电力电子与电力传动实验、S7-300 PLC实验

1、综合实训讲义电力电子与运动控制技术研究班级 姓名 学号 信电学院2012.10实验一 逻辑无环流可逆直流调速系统实验1 实验目的(1)了解、熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。(2)掌握各控制单元的原理、作用及调试方法。 (3)掌握逻辑无环流可逆直流调速系统的调试步骤和方法。(4)了解逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性。2 预习要求(1)阅读电力拖动自动控制系统教材中有关逻辑无环流可逆调速系统的内容，熟悉系统原理图和逻辑无环流可逆调速系统的工作原理。(2)掌握逻辑控制器的工作原理及其在系统中的作用。3 实验所需挂件及附件序号 型 号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含

2、“三相电源输出”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验 I该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“转速变换”、“反号器”、“电流反馈与过流保护”等几个模块。5DJK04-1电机调速控制实验II该挂件包含“转矩极性检测”、“零电平检测”和“逻辑控制”等几个模块。6DJK08可调电阻、电容箱7DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表8DJ13-1 直流发电机9DJ15 直流并励电动机10D42三相可调电阻11慢扫描示波器自备12万用表自备4 实验线路及原理在此之前

3、的晶闸管直流调速系统实验，由于晶闸管的单向导电性，用一组晶闸管对电动机供电，只适用于不可逆运行。而在某些场合中，既要求电动机能正转，同时也能反转，并要求在减速时产生制动转矩，加快制动时间。要改变电动机的转向有以下方法，一是改变电动机电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向。由于电枢回路的电感量比励磁回路的要小，使得电枢回路有较小的时间常数。可满足某些设备对频繁起动，快速制动的要求 。本实验的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一时刻只有一组桥路工作,另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器，但为了限制整流电

4、压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。该控制系统主要由“速度调节器”、“电流调节器”、“反号器”、“转矩极性鉴别”、“零电平检测”、“逻辑控制”、“转速变换”等环节组成。正向启动时，给定电压Ug为正电压，“逻辑控制”的输出端Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路“正桥三相全控整流”工作，电机正向运转。当Ug反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ulf、Ulr不变，当主回路电流减小并过零后，Ulf、Ulr 输出状态转换，Ulf为“1”态， Ulr为“0”态，即进入它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成反向电动运行;当Ug=0时，则电

5、机停转。反向运行时，Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，主电路“反桥三相全控整流”工作。图1 逻辑无环流可逆直流调速系统原理图“逻辑控制”的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于“逻辑控制”的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉动环流。在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节

6、器”使用，“调节器II”做为“电流调节器”使用；若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和D55-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。5 实验内容1)机械特性n =f(Id)的测定当系统正常运行后，改变给定电压，测出并记录当n分别为1200rpm、800rpm时的正、反转机械特性n=f(Id)，方法与双闭环实验相同。实验时，将发电机的负载R逐渐增加（减小电阻R的阻值），使电动机负载从轻载增加到直流并励电动机的额定负载Id =1A。记录实验数据：正转：n（rpm）1200Id（A）n（rpm）800Id（A）反转：N（rpm）1200Id（A）n

7、（rpm）800Id（A）2)闭环控制特性n=f(Ug)的测定从正转开始逐步增加正给定电压，记录实验数据n（rpm）Ug（V）从反转开始逐步增加负给定电压，记录实验数据n（rpm）Ug（V）6 思考题(1)逻辑无环流可逆调速系统对逻辑控制有何要求?(2)思考逻辑无环流可逆调速系统中“推”环节的组成原理和作用如何? 7 实验报告(1)根据实验结果，画出正、反转闭环控制特性曲线n =f(Ug)。 (2)根据实验结果，画出两种转速时的正、反转闭环机械特性n =f(Id)，并计算静差率。 (3)分析调节器I、调节器II参数变化对系统动态过程的影响。(4)分析电机从正转切换到反转过程中，电机经历的工作状

8、态，系统能量转换情况。8 注意事项(1) 电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的启动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。(2)在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。 (3)直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。以免影响电机的使用寿命，或发生意外。(4)在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字储存式示波器记录动态波形

9、。(5)实验时，应保证“逻辑控制”工作逻辑正确后才能使系统正反向切换运行。(6)DJK04、DJK04-1与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04、DJK04-1与DJK02-1的地。实验二 SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT特性实验1 实验目的(1)掌握各种电力电子器件的工作特性。(2)掌握各器件对触发信号的要求。2 预习要求阅读电力电子技术教材中有关电力电子器件的章节。3 实验所需挂件及附件序号型号备注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DJK06 给定及实验器件该挂件包含“二极管”等几个模块。3DJK07 新器件特性实验4DJK09 单

10、相调压与可调负载5万用表自备4 实验线路及原理将电力电子器件(包括SCR、GTO、MOSFET、GTR、IGBT五种)和负载电阻R串联后接至直流电源的两端，由DJK06上的给定为新器件提供触发电压信号，给定电压从零开始调节，直至器件触发导通，从而可测得在上述过程中器件的V/A特性；图中的电阻R用DJK09 上的可调电阻负载，将两个90的电阻接成串联形式，最大可通过电流为1.3A；直流电压和电流表可从DJK01电源控制屏上获得，五种电力电子器件均在DJK07挂箱上；直流电源从电源控制屏的输出接DJK09上的单相调压器，然后调压器输出接DJK09上整流及滤波电路，从而得到一个输出可以由调压器调节的

11、直流电压源。实验线路的具体接线如下图所示：图2 新器件特性实验原理图5 实验内容(1)晶闸管（SCR）特性实验。(2)可关断晶闸管（GTO）特性实验。(3)功率场效应管（MOSFET）特性实验。(4)大功率晶体管（GTR）特性实验。(5)绝缘双极性晶体管（IGBT）特性实验。6 实验方法(1)按图2接线，首先将晶闸管（SCR）接入主电路，在实验开始时，将DJK06上的给定电位器RP1沿逆时针旋到底，S1拨到“正给定”侧，S2拨到“给定”侧，单相调压器逆时针调到底，DJK09上的可调电阻调到阻值为最大的位置；打开DJK06的电源开关，按下控制屏上的“启动”按钮，然后缓慢调节调压器，同时监视电压表

12、的读数，当直流电压升到40V时，停止调节单相调压器(在以后的其他实验中，均不用调节)；调节给定电位器RP1，逐步增加给定电压，监视电压表、电流表的读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记录给定电压Ug调节过程中回路电流Id以及器件的管压降Uv。UgIdUv(2)按下控制屏的“停止”按钮，将晶闸管换成可关断晶闸管（GTO），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv(3)按下控制屏的“停止”按钮，换成功率场效应管（MOSFET），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv(4)按下控制屏的“停止”按钮，换成大功率晶体管（GTR），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv(5)按下控制屏的

13、“停止”按钮，换成绝缘双极性晶体管（IGBT），重复上述步骤，并记录数据。UgIdUv7 实验报告根据得到的数据，绘出（3）和（5）的转移特性。8 思考题1）各种器件对触发脉冲要求的异同点？2）各种器件是否能够关断，如果能，关断的条件是什么？9 注意事项(1)为保证功率器件在实验过程中避免功率击穿，应保证管子的功率损耗(即功率器件的管压降与器件流过的电流乘积)小于8W。(2)为使GTR特性实验更典型，其电流控制在0.4A以下。实验三 SPWM和SVPWM调制方法仿真研究1 实验目的（1）学习使用MATLAB软件进行电力电子变流控制系统仿真；（2）理解正弦脉宽调制(SPWM)技术的原理；（3）理

14、解电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)的基本原理；2 实验器材计算机；MATLAB仿真软件。3 实验原理（1）正弦波脉宽调制技术（SPWM）原理SPWM是最常用的一种调制方法，SPWM信号是通过用三角载波信号和正弦信号相比较的方法产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率即随之改变。SPWM调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅，调节脉冲的宽度，使各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例，因此，其调制波形接近于正弦波。在实际运用中对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角

15、载波信号相比较，而产生三相调制波。如图1所示。图1 正弦波脉宽调制法（2）电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）原理SPWM常用于变频调速控制系统，经典的SPWM控制主要目的是使变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未关注输出的电流波形。而矢量控制的最终目的是得到圆形的旋转磁场，这样就要求变频器输出的电流波形接近正弦波。锁定得到圆形的旋转磁场这一目标，SVPWM控制技术利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。SVPWM是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场。图2所示为PWM逆变器的拓扑结构以及等效开关模型。 逆变器拓扑结构 等效

16、开关模型图2 PWM逆变器电路电压源型逆变器常采用导通型。用分别标记三个桥臂的状态，规定当上桥臂器件导通时桥臂状态为1，下桥臂导通时桥臂状态为0，当3个桥臂的功率开关管变化时，就会得到种开关模式，每种开关模式对应一个电压矢量，矢量的幅值为；有两种开关模式对应的电压矢量幅值为零，称为零矢量。例如：在某一时刻，设V1，V2，V3管处于开通状态，即，设为三相对称负载，各开关管的开通电阻均相等，则逆变器的等效电路为：图3 时逆变器的等效电路图这样，很容易就能得到该瞬时时刻的相电压： (1)将其在静止坐标系中表示出来，如图4所示：图4电压矢量图其中，U是合成的电压矢量，在两相静止坐标系（坐标系）下，利用

17、相电压合成电压矢量的表达式： (2)其中，为三相静止坐标系向两相静止坐标系转换的变换系数，变换分为基于等功率的坐标变换和基于等量的坐标变换，这里选择等量的坐标变换，则，式(2)即为： (3)将式(1)的具体数值代入上式，则有： (4)这样就得到了开关状态下的电压矢量，按照同样的方法分析另外7种开关状态，可以分别得到每种开关状态所对应的电压矢量，总结为表1所示。表1 逆变器的不同开关状态对应的空间矢量表相电压矢量表达式矢量标号A相B相C相00000000010100111001011101110000观察上表可知，三相VSR逆变器在不同的开关组合时的交流侧电压可用一个模为的空间电压矢量在复平面上

18、表示出来，这样就会得到8条空间矢量，如图5所示。显然触发电路每给逆变器发一组触发脉冲，就会在逆变器的交流侧得到一个电压矢量。SVPWM控制的最终目标是获得圆形的旋转电压矢量轨迹，在仅靠这8个电压矢量而不采取任何其它办法的情况下，就只能够得到轨迹为正六边形的旋转电压矢量。这与我们所追求的圆形旋转电压矢量相差甚远，必须引入多个中间矢量以逼近圆形的电压矢量轨迹，可以通过6个非零电压矢量和2个零电压矢量来合成我们所需要的中间矢量。虽然在同一时刻不可能存在两种开关状态，即不可能有两个电压矢量存在，但是若逆变器功率管的开关频率比其输出电压的频率高的多（100倍），每个电压矢量作用的时间极短，则就可以用基本

19、的电压矢量来合成中间电压矢量，以逼近圆形的电压矢量轨迹。图5 电压矢量的空间分布与扇区分配4 预习要求（1）学习MATLAB软件中Simulink仿真平台在电力电子仿真领域的使用方法。（2）掌握SPWM调制方式与SVPWM调制方式的原理。5 思考题（1）SVPWM与SPWM相比有何优点？（2）SVPWM调制方式的开关频率的选取对该调制方法有什么影响？6 实验内容首先在MATLAB软件中Simulink环境下搭建SPWM模块，然后利用三相逆变器开环控制对SPWM模块进行验证，逆变器输出采用阻感负载。仿真电路逆变器主回路如图6所示。SPWM模块需学生独立搭建。图6 基于SPWM的逆变电路系统开环仿

20、真模型在完成SPWM调制方式模块的搭建后，搭建SVPWM模块，然后进行仿真验证。仿真模型如图7所示，SVPWM模块需学生独立搭建。图7 基于SVPWM的逆变电路系统开环仿真模型7 实验报告（1）简要说明自己所搭建的调制模块各部分功能；（2）根据仿真结果，给出逆变器交流侧相电压uAN波形；（3）根据仿真结果，给出电阻负载端电压ur波形；（4）根据仿真结果，给出逆变器交流侧相电流i波形以及反映ur与相电流i之间相位关系的波形；8 注意事项要以理解SPWM以及SVPWM两种调制方式的原理为前提，搭建相应的仿真模块。MATLAB所提供的Simulink是基于框图的仿真平台，其不断扩展的、内容丰富的模块

21、库，为电力电子系统的仿真提供了极大便利。仿真过程可能用到的模块的名称如下表2所示。元件模块在的器件库中的位置可根据元件名，通过搜索功能找到。表2 器件说明元件备注直流电压源通过属性设置电压值电阻、电感、电容可根据其属性设置，选择使用电感，或电阻，或电容，或任意串联组合方式。电压表利用示波器观察电气信号的波形，必须经电压表或电流表测量后才能观察，示波器不能直接连接到电气级回路中。电流表三相IGBT整流桥通过其属性设置，选择使用IGBT功率器件并设置其他基本参数SVPWM搭建推荐参考文献：张健，贾晓霞，牛维等基于SVPWM变频器的Matlab仿真及硬件实现电气传动自动化佘艳基于MATLAB/SIM

22、ULINK实现SVPWM算法仿真科教文汇(中旬刊)附 SVPWM的仿真实现1 SVPWM的基本原理SPWM常用于变频调速控制系统，经典的SPWM控制主要目的是使变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未关注输出的电流波形。而矢量控制的最终目的是得到圆形的旋转磁场，这样就要求变频器输出的电流波形接近正弦波。锁定得到圆形的旋转磁场这一目标，SVPWM控制技术利用逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出电压空间矢量的运行轨迹尽可能接近圆形。SVPWM是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场。图1所示为PWM逆变器的拓扑结构以及等效开关模型。 逆变器拓扑结构 等效开关模型图1 PW

23、M逆变器电路电压源型逆变器常采用导通型。用分别标记三个桥臂的状态，规定当上桥臂器件导通时桥臂状态为1，下桥臂导通时桥臂状态为0，当3个桥臂的功率开关管变化时，就会得到种开关模式，每种开关模式对应一个电压矢量，矢量的幅值为；有两种开关模式对应的电压矢量幅值为零，称为零矢量。例如：在某一时刻，设V1，V2，V3管处于开通状态，即，设为三相对称负载，各开关管的开通电阻均相等，则逆变器的等效电路为：图2 时逆变器的等效电路图这样，很容易就能得到该瞬时时刻的相电压： (1)将其在静止坐标系中表示出来，如图3所示：图3 电压矢量图其中，U是合成的电压矢量，在两相静止坐标系（坐标系）下，利用相电压合成电压矢

24、量的表达式： (2)其中，为三相静止坐标系向两相静止坐标系转换的变换系数，变换分为基于等功率的坐标变换和基于等量的坐标变换，这里选择等量的坐标变换，则，式(2)即为： (3)将式(1)的具体数值代入上式，则有： (4)这样就得到了开关状态下的电压矢量，按照同样的方法分析另外7种开关状态，可以分别得到每种开关状态所对应的电压矢量，总结为表1所示。表1 逆变器的不同开关状态对应的空间矢量表相电压矢量表达式矢量标号A相B相C相00000000010100111001011101110000观察上表可知，三相VSR逆变器在不同的开关组合时的交流侧电压可用一个模为的空间电压矢量在复平面上表示出来，这样就

25、会得到8条空间矢量，如图4所示。图4 电压矢量的空间分布与扇区分配显然触发电路每给逆变器发一组触发脉冲，就会在逆变器的交流侧得到一个电压矢量。SVPWM控制的最终目标是获得圆形的旋转电压矢量轨迹，在仅靠这8个电压矢量而不采取任何其它办法的情况下，就只能够得到轨迹为正六边形的旋转电压矢量。这与我们所追求的圆形旋转电压矢量相差甚远，必须引入多个中间矢量以逼近圆形的电压矢量轨迹，可以通过6个非零电压矢量和2个零电压矢量来合成我们所需要的中间矢量。虽然在同一时刻不可能存在两种开关状态，即不可能有两个电压矢量存在，但是若逆变器功率管的开关频率比其输出电压的频率高的多（100倍），每个电压矢量作用的时间极

26、短，则就可以用基本的电压矢量来合成中间电压矢量，以逼近圆形的电压矢量轨迹。2 SVPWM仿真模块的搭建上一节介绍了SVPWM控制技术的基本原理，本节的主要内容是介绍如何在Matlab/Simulink具体的实现这种技术。通过本节，要构建出一个可以实现这种SVPWM控制算法的模块，该模块的输入端为控制器发出的控制信号（），输出端应为6路触发脉冲。该模块主要包括以下子模块：n 扇区选择（Sector Selector）子模块；n 时间计算（Time Calculating）子模块；n 时间配合（Time Matching）子模块；n 触发脉冲产生（Pulses Genetator）子模块；2.1扇

27、区的选择采用追踪电压型SVPWM控制技术的PWM整流器，其追踪的电压指令就是控制器发出的电压指令，分别是两相静止坐标系下轴分量，它们均是时变的交流量，且相位相差。分别为电压指令在三相旋转坐标系下的分量。所谓追踪电压型的SVPWM，就是利用8个基本的电压矢量去追踪给定电压矢量。六个长度不为零的矢量将一个周期分成了6个扇区，为了减少管子的开关次数以及增加系统的稳定性，合成目标矢量采用其所在扇区最近两个基本矢量和两个零矢量共同合成。如图4所示，例如当电压矢量指令出现在第扇区时，应当用、来合成中间电压矢量以追踪电压指令。表2 基矢量选择表指令电压所在扇区选取的基电压矢量、但是，我们还必须知道，以上仅是

28、在已知指令电压矢量所在扇区下所进行的讨论，那么如何确定电压指令矢量所在的扇区？从图4可以看出，的正负可以决定矢量上半部分的三个扇区或者下半部分的三个扇区，剩下的任务就是判断在三个扇区中的哪一个，以区分、为例，考虑临界情况如下页图5所示：图5 临界扇区的判断由图（a）所示： (1)由图（b）所示： (2)式中为扇区，为方便起见，令： (3)则可得到第扇区的判别条件为： (4)同理，其它各个扇区都可以通过这种方法列出判别条件，最后可得到参考电压与电压指令所在关系如下表所示：表3 扇区判断表000111011001101010123456表中大于零时取1，小于零时取0，为扇区号。该算法可以很容易地判

29、断电压指令所在扇区，且算法中部存在除法，因而不会有截断误差。由于在判断扇区过程中要用到电压指令在两相静止坐标系下轴分量，而给定为三相旋转坐标系下的指令电压矢量，所以控制信号要先经过从三项旋转坐标系到亮相静止坐标系的变换。其变换关系矩阵为： （5）MATLAB仿真模型为：图6 3/2变换模块最终生成的3/2变换模块为：图7 最终生成的3/2变换模块在MATLAB/Simulink环境下用来实现扇区的模块如下页图8所示。图中，Ref1、Ref2、Ref3是三个选通开关，当中间的输入信号大于零时，输出为1，小于零时输出为0。模块的总输出信号是按照Ref3、Ref2、Ref1的顺序排列得到的二进制数值

30、，并非实际中的扇区值，但是却与实际扇区间存在一一对应的关系，如表2所示。当然，也可以通过多路选通开关实现到的转换，但在实际中没有转换的必要，因为我们最终想得到的只是电压指令所在的空间位置，与各空间位置的编号没有关系。换言之，也可以按照所在的位置安排扇区的编号，但出于习惯做法，各扇区仍按照图4进行分配。图8 扇区选择的Matlab/Simulink实现最终生成的扇区选择子模块如下：图9 扇区选择子模块当输入为图10所示的三项正弦信号时，输出波形为扇区序号波形，如图11所示。图10 输入控制信号图11 山区选择输出信号2.2 时间计算在判定了指令电压矢量所在的扇区和所需要的基电压矢量后，接着计算两

31、空间矢量的作用时间，仍以图5所示号扇区为例。设在一个开关周期（）内，分别为、和零矢量的作用时间，则由图4.4知： (6)将代入上式，并结合，得： (7) (8)这样就得到了电压指令在第扇区时，用来追踪电压指令的各基电压矢量作用的时间，同样的方法用于分析在其它扇区时的情况，可得在各个扇区的作用时间如下表所示：表3 扇区判断表000111011001101010123456表4 各个扇区中对应关系表-ZZX-X-YYXY-YZ-Z-X其中XYZ的值为： (9)图12 XYZ计算的Matlab/Simulink实现图13 计算的Matlab/Simulink实现需要指出的是，在计算时有可能出现的情况

32、，因此，还必须进行的标准化: (10)即要对上述计算出来的电压矢量的作用时间进行调整，具体方法如式10所示，实现的模型如下：图14 标准化的Matlab/Simulink实现图15 计算子模块时间标准化后输出波形如图16所示。图16 T1波形2.3 矢量合成方法研究与时间匹配用基电压矢量合成中间电压矢量追踪指令电压矢量，虽然在功率开关管的开关频率远大于输出电压频率时可近似认为它们同时存在，但是这毕竟是一种近似而实际中又不可能出现的情况，因此，有必要仔细研究基矢量的合成问题。仍以电压指令在第扇区时为例来说明常用的矢量合成方法。图14给出了三种常用的矢量合成方法：单三角形法，将零矢量（、）均匀地分

33、布在指令电压矢量的起、终点上，然后依次由、按三角形方法合成。该方法的特点是：PWM谐波分量主要集中在开关频率及上，在频率处谐波幅值较大。双三角形法，将零矢量（、）均匀地分布在指令电压矢量的起、终点上，但两空间矢量在中点相交而形成两个三角形，这种方法的开关函数波形对称。PWM谐波分量仍主要分布在开关频率的整数倍附近,谐波幅值比方法a）有所降低。改进的双三角形法，这种方法与b）相似, 不同的是在矢量的中点处插入了零矢量，这样做的好处在于在频率处的谐波幅值明显降低。图17 三种常用的矢量合成方法比较上述的三种方法，虽然法（c）开关频率较高且算法较复杂，但现代的IPM模块以及TI的DSP芯片完全能够满

34、足要求，为了达到最佳的输出电压波形，本文采用该种方法。下面将详细介绍此法的合成过程。记分别为开关周期、作用的时间，为了叙述的方便，引入：图18 一个开关周期内基矢量变化图开关状态()的变换过程为：000-100-110-111-110-100-000显然，每次变化只有一个功率开关管的状态发生变化，这样可以有效的减少开关损耗，且输出电压的谐波含量是上述三种方法中最少的。用同样的方法去分析指令电压出现在其它扇区时的情况，得到下表：表5 开关状态表所在扇区所需非零矢量开关状态（）的变换过程桥臂变化过程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从上表可以看出，开关状态每次都从(000)开始，又以(000)结束，且每次状态的切换只有一个开关管发生变化。图19 时间配合的Matlab/Simulink实现图中，提供的是扇区信息，用来选择追踪指令电压矢量的基电压矢量，三个输出是三个桥臂功率开关管状态发生变换的时间，在该时间点上，相应的功

36、率管的状态发生变化，以便使基电压矢量发生变化。图20 时间配合子模块Ta输出波形为：图21 Ta输出波形4.2.4 触发脉冲的产生这一子模块具体实现的方法如图22所示：图22 触发脉冲产生的Matlab/Simulink实现其中，是分别用来控制各桥臂开关管状态的时间信号，它们与三角波比较，以便决定各开关管的状态，仍然以指令电压出现在第扇区为例来说明变化的过程： 图23 功率开关管变换图将其封装为子模块如下图：图24 触发脉冲产生电路的封装子系统输出的6路触发脉冲到逆变器用于控制输出的电压波形。单路输出触发脉冲经低通滤波器后输出地马鞍波如图25所示。图25 单路脉冲经低通滤波输出波形3 仿真结果

37、验证利用三相逆变器开环控制对SPWM模块进行验证，逆变器输出采用阻感负载。仿真模型如图26所示。图26 基于SVPWM的逆变电路系统开环仿真模型经过仿真，逆变器交流侧出口电压波形如下所示：图27 逆变器交流侧电压波形电阻负载端电压及电流波形如下图所示。图28 电阻负载端电压和相电流波形综合实训讲义S7-300 可编程序控制器原理与应用信电学院2011.6目 录第一章SIMATIC S7-300 PLC 基础与实训平台21.1基础知识21.1.1 S7-300 PLC概述21.1.2 实训平台简介41.2实验7第二章STEP7 编程环境82.1 STEP7 编程环境简介82.1.1 STEP7特

38、性简介82.1.2 STEP7环境简介82.2 实验9第三章LAD语言基础与编程练习193.1 LAD语言基础简介193.1实验25第四章WinCC flexible 2008 基础及TP177B344.1 WinCC flexible 介绍344.2 实验39第五章MM440变频器基础及TP177B监控575.1 MM440 介绍575.2 实验59第六章 实训练习766.1小车手动运行控制766.2小车自动运行控制776.3 小车综合运行控制78第一章SIMATIC S7-300 PLC 基础与实训平台1.1基础知识1.1.1 S7-300 PLC概述1. 西门子PLC 的分类S7 系列：

39、S7-200 是针对低性能要求的小型PLC。S7-300 是模块式中小型PLC，最多可以扩展32 个模块。S7-400 是大型PLC，可以扩展300 多个模块。S7-300/400 可以组成MPI、PROFIBUS 和工业以太网等。M7-300/400：采用与S7-300/400 相同的结构，它可以作为CPU或功能模块使用。具有AT 兼容计算机的功能，可以用C，C或CFC 等语言来编程。C7 由S7-300 PLC，HMI（人机接口）操作面板、I/O、通信和过程监控系统组成。WinAC 基于Windows 和标准的接口(ActiveX，OPC)，提供软件PLC 或插槽PLC。2. S7-300

40、 PLC简介S7-300 是模块化中小型 PLC 系统， 它能满足中等性能要求的应用。模块化，无排风扇结构，易于实现分布， 易于用户掌握等特点使得 S7-300 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。多种的性能递增的 CPU 和丰富的且带有许多方便功能的 I/O 扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对 PLC进行扩展。图1-1 S7-300 通过导轨和背部总线连接器连接3. S7-300组成部件S7-300属于模块式PLC，结构图如图1-2所示，组成如下：图1-2 S7-300基本结构图（1）中央处理单元

41、(CPU)各种 CPU 有各种不同的性能，例如，有的 CPU 上集成有输入/输出点，有的 CPU 上集成有 PROFIBUS-DP 通讯接口等。（2）信号模块 (SM)用于数字量和模拟量输入/输出。数字量模块从4 号槽开始，每个槽位分配4 个字节的地址，32 个I/O 点。模拟量模块一个通道占一个字地址。从IB256 开始，给每一个模拟量模块分配8 个字。（3） 通讯处理器 (CP)用于PLC之间，PLC和计算机与其他智能设备之间的通信，它可以减轻CPU处理通信的负担（4）功能模块 (FM)*计数器模块*位置控制与位置检测模块*闭环控制模块*称重模块（5）电源模块 (PS)电源模块将120/2

42、30 伏交流电压转换为24V 直流电压，为S7-300的CPU、I/O口、传感器和执行器供电。输出电流有2A、5A 或10A 3 种。电源模块安装在DIN 导轨上的插槽1。（6）接口模块 (IM)多机架的S7300如图1.4所示，IM用于多机架配置时连接主机架(CR) 和扩展机架 (ER)。 S7-300通过分布式的主机架 (CR) 和 3个扩展机架 (ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。（7）导轨（固定各个模块）4. S7-300通讯SIMATIC S7-300 具有多种不同的通讯接口：*多种通讯处理器用来连接 AS-I接口、PROFIBUS 和工业以太网总线系统* 通讯处理器用

43、来连接点到点的通讯系统*多点接口 (MPI) 集成在 CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7 等自动化控制系统。1.1.2 实训平台简介单个实验台主要包括电源部分、可编程控制器部分、输入输出部分、I/O转换口、人机界面、控制网络部分、上位机、变频器、被控对象等。上位机中安装有相应的工控软件，以便实现编程、管理、通信、组网以及监控等。电源部分实行单个自动化单元独立开关和总闸开关方式，在此不作介绍。1 PLC控制器部分PLC在选型时注意到了让学生尽可能多的接触S7家族系列PLC，所以涵盖了S7-200、S7-300，型号分别为S7-200-CPU2

44、24、S7-300-CPU315。2 输入输出部分实验室进行相关工程实例模拟时用到的输入输出点数不多，平台选用输入输出并存在一块模块上的输入输出模块各一块。数字量输入输出部分选用SM323， 订货号为6ES7323-1BL00-0AA0,规格为DI16/DO16x24V/0.5A；模拟量输入输出部分选用SM334，订货号为6ES7 334-0CE01-0AA0规格为AI4/AO2x8/8Bit。3人机交互部分人机界面HMI（Human Machine Interface）是技术人员与工业控制系统交互的设备。过程可视化、操作员对过程的控制、显示报警、输出过程值和报警记录均是由人机界面完成的。SI

45、MTIC HMI 可以和SIMATIC S7完全集成，为SIMATIC S7提供有好的过程控制和监视。SIMTIC HMI可以直接连接到PPI、MPI、PROFIBUS和工业以太网。SIMTICHMI主要有文本显示器（TEX Display，TD）、操作员面板（Operator Panel，OP）、触摸屏（Touch Panel，TP），本平台中的HMI主要是触摸屏，触摸屏是人机界面的发展方向，选用型号为TP177，自带DP模块和PN模块，支持位图、图标、棒图和背景画面。 4 上位机的硬件配置及软件配置基于适应工控软件对于计算机硬件的要求，上位机选用较新型的联想商用PC机，并且操作系统选用Wi

46、n7。上位机装有CP5611通信卡，可以通过多种方式将上位机连接到PLC控制系统中。上位机安装西门子软件有STEP7编程软件、STEP 7 MicroWIN、SIMATIC WinCC flexible 2008、WinCC 6.2，其中SIMATIC Manage可以打开上述所有的西门子软件。5 变频器变频器是重要的工业控制器件，试验中对调速要求不高，平台选用西门子通用型MM440变频器。这种型号的变频器可较好的实现三相交流电机的控制，它有很多可选构件，平台订购的是基本操作面板BOP和PROFIBUS模块。 MM440涉及到较多参数，参数设置若混乱会造成控制实现不了甚至事故，在进行相关实验前

47、，安排专门的参数和控制字学习课程。 6 控制网络构建试验台的控制网络由一层是PROFIBUS总线，连接了大部分的自动化单元，实现对模拟生产现场监控及控制；一层工业以太网，负责生产管理以及与外网通信。西门子的PLC和其他部件在添加相应通信模块后可以支持ASI、MPI、PPI、自由通信、PROFIBUS和工业以太网通信。图1-3 平台网络图（1） PROFIBUS部分PROFIBUS支持在单元级和现场级的现场设备及较高级别系统之间进行数据交换，分为PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS以及PROFIBUS-PA三部分。PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）特别适合控制器与现场级分布式I/O的相互通信。PROFIBUS网路区分主设备和从设备。主设备主要负责管理总线上的数据通信。从设备是简单的I/O设备，例如执行器、传感器、变送器等，从设备只能确认收到的消息，或者在请求时向主站发送消息。主站（如S7-300、S7-400）可读取配置文件获取 I/O 从站的类型和站号，并初始化网络，使网络上的从站器件与配置文件相匹配。平台PROFIBUS网路中S7-300为主站，TP、S7-200、MM440为从站。实验平台中选用的PLC CPU315、TP、MM440集成了PROFIBUS接口，这样可以方