基于Matlab双闭环直流调速系统的仿真陈中

1、基于Matlab双闭环直流调速系统的仿真摘要:根据双闭环直流调速系统原理, 采用工程设计方法系统的动、静态性能指标设计调节器参数,并运用Matlab的Simulink和PowerSystem工具箱、系统电气原理结构图的仿真方法,实现了转速电流双闭环直流调速系统的建模与仿真。本文突出介绍了调速系统的建模和调节器、直流电机模块互感等参数的设置,给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果,根据仿真结果验证仿真模型以及调节器参数设置是否正确。关键词:双闭环;参数设置;互感;仿真在双闭环直流电动机调速系统中,调节器参数的设置根据工程设计方法可以实现。在实际仿真中，由于直流电机有很多类型, 采用Matla

2、b中直流电机通用模块并设置互感参数来代替各种类型的直流电机,并验证系统设计参数的正确性。本文通过Matlab的工具箱中PI调节器和直流电机模块，根据调速系统数学模型建立以及设置调节器参数的基础上, ,对此系统进行仿真,根据仿真的结果可以验证模型及参数设置是否正确。1 双闭环直流调速系统的工作原理双闭环直流调速系统原理框图如图1所示,该系统主电路采用三相桥式晶闸管装置电路。转速调节器ASR设置输出限幅,以限制最大起动电流，控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统。根据系统运行的需要,当给定电压后,ASR输出饱和,电机以最大的允许电流起动,使得电机转速很快上升,达到给定的速度后转速超调,ASR退饱和

3、,电机电枢电流下降,经过两个调节器的调节作用,使系统很快得到稳态。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2所示,该系统包括转速调节器、电流调节器、电机的数学模型外,还包括滤波环节,包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节,其目的是经过给定信号和反馈信号相同的延时,使二者在时间上得到恰当的配合,从而使设计更加方便。当按工程设计方法来设计转速、电流调节器时,应根据先内环后外环的通用原则,首先设计电流调节器,然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转速调节器。2 双闭环调速系统的建模步骤2.1转换环节的建模根据双闭环调速系统的动态结构框图可知,当电流调节器ACR输出最大限幅时,整流

4、桥输出最大电压值Ud0(max),即电流调节器输出信号与整流桥输出电压成正比,但在Matlab中同步触发器的输入信号为导通角,整流桥Ud0输出电压与导通角的关系为:Ud0= Ud0(max)cos由上式可知,在仿真过程中电流调节器的ACR输出信号不能直接同步触发器的输入端,必须经过适当转换,使得ACR的输出信号同整流桥的输出电压对应，即ACR输出信号为0时,整流桥的输出电压为0,ACR输出达到限幅(10V)时,整流桥输出电压为最大值Ud0(max),转换模块如图3所示。根据转换模块可以得到,当电流调节器ACR输出电压为0时,同步6脉冲触发器的输入信号为90°,整流桥输出电压为0;当电

5、流调节器ACR输出电压为最大限幅(10V)时,同步6脉冲触发器的输入信号为0°,整流桥输出电压为Ud0(max)。2.2同步6脉冲触发器的建模同步触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器可从模块中获得,在其参数的设置过程中,同步合成电压设置为50Hz。6脉冲触发器需用三相线电压同步,所以同步电源的作用是将三相交流电源的相电压转化成线电压,同步电源与6脉冲触发器及封装后的子系统如图4所示。2.3电动机本体模块参数的设置实际的电动机互感的参数与直流电动机的类型有关,也与励磁绕组和电枢绕组的绕组数有关,从Matlab中的直流电动机模块可以看出其类型为他励直流电动机,其互感参数公

6、式为:Laf=30Ce/IfCe=（UN-INRa）/nNIf=Uf/RfCe为电动机常数,Uf、Rf分别为励磁电压和励磁电阻。UN、Ra、IN、nN、If分别为电动机额定电压、电枢电阻、额定电流、额定转速和励磁电流。在具体仿真时,首先根据电动机的基本数据,写入电动机本体模块中对应参数,至于电动机本体模块的互感参数,则由电动机常数和励磁电流,改为由公式(2)得到即可。3仿真举例直流电动机:220V,55A,1000r/min,Ce=0.192 5V·min/r,允许过载倍数= 1.5;晶闸管装置放大系数Ks= 44;电枢回路总电阻R= 1.0;时间常数Tl= 0.017s,Tm= 0

7、.075s;电流反馈系数=0.121V/A(10V/1.5IN)。转速反馈系数= 0.01Vmin/r(10V/nN),Toi= 2ms= 0.002s。转速滤波时间常数Ton= 0.01s。试按工程设计方法设计电流、转速调节器,并校验转速超调量的要求能否得到满足。设计要求:设计电流调节器,要求电流超调量i 5%。要求转速无静差,转速超调量n 20%。电流调节器ACR参数计算如下:根据电流超调量i 5%要求电流环按型系统设计。三相桥式电路平均失控时间Ts= 0.001 7s,电流环小时间常数为Ti=Ts+Toi= 0.0037s;电流调节器超前时间常数:i=1/Ki=Tl= 0.03s；电流环

8、开环增益Kt取KITi=135.1 s-1,因此,于是ACR的比例系数:Kp=(KIiR)/(Ks)=1.013转速调节器ASR参数计算如下:为了加快转速的调节,转速环按典型型系统设计,选中频段宽度h= 5。转速环小时间常数Tn= 2Ti+Ton,则ASR的超前时间常数为 n=1/Ki=hTn= 0.087,转速环的开环增益KN=(h+1)/(2 h2)= 396.4 s2,于是可得ASR的比例系数为Kp=(h+1)CeTm)/(2hR)= 11.7双闭环调速系统仿真模型如图5所示。ASR、ACR采用PI模块,其参数设置就根据以上所求得数值,输出限幅均为10,- 10。其它环节参数设置:电源A

9、、B、C设置峰值电压为220V,频率为50Hz,相位分别为0°、240°和120°。整流桥为系统默认值。由于电动机输出信号是角速度,故把其转化成转速(n=60/2)。电动机参数如图6所示。4仿真结果仿真结果如图7所示。根据仿真结果可以得出, 在电机起动过程中,当给定信号为10V时,电流调节器作用下电机电枢电流接近最大值,使得电机以最优时间准则开始上升,在0.25s左右时转速超调,电流很快下降,在1.6s时达到稳态,在稳态时转速为1000r/min,整个变化曲线同实际情况基本吻合。5总结本文主要工作是搭建双闭环直流调速系统模型,调节转速调节器、电流调节器、电机本体模块等参数。根据仿真结果可以看出模型以及参数设置的正确性。参考文献:1陈伯时.电力拖动自动控制系