基于Matlab雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真陳中

1、基于Matlab雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真摘要:根據雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理, 采用工程設計方法系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能指標設計調節(jié)器參數(shù),并運用Matlab的Simulink和PowerSystem工具箱、系統(tǒng)電氣原理結構圖的仿真方法,實現(xiàn)了轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的建模與仿真。本文突出介紹了調速系統(tǒng)的建模和調節(jié)器、直流電機模塊互感等參數(shù)的設置,給出了直流可逆調速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結果,根據仿真結果驗證仿真模型以及調節(jié)器參數(shù)設置是否正確。關鍵詞:雙閉環(huán);參數(shù)設置;互感;仿真在雙閉環(huán)直流電動機調速系統(tǒng)中,調節(jié)器參數(shù)的設置根據工程設計方法可以實現(xiàn)。在實際仿真中，由于直流電機有很多類型, 采用Matla

2、b中直流電機通用模塊并設置互感參數(shù)來代替各種類型的直流電機,并驗證系統(tǒng)設計參數(shù)的正確性。本文通過Matlab的工具箱中PI調節(jié)器和直流電機模塊，根據調速系統(tǒng)數(shù)學模型建立以及設置調節(jié)器參數(shù)的基礎上, ,對此系統(tǒng)進行仿真,根據仿真的結果可以驗證模型及參數(shù)設置是否正確。1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理雙閉環(huán)直流調速系統(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。轉速調節(jié)器ASR設置輸出限幅,以限制最大起動電流，控制電路采用典型的轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。根據系統(tǒng)運行的需要,當給定電壓后,ASR輸出飽和,電機以最大的允許電流起動,使得電機轉速很快上升,達到給定的速度后轉速超調,ASR退飽和

3、,電機電樞電流下降,經過兩個調節(jié)器的調節(jié)作用,使系統(tǒng)很快得到穩(wěn)態(tài)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖如圖2所示,該系統(tǒng)包括轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、電機的數(shù)學模型外,還包括濾波環(huán)節(jié),包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié),其目的是經過給定信號和反饋信號相同的延時,使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?從而使設計更加方便。當按工程設計方法來設計轉速、電流調節(jié)器時,應根據先內環(huán)后外環(huán)的通用原則,首先設計電流調節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設計轉速調節(jié)器。2 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的建模步驟2.1轉換環(huán)節(jié)的建模根據雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖可知,當電流調節(jié)器ACR輸出最大限幅時,整流

4、橋輸出最大電壓值Ud0(max),即電流調節(jié)器輸出信號與整流橋輸出電壓成正比,但在Matlab中同步觸發(fā)器的輸入信號為導通角,整流橋Ud0輸出電壓與導通角的關系為:Ud0= Ud0(max)cos由上式可知,在仿真過程中電流調節(jié)器的ACR輸出信號不能直接同步觸發(fā)器的輸入端,必須經過適當轉換,使得ACR的輸出信號同整流橋的輸出電壓對應，即ACR輸出信號為0時,整流橋的輸出電壓為0,ACR輸出達到限幅(10V)時,整流橋輸出電壓為最大值Ud0(max),轉換模塊如圖3所示。根據轉換模塊可以得到,當電流調節(jié)器ACR輸出電壓為0時,同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號為90°,整流橋輸出電壓為0;當電

5、流調節(jié)器ACR輸出電壓為最大限幅(10V)時,同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號為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)的設置過程中,同步合成電壓設置為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電動機本體模塊參數(shù)的設置實際的電動機互感的參數(shù)與直流電動機的類型有關,也與勵磁繞組和電樞繞組的繞組數(shù)有關,從Matlab中的直流電動機模塊可以看出其類型為他勵直流電動機,其互感參數(shù)公

6、式為:Laf=30Ce/IfCe=（UN-INRa）/nNIf=Uf/RfCe為電動機常數(shù),Uf、Rf分別為勵磁電壓和勵磁電阻。UN、Ra、IN、nN、If分別為電動機額定電壓、電樞電阻、額定電流、額定轉速和勵磁電流。在具體仿真時,首先根據電動機的基本數(shù)據,寫入電動機本體模塊中對應參數(shù),至于電動機本體模塊的互感參數(shù),則由電動機常數(shù)和勵磁電流,改為由公式(2)得到即可。3仿真舉例直流電動機:220V,55A,1000r/min,Ce=0.192 5V·min/r,允許過載倍數(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)。轉速反饋系數(shù)= 0.01Vmin/r(10V/nN),Toi= 2ms= 0.002s。轉速濾波時間常數(shù)Ton= 0.01s。試按工程設計方法設計電流、轉速調節(jié)器,并校驗轉速超調量的要求能否得到滿足。設計要求:設計電流調節(jié)器,要求電流超調量i 5%。要求轉速無靜差,轉速超調量n 20%。電流調節(jié)器ACR參數(shù)計算如下:根據電流超調量i 5%要求電流環(huán)按型系統(tǒng)設計。三相橋式電路平均失控時間Ts= 0.001 7s,電流環(huán)小時間常數(shù)為Ti=Ts+Toi= 0.0037s;電流調節(jié)器超前時間常數(shù):i=1/Ki=Tl= 0.03s；電流環(huán)

8、開環(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轉速調節(jié)器ASR參數(shù)計算如下:為了加快轉速的調節(jié),轉速環(huán)按典型型系統(tǒng)設計,選中頻段寬度h= 5。轉速環(huán)小時間常數(shù)Tn= 2Ti+Ton,則ASR的超前時間常數(shù)為 n=1/Ki=hTn= 0.087,轉速環(huán)的開環(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)設置就根據以上所求得數(shù)值,輸出限幅均為10,- 10。其它環(huán)節(jié)參數(shù)設置:電源A

9、、B、C設置峰值電壓為220V,頻率為50Hz,相位分別為0°、240°和120°。整流橋為系統(tǒng)默認值。由于電動機輸出信號是角速度,故把其轉化成轉速(n=60/2)。電動機參數(shù)如圖6所示。4仿真結果仿真結果如圖7所示。根據仿真結果可以得出, 在電機起動過程中,當給定信號為10V時,電流調節(jié)器作用下電機電樞電流接近最大值,使得電機以最優(yōu)時間準則開始上升,在0.25s左右時轉速超調,電流很快下降,在1.6s時達到穩(wěn)態(tài),在穩(wěn)態(tài)時轉速為1000r/min,整個變化曲線同實際情況基本吻合。5總結本文主要工作是搭建雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)模型,調節(jié)轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、電機本體模塊等參數(shù)。根據仿真結果可以看出模型以及參數(shù)設置的正確性。參考文獻:1陳伯時.電力拖動自動控制系