基于Simulink 的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究

李清河

（福建瑤光智能科技有限公司，350100）

0 引言

在機(jī)械工程中，由于生產(chǎn)需要的提高，對電機(jī)的調(diào)速性能的要求日益提高，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)很難達(dá)到精度的要求，故需在開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)引入反饋環(huán)節(jié)，文中以電流值和轉(zhuǎn)速值作為反饋，搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。

1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖1所示。脈沖觸發(fā)裝置GT 向晶閘管整流器提供觸發(fā)脈沖控制晶閘管將外部的三相電轉(zhuǎn)化為直流電，再通過平波電抗器向電動機(jī)提供穩(wěn)定的電流，故只需要調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的占空比就可以控制電動機(jī)的平滑調(diào)速[1]。

圖1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

在開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)外部有干擾進(jìn)入系統(tǒng)時，輸出轉(zhuǎn)矩會有較大的偏差，整個系統(tǒng)的抗干擾能力較弱，對于外部的擾動，無法進(jìn)行自調(diào)節(jié)。但是在實際生活中，許多系統(tǒng)對精度有著較高的要求，故開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在這些方面無法達(dá)到指定的要求，需引入反饋環(huán)節(jié)。

2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

2.1 轉(zhuǎn)速電流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

轉(zhuǎn)速電流調(diào)速系統(tǒng)與開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路一致，差別在于該系統(tǒng)的控制電路除轉(zhuǎn)速給定外，引入了電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)以及轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 和電流調(diào)節(jié)器ACR 控制輸出限幅[2]。原理圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

2.2 調(diào)速系統(tǒng)的仿真建模

分析原理圖（圖2），結(jié)合反饋系統(tǒng)的計算參數(shù)，根據(jù)實驗經(jīng)驗，再通過試探的方法，在Matlab/Simulink 平臺上構(gòu)建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)主要由以下幾個模塊構(gòu)成：三相交流電壓源、晶閘管整流器、同步脈沖觸發(fā)器、直流電壓源、平波電抗器、直流電動機(jī)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器。以下對這些模塊做一一說明。

在Simulink 的模塊庫中無三相交流電壓源的模塊，故由三個完全相同的單相交流電壓源連接組成三相交流電壓源。三個單相交流電壓源均左端接地，右端連接負(fù)載，電壓源參數(shù)的設(shè)置如下：A 相的電壓為220V，初始相位為0°，頻率為50Hz，記為A 相。同理，B 相和C 相的電壓和頻率與A 相的值相同。B 相的初始相位為120°，C 相的初始相位為240°。

在Simulink 的模塊庫中也無同步脈沖觸發(fā)器的模塊，故由同步電源與6脈沖觸發(fā)器連接組成同步脈沖觸發(fā)器，其模型以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。同步電源用電壓輸入與電壓測量模塊通過三角形接法組成，其作用是將三相交流電源的相電壓的輸入轉(zhuǎn)化為線電壓輸出。線電壓輸出口連接6脈沖觸發(fā)器的AB、BC 以及CA 接口，這樣就搭建了同步脈沖觸發(fā)器模塊。該模塊的觸發(fā)方式采用雙窄脈沖觸發(fā)，該觸發(fā)方式是在較短的時間內(nèi)發(fā)出兩條脈沖，只需脈沖信號能夠維持晶閘管導(dǎo)通即可，由于脈沖寬度降低，能夠在一定程度上降低系統(tǒng)的損耗功率。

圖4 步脈沖觸發(fā)器的模型以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

晶閘管整流器采用三相橋式全控整流作為控制方式。平波電抗器設(shè)置該分支類型為電感L，得到平波電抗器，其作用是濾掉高頻率的電流，使得電流更穩(wěn)定。電感值參數(shù)為經(jīng)驗值，設(shè)置電感值為5e-3H。

直流電動機(jī)有六個接口，分別為轉(zhuǎn)矩輸入接口TL，直流電動機(jī)勵磁繞組接口為F+和F-，直流電動機(jī)參數(shù)輸出接口m，電樞繞組接口為A+和A-。在轉(zhuǎn)矩輸入接口TL 處添加一個設(shè)定好的常數(shù)值作為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

整流器輸出的整流電流經(jīng)電抗器平波后輸入至電樞繞組接口。勵磁繞組接口接勵磁電源，勵磁電源為恒定直流電壓源，并設(shè)置勵磁電源的電壓數(shù)值為220V。電動機(jī)的輸出接口m 用于輸出仿真中的模擬參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、以及電流通過該接口輸出至示波器，可以在模擬中實時監(jiān)測波形。

電流調(diào)節(jié)器ACR 以跟隨性能為主，其傳遞函數(shù)如下所示：

式中，Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τi為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)；s是拉普拉斯變換參數(shù)[3]。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 的傳遞函數(shù)如下：

式中，Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)；s是拉普拉斯變換參數(shù)[3]。

為了便于研究開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性，采用一個階躍信號來作為該系統(tǒng)的給定環(huán)節(jié)。用以在模擬時能提供一個擾動量，參數(shù)設(shè)定為初始給定為“120rad/s”，3s 后信號跳躍至“150rad/s”。該轉(zhuǎn)速給定為人為設(shè)定，用于校驗仿真結(jié)果與比較。

2.3 系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析

運(yùn)行搭建好的系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行仿真校驗，得到輸入給定的信號、電樞電流和轉(zhuǎn)速的對應(yīng)曲線，如圖5所示。

結(jié)合圖像數(shù)據(jù)的分析：系統(tǒng)起動時，給定信號為“120rad/s”。在3s 時，突然改變給定信號為“150rad/s”，系統(tǒng)穩(wěn)定被打破，電流由原來穩(wěn)定的“100”短時間內(nèi)增大到“230”而后穩(wěn)定在“120”。從仿真波形的曲線可以看出，電動機(jī)的起動可分為以下三個階段：電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。與開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)相比，控制相同的主電路，電動機(jī)的起動電流更小。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)受擾動的影響較小，運(yùn)行更為穩(wěn)定，可平穩(wěn)調(diào)節(jié)給定的轉(zhuǎn)速。

圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)輸入給定、電流、轉(zhuǎn)速曲線

3 結(jié)束語

本文在開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入了電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)的運(yùn)行性能與開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的相比，在限制起動電流以及檢測和校正誤差上，有相當(dāng)明顯的改善與提升。