南昌航空大學科技學院 查競舟

直流電機具有良好調(diào)速性能，而開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速降較大，機械特性變軟。可采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制減小轉(zhuǎn)速降落、靜差率，提高機械特性硬度。轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，為了達到轉(zhuǎn)速無差調(diào)節(jié)的目的，采用動態(tài)數(shù)學模型進行建模，并在Matlab/Simulink平臺搭建直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)，選擇PI控制算法進行無靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真實驗。同時，給出轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的波形，仿真波形表明，基于動態(tài)數(shù)學模型的單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào)速要求，并具備較強的抗擾能力。

1 無靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

構(gòu)建調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的基本思路是得到系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，然后在Simulink中利用相關(guān)模塊實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型中應(yīng)包含給定信號、比較環(huán)節(jié)、ASR(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)、PWM整流環(huán)節(jié)（用一階慣性環(huán)節(jié)替代）、直流電機模塊（圖2）以及轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，其中ASR使用PI調(diào)節(jié)控制。

給定信號模塊用階躍輸入模塊表示，Step time參數(shù)修改為0，F(xiàn)inal Value設(shè)定為10V；ASR采用PI控制，用Gain模塊表示，放大系數(shù)設(shè)定為7.85；UPE環(huán)節(jié)用一個一階慣性環(huán)節(jié)表示，其中Ks=107.6，Ts=0.000125s；直流電動機環(huán)節(jié)為一子系統(tǒng)；忽略測速發(fā)電機的非線性因素，轉(zhuǎn)速反饋模塊亦可用線性模塊Gain表示，放大系數(shù)為0.00383。整個系統(tǒng)的仿真模型見圖1所示。其中直流電機環(huán)節(jié)為封裝后的子系統(tǒng)模塊，其內(nèi)部仿真模型見圖2所示。

圖1 無靜差轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

在圖2中，為了便于觀測調(diào)試，可以在適當?shù)牡胤郊尤胧静ㄆ髂K，仿真中所選擇的算法為ode23t，Start time設(shè)定為0，Stop time設(shè)為3，采用變步長仿真，最大仿真步長不宜過大，可設(shè)定為1e-5。

圖2 直流電動機內(nèi)部子系統(tǒng)仿真模型

2 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

仿真算法為ode23t，Start time設(shè)定為0，Stop time設(shè)為3，采用變步長仿真?？衫脺愒嚪ù_定PI參數(shù)，經(jīng)調(diào)試，選擇Kp=7.5，KI=1.2進行仿真時的電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線效果較好，波形如圖3所示。由波形可知，電動機啟動后轉(zhuǎn)速快速上升，電流迅速增大，隨著轉(zhuǎn)速上升，電流又開始減小，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，電流降至額定電流52.2A，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2610r/min，基本實現(xiàn)無靜差調(diào)速。但是，本文所采取的仿真模型并未對電流采取限制措施，在起動過程中，電流的最大值超過1000A，遠超過電動機的額定電流52.2A，這是絕對不允許的。解決的方法一是在圖1的仿真模型中，引入電流截止負反饋；二是構(gòu)建轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，讀者可以參考相關(guān)文獻。

圖3 Kp=7.5，KI =1.2時的給定、電流和轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

3 負載變化時仿真結(jié)果分析

當其他參數(shù)不變，僅將負載在1.5s時刻從52.2A突變?yōu)?00A，負載增加近4倍時系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖4所示，由波形圖可知，盡管在t=1.5s時刻，負載增大，但經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)后，穩(wěn)態(tài)時的轉(zhuǎn)速幾乎沒有變化，表明該系統(tǒng)具有較強的抗擾動能力。

圖4 負載變化時無差調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

本文利用動態(tài)數(shù)學模型建模法，將轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的UPE電力電子變換裝置、直流電機元件分別用相應(yīng)的傳遞函數(shù)表示，然后在MATLAB/Simulink中利用相應(yīng)的模塊或者組合加以實現(xiàn)，這樣省去了對電力電子主電路、電動機電路的搭建，使調(diào)速系統(tǒng)的建模更加簡便。同時，分別對有靜差和無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)進行了仿真，并給出了詳細的仿真波形。仿真結(jié)果表明，基于動態(tài)數(shù)學模型的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，ASR采取PI控制規(guī)律時，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)速，并且具有較強的抗擾能力，在實際生產(chǎn)中，具有一定的應(yīng)用價值。