東 方

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

隨著電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的迅速發(fā)展，調(diào)速控制算法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也不斷增加，將控制算法直接用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。因此，在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)施前，往往需要對系統(tǒng)的性能、參數(shù)、實(shí)現(xiàn)方法等進(jìn)行仿真，驗(yàn)證方案的可行性，并為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供參考和依據(jù)。在MATLAB5.3版推出前，基本上采用先建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后在Simulink的模型窗口下完成系統(tǒng)建模和仿真的方法。但利用電力電子工具箱（SimPower System）可以完成基于電氣原理圖的控制系統(tǒng)仿真。使用電力電子工具箱時(shí)，用戶不需要自己編程，也不需推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，只需要把所需的電氣元件按電氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理連接。系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)非常接近實(shí)際電路，并且電氣元件能比較全面地反映相應(yīng)實(shí)際元件的電氣特性，仿真結(jié)果可信度很高。本文通過一個(gè)實(shí)際直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)，說明電力電子工具箱在調(diào)速系統(tǒng)仿真研究中的應(yīng)用。

1 直流調(diào)速系統(tǒng)控制方案

直流調(diào)速系統(tǒng)是以直流電動(dòng)機(jī)為控制對象，主要以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為目的。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為

式中，

ud為電動(dòng)機(jī)電樞電壓；

id為電動(dòng)機(jī)電樞電流；

Rd為電動(dòng)機(jī)電樞電阻；

Ce為電動(dòng)機(jī)電勢常數(shù)。

由上式可看出，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有3種方法：

調(diào)節(jié)電樞電壓；

改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁；

改變電樞回路電阻。

這里以改變電樞回路電阻調(diào)速，來說明調(diào)速方案在MATLAB中的仿真實(shí)現(xiàn)。

2 控制方案的MATLAB實(shí)現(xiàn)

2.1 使用模塊

（1）直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)模塊選自SimPower System工具箱中的machine庫里的DCmachine模塊。

（2）直流電壓源。直流電壓源模塊選自SimPower System工具箱中的Electrical Sources庫里的DC voltage sources模塊。

（3）斷路器。斷路器選自SimPower System工具箱中的Elements庫里的Breaker模塊，這里使用兩只斷路器，分別對電樞回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行兩級(jí)切除，從而實(shí)現(xiàn)改變電樞回路電阻調(diào)速過程。

（4）調(diào)速電阻。調(diào)速電阻選自SimPower System工具箱中的Elements庫里的series RLCbranch模塊。

（5）階躍信號(hào)（斷路器控制信號(hào)）。該信號(hào)選自Simulink中的sources模塊。

（6）其他模塊。其他模塊包括比例模塊、輸入型節(jié)點(diǎn)、輸出型節(jié)點(diǎn)、T型連接器、信號(hào)分離器和示波器。

2.2 參數(shù)設(shè)置

（1）直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面見圖1。

圖1 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置

（2）直流電壓源參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面見圖2。

（3）斷路器參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面見圖3。

圖2 直流電壓源參數(shù)設(shè)置

（4）調(diào)速電阻參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面見圖4。

（5）仿真參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置界面見圖5。

圖4 調(diào)速電阻參數(shù)設(shè)置

圖5 仿真參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果

最終的仿真模型如圖6所示。從仿真結(jié)果可看出在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行之后3s和6s時(shí)刻切除R1和R2實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

圖6 仿真模型

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速w、電樞電流Is和電磁轉(zhuǎn)矩Te的波形如圖7、圖8和圖9所示。由圖可看出仿真模型和實(shí)際硬件系統(tǒng)非常接近。

圖7 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖8 電樞電流波形

圖9 電磁轉(zhuǎn)矩波形

4 結(jié)束語

由以上仿真可看出，利用電力電子工具箱（SimPower System）搭建的系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)非常接近實(shí)際電路，并且電氣元件能較全面地反映相應(yīng)實(shí)際元件的電氣特性，仿真結(jié)果可信度很高。

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