逻辑控制无环流直流可逆调速系统的MATLAB仿真1.doc

目 录 一 引言- 0 -二 MATLAB简介- 0 -2.1 MATLAB介绍- 0 -2.2 MATLAB（Sumilink）的介绍- 0 -三 逻辑无环流直流可逆调速系统工作原理- 0 -3.1 无环流可逆直流调速系统及原理图- 0 -3.2 主电路的组成及其工作原理- 1 -3.3 电流调节器设计- 1 -3.3.1 电流环结构图的简化- 1 -3.3.2 电流调节器结构的选择- 1 -3.3.3 电流调节器的参数计算- 1 -3.3.4 电流调节器的作用- 2 -3.4 转速调节器设计- 2 -3.4.1 转速环结构图的简化- 2 -3.4.2 转速调节器结构的选择- 2 -3.4.3 转速调节器的参数计算- 1 -3.4.4 转速调节器的作用- 1 -3.5 逻辑控制器设计- 1 -3.5.1 逻辑控制器的工作原理- 1 -3.5.2 逻辑控制器的组成- 2 -3.5.3 DLC输入输出逻辑控制表- 2 -四 逻辑无环流直流可逆调速系统的建模- 1 -4.1 逻辑无环流可逆调速系统- 1 -4.1.1 电力系统（Power System）工具箱- 1 -4.1.2 逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模- 1 -4.1.3 系统主要环节的仿真参数- 0 -4.1.4 逻辑控制器DLC封装- 0 -五 系统仿真波形结果及分析- 1 -六 小结- 2 -参考文献- 2 -逻辑控制无环流直流可逆调速系统的仿真一 引言本文介绍了逻辑无环流可逆直流调速系统的基本原理及其构成，并对其控制电路进行了计算和设计。运用了一种基于Matlab的Simulink和Power System工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速电流双闭环逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真。重点介绍了无环流逻辑切换装置及其建模，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，实验结果表明仿真结果非常接近理论波形，可信度较高。二 MATLAB简介2.1 MATLAB介绍MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。此高级语言可用于技术计算此开发环境可对代码、文件和数据进行管理交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等二维和三维图形函数可用于可视化数据。2.2 MATLAB（Sumilink）的介绍 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。三 逻辑无环流直流可逆调速系统工作原理 3.1 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。（2）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ACR1ACR2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的给定信号经反号器AR作为2ACR的给定信号,这样可使电流反馈信号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。3.2 主电路的组成及其工作原理（1）本系统的主电路组成及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。3.3 电流调节器设计 3.3.1 电流环结构图的简化 图3-2 电流环结构图最终简化图 图3-3 电流调节器模块3.3.2 电流调节器结构的选择调节器基本思路: 将控制对象校正成为典型系统。系统设计的一般原则：“先内环后外环” 电流超调量i5% ，电流环按典型I型系统设计电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型 I 型系统，显然应采用PI型的电流调节器。l 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。l 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，电流环应以跟随性能为主。 3.3.3 电流调节器的参数计算(1)传递函数可以写成：(Ki ：电流调节器的比例系数；ti ： 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i=T1 =0.076s。(6)放大器放大倍数：Kp=i*R/2TKs=0.076*0.5/2*0.0037*0.05*40=2.57(7)电流调节器的比例系数：Ki=i/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。3.3.4 电流调节器的作用当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。3.4 转速调节器设计3.4.1 转速环结构图的简化图3-5 转速环结构图最终简化图图3-6转速调节器模块3.4.2 转速调节器结构的选择转速环按典型II型系统设计，并选中频段宽度h=5。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 3.4.3 转速调节器的参数计算(1)传递函数可以写成：(1)n=h(2T+Ton)=5*(2*0.0037+0.01)=0.087s(2)Kp2=(h+1)CeTm/2hR(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=n/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*=136-1.5*24=10V3.4.4 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。（4）双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。3.5 逻辑控制器设计 3.5.1 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=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。3.5.2 逻辑控制器的组成逻辑控制器由以下四部分组成：1)电平检测电平检测是将输入的模拟信号（Ui*，Ui）转换为数字信号（UT，UI），转换由两个滞环控制模块实现，转换要求如下：（1） 转换极性检测。当Ui*0时，UT=1，当Ui*0正向转矩Ui*0 正向电流Ui0001正向起动有电流正向运行有电流0001正向制动本桥逆变有电流001本桥逆变零电流0010它桥逆变有电流0010反向起动零电流0010反向起动有电流 反向运行有电流000=001它桥逆变有电流0001表3.2 逻辑控制器真值UTUIUFUR111010100010010100011001四 逻辑无环流直流可逆调速系统的建模4.1 逻辑无环流可逆调速系统4.1.1 电力系统（Power System）工具箱电力系统工具箱以Simulink为运行环境，涵盖了电工学科中常用的基本元件库。它由电源、基本元件、电力电子、电机、连接件、测量等6个模块库组成，根据需要可以组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到有关模块库中。Matlab 60以上版本还有附加模块库，其控制子模块库中有6脉冲触发器、三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块，如图4-1所示。 （a） (b) (c)图4-1 (a)脉冲触发器 (b)晶闸管全控桥 (c)直流电机模块符号4.1.2 逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模组成逻辑无环流可逆调速系统的主要子模块包括：三相交流电源、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR及ACR、逻辑切换装置DLC、直流电动机。除了延时电路和逻辑切换装置DLC模块需要自己封装外，其余均可从有关模块库中直接复制。系统主电路采用两组整流器反并联方案，系统的控制电路有转速调节器，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器控制，其中反组整流器VR的电流调节器ACR2输入经过了倒相器，以确保两组整流器的控制角=。两组整流器的工作或封锁由逻辑控制器控制。图 4-2 逻辑无环流直流可逆调速系统仿真模4.1.3 系统主要环节的仿真参数电机参数：Ra=0.21 La=0.00021H Ur=220V Uf=220 Rf=146.7 Lf=0 Laf=0.84H J=0.57kgm2 电抗器：Ld=0.015H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4-3所示。图4-3 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：i=Ti=0.03s电流环开环增益：取KiTi=0.5，ACR的比例系数为计算转速调节器参数取h=5，则ASR的超前时间常数为转速环开环增益：ASR的比例系数为4.1.4 逻辑控制器DLC封装逻辑无环流可逆调速系统通常采用典型的转速电流双闭环系统结构，关键是设置了一套无环流逻辑切换装置(DLC)。逻辑控制器模块DLC是根据控制器输入来判断输出的逻辑状态的。设计的逻辑控制器如图4-4所示。逻辑控制器由电平检测、逻辑判断、延时电路和联锁保护等四个环节组成。图4-4下方的是封装后的逻辑控制器图标。图4-4 逻辑控制器模块组成(1) 电平检测电平检测是将输入的模拟信号(Ui*、Ui)转换为数字信号(UT、UI)，转换由两个滞环控制模块(Relay)实现，转换的要求如下： 转矩极性检测。当Ui* 0时，UT=1；当Ui 0时，UT=0。 零电流检测。当有电流即Ui 0时，UI=0；当电流为零(Ui =0)时，UI=1。表4-1 逻辑真值表5UTUIUFUR111010100010010100011001在滞环控制模块(Relay)的设置如图4-5所示。 a)转矩极性检测 b)零电流检测图4-5 电平检测对话框(2) 逻辑判断电路按表4-1可以得到逻辑控制器输入和输出的逻辑关系表达式为(用与非门实现) (4-1) (4-2) 逻辑判断电路由与非门YF1-YF4(见图4-3)组成，其输入为转矩极性和零电流信号UT、UI；输出为逻辑切换信号UF、UR。(3) 延时电路逻辑判断电路发出切换指令后还不能立即改变整流器工作状态，因为在检测到电流为零时，电枢电流还不一定真正到零，必须延迟3ms(关断延时)左右以保证电流真正为零后，才能发出指令使导通的整流器截止；并且为了确保截止的整流器能恢复阻断状态，需开放的整流器也需要延迟一段时间再开放，即开放延时，一般开放延时取7ms左右。关断延时和开放延时由逻辑控制器中的延时电路产生。由于延时发生在逻辑判断电流输出UF和UR从“0”变“1”时的上升沿，而信号下降沿不需要延时，因此设计延时仿真模块如图4-6所示。图4-6 延时模块(4) 连锁保护为了保证正反两组整流器不会发生同时开放，逻辑控制器中由与非门YF5-YF7组成了联锁保护电路，YF5和YF6采用与非门是因为输出Ublf和Ublr的电平与触发单元Block端的电平要求一致。在UF和UR同时为“1”时，两组整流器都关断，避免发生整流器短路故障。五 系统仿真波形结果及分析逻辑无环流直流可逆调速系统正反转正反转的仿真图如下 (a) (b) (c)图5-1 逻辑无环流可逆系统工作情况 (a) 转速曲线 (b) 电枢电流 (c) 可逆控制的转矩-转速曲线 （a） (b) (c) (d)图5-2 逻辑控制器输入输出信号(a) 转矩极性 (b)零电流