基于Matlab雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真_陳中

1、基于Matlab雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真摘要:根據(jù)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理, 采用工程設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù),并運(yùn)用Matlab的Simulink和PowerSystem工具箱、系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。本文突出介紹了調(diào)速系統(tǒng)的建模和調(diào)節(jié)器、直流電機(jī)模塊互感等參數(shù)的設(shè)置,給出了直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結(jié)果,根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證仿真模型以及調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置是否正確。關(guān)鍵詞:雙閉環(huán);參數(shù)設(shè)置;互感;仿真在雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置根據(jù)工程設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際仿真中，由于直流電機(jī)有很多類型, 采用Matla

2、b中直流電機(jī)通用模塊并設(shè)置互感參數(shù)來(lái)代替各種類型的直流電機(jī),并驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性。本文通過(guò)Matlab的工具箱中PI調(diào)節(jié)器和直流電機(jī)模塊，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立以及設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的基礎(chǔ)上, ,對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行仿真,根據(jù)仿真的結(jié)果可以驗(yàn)證模型及參數(shù)設(shè)置是否正確。1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,該系統(tǒng)主電路采用三相橋式晶閘管裝置電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)置輸出限幅,以限制最大起動(dòng)電流，控制電路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要,當(dāng)給定電壓后,ASR輸出飽和,電機(jī)以最大的允許電流起動(dòng),使得電機(jī)轉(zhuǎn)速很快上升,達(dá)到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào),ASR退飽和

3、,電機(jī)電樞電流下降,經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用,使系統(tǒng)很快得到穩(wěn)態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,該系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型外,還包括濾波環(huán)節(jié),包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié),其目的是經(jīng)過(guò)給定信號(hào)和反饋信號(hào)相同的延時(shí),使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?從而使設(shè)計(jì)更加方便。當(dāng)按工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器時(shí),應(yīng)根據(jù)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的通用原則,首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的建模步驟2.1轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的建模根據(jù)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可知,當(dāng)電流調(diào)節(jié)器ACR輸出最大限幅時(shí),整流

4、橋輸出最大電壓值Ud0(max),即電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)與整流橋輸出電壓成正比,但在Matlab中同步觸發(fā)器的輸入信號(hào)為導(dǎo)通角,整流橋Ud0輸出電壓與導(dǎo)通角的關(guān)系為:Ud0= Ud0(max)cos由上式可知,在仿真過(guò)程中電流調(diào)節(jié)器的ACR輸出信號(hào)不能直接同步觸發(fā)器的輸入端,必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換,使得ACR的輸出信號(hào)同整流橋的輸出電壓對(duì)應(yīng)，即ACR輸出信號(hào)為0時(shí),整流橋的輸出電壓為0,ACR輸出達(dá)到限幅(10V)時(shí),整流橋輸出電壓為最大值Ud0(max),轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示。根據(jù)轉(zhuǎn)換模塊可以得到,當(dāng)電流調(diào)節(jié)器ACR輸出電壓為0時(shí),同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號(hào)為90°,整流橋輸出電壓為0;當(dāng)電

5、流調(diào)節(jié)器ACR輸出電壓為最大限幅(10V)時(shí),同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號(hào)為0°,整流橋輸出電壓為Ud0(max)。2.2同步6脈沖觸發(fā)器的建模同步觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從模塊中獲得,在其參數(shù)的設(shè)置過(guò)程中,同步合成電壓設(shè)置為50Hz。6脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步,所以同步電源的作用是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)化成線電壓,同步電源與6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)如圖4所示。2.3電動(dòng)機(jī)本體模塊參數(shù)的設(shè)置實(shí)際的電動(dòng)機(jī)互感的參數(shù)與直流電動(dòng)機(jī)的類型有關(guān),也與勵(lì)磁繞組和電樞繞組的繞組數(shù)有關(guān),從Matlab中的直流電動(dòng)機(jī)模塊可以看出其類型為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),其互感參數(shù)公

6、式為:Laf=30Ce/IfCe=（UN-INRa）/nNIf=Uf/RfCe為電動(dòng)機(jī)常數(shù),Uf、Rf分別為勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電阻。UN、Ra、IN、nN、If分別為電動(dòng)機(jī)額定電壓、電樞電阻、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流。在具體仿真時(shí),首先根據(jù)電動(dòng)機(jī)的基本數(shù)據(jù),寫(xiě)入電動(dòng)機(jī)本體模塊中對(duì)應(yīng)參數(shù),至于電動(dòng)機(jī)本體模塊的互感參數(shù),則由電動(dòng)機(jī)常數(shù)和勵(lì)磁電流,改為由公式(2)得到即可。3仿真舉例直流電動(dòng)機(jī):220V,55A,1000r/min,Ce=0.192 5V·min/r,允許過(guò)載倍數(shù)= 1.5;晶閘管裝置放大系數(shù)Ks= 44;電樞回路總電阻R= 1.0;時(shí)間常數(shù)Tl= 0.017s,Tm= 0

7、.075s;電流反饋系數(shù)=0.121V/A(10V/1.5IN)。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)= 0.01Vmin/r(10V/nN),Toi= 2ms= 0.002s。轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton= 0.01s。試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,并校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。設(shè)計(jì)要求:設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,要求電流超調(diào)量i 5%。要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 20%。電流調(diào)節(jié)器ACR參數(shù)計(jì)算如下:根據(jù)電流超調(diào)量i 5%要求電流環(huán)按型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三相橋式電路平均失控時(shí)間Ts= 0.001 7s,電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)為Ti=Ts+Toi= 0.0037s;電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):i=1/Ki=Tl= 0.03s；電流環(huán)

8、開(kāi)環(huán)增益Kt取KITi=135.1 s-1,因此,于是ACR的比例系數(shù):Kp=(KIiR)/(Ks)=1.013轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)計(jì)算如下:為了加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速環(huán)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì),選中頻段寬度h= 5。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn= 2Ti+Ton,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為 n=1/Ki=hTn= 0.087,轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)環(huán)增益KN=(h+1)/(2 h2)= 396.4 s2,于是可得ASR的比例系數(shù)為Kp=(h+1)CeTm)/(2hR)= 11.7雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。ASR、ACR采用PI模塊,其參數(shù)設(shè)置就根據(jù)以上所求得數(shù)值,輸出限幅均為10,- 10。其它環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)置:電源A

9、、B、C設(shè)置峰值電壓為220V,頻率為50Hz,相位分別為0°、240°和120°。整流橋?yàn)橄到y(tǒng)默認(rèn)值。由于電動(dòng)機(jī)輸出信號(hào)是角速度,故把其轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速(n=60/2)。電動(dòng)機(jī)參數(shù)如圖6所示。4仿真結(jié)果仿真結(jié)果如圖7所示。根據(jù)仿真結(jié)果可以得出, 在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)給定信號(hào)為10V時(shí),電流調(diào)節(jié)器作用下電機(jī)電樞電流接近最大值,使得電機(jī)以最優(yōu)時(shí)間準(zhǔn)則開(kāi)始上升,在0.25s左右時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào),電流很快下降,在1.6s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài),在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速為1000r/min,整個(gè)變化曲線同實(shí)際情況基本吻合。5總結(jié)本文主要工作是搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電機(jī)本體模塊等參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出模型以及參數(shù)設(shè)置的正確性。參考文獻(xiàn):1陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系