Matlab仿真在雙閉環直流調速實驗教學中的應用

胡明忠,　徐志宇,　余有靈

(同濟大學 電子與信息工程學院,上海　201804)

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Matlab仿真在雙閉環直流調速實驗教學中的應用

胡明忠,徐志宇,余有靈

(同濟大學 電子與信息工程學院,上海201804)

摘要：電力拖動運動控制系統是自動化專業的核心課程之一。高性能的直流調速系統多采用雙閉環串級控制的結構:外環為轉速反饋,實現轉速調節;內環為電流反饋,加快瞬態過程。由于原理的復雜性,歷來是教學的難點。Matlab是一種強大的仿真工具,已廣泛應用于高校教學活動。以雙閉環直流調速為例,將Matlab仿真技術引入運動控制實驗教學。利用SimPowerSystem模塊搭建系統模型;通過仿真,對比分析系統在突加給定和突增負載時的動態響應特性;驗證了雙閉環結構相對于開環、單閉環系統的優勢。與傳統實物實驗相結合,更有利于學生加深對相應知識點的理解和掌握。

關鍵詞：直流雙閉環調速; Matlab仿真; 動態特性分析; 實驗教學

1引言

直流調速系統是以直流電動機為對象的運動控制系統,由于其精度高、應用廣、控制簡單等優勢,在調速領域長期處于主導地位[1];直流調速系統也是運動控制實驗教學中的重要內容[2]。傳統的直流調速實驗中,各組學生按照預設方案和規定步驟完成實驗,主要訓練線路連接、系統調試、儀表測量等動手操作能力,在綜合、分析、設計方面存在不足[3]。為此,我們在實驗教學中引入Matlab技術[4],利用計算機數值仿真,拓展實驗內容,加深知識理解[5,6]。其中主要用到控制仿真(Simulink)和電力系統仿真(SimPowerSystems)2大工具箱。

2雙閉環調速簡介

如圖1所示,雙閉環直流調速系統由轉速、電流兩個反饋閉環嵌套而成,其中轉速為外環、電流為內環。轉速調節器(ASR)根據轉速給定和測速裝置(TG)的轉速反饋,給出控制量;電流調節器(ACR)根據電流給定和互感裝置(TA)的電流檢測,給出控制量。雙閉環直流調速系統具有以下特點[1]:

圖1　轉速-電流雙閉環直流調速系統Fig.1　Speed-current dual-loop DC motor control system

(1) 轉速調節器ASR和電流調節器ACR是串聯關系,ASR的輸出作為ACR的給定;

(2) 外環調節電機轉速,起主導作用;內環調節電樞電流,起輔助作用;

(3)ASR、ACR一般都采用PI調節器,提高系統的動靜態特性;

(4)ASR、ACR的輸出都帶有限幅,分別決定了電樞電流和整流電壓的最大允許值。

3數值仿真分析

在Matlab/Simulink環境中搭建雙閉環直流調速系統的仿真模型(如圖2所示)。主電路包括他勵式直流電機、三相對稱交流電源、三相整流橋、同步6脈波觸發器、平波電抗器等。控制電路包括給定輸入、ASR、ACR、比較器、轉速檢測、電流檢測,以及相應的一階慣性濾波。

3.1仿真設置

三相電源的電壓有效值為220V,頻率50Hz,A、B、C三相的初相分別為0°、120°、240°;整流橋內阻RS=0.3Ω,電動機負載轉矩TL=130N·m,轉動慣量J=0.573kg·m2,電樞回路電阻Ra=0.2Ω,電感La=15mH;勵磁回路電阻Rf=240Ω,電感Lf=1.4H。采用工程設計法,依次確定ACR、ASR的PI參數值。仿真算法采用ode45。

3.2突加給定的起動過程仿真

如圖3中0～0.15s時間段,為突加給定時電機起動的全過程。仿真結果顯示,整個起動過程大致分為三個階段,分別對應了ASR的三個狀態。

(2) 恒流升速階段(ASR飽和):ASR始終飽和,轉速環等效于開環,電樞電流幾乎保持其最大值Idm,使電機以最大加速度加速。考慮到與轉速上升相伴的反電動勢上升,電流環的輸入偏差應維持為一恒定值,故實際電樞電流接近而略低于Idm,整流觸發角α逐漸調整。

圖2　雙閉環直流調速系統的Matlab仿真模型Fig.2　Matlab simulation model of dual-loop DC motor control system

圖3　雙閉環直流調速系統在突加給定、突增負載時的過渡過程Fig.3　Transient process of dual-loop DC motor control system under reference/load step

3.3突增負載的過渡過程仿真

如圖3中0.6～0.65s時間段,為突加負載時電機的動態調整過程。設置在0.6s時刻,負載電流TL由200N·m突增至400N·m。在此瞬間電機轉速跌落,整流觸發角α立即減小到0°,電樞電流Id隨之急劇上升,使電機加速;經過一次超調,轉速迅速恢復到給定值180r/min,電樞電流也再次穩定在與負載轉矩相平衡的數值。

3.4雙閉環與開環、單閉環的對比仿真

圖4進一步給出了在上述過渡過程中,開環、轉速單閉環、轉速-電流雙閉環系統的轉速響應曲線。其中藍色粗實線為雙閉環,綠色虛線為單閉環,紅色點劃線為開環。當突加給定時,開環結構的轉速上升最慢,經過單峰超調后最終收斂值與給定值之間的穩態誤差顯著;單閉環結構的轉速上升最快,但超調大,調節時間長,在0.6s內始終未收斂到給定值;雙閉環結構最快地達到給定值,且超調很小。當突加負載時,三者的調速性能對比結果類似。綜上,采用轉速-電流雙閉環結構的直流調速系統比采用開環結構、轉速單閉環結構具有更好的動態特性,能夠在更短的時間內結束過渡過程,達到新的平衡狀態。

圖4　雙閉環與開環、單閉環的調速性能對比Fig.4　Performance comparison:open-loop,single-loop,and dual-loop

4結束語

轉速-電流雙閉環系統是本科生專業課《電力電子與運動控制》中的教學重點與難點。本文應用Matlab軟件,針對該系統進行數值仿真與理論分析相結合的研究探討。對照仿真曲線,更加深入地闡釋了雙閉環系統在突加給定和突加負載情況下,轉速、電樞電流、整流觸發角的關鍵狀態的過渡過程;通過對比,說明了雙閉環系統較之開環、單閉環結構,具有更優的動態性能。

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胡明忠男(1968-),碩士,實驗師,主要研究方向為電力電子技術,電機與電力拖動控制系統。

徐志宇男(1982-),博士,高級工程師,主要研究方向為仿真技術在電力電子與運動控制系統中的應用。

中圖分類號：TM 306; TP 391

文獻標識碼：A

基金項目：上海市重點課程項目,同濟大學精品實驗項目

Application of Matlab Simulation on Experimental Courses of Dual-Loop DC Motor Control

HU Mingzhong,XU Zhiyu,YU Youling

(SchoolofElectronics&InformationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Abstract：Electric drive motion control system is one of the key courses for students majoring in Automation.High performance DC motor control systems generally utilize the scheme of dual-loop cascade control:the outer loop implements speed regulation and the inner loop controls the current to shorten the transient process.Normally it′s a stumbling block in teaching due to the fundamental complexity.Matlab is a powerful simulation tool which is widely adopted in university education activities.This paper takes the dual-loop DC motor control as an instance,and applies the Matlab simulation technology to the experimental courses of motion control.The system model is built with SimPowerSystem modules.The dynamic response characteristics are investigated and compared,given the step reference and load.It is verified that the dual-loop system is superior to open-loop and single-loop systems.This approach can be applied to supplement the conventional hardware experiment,so as to help students establish better understanding on relevant knowledge.

Key words：dual-loop DC motor control; matlab simulation; dynamics analysis; experimental course