逻辑控制无环流直流可逆调速系统的MATLAB仿真.doc

目 录 一 引言- 2 -二 逻辑无环流直流可逆调速系统工作原理- 2 -2.1 无环流可逆直流调速系统主电路及原理图- 2 -2.2 主电路的组成及其工作原理- 4 -2.3 电流调节器设计- 5 -2.3.1 电流环结构图的简化- 5 -2.3.2 电流调节器结构的选择- 5 -2.2.3 电流调节器的参数计算- 6 -2.3.4 电流调节器的作用- 6 -2.4 转速调节器设计- 7 -2.4.1 转速环结构图的简化- 7 -2.4.2 转速调节器结构的选择- 7 -2.4.3 转速调节器的参数计算- 7 -2.4.4 转速调节器的作用- 8 -2.5 逻辑控制器设计- 8 -2.5.1 逻辑控制器的工作原理- 8 -2.5.2 逻辑控制器的组成- 9 -2.5.3 DLC输入输出逻辑控制表- 10 -三 逻辑无环流直流可逆调速系统的建模- 11 -3.1 逻辑无环流可逆调速系统- 11 -3.1.1 电力系统（Power System）工具箱- 11 -3.1.2 逻辑无环流可逆调速系统主电路的建模- 11 -3.1.3 逻辑控制器DLC封装143.2 系统主要环节的仿真参数173.2.1 系统主要环节的仿真参数173.2.2 仿真波形及分析19参考文献20 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。关键词: 直流电机；环流；逻辑无环流可逆调速；Matlab仿真二 逻辑无环流直流可逆调速系统工作原理 2.1 无环流可逆直流调速系统主电路及原理图（1）无环流可逆直流调速系统主电路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。 （2）无环流可逆直流调速系统原理图图2 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。2.2 主电路的组成及其工作原理（1）V-M系统的可逆线路的分类根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：电枢反接可逆线路-电枢反接反向过程快，但需要较大容量的晶闸管装置；励磁反接可逆线路。励磁反接反向过程慢，控制相对复杂，但所需晶闸管装置容量小。本系统采用的是电枢反接可逆接线方案。（2）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。2.3 电流调节器设计 2.3.1 电流环结构图的简化图2.1 电流环结构图最终简化图图2.2 电流调节器模块2.3.2 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” 系统校正控制对象 调节器 典型系统 输入输出输入输出 图2.5 调节器设计的基本思路电流超调量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。 2.2.3 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。2.3.4 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。2.4 转速调节器设计2.4.1 转速环结构图的简化图2.4 转速环结构图最终简化图图2.5 转速调节器模块2.4.2 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。 2.4.3 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=10V2.4.4 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。2.5 逻辑控制器设计 2.5.1 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。2.5.2 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Ui0000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他桥逆变有电流0010反向起动零电流0010反向起动有电流反向运行有电流000001它桥逆变有电流00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3-1 逻辑真值表5UTUIUblfUblr111010100010010100011001在滞环控制模块(Relay)的设置如图3-4所示。 a)转矩极性检测 b)零电流检测图3-4 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) (3-1) (3-2) 逻辑判断电路由与非门YF1YF4(见图3-3)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3-5所示。图3-5 延时模块(4) 联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YF5YF7(见图4-3)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。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 逻辑无环流直流