湯仁彪

(江陰職業(yè)技術學院，江蘇 江陰 214405)

基于PSIM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真

湯仁彪

(江陰職業(yè)技術學院，江蘇 江陰 214405)

文章利用PSIM軟件中的元件對直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真，獲得了反映系統(tǒng)動態(tài)性能的曲線，并對仿真結(jié)果進行了比較分析。結(jié)果表明，應用PSIM進行系統(tǒng)仿真具有方便、高效、可靠性高等優(yōu)點。

PSIM;仿真;直流電動機;雙閉環(huán)

0 引言

在直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)中，為了在充分利用電動機的過載能力下獲得最快的動態(tài)響應、盡量縮短過渡過程的時間，常采用速度和電流2個調(diào)節(jié)器進行綜合調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(簡稱雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng))。由于要對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流的響應曲線精確繪制非常困難，因此對系統(tǒng)特性的分析和理解帶來了不便?，F(xiàn)代計算機仿真技術為電力電子電路和電機系統(tǒng)的分析提供了嶄新的途徑，可以使復雜的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的分析和設計變得更加簡單有效，目前在電機仿真中MATLAB/Simjulink[1-2]應用較為廣泛。本文通過利用PSIM軟件對一個直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實例進行仿真分析表明，它在保證高精度下仿真更加快速，且有著友好的用戶界面，為電力電子分析、數(shù)字控制和電動機驅(qū)動系統(tǒng)的研究提供了強大的仿真環(huán)境。

1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成[3]

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要由交流電源、同步脈沖發(fā)生器、晶閘管整流裝置、平波電抗器和直流電動機等構(gòu)成，其控制電路由給定電路、速度調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、限幅環(huán)節(jié)、反相器、電流負反饋環(huán)節(jié)及速度負反饋環(huán)節(jié)等組成。為了使轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋能夠不互相干擾地對系統(tǒng)分別起到調(diào)節(jié)作用，因此在系統(tǒng)中設置了2個調(diào)節(jié)器來分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個調(diào)節(jié)器之間采用串級聯(lián)接，即電流調(diào)節(jié)器的輸入為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管的觸發(fā)電路，其原理框圖如圖1所示。圖1中ASR是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR是電流調(diào)節(jié)器，從系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)上分析得到:電流調(diào)節(jié)環(huán)是在里面，構(gòu)成了電流反饋內(nèi)環(huán)，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，組成了轉(zhuǎn)速反饋外環(huán)，由此就構(gòu)成了直流電動機的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了使系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器[4]。

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

2 實例仿真

PSIM仿真軟件包括電路示意性的程序PSIM、PSIM仿真器和波形形成過程項目SIMVIEW。一個電路在PSIM里表現(xiàn)為4個部分:電力電路，控制電路，傳感器和開關控制器。

使用PSIM進行系統(tǒng)仿真與控制時，可根據(jù)所掌握的主電路、電子元件、控制方法等知識直接進行設計，在相應的元件庫中把需要的元件拖放到原理圖窗口中，把各個元件按照連接關系搭成仿真模型，再對各個元件參數(shù)設置就可以進行仿真，仿真結(jié)束后軟件自動運行SIMVIEW，在SIMVIEW中選擇需要的變量來觀測波形。

設某直流電動機的銘牌參數(shù)如下:Un=220 V，In=16 A，nN=1 650 r/min，電樞電阻 Ra=1.5 Ω，飛輪慣量為GD2=22.5 N·m2，勵磁電壓Uf=220 V，勵磁電流If=1.5 A。采用三相橋式全控整流電路，整流器內(nèi)阻Rrec=0.6 Ω，平波電抗器Lp=200 mH。根據(jù)已知的數(shù)據(jù)計算參數(shù)設置時需要的電樞電感La、勵磁電阻Rf、電樞繞組合勵磁繞組互感Laf、電動機轉(zhuǎn)動慣量J，額定負載轉(zhuǎn)矩TL，計算如下[5]:

整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值，即供電電源電壓:

電動機勵磁電阻為:

勵磁電感在恒定磁場控制時可取0，電樞電感由估算如下:其中，C為補償系數(shù)，無補償時C=0.1，有補償時 C=0.4。

電樞繞組合勵磁繞組互感Laf的計算步驟如下:

電動勢系數(shù)Ce為:

轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm為:

電樞繞組合勵磁繞組互感Laf為:

電動機轉(zhuǎn)動慣量J為:

額定負載轉(zhuǎn)矩TL為:

電流反饋系數(shù)β為:

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α為:

2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動仿真

在PSIM原理圖窗口中創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。選取電源模塊庫中的階躍信號作為給定信號，以速度傳感器和電流傳感器來測量系統(tǒng)的速度和電機電樞電流進行反饋，在各反饋支路上加上電壓探針來獲得速度與電樞電流的響應曲線[6-7]。在模型窗口中設置好各元件模塊的參數(shù)和特性，電機負載轉(zhuǎn)矩為額定負載，仿真時間為25 s，點擊PSIM 菜單simulate下的run simulation對整個系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)束后在SIMVIEW中選擇電機轉(zhuǎn)速和電流變量，得到的電動機轉(zhuǎn)速和電流的階躍響應曲線如圖3所示。

圖2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)額定負載啟動時轉(zhuǎn)速與電樞電流仿真波形

對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)理論分析可以得到啟動過程分為以下階段:

第一階段，電流上升階段。系統(tǒng)開始時突加給定電壓，使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入很大，其輸出也就很快達到了限幅值，電流調(diào)節(jié)器的作用使電流上升很快，接近其最大值。

第二階段，這一階段由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)工作在開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)相當于是在恒值電流給定作用下的電流單閉環(huán)系統(tǒng)，因此電流基本保持不變，系統(tǒng)加速度恒定，轉(zhuǎn)速線性增長。

第三階段，此時轉(zhuǎn)速已達到給定值，即系統(tǒng)的給定電壓與反饋電壓相等，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入為0，但由于調(diào)節(jié)器中積分環(huán)節(jié)的作用，其輸出較大，所以轉(zhuǎn)速出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸入端出現(xiàn)負偏差電壓，也就使其退出飽和狀態(tài)，進入線性調(diào)節(jié)階段，使系統(tǒng)速度保持恒定。從仿真結(jié)果可以看出，實際仿真結(jié)果與理論分析的波形非常接近。

2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的抗負載擾動能力的仿真

在實際工作中，系統(tǒng)中的負載有可能發(fā)生變化，那么系統(tǒng)的抗負載擾動能力可以通過仿真加以研究。用一個階躍環(huán)節(jié)控制的負載轉(zhuǎn)矩來表示負載擾動，得到如圖4所示的仿真框圖。設負載擾動的階躍時間為15 s，初值為10 N·m，終止值為額定負載18 N·m，即表示負載在t=15 s時由10 N·m加至18 N·m，仿真結(jié)果如圖5所示。可見，在給定的PI控制器的控制下，即使負載有較大的變化，電流環(huán)能夠快速地調(diào)節(jié)電機電樞電流，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速仍能快速回復到額定轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)抗負載擾動的效果非常理想。

圖4 負載變化的雙環(huán)直流電動機控制仿真框圖

圖5 負載突變時轉(zhuǎn)速與電樞電流仿真波形

2.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的抗電網(wǎng)電壓能力的仿真

在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)電壓的擾動是在電流閉環(huán)內(nèi)部，所以如果電壓出現(xiàn)波動，系統(tǒng)就可以由電流反饋環(huán)節(jié)得到及時調(diào)節(jié)，不必等到電動機的轉(zhuǎn)速有影響后系統(tǒng)才進行調(diào)節(jié)。設系統(tǒng)帶額定負載，在t=20 s時，由于電網(wǎng)電壓的波動，直流側(cè)出現(xiàn)了幅值+20 V，周期10 s、持續(xù)時間為5 s的電壓波動，仿真結(jié)果如圖6所示。

分析仿真曲線得到結(jié)論:在電網(wǎng)出現(xiàn)波動時，電流能夠快速地調(diào)節(jié)，從而維持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。仿真結(jié)果很好地驗證了之前的理論分析。

圖6 電網(wǎng)電壓波動時轉(zhuǎn)速與電樞電流仿真波形

3 結(jié)語

本文基于PSIM軟件進行了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動、負載擾動與電網(wǎng)電壓波動的仿真與分析，結(jié)果表明，PSIM軟件擁有友好的圖形用戶界面，在保證精度的前提下對電力電子與電機驅(qū)動系統(tǒng)擁有更快的仿真速度，可廣泛應用于教學及工程設計中。

[1]李琳.基于MATLAB的直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究[J].自動化技術與應用，2007，26(11):73-74.

[2]王正林.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[3]唐永哲.電力傳動自動控制系統(tǒng)[M].西安:西安電子科技大學出版社，1998.

[4]范正翹.電力傳動與自動控制系統(tǒng)[M].北京:北京航天航空大學出版社，2003.

[5]李傳琦.電力電子技術計算機仿真實驗[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[6]祖珍君，張志文，周臘吾.基于PSIM 仿真的有源濾波器控制方式研究[J].計算機仿真2008(9):245-248.

[7]李林泉，解侖，王志良，等.基于PSIM 雙饋電機交-交變頻矢量控制系統(tǒng)的仿真研究[J].冶金設備，2007(6):1-5.

PSIM-based Dual-loop DC Motor Control System Simulation

TANG Ren-biao

(Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214405)

This paper adopts the component software PSIM to simulate Speed Regulation of DC system and obtains the curve reflecting the dynamic performance of the system.The results are compared and analyzed，which shows that the systematic application of PSIM simulation is of convenience，efficiency and high reliability.

PSIM;simulation;DC motor;dual-loop

TP276

A

1671-0436(2011)03/04-0012-04

2011-06-30

湯仁彪(1976— )，男，講師。

責任編輯:張秀蘭