整流電流連續(xù)，仍然保留了平波電抗器。該控制系統(tǒng)主要由“速度調節(jié)器”、“電流調節(jié)器”、“反號器”、“轉矩極性鑒別”、“零電平檢測”、“邏輯控制”、“轉速變換”等環(huán)節(jié)組成。正向啟動時，給定電壓Ug為正電壓，“邏輯控制”的輸出端Ulf為“0”態(tài)，Ulr為“1”態(tài)，即正橋觸發(fā)脈沖開通，反橋觸發(fā)脈沖封鎖，主回路“正橋三相全控整流”工作，電機正向運轉。當Ug反向，整流裝置進入本橋逆變狀態(tài)，而Ulf、Ulr不變，當主回路電流減小并過零后，Ulf、Ulr 輸出狀態(tài)轉換，Ulf為“1”態(tài)， Ulr為“0”態(tài)，即進入它橋制動狀態(tài)，使電機降速至設定的轉速后再切換成反向電動運行;當Ug=0時，則電

5、機停轉。反向運行時，Ulf為“1”態(tài)，Ulr為“0”態(tài)，主電路“反橋三相全控整流”工作。圖1 邏輯無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)原理圖“邏輯控制”的輸出取決于電機的運行狀態(tài)，正向運轉，正轉制動本橋逆變及反轉制動它橋逆變狀態(tài)，Ulf為“0”態(tài)，Ulr為“1”態(tài)，保證了正橋工作，反橋封鎖；反向運轉，反轉制動本橋逆變，正轉制動它橋逆變階段，則Ulf為“1”態(tài)，Ulr為“0”態(tài)，正橋被封鎖，反橋觸發(fā)工作。由于“邏輯控制”的作用，在邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)中保證了任何情況下兩整流橋不會同時觸發(fā)，一組觸發(fā)工作時，另一組被封鎖，因此系統(tǒng)工作過程中既無直流環(huán)流也無脈動環(huán)流。在本實驗中DJK04上的“調節(jié)器I”做為“速度調節(jié)

6、器”使用，“調節(jié)器II”做為“電流調節(jié)器”使用；若使用DD03-4不銹鋼電機導軌、渦流測功機及光碼盤測速系統(tǒng)和D55-4智能電機特性測試及控制系統(tǒng)兩者來完成電機加載請詳見附錄相關內容。5 實驗內容1)機械特性n =f(Id)的測定當系統(tǒng)正常運行后，改變給定電壓，測出并記錄當n分別為1200rpm、800rpm時的正、反轉機械特性n=f(Id)，方法與雙閉環(huán)實驗相同。實驗時，將發(fā)電機的負載R逐漸增加（減小電阻R的阻值），使電動機負載從輕載增加到直流并勵電動機的額定負載Id =1A。記錄實驗數(shù)據(jù)：正轉：n（rpm）1200Id（A）n（rpm）800Id（A）反轉：N（rpm）1200Id（A）n

7、（rpm）800Id（A）2)閉環(huán)控制特性n=f(Ug)的測定從正轉開始逐步增加正給定電壓，記錄實驗數(shù)據(jù)n（rpm）Ug（V）從反轉開始逐步增加負給定電壓，記錄實驗數(shù)據(jù)n（rpm）Ug（V）6 思考題(1)邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)對邏輯控制有何要求?(2)思考邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)中“推”環(huán)節(jié)的組成原理和作用如何? 7 實驗報告(1)根據(jù)實驗結果，畫出正、反轉閉環(huán)控制特性曲線n =f(Ug)。 (2)根據(jù)實驗結果，畫出兩種轉速時的正、反轉閉環(huán)機械特性n =f(Id)，并計算靜差率。 (3)分析調節(jié)器I、調節(jié)器II參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)過程的影響。(4)分析電機從正轉切換到反轉過程中，電機經歷的工作狀

8、態(tài)，系統(tǒng)能量轉換情況。8 注意事項(1) 電機啟動前，應先加上電動機的勵磁，才能使電機啟動。在啟動前必須將移相控制電壓調到零，使整流輸出電壓為零，這時才可以逐漸加大給定電壓，不能在開環(huán)或速度閉環(huán)時突加給定，否則會引起過大的啟動電流，使過流保護動作，告警，跳閘。(2)在連接反饋信號時，給定信號的極性必須與反饋信號的極性相反，確保為負反饋，否則會造成失控。 (3)直流電動機的電樞電流不要超過額定值使用，轉速也不要超過1.2倍的額定值。以免影響電機的使用壽命，或發(fā)生意外。(4)在記錄動態(tài)波形時，可先用雙蹤慢掃描示波器觀察波形，以便找出系統(tǒng)動態(tài)特性較為理想的調節(jié)器參數(shù)，再用數(shù)字儲存式示波器記錄動態(tài)波形

9、。(5)實驗時，應保證“邏輯控制”工作邏輯正確后才能使系統(tǒng)正反向切換運行。(6)DJK04、DJK04-1與DJK02-1不共地，所以實驗時須短接DJK04、DJK04-1與DJK02-1的地。實驗二 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性實驗1 實驗目的(1)掌握各種電力電子器件的工作特性。(2)掌握各器件對觸發(fā)信號的要求。2 預習要求閱讀電力電子技術教材中有關電力電子器件的章節(jié)。3 實驗所需掛件及附件序號型號備注1DJK01 電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”等幾個模塊。2DJK06 給定及實驗器件該掛件包含“二極管”等幾個模塊。3DJK07 新器件特性實驗4DJK09 單

10、相調壓與可調負載5萬用表自備4 實驗線路及原理將電力電子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五種)和負載電阻R串聯(lián)后接至直流電源的兩端，由DJK06上的給定為新器件提供觸發(fā)電壓信號，給定電壓從零開始調節(jié)，直至器件觸發(fā)導通，從而可測得在上述過程中器件的V/A特性；圖中的電阻R用DJK09 上的可調電阻負載，將兩個90的電阻接成串聯(lián)形式，最大可通過電流為1.3A；直流電壓和電流表可從DJK01電源控制屏上獲得，五種電力電子器件均在DJK07掛箱上；直流電源從電源控制屏的輸出接DJK09上的單相調壓器，然后調壓器輸出接DJK09上整流及濾波電路，從而得到一個輸出可以由調壓器調節(jié)的

11、直流電壓源。實驗線路的具體接線如下圖所示：圖2 新器件特性實驗原理圖5 實驗內容(1)晶閘管（SCR）特性實驗。(2)可關斷晶閘管（GTO）特性實驗。(3)功率場效應管（MOSFET）特性實驗。(4)大功率晶體管（GTR）特性實驗。(5)絕緣雙極性晶體管（IGBT）特性實驗。6 實驗方法(1)按圖2接線，首先將晶閘管（SCR）接入主電路，在實驗開始時，將DJK06上的給定電位器RP1沿逆時針旋到底，S1撥到“正給定”側，S2撥到“給定”側，單相調壓器逆時針調到底，DJK09上的可調電阻調到阻值為最大的位置；打開DJK06的電源開關，按下控制屏上的“啟動”按鈕，然后緩慢調節(jié)調壓器，同時監(jiān)視電壓表

12、的讀數(shù)，當直流電壓升到40V時，停止調節(jié)單相調壓器(在以后的其他實驗中，均不用調節(jié))；調節(jié)給定電位器RP1，逐步增加給定電壓，監(jiān)視電壓表、電流表的讀數(shù)，當電壓表指示接近零（表示管子完全導通），停止調節(jié)，記錄給定電壓Ug調節(jié)過程中回路電流Id以及器件的管壓降Uv。UgIdUv(2)按下控制屏的“停止”按鈕，將晶閘管換成可關斷晶閘管（GTO），重復上述步驟，并記錄數(shù)據(jù)。UgIdUv(3)按下控制屏的“停止”按鈕，換成功率場效應管（MOSFET），重復上述步驟，并記錄數(shù)據(jù)。UgIdUv(4)按下控制屏的“停止”按鈕，換成大功率晶體管（GTR），重復上述步驟，并記錄數(shù)據(jù)。UgIdUv(5)按下控制屏的

13、“停止”按鈕，換成絕緣雙極性晶體管（IGBT），重復上述步驟，并記錄數(shù)據(jù)。UgIdUv7 實驗報告根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，繪出（3）和（5）的轉移特性。8 思考題1）各種器件對觸發(fā)脈沖要求的異同點？2）各種器件是否能夠關斷，如果能，關斷的條件是什么？9 注意事項(1)為保證功率器件在實驗過程中避免功率擊穿，應保證管子的功率損耗(即功率器件的管壓降與器件流過的電流乘積)小于8W。(2)為使GTR特性實驗更典型，其電流控制在0.4A以下。實驗三 SPWM和SVPWM調制方法仿真研究1 實驗目的（1）學習使用MATLAB軟件進行電力電子變流控制系統(tǒng)仿真；（2）理解正弦脈寬調制(SPWM)技術的原理；（3）理

14、解電壓空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)的基本原理；2 實驗器材計算機；MATLAB仿真軟件。3 實驗原理（1）正弦波脈寬調制技術（SPWM）原理SPWM是最常用的一種調制方法，SPWM信號是通過用三角載波信號和正弦信號相比較的方法產生，當改變正弦參考信號的幅值時，脈寬隨之改變，從而改變了主回路輸出電壓的大小。當改變正弦參考信號的頻率時，輸出電壓的頻率即隨之改變。SPWM調制方式的特點是半個周期內脈沖中心線等距、脈沖等幅，調節(jié)脈沖的寬度，使各脈沖面積之和與正弦波下的面積成正比例，因此，其調制波形接近于正弦波。在實際運用中對于三相逆變器，是由一個三相正弦波發(fā)生器產生三相參考信號，與一個公用的三角

15、載波信號相比較，而產生三相調制波。如圖1所示。圖1 正弦波脈寬調制法（2）電壓空間矢量脈寬調制技術（SVPWM）原理SPWM常用于變頻調速控制系統(tǒng)，經典的SPWM控制主要目的是使變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未關注輸出的電流波形。而矢量控制的最終目的是得到圓形的旋轉磁場，這樣就要求變頻器輸出的電流波形接近正弦波。鎖定得到圓形的旋轉磁場這一目標，SVPWM控制技術利用逆變器各橋臂開關控制信號的不同組合，使逆變器的輸出電壓空間矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。SVPWM是從電動機的角度出發(fā)，著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。圖2所示為PWM逆變器的拓撲結構以及等效開關模型。 逆變器拓撲結構 等效

16、開關模型圖2 PWM逆變器電路電壓源型逆變器常采用導通型。用分別標記三個橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當上橋臂器件導通時橋臂狀態(tài)為1，下橋臂導通時橋臂狀態(tài)為0，當3個橋臂的功率開關管變化時，就會得到種開關模式，每種開關模式對應一個電壓矢量，矢量的幅值為；有兩種開關模式對應的電壓矢量幅值為零，稱為零矢量。例如：在某一時刻，設V1，V2，V3管處于開通狀態(tài)，即，設為三相對稱負載，各開關管的開通電阻均相等，則逆變器的等效電路為：圖3 時逆變器的等效電路圖這樣，很容易就能得到該瞬時時刻的相電壓： (1)將其在靜止坐標系中表示出來，如圖4所示：圖4電壓矢量圖其中，U是合成的電壓矢量，在兩相靜止坐標系（坐標系）下，利用

17、相電壓合成電壓矢量的表達式： (2)其中，為三相靜止坐標系向兩相靜止坐標系轉換的變換系數(shù)，變換分為基于等功率的坐標變換和基于等量的坐標變換，這里選擇等量的坐標變換，則，式(2)即為： (3)將式(1)的具體數(shù)值代入上式，則有： (4)這樣就得到了開關狀態(tài)下的電壓矢量，按照同樣的方法分析另外7種開關狀態(tài)，可以分別得到每種開關狀態(tài)所對應的電壓矢量，總結為表1所示。表1 逆變器的不同開關狀態(tài)對應的空間矢量表相電壓矢量表達式矢量標號A相B相C相00000000010100111001011101110000觀察上表可知，三相VSR逆變器在不同的開關組合時的交流側電壓可用一個模為的空間電壓矢量在復平面上

18、表示出來，這樣就會得到8條空間矢量，如圖5所示。顯然觸發(fā)電路每給逆變器發(fā)一組觸發(fā)脈沖，就會在逆變器的交流側得到一個電壓矢量。SVPWM控制的最終目標是獲得圓形的旋轉電壓矢量軌跡，在僅靠這8個電壓矢量而不采取任何其它辦法的情況下，就只能夠得到軌跡為正六邊形的旋轉電壓矢量。這與我們所追求的圓形旋轉電壓矢量相差甚遠，必須引入多個中間矢量以逼近圓形的電壓矢量軌跡，可以通過6個非零電壓矢量和2個零電壓矢量來合成我們所需要的中間矢量。雖然在同一時刻不可能存在兩種開關狀態(tài)，即不可能有兩個電壓矢量存在，但是若逆變器功率管的開關頻率比其輸出電壓的頻率高的多（100倍），每個電壓矢量作用的時間極短，則就可以用基本

19、的電壓矢量來合成中間電壓矢量，以逼近圓形的電壓矢量軌跡。圖5 電壓矢量的空間分布與扇區(qū)分配4 預習要求（1）學習MATLAB軟件中Simulink仿真平臺在電力電子仿真領域的使用方法。（2）掌握SPWM調制方式與SVPWM調制方式的原理。5 思考題（1）SVPWM與SPWM相比有何優(yōu)點？（2）SVPWM調制方式的開關頻率的選取對該調制方法有什么影響？6 實驗內容首先在MATLAB軟件中Simulink環(huán)境下搭建SPWM模塊，然后利用三相逆變器開環(huán)控制對SPWM模塊進行驗證，逆變器輸出采用阻感負載。仿真電路逆變器主回路如圖6所示。SPWM模塊需學生獨立搭建。圖6 基于SPWM的逆變電路系統(tǒng)開環(huán)仿

20、真模型在完成SPWM調制方式模塊的搭建后，搭建SVPWM模塊，然后進行仿真驗證。仿真模型如圖7所示，SVPWM模塊需學生獨立搭建。圖7 基于SVPWM的逆變電路系統(tǒng)開環(huán)仿真模型7 實驗報告（1）簡要說明自己所搭建的調制模塊各部分功能；（2）根據(jù)仿真結果，給出逆變器交流側相電壓uAN波形；（3）根據(jù)仿真結果，給出電阻負載端電壓ur波形；（4）根據(jù)仿真結果，給出逆變器交流側相電流i波形以及反映ur與相電流i之間相位關系的波形；8 注意事項要以理解SPWM以及SVPWM兩種調制方式的原理為前提，搭建相應的仿真模塊。MATLAB所提供的Simulink是基于框圖的仿真平臺，其不斷擴展的、內容豐富的模塊

21、庫，為電力電子系統(tǒng)的仿真提供了極大便利。仿真過程可能用到的模塊的名稱如下表2所示。元件模塊在的器件庫中的位置可根據(jù)元件名，通過搜索功能找到。表2 器件說明元件備注直流電壓源通過屬性設置電壓值電阻、電感、電容可根據(jù)其屬性設置，選擇使用電感，或電阻，或電容，或任意串聯(lián)組合方式。電壓表利用示波器觀察電氣信號的波形，必須經電壓表或電流表測量后才能觀察，示波器不能直接連接到電氣級回路中。電流表三相IGBT整流橋通過其屬性設置，選擇使用IGBT功率器件并設置其他基本參數(shù)SVPWM搭建推薦參考文獻：張健，賈曉霞，牛維等基于SVPWM變頻器的Matlab仿真及硬件實現(xiàn)電氣傳動自動化佘艷基于MATLAB/SIM

22、ULINK實現(xiàn)SVPWM算法仿真科教文匯(中旬刊)附 SVPWM的仿真實現(xiàn)1 SVPWM的基本原理SPWM常用于變頻調速控制系統(tǒng)，經典的SPWM控制主要目的是使變頻器的輸出電壓盡量接近正弦波，并未關注輸出的電流波形。而矢量控制的最終目的是得到圓形的旋轉磁場，這樣就要求變頻器輸出的電流波形接近正弦波。鎖定得到圓形的旋轉磁場這一目標，SVPWM控制技術利用逆變器各橋臂開關控制信號的不同組合，使逆變器的輸出電壓空間矢量的運行軌跡盡可能接近圓形。SVPWM是從電動機的角度出發(fā)，著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。圖1所示為PWM逆變器的拓撲結構以及等效開關模型。 逆變器拓撲結構 等效開關模型圖1 PW

23、M逆變器電路電壓源型逆變器常采用導通型。用分別標記三個橋臂的狀態(tài)，規(guī)定當上橋臂器件導通時橋臂狀態(tài)為1，下橋臂導通時橋臂狀態(tài)為0，當3個橋臂的功率開關管變化時，就會得到種開關模式，每種開關模式對應一個電壓矢量，矢量的幅值為；有兩種開關模式對應的電壓矢量幅值為零，稱為零矢量。例如：在某一時刻，設V1，V2，V3管處于開通狀態(tài)，即，設為三相對稱負載，各開關管的開通電阻均相等，則逆變器的等效電路為：圖2 時逆變器的等效電路圖這樣，很容易就能得到該瞬時時刻的相電壓： (1)將其在靜止坐標系中表示出來，如圖3所示：圖3 電壓矢量圖其中，U是合成的電壓矢量，在兩相靜止坐標系（坐標系）下，利用相電壓合成電壓矢

24、量的表達式： (2)其中，為三相靜止坐標系向兩相靜止坐標系轉換的變換系數(shù)，變換分為基于等功率的坐標變換和基于等量的坐標變換，這里選擇等量的坐標變換，則，式(2)即為： (3)將式(1)的具體數(shù)值代入上式，則有： (4)這樣就得到了開關狀態(tài)下的電壓矢量，按照同樣的方法分析另外7種開關狀態(tài)，可以分別得到每種開關狀態(tài)所對應的電壓矢量，總結為表1所示。表1 逆變器的不同開關狀態(tài)對應的空間矢量表相電壓矢量表達式矢量標號A相B相C相00000000010100111001011101110000觀察上表可知，三相VSR逆變器在不同的開關組合時的交流側電壓可用一個模為的空間電壓矢量在復平面上表示出來，這樣就

25、會得到8條空間矢量，如圖4所示。圖4 電壓矢量的空間分布與扇區(qū)分配顯然觸發(fā)電路每給逆變器發(fā)一組觸發(fā)脈沖，就會在逆變器的交流側得到一個電壓矢量。SVPWM控制的最終目標是獲得圓形的旋轉電壓矢量軌跡，在僅靠這8個電壓矢量而不采取任何其它辦法的情況下，就只能夠得到軌跡為正六邊形的旋轉電壓矢量。這與我們所追求的圓形旋轉電壓矢量相差甚遠，必須引入多個中間矢量以逼近圓形的電壓矢量軌跡，可以通過6個非零電壓矢量和2個零電壓矢量來合成我們所需要的中間矢量。雖然在同一時刻不可能存在兩種開關狀態(tài)，即不可能有兩個電壓矢量存在，但是若逆變器功率管的開關頻率比其輸出電壓的頻率高的多（100倍），每個電壓矢量作用的時間極

26、短，則就可以用基本的電壓矢量來合成中間電壓矢量，以逼近圓形的電壓矢量軌跡。2 SVPWM仿真模塊的搭建上一節(jié)介紹了SVPWM控制技術的基本原理，本節(jié)的主要內容是介紹如何在Matlab/Simulink具體的實現(xiàn)這種技術。通過本節(jié)，要構建出一個可以實現(xiàn)這種SVPWM控制算法的模塊，該模塊的輸入端為控制器發(fā)出的控制信號（），輸出端應為6路觸發(fā)脈沖。該模塊主要包括以下子模塊：n 扇區(qū)選擇（Sector Selector）子模塊；n 時間計算（Time Calculating）子模塊；n 時間配合（Time Matching）子模塊；n 觸發(fā)脈沖產生（Pulses Genetator）子模塊；2.1扇

27、區(qū)的選擇采用追蹤電壓型SVPWM控制技術的PWM整流器，其追蹤的電壓指令就是控制器發(fā)出的電壓指令，分別是兩相靜止坐標系下軸分量，它們均是時變的交流量，且相位相差。分別為電壓指令在三相旋轉坐標系下的分量。所謂追蹤電壓型的SVPWM，就是利用8個基本的電壓矢量去追蹤給定電壓矢量。六個長度不為零的矢量將一個周期分成了6個扇區(qū)，為了減少管子的開關次數(shù)以及增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合成目標矢量采用其所在扇區(qū)最近兩個基本矢量和兩個零矢量共同合成。如圖4所示，例如當電壓矢量指令出現(xiàn)在第扇區(qū)時，應當用、來合成中間電壓矢量以追蹤電壓指令。表2 基矢量選擇表指令電壓所在扇區(qū)選取的基電壓矢量、但是，我們還必須知道，以上僅是

28、在已知指令電壓矢量所在扇區(qū)下所進行的討論，那么如何確定電壓指令矢量所在的扇區(qū)？從圖4可以看出，的正負可以決定矢量上半部分的三個扇區(qū)或者下半部分的三個扇區(qū)，剩下的任務就是判斷在三個扇區(qū)中的哪一個，以區(qū)分、為例，考慮臨界情況如下頁圖5所示：圖5 臨界扇區(qū)的判斷由圖（a）所示： (1)由圖（b）所示： (2)式中為扇區(qū)，為方便起見，令： (3)則可得到第扇區(qū)的判別條件為： (4)同理，其它各個扇區(qū)都可以通過這種方法列出判別條件，最后可得到參考電壓與電壓指令所在關系如下表所示：表3 扇區(qū)判斷表000111011001101010123456表中大于零時取1，小于零時取0，為扇區(qū)號。該算法可以很容易地判

29、斷電壓指令所在扇區(qū)，且算法中部存在除法，因而不會有截斷誤差。由于在判斷扇區(qū)過程中要用到電壓指令在兩相靜止坐標系下軸分量，而給定為三相旋轉坐標系下的指令電壓矢量，所以控制信號要先經過從三項旋轉坐標系到亮相靜止坐標系的變換。其變換關系矩陣為： （5）MATLAB仿真模型為：圖6 3/2變換模塊最終生成的3/2變換模塊為：圖7 最終生成的3/2變換模塊在MATLAB/Simulink環(huán)境下用來實現(xiàn)扇區(qū)的模塊如下頁圖8所示。圖中，Ref1、Ref2、Ref3是三個選通開關，當中間的輸入信號大于零時，輸出為1，小于零時輸出為0。模塊的總輸出信號是按照Ref3、Ref2、Ref1的順序排列得到的二進制數(shù)值

30、，并非實際中的扇區(qū)值，但是卻與實際扇區(qū)間存在一一對應的關系，如表2所示。當然，也可以通過多路選通開關實現(xiàn)到的轉換，但在實際中沒有轉換的必要，因為我們最終想得到的只是電壓指令所在的空間位置，與各空間位置的編號沒有關系。換言之，也可以按照所在的位置安排扇區(qū)的編號，但出于習慣做法，各扇區(qū)仍按照圖4進行分配。圖8 扇區(qū)選擇的Matlab/Simulink實現(xiàn)最終生成的扇區(qū)選擇子模塊如下：圖9 扇區(qū)選擇子模塊當輸入為圖10所示的三項正弦信號時，輸出波形為扇區(qū)序號波形，如圖11所示。圖10 輸入控制信號圖11 山區(qū)選擇輸出信號2.2 時間計算在判定了指令電壓矢量所在的扇區(qū)和所需要的基電壓矢量后，接著計算兩

31、空間矢量的作用時間，仍以圖5所示號扇區(qū)為例。設在一個開關周期（）內，分別為、和零矢量的作用時間，則由圖4.4知： (6)將代入上式，并結合，得： (7) (8)這樣就得到了電壓指令在第扇區(qū)時，用來追蹤電壓指令的各基電壓矢量作用的時間，同樣的方法用于分析在其它扇區(qū)時的情況，可得在各個扇區(qū)的作用時間如下表所示：表3 扇區(qū)判斷表000111011001101010123456表4 各個扇區(qū)中對應關系表-ZZX-X-YYXY-YZ-Z-X其中XYZ的值為： (9)圖12 XYZ計算的Matlab/Simulink實現(xiàn)圖13 計算的Matlab/Simulink實現(xiàn)需要指出的是，在計算時有可能出現(xiàn)的情況

32、，因此，還必須進行的標準化: (10)即要對上述計算出來的電壓矢量的作用時間進行調整，具體方法如式10所示，實現(xiàn)的模型如下：圖14 標準化的Matlab/Simulink實現(xiàn)圖15 計算子模塊時間標準化后輸出波形如圖16所示。圖16 T1波形2.3 矢量合成方法研究與時間匹配用基電壓矢量合成中間電壓矢量追蹤指令電壓矢量，雖然在功率開關管的開關頻率遠大于輸出電壓頻率時可近似認為它們同時存在，但是這畢竟是一種近似而實際中又不可能出現(xiàn)的情況，因此，有必要仔細研究基矢量的合成問題。仍以電壓指令在第扇區(qū)時為例來說明常用的矢量合成方法。圖14給出了三種常用的矢量合成方法：單三角形法，將零矢量（、）均勻地分

33、布在指令電壓矢量的起、終點上，然后依次由、按三角形方法合成。該方法的特點是：PWM諧波分量主要集中在開關頻率及上，在頻率處諧波幅值較大。雙三角形法，將零矢量（、）均勻地分布在指令電壓矢量的起、終點上，但兩空間矢量在中點相交而形成兩個三角形，這種方法的開關函數(shù)波形對稱。PWM諧波分量仍主要分布在開關頻率的整數(shù)倍附近,諧波幅值比方法a）有所降低。改進的雙三角形法，這種方法與b）相似, 不同的是在矢量的中點處插入了零矢量，這樣做的好處在于在頻率處的諧波幅值明顯降低。圖17 三種常用的矢量合成方法比較上述的三種方法，雖然法（c）開關頻率較高且算法較復雜，但現(xiàn)代的IPM模塊以及TI的DSP芯片完全能夠滿

34、足要求，為了達到最佳的輸出電壓波形，本文采用該種方法。下面將詳細介紹此法的合成過程。記分別為開關周期、作用的時間，為了敘述的方便，引入：圖18 一個開關周期內基矢量變化圖開關狀態(tài)()的變換過程為：000-100-110-111-110-100-000顯然，每次變化只有一個功率開關管的狀態(tài)發(fā)生變化，這樣可以有效的減少開關損耗，且輸出電壓的諧波含量是上述三種方法中最少的。用同樣的方法去分析指令電壓出現(xiàn)在其它扇區(qū)時的情況，得到下表：表5 開關狀態(tài)表所在扇區(qū)所需非零矢量開關狀態(tài)（）的變換過程橋臂變化過程3、000-100-110-111-110-100-000a-b-c1、000-010-110-11

35、1-110-010-000b-a-c5、000-010-011-111-011-010-000b-c-a4、000-001-011-111-011-001-000c-b-a6、000-001-101-111-101-001-000c-a-b2、000-100-101-111-101-100-000a-c-b從上表可以看出，開關狀態(tài)每次都從(000)開始，又以(000)結束，且每次狀態(tài)的切換只有一個開關管發(fā)生變化。圖19 時間配合的Matlab/Simulink實現(xiàn)圖中，提供的是扇區(qū)信息，用來選擇追蹤指令電壓矢量的基電壓矢量，三個輸出是三個橋臂功率開關管狀態(tài)發(fā)生變換的時間，在該時間點上，相應的功

36、率管的狀態(tài)發(fā)生變化，以便使基電壓矢量發(fā)生變化。圖20 時間配合子模塊Ta輸出波形為：圖21 Ta輸出波形4.2.4 觸發(fā)脈沖的產生這一子模塊具體實現(xiàn)的方法如圖22所示：圖22 觸發(fā)脈沖產生的Matlab/Simulink實現(xiàn)其中，是分別用來控制各橋臂開關管狀態(tài)的時間信號，它們與三角波比較，以便決定各開關管的狀態(tài)，仍然以指令電壓出現(xiàn)在第扇區(qū)為例來說明變化的過程： 圖23 功率開關管變換圖將其封裝為子模塊如下圖：圖24 觸發(fā)脈沖產生電路的封裝子系統(tǒng)輸出的6路觸發(fā)脈沖到逆變器用于控制輸出的電壓波形。單路輸出觸發(fā)脈沖經低通濾波器后輸出地馬鞍波如圖25所示。圖25 單路脈沖經低通濾波輸出波形3 仿真結果

37、驗證利用三相逆變器開環(huán)控制對SPWM模塊進行驗證，逆變器輸出采用阻感負載。仿真模型如圖26所示。圖26 基于SVPWM的逆變電路系統(tǒng)開環(huán)仿真模型經過仿真，逆變器交流側出口電壓波形如下所示：圖27 逆變器交流側電壓波形電阻負載端電壓及電流波形如下圖所示。圖28 電阻負載端電壓和相電流波形綜合實訓講義S7-300 可編程序控制器原理與應用信電學院2011.6目 錄第一章SIMATIC S7-300 PLC 基礎與實訓平臺21.1基礎知識21.1.1 S7-300 PLC概述21.1.2 實訓平臺簡介41.2實驗7第二章STEP7 編程環(huán)境82.1 STEP7 編程環(huán)境簡介82.1.1 STEP7特

38、性簡介82.1.2 STEP7環(huán)境簡介82.2 實驗9第三章LAD語言基礎與編程練習193.1 LAD語言基礎簡介193.1實驗25第四章WinCC flexible 2008 基礎及TP177B344.1 WinCC flexible 介紹344.2 實驗39第五章MM440變頻器基礎及TP177B監(jiān)控575.1 MM440 介紹575.2 實驗59第六章 實訓練習766.1小車手動運行控制766.2小車自動運行控制776.3 小車綜合運行控制78第一章SIMATIC S7-300 PLC 基礎與實訓平臺1.1基礎知識1.1.1 S7-300 PLC概述1. 西門子PLC 的分類S7 系列：

39、S7-200 是針對低性能要求的小型PLC。S7-300 是模塊式中小型PLC，最多可以擴展32 個模塊。S7-400 是大型PLC，可以擴展300 多個模塊。S7-300/400 可以組成MPI、PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)等。M7-300/400：采用與S7-300/400 相同的結構，它可以作為CPU或功能模塊使用。具有AT 兼容計算機的功能，可以用C，C或CFC 等語言來編程。C7 由S7-300 PLC，HMI（人機接口）操作面板、I/O、通信和過程監(jiān)控系統(tǒng)組成。WinAC 基于Windows 和標準的接口(ActiveX，OPC)，提供軟件PLC 或插槽PLC。2. S7-300

40、 PLC簡介S7-300 是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)， 它能滿足中等性能要求的應用。模塊化，無排風扇結構，易于實現(xiàn)分布， 易于用戶掌握等特點使得 S7-300 成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經濟的解決方案。多種的性能遞增的 CPU 和豐富的且?guī)в性S多方便功能的 I/O 擴展模塊，使用戶可以完全根據(jù)實際應用選擇合適的模塊。當任務規(guī)模擴大并且愈加復雜時，可隨時使用附加模塊對 PLC進行擴展。圖1-1 S7-300 通過導軌和背部總線連接器連接3. S7-300組成部件S7-300屬于模塊式PLC，結構圖如圖1-2所示，組成如下：圖1-2 S7-300基本結構圖（1）中央處理單元

41、(CPU)各種 CPU 有各種不同的性能，例如，有的 CPU 上集成有輸入/輸出點，有的 CPU 上集成有 PROFIBUS-DP 通訊接口等。（2）信號模塊 (SM)用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。數(shù)字量模塊從4 號槽開始，每個槽位分配4 個字節(jié)的地址，32 個I/O 點。模擬量模塊一個通道占一個字地址。從IB256 開始，給每一個模擬量模塊分配8 個字。（3） 通訊處理器 (CP)用于PLC之間，PLC和計算機與其他智能設備之間的通信，它可以減輕CPU處理通信的負擔（4）功能模塊 (FM)*計數(shù)器模塊*位置控制與位置檢測模塊*閉環(huán)控制模塊*稱重模塊（5）電源模塊 (PS)電源模塊將120/2

42、30 伏交流電壓轉換為24V 直流電壓，為S7-300的CPU、I/O口、傳感器和執(zhí)行器供電。輸出電流有2A、5A 或10A 3 種。電源模塊安裝在DIN 導軌上的插槽1。（6）接口模塊 (IM)多機架的S7300如圖1.4所示，IM用于多機架配置時連接主機架(CR) 和擴展機架 (ER)。 S7-300通過分布式的主機架 (CR) 和 3個擴展機架 (ER)，可以操作多達32個模塊。運行時無需風扇。（7）導軌（固定各個模塊）4. S7-300通訊SIMATIC S7-300 具有多種不同的通訊接口：*多種通訊處理器用來連接 AS-I接口、PROFIBUS 和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)* 通訊處理器用

43、來連接點到點的通訊系統(tǒng)*多點接口 (MPI) 集成在 CPU中，用于同時連接編程器、PC機、人機界面系統(tǒng)及其他SIMATIC S7/M7/C7 等自動化控制系統(tǒng)。1.1.2 實訓平臺簡介單個實驗臺主要包括電源部分、可編程控制器部分、輸入輸出部分、I/O轉換口、人機界面、控制網(wǎng)絡部分、上位機、變頻器、被控對象等。上位機中安裝有相應的工控軟件，以便實現(xiàn)編程、管理、通信、組網(wǎng)以及監(jiān)控等。電源部分實行單個自動化單元獨立開關和總閘開關方式，在此不作介紹。1 PLC控制器部分PLC在選型時注意到了讓學生盡可能多的接觸S7家族系列PLC，所以涵蓋了S7-200、S7-300，型號分別為S7-200-CPU2

44、24、S7-300-CPU315。2 輸入輸出部分實驗室進行相關工程實例模擬時用到的輸入輸出點數(shù)不多，平臺選用輸入輸出并存在一塊模塊上的輸入輸出模塊各一塊。數(shù)字量輸入輸出部分選用SM323， 訂貨號為6ES7323-1BL00-0AA0,規(guī)格為DI16/DO16x24V/0.5A；模擬量輸入輸出部分選用SM334，訂貨號為6ES7 334-0CE01-0AA0規(guī)格為AI4/AO2x8/8Bit。3人機交互部分人機界面HMI（Human Machine Interface）是技術人員與工業(yè)控制系統(tǒng)交互的設備。過程可視化、操作員對過程的控制、顯示報警、輸出過程值和報警記錄均是由人機界面完成的。SI

45、MTIC HMI 可以和SIMATIC S7完全集成，為SIMATIC S7提供有好的過程控制和監(jiān)視。SIMTIC HMI可以直接連接到PPI、MPI、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)。SIMTICHMI主要有文本顯示器（TEX Display，TD）、操作員面板（Operator Panel，OP）、觸摸屏（Touch Panel，TP），本平臺中的HMI主要是觸摸屏，觸摸屏是人機界面的發(fā)展方向，選用型號為TP177，自帶DP模塊和PN模塊，支持位圖、圖標、棒圖和背景畫面。 4 上位機的硬件配置及軟件配置基于適應工控軟件對于計算機硬件的要求，上位機選用較新型的聯(lián)想商用PC機，并且操作系統(tǒng)選用Wi

46、n7。上位機裝有CP5611通信卡，可以通過多種方式將上位機連接到PLC控制系統(tǒng)中。上位機安裝西門子軟件有STEP7編程軟件、STEP 7 MicroWIN、SIMATIC WinCC flexible 2008、WinCC 6.2，其中SIMATIC Manage可以打開上述所有的西門子軟件。5 變頻器變頻器是重要的工業(yè)控制器件，試驗中對調速要求不高，平臺選用西門子通用型MM440變頻器。這種型號的變頻器可較好的實現(xiàn)三相交流電機的控制，它有很多可選構件，平臺訂購的是基本操作面板BOP和PROFIBUS模塊。 MM440涉及到較多參數(shù)，參數(shù)設置若混亂會造成控制實現(xiàn)不了甚至事故，在進行相關實驗前

47、，安排專門的參數(shù)和控制字學習課程。 6 控制網(wǎng)絡構建試驗臺的控制網(wǎng)絡由一層是PROFIBUS總線，連接了大部分的自動化單元，實現(xiàn)對模擬生產現(xiàn)場監(jiān)控及控制；一層工業(yè)以太網(wǎng)，負責生產管理以及與外網(wǎng)通信。西門子的PLC和其他部件在添加相應通信模塊后可以支持ASI、MPI、PPI、自由通信、PROFIBUS和工業(yè)以太網(wǎng)通信。圖1-3 平臺網(wǎng)絡圖（1） PROFIBUS部分PROFIBUS支持在單元級和現(xiàn)場級的現(xiàn)場設備及較高級別系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換，分為PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS以及PROFIBUS-PA三部分。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）特別適合控制器與現(xiàn)場級分布式I/O的相互通信。PROFIBUS網(wǎng)路區(qū)分主設備和從設備。主設備主要負責管理總線上的數(shù)據(jù)通信。從設備是簡單的I/O設備，例如執(zhí)行器、傳感器、變送器等，從設備只能確認收到的消息，或者在請求時向主站發(fā)送消息。主站（如S7-300、S7-400）可讀取配置文件獲取 I/O 從站的類型和站號，并初始化網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡上的從站器件與配置文件相匹配。平臺PROFIBUS網(wǎng)路中S7-300為主站，TP、S7-200、MM440為從站。實驗平臺中選用的PLC CPU315、TP、MM440集成了PROFIBUS接口，這樣可以方