一種基于MATLAB的礦用電機(jī)車電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

姬亞輝 王寶成

(1.河南煤化集團(tuán) 永煤公司順和煤礦，河南 永城 476600;2.河南煤化集團(tuán) 永城職業(yè)學(xué)院，河南 永城 476600)

防爆特殊型蓄電池電機(jī)車有多種型號(hào)和多種電壓等級(jí)，采用IGBT斬波調(diào)速和變頻技術(shù)、啟動(dòng)平穩(wěn)、牽引力大、蓄電池使用壽命長(zhǎng)、機(jī)車重心低、后瞭望性好、高效節(jié)能、維護(hù)量少、機(jī)車使用壽命長(zhǎng)，同時(shí)具有電制動(dòng)功能，機(jī)車性能更安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代化礦井中得到廣泛的使用。

河南煤化集團(tuán)永煤公司順和煤礦采用CTY5/6GB防爆特殊型蓄電池電機(jī)車。其所采用的牽引電機(jī)系礦用隔爆型直流牽引電動(dòng)機(jī)，具體參數(shù)為額定功率P=7.5KW，額定電壓U=84V，額定電流I=111A，額定轉(zhuǎn)速n=1100r/min，勵(lì)磁方式為串勵(lì)。

本文對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)所選用的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：(1)電流超調(diào)量δi%≤5%;(2)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量δn%≤10%;(3)空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts≤0.5s。

1 推導(dǎo)直流電機(jī)和整流環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

1.1 整流環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

晶閘管觸發(fā)電路和整流電路涉及到電子器件的特性，它實(shí)際是非線性的。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看作成線性環(huán)節(jié)。

晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置是一個(gè)純滯后的環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí)間引起的。當(dāng)環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)1(t)，輸出要隔離一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)，所以經(jīng)過(guò)拉氏變換，晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù)為

將上式按泰勒級(jí)數(shù)展開并考慮到Ts很小，依據(jù)工程近似處理的原則，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可表示為

1.2 直流電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)的推導(dǎo)

根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下，假定主電路電流連續(xù)，得到直流電動(dòng)機(jī)的傳遞方程

由上式可以看出，額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，Tm和Tl兩個(gè)時(shí)間常數(shù)分別表示機(jī)電慣性和電磁慣性。

2 ACR和ASR的設(shè)計(jì)及其參數(shù)選擇

由于電流檢測(cè)信號(hào)和轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)中常含有交流諧波分量，因此在反饋輸入端都加T型濾波器。為了補(bǔ)償中這一慣性作用，在給定通道中也加入一個(gè)時(shí)間常數(shù)相同的慣性環(huán)節(jié)，叫做“給定濾波環(huán)節(jié)”。當(dāng)然它也可以過(guò)濾掉給定信號(hào)中的時(shí)間分量。給定濾波時(shí)間常數(shù)一般取Toi=2ms，Ton=10ms。

雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖-1所示：

圖-1 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.1 電流調(diào)節(jié)器(ACR)及參數(shù)的選擇

由于電流的響應(yīng)過(guò)程比轉(zhuǎn)速響應(yīng)過(guò)程快得多，因此假定在電流調(diào)節(jié)過(guò)程中轉(zhuǎn)速來(lái)不及變化，可不考慮反電勢(shì)的影響，反電勢(shì)支路相當(dāng)于開路。對(duì)于時(shí)間常數(shù)相差較大的雙慣性型的控制對(duì)象，應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，則ACR的傳遞函數(shù)可寫成

式中，Ki——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，τi——電流調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。

由動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求σi%≤5%，因此通過(guò)查電機(jī)相關(guān)手冊(cè)得，當(dāng) KT=0.5 時(shí)，σp=4.3% ＜5%，能夠滿足要求。

由此得出電流調(diào)節(jié)器(ACR)的傳遞函數(shù)為

則各電阻、電容值計(jì)算如下：

過(guò)渡過(guò)程的調(diào)整時(shí)間：

2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)及參數(shù)的選擇

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：

(2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算：

按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的傳遞函數(shù)為：

(3)檢驗(yàn)近似條件

①轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：

②電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件：

③轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：

根據(jù)以上的計(jì)算及參數(shù)的選擇，推算本系統(tǒng)所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

(1)電流超調(diào)量

由對(duì)ACR參數(shù)選擇時(shí)KT=0.5，可知 σp=4.3% ＜5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量

設(shè)理想空載啟動(dòng)時(shí)，z=0，經(jīng)查電機(jī)手冊(cè)可知ΔCmax/Cb=81.2%。

代入超調(diào)量計(jì)算公式，得：

能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)過(guò)渡過(guò)程時(shí)間

當(dāng)h=5時(shí)，經(jīng)查電機(jī)手冊(cè)可得：

恢復(fù)時(shí)間 tf=8.8T∑n=8.8 ×0.0174s=0.153s

過(guò)渡過(guò)程調(diào)整時(shí)間

ts=9T∑n=9 ×0.0174s=0.156s＜0.5s

滿足設(shè)計(jì)要求。

3 用MATLAB/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真

3.1 電流閉環(huán)系統(tǒng)仿真

進(jìn)入MATLAB/SIMULINK系統(tǒng)，建立好仿真模塊，將各個(gè)模塊連接起來(lái)并修改參數(shù)設(shè)置，得到如圖-2所示的仿真模型圖。

圖-2 電流環(huán)的仿真模型

然后再對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，得到最終的仿真結(jié)果，如圖-3所示：

圖-3 電流環(huán)的仿真結(jié)果

3.2 轉(zhuǎn)速環(huán)系統(tǒng)仿真

步驟與電流環(huán)建立過(guò)程雷同，修改各種設(shè)計(jì)參數(shù)，得到轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型圖，如圖-4所示。

圖-4 轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型

然后雙擊階躍輸入模塊確定階躍值的大小，分別得到高速啟動(dòng)和低速啟動(dòng)時(shí)的波形效果圖，如圖-5所示。

圖-5 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真結(jié)果波形效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)，并用MATLAB/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真取得了預(yù)期的效果。對(duì)礦用電機(jī)車的傳統(tǒng)起動(dòng)與控制進(jìn)行了改進(jìn)，在實(shí)際生產(chǎn)與運(yùn)行中具有一定的積極意義。

［1]阮毅，陳維鈞主編.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).北京：清華大學(xué)出版社，2006

［2]顧繩谷主編.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003

［3]杜坤梅，李鐵才編著.電機(jī)控制技術(shù).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002