基于雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制的仿真設(shè)計(jì)

田 宇

(延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 陜西延安 716000）

現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用主要集中在風(fēng)機(jī)以及水泵兩個(gè)大方面，不僅在城市的供暖系統(tǒng)、國(guó)家電網(wǎng)以及石油采集等經(jīng)濟(jì)應(yīng)用領(lǐng)域中得到有效的使用，還在生產(chǎn)設(shè)備、新能源開(kāi)發(fā)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中得到有效的拓展。但是，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)調(diào)速方法沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高效創(chuàng)新，在風(fēng)機(jī)或者水泵使用的過(guò)程中極大程度造成電量、熱能的損耗，不僅降低了設(shè)備的使用壽命還給產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益穩(wěn)定性帶來(lái)重大的威脅。雙饋電機(jī)是電機(jī)與電力電子技術(shù)和數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。無(wú)論是在電動(dòng)工況還是發(fā)電工況下，轉(zhuǎn)速都可以調(diào)節(jié)，因具有非常好的穩(wěn)定性能而被廣泛關(guān)注。大多數(shù)科研工作者就雙饋電機(jī)的磁場(chǎng)調(diào)節(jié)機(jī)理、結(jié)構(gòu)以及控制策略進(jìn)行深入研究，而對(duì)于調(diào)試控制系統(tǒng)的仿真模擬設(shè)計(jì)的研究甚少。本文針對(duì)傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)低的問(wèn)題，結(jié)合雙饋電動(dòng)機(jī)節(jié)能調(diào)速的具體實(shí)際，進(jìn)行調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真模擬。

一、雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是由速度和電流組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅帶有速度外環(huán)，還帶有電流內(nèi)環(huán)。如圖1所示，為雙閉環(huán)斬波串級(jí)調(diào)速方框圖，外環(huán)為速度反饋，由測(cè)速裝置測(cè)得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定的速度進(jìn)行比較，將比較結(jié)果送入速度調(diào)節(jié)器。內(nèi)環(huán)為電流反饋，如圖所示，測(cè)定進(jìn)過(guò)整流逆變后的電流反饋到速度調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果，兩者比較再送入電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，把最終結(jié)果輸出到IGBT，控制IGBT的占空比從而來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此可見(jiàn)，電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中占有重要的地位。以下將對(duì)這兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

圖1 雙閉環(huán)斬波串級(jí)調(diào)速方框圖

（一）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

1.結(jié)構(gòu)選擇。根據(jù)性能指標(biāo)要求σi≤5%；抗干擾性能適中調(diào)節(jié)器選用PI，其傳遞函數(shù)為：

2.參數(shù)計(jì)算。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇之后需要對(duì)電流環(huán)進(jìn)行校正，一方面是為了使電流調(diào)節(jié)器的領(lǐng)先時(shí)間常數(shù)τi與對(duì)象的大慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)T1相互抵消，即取τi=T1。另一方面，電流給定濾波和電流反饋濾波的電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

依據(jù)控制理論，控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)的數(shù)值應(yīng)該與調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)數(shù)值相等，即Ti=Td。所以，電流內(nèi)環(huán)的此時(shí)，開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)則為

其中，KI=KiKrKsKfi，電流內(nèi)環(huán)放大系數(shù)。

（二）速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)器沒(méi)有靜差，需要在設(shè)計(jì)上添加積分環(huán)節(jié)以保證轉(zhuǎn)速在動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中能正常運(yùn)行。因此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇了PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

綜合考慮動(dòng)態(tài)抗擾性能和起動(dòng)性能，取中頻寬h=5較好，如按γmax準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系，則

二、雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果

（一）雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模。由于雙饋電機(jī)與繞線異步電機(jī)具有相同的結(jié)構(gòu)，因此本文中雙饋電機(jī)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)代替。斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路主要逆變器、整流器、繞線式異步電動(dòng)機(jī)、逆變變壓器、濾波電抗器、斬波器件IGBT、二極管和電容等組成。雙閉環(huán)控制電路主要由速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、濾波器、脈沖發(fā)生器等組成。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)為807kw/6000V的繞線式異步電動(dòng)機(jī)，所帶為平方負(fù)載，系統(tǒng)的調(diào)速范圍為nN～0.5n0,開(kāi)關(guān)器件的最小占空比dmin=0.1，最小逆變角βmin=300。升壓電感Lf為5mH，平衡電感Lb10mH，濾波電容C1為1000μF。

在本次設(shè)計(jì)中電源模塊將采用電源子庫(kù)（Electrical Sources）中 的 正 弦 交 流 電 壓 源（AC Voltage Source）。整流橋和逆變橋均采用電力電子庫(kù)（Power Electronics)中通用橋模塊Universal Bridge，設(shè)置時(shí)分別選擇Diodes和Thyristors就可以得到整流橋和逆變橋模塊。IGBT模塊則選用電力電子庫(kù)中的IGBT模塊。三相繞線異步電機(jī)采用電機(jī)子庫(kù)（Machines）中的異步電機(jī)（國(guó)際單位）模塊（Asynchronous Machine SI Units）。

雙饋電機(jī)斬波串級(jí)調(diào)速的Simulink仿真步驟：

1.建立Simulink仿真模型。打開(kāi)MATLAB7.0軟件，點(diǎn)擊界面上面工具條中的Simulink圖標(biāo)，在彈出Simulink Library Browser的界面，點(diǎn)擊新建按鈕就會(huì)出現(xiàn)Simulink仿真界面。將本設(shè)計(jì)中所用到的原件按圖2和圖3所示在仿真界面搭建模型。

圖2 系統(tǒng)控制電路仿真模型

圖3 主電路仿真模型

2.原件參數(shù)設(shè)置。建立好仿真模型后就是對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。選中一個(gè)模塊雙擊它，如選中電機(jī)模塊（Asynchronous Machine SI Units），雙擊此模塊將會(huì)出現(xiàn)電機(jī)參數(shù)設(shè)置框。具體參數(shù)設(shè)置如下：Preset model:NO;Rotor type:Wound;Reference frame:Rotor;Nominal power:807e3;voltage:6e3;frequency:50;Stator resistance:0.52;Mutual inductance Lm(H):0.312;Initial conditions:[1,0 0,0,0 0,0,0]。

3.系統(tǒng)封裝。為了便于檢查和分析可以將多個(gè)模塊組合成的整體進(jìn)行封裝處理。本次設(shè)計(jì)中脈沖發(fā)生器由一個(gè)三角波產(chǎn)生器和一個(gè)滯環(huán)比較器組成它們共同作用產(chǎn)生系統(tǒng)所需的方波，為了使仿真圖更加簡(jiǎn)潔就可以將這兩個(gè)模塊封裝到一起變成一個(gè)模塊。首先選中這兩個(gè)模塊右擊鼠標(biāo)點(diǎn)選Create Subsystem選項(xiàng)完成封裝。如圖4（左：封裝前；右：封裝后）分別為脈沖發(fā)生器封裝前后模塊圖。

圖4 脈沖發(fā)生器封裝前后模塊圖（左：封裝前；右：封裝后）

4.系統(tǒng)仿真運(yùn)行。仿真圖完成后將進(jìn)行最后一步系統(tǒng)的運(yùn)行。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕觀察仿真波形對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和分析。

（二）仿真結(jié)果。在雙饋電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中采用6000v的三相交流電源。仿真過(guò)程的終止時(shí)間選擇了4秒，仿真算法設(shè)置ode23tb。ode23tb是TR-BDF2的一種實(shí)現(xiàn)，TR-BDF2是具有兩個(gè)階段的隱式龍格－庫(kù)塔公式比較適用于剛性問(wèn)題的解答。所以，在正常仿真模式下通常會(huì)選擇相對(duì)允許誤差10-2，絕對(duì)允許誤差設(shè)置auto，步長(zhǎng)選擇可變。其中，脈沖仿真器由一個(gè)三角波發(fā)生器和一個(gè)頻率開(kāi)關(guān)組成。當(dāng)三角波的幅值超過(guò)1時(shí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)輸出數(shù)值1，其它情況開(kāi)關(guān)關(guān)閉輸出數(shù)值0，這樣就形成了一組規(guī)則的方波。交流電源為三個(gè)6000v相位相差120度的單相交流電源。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真

如圖5所示，為電機(jī)啟動(dòng)到逐漸穩(wěn)定的電機(jī)轉(zhuǎn)速圖。從圖中可以看出電機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速由0逐漸加速到穩(wěn)定，由于系統(tǒng)誤差，轉(zhuǎn)速還存在一點(diǎn)小小的波動(dòng)。

圖6 電機(jī)調(diào)速仿真波形

如圖6所示，在0.2s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在800r/min，當(dāng)在0.25s時(shí)給電機(jī)一個(gè)調(diào)速指令速度1200r/min后，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升，大約0.05s后電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到1200r/min。由于機(jī)械誤差的原因，盡管調(diào)速波形存在些許波動(dòng)但是屬于正常現(xiàn)象。從仿真結(jié)果的各項(xiàng)參數(shù)都說(shuō)明了這次的仿真達(dá)到了預(yù)期的效果。當(dāng)輸入一個(gè)給定速度時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)通過(guò)速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的比較從而控制IGBT的占空比進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

三、結(jié)論

本文針對(duì)引風(fēng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，探討一種新型的調(diào)速系統(tǒng)——斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。主要采用了斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，對(duì)高頻仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，不僅考慮到轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還使用了Simulink模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到良好的仿真效果。與傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速相比較，雙饋電動(dòng)機(jī)斬波式調(diào)速系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)的功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，雙饋電動(dòng)機(jī)運(yùn)行可以在不同負(fù)載下靈活調(diào)節(jié)無(wú)功功率和轉(zhuǎn)速，調(diào)速范圍達(dá)到10%-60%，顯著提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效率，有很好的節(jié)能效果。然而，本文設(shè)計(jì)僅實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)便的PI控制算法，還可以通過(guò)模糊自適應(yīng)控制算法等進(jìn)行改進(jìn)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。