直流電機無差調速系統的MATLAB仿真

南昌航空大學科技學院 查競舟

直流電機具有良好調速性能，而開環調速系統在負載變化時轉速降較大，機械特性變軟?？刹捎棉D速閉環控制減小轉速降落、靜差率，提高機械特性硬度。轉速單閉環直流調速系統是一個有差系統，為了達到轉速無差調節的目的，采用動態數學模型進行建模，并在Matlab/Simulink平臺搭建直流電機調速控制系統，選擇PI控制算法進行無靜差調速系統的仿真實驗。同時，給出轉速、電磁轉矩的波形，仿真波形表明，基于動態數學模型的單閉環直流電機調速系統能夠實現無靜差調速要求，并具備較強的抗擾能力。

1 無靜差轉速單閉環直流調速系統建模與仿真

構建調速系統仿真模型的基本思路是得到系統各環節的傳遞函數，然后在Simulink中利用相關模塊實現，轉速單閉環直流調速系統的仿真模型中應包含給定信號、比較環節、ASR(轉速調節器)、PWM整流環節（用一階慣性環節替代）、直流電機模塊（圖2）以及轉速反饋環節，其中ASR使用PI調節控制。

給定信號模塊用階躍輸入模塊表示，Step time參數修改為0，Final Value設定為10V；ASR采用PI控制，用Gain模塊表示，放大系數設定為7.85；UPE環節用一個一階慣性環節表示，其中Ks=107.6，Ts=0.000125s；直流電動機環節為一子系統；忽略測速發電機的非線性因素，轉速反饋模塊亦可用線性模塊Gain表示，放大系數為0.00383。整個系統的仿真模型見圖1所示。其中直流電機環節為封裝后的子系統模塊，其內部仿真模型見圖2所示。

圖1 無靜差轉速單閉環直流調速系統仿真模型

在圖2中，為了便于觀測調試，可以在適當的地方加入示波器模塊，仿真中所選擇的算法為ode23t，Start time設定為0，Stop time設為3，采用變步長仿真，最大仿真步長不宜過大，可設定為1e-5。

圖2 直流電動機內部子系統仿真模型

2 系統仿真結果分析

仿真算法為ode23t，Start time設定為0，Stop time設為3，采用變步長仿真?？衫脺愒嚪ù_定PI參數，經調試，選擇Kp=7.5，KI=1.2進行仿真時的電流、轉速響應曲線效果較好，波形如圖3所示。由波形可知，電動機啟動后轉速快速上升，電流迅速增大，隨著轉速上升，電流又開始減小，經過PI調節后，電流降至額定電流52.2A，轉速穩定在2610r/min，基本實現無靜差調速。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；二是構建轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統，讀者可以參考相關文獻。

圖3 Kp=7.5，KI =1.2時的給定、電流和轉速響應曲線

3 負載變化時仿真結果分析

當其他參數不變，僅將負載在1.5s時刻從52.2A突變為200A，負載增加近4倍時系統的電流、轉速響應曲線如圖4所示，由波形圖可知，盡管在t=1.5s時刻，負載增大，但經過短暫的調節后，穩態時的轉速幾乎沒有變化，表明該系統具有較強的抗擾動能力。

圖4 負載變化時無差調速系統的電流、轉速響應曲線

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