邏輯無環流可逆調速實驗系統設計及其教學實踐

王建暉， 吳宇深， 張 立， 劉嘉睿， 張春良， 岳 夏

（1.廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006；2.廣州市城市建設職業學校，廣州 510320）

0 引 言

虛擬仿真教學是現代高校專業教學中的重要環節［1］，現代控制理論、智能控制等課程往往會結合虛擬仿真軟件進行專業教學。目前在自動化專業方向教學中，課程實驗環節中也普遍結合了虛擬仿真實驗，例如運動控制系統課程［2-4］。運動控制系統課程有著十分重要的教學意義，所以其實驗環節的開展方式也決定了教學的質量［5-6］。但往往課程實驗理論性較強，實驗過程難度較大［7］，且根據過往的課程實驗環節安排，使用電動機控制實驗臺進行實驗，則在實驗過程中無法直接觀測系統輸出特性的動態過程，且不利于實驗中對系統進行擴展。而利用Matkab 進行虛擬仿真實驗，往往是搭建Simulink仿真模型，然后通過修改不同模塊的參數再進行仿真實驗，最后通過示波器（Scope）或者畫圖觀測實驗效果。但是實驗時間的限制、學生自身理解不到位及其他原因，往往使得實驗效果不理想，從而造成學生的學習效果不好。因此，重視運動控制系統課程實驗環節，對實驗方式進行創新是十分有必要的。

本文，建立Simulink與GUI可視化界面相結合的實驗系統，將實驗參數調節功能、電動機輸出特性波形顯示設計在GUI人機交互界面上。通過上述設計，且經過具體的實踐教學研究，學生可以在GUI 人機交互界面上直觀觀測電動機輸出特性的動態過程，并且可以實現在實驗過程中進行電動機系統相關參數的快速調試的目標，同時還可以對系統進行模塊擴展。整個虛擬仿真實驗系統有助于降低課程實驗難度，學生也能更好地通過仿真實驗理解運動控制系統課程內容。

1 邏輯無環流可逆調速系統

邏輯無環流可逆調速系統主要包括轉速外環ASR［8］、電流內環ACR［9］、邏輯控制器DLC 以及晶閘管裝置VF、VR，如圖1 所示。DLC 是本次系統設計的關鍵部分，可使系統實現無環流［10］。

圖1 邏輯無環流可逆調速系統結構圖

當電動機M 需要正轉運行時，觸發脈沖GTF 工作，晶閘管VF導通，輸入正向電壓，電動機正轉；反轉運行時，觸發脈沖GTR工作，晶閘管VR 導通，輸入反向電壓，電動機反轉［11］。DLC的組成如圖2 所示。

圖2 邏輯控制器的組成

（1）電平檢測器。該檢測器是將控制系統中輸入的連續信號U*T和U*I轉化為離散信號“1”或“0”，以供邏輯判斷電路使用［12］。Simulink中，采用DPZ模塊和DPT模塊來實現。

（2）邏輯判斷電路。電平檢測器輸出信號的變化經過邏輯判斷電路，發出邏輯變換指令，進而改變系統的工作狀態［13］。結合DLC 的邏輯指令切換條件，且邏輯判斷電路正常工作時兩路輸出互斥，可以得到邏輯判斷電路的真值表，如表1 所示。

表1 邏輯判斷電路真值表

（3）延時電路。由于主電路的電流是連續的，且電平檢測器設有一定的閾值，當發出“零電流”信號時，電動機電流可能并不為零。同時由于晶閘管的關閉特性，需要過一段時間才能完全關閉，因此需要封鎖延時以及開放延時才能保證系統不會出現環流［14］。

（4）聯鎖保護電路。在DLC正常運行時，兩個輸入經過電平檢測器、邏輯判斷和延時電路后的兩個輸出總是互斥的。如果發生異常，則輸出端口Uf和Ur會同時為“0”，導致正組晶閘管VF 和反組晶閘管VR同時工作，損壞系統［14］。為了防止系統出錯，需要設置聯鎖保護電路，其輸入與輸出之間的關系式為：

同時列出如表2 所示的聯鎖電路真值表，其中電路輸出Ublf和Ublr不會同時為0。

表2 聯鎖保護電路真值表

2 系統虛擬仿真模型搭建

在Simulink中搭建如圖1 系統結構圖的虛擬仿真模型，如圖3 所示。圖中ASR、ACR、DLC 等各模塊的模型搭建與圖1 的系統結構圖相互對應。

圖3 邏輯無環流可逆調速系統仿真模型

（1）搭建轉速調節器ASR 模型。根據轉速外環控制“無靜差、抗擾性好”的設計要求，應按照“典型Ⅱ型系統”設計轉速外環，故轉速調節器ASR 采用比例積分調節器［15-16］，結合電動機參數，得出相關P和I參數，搭建ASR仿真模型，如圖4 所示。

（2）搭建電流內環子系統模型。首先搭建ACR仿真模型、邏輯控制器DLC仿真模型以及選取同步六脈沖發生器，再連接各個模塊，最后得到電流內環子系統仿真模型，如圖5 所示。

圖5 電流內環子系統仿真模型

（3）搭建同步六脈沖發生器模型。采用Powerlib_extras工具箱的“同步六脈沖發生器”提供三相整流電路的觸發脈沖［17］，實驗系統設計中對同步六脈沖發生器進行封裝，如圖6 所示。

圖6 同步六脈沖發生器仿真模型

（4）搭建電流調節器ACR 模型。考慮到電動機電流要快速跟隨給定的需求，電流調節器ACR也采用PI調節器，其仿真模型如圖7 所示。

圖7 ACR調節器仿真模型

（5）搭建邏輯控制器DLC 模型。由邏輯控制器DLC的結構組成，可以搭建出在Simulink中的DLC仿真模型與封裝，如圖8 所示。

圖8 邏輯控制器DLC仿真模型

為驗證邏輯控制器DLC 設計的合理性，搭建圖9所示測試電路，對DLC進行性能測試。

圖9 邏輯控制器DLC測試電路

經過仿真實驗驗證，得到DLC輸入輸出波形如圖10 所示，符合設計要求。

圖10 DLC輸入及輸出波形圖

通過輸入UT、UI與輸出Ublf、Ublf波形圖的對應關系可以得出，當且僅當UI=1 時，輸出Ublf和Ublr才會跟隨UT的極性，滿足DLC的設計要求。

（6）系統電動機輸出特性分析。按照步驟，完成上述系統虛擬仿真模型搭建后，設置ASR的比例調節器KPn參數為5，積分調節器Kin參數設置為80，ACR的比例調節器Kpi參數設置為5，積分調節器Kii參數設置為5，并記錄系統電動機輸出特性波形，如圖11 所示。

圖11 邏輯無環流系統下電動機特性分析

由圖11 可以看出，當輸入給定正脈沖時，電動機的電樞電流在最開始上升到允許的最大電流后，維持穩定在其附近，同時電動機的轉速以線性的形式快速增長。當轉速超調之后，電樞電流開始下降，最終維持在負載電流附近，直流電動機到達轉速的穩態值。當輸入給定負脈沖后，反向最大電樞電流開始快速建立，并維持在該值附近，實現直流電動機的正向快速制動。而當電動機的轉速到達0 時，電樞電流繼續保持著最大反向值，實現電動機的反向起動。

3 GUI實驗系統搭建

基于上述Simulink 系統仿真模型，設計一個人機交互界面，將Simulink 文件和GUI 結合起來，使得邏輯無環流可逆調速系統的實驗變得方便、直觀，同時也可以方便DLC、三相整流等環節的實驗測試。

在該GUI 人機交互主界面中，可以選擇“單閉環系統”“雙閉環系統”“邏輯無環流系統”進行實驗，如圖12 所示。

圖12 GUI人機交互主界面

首先，選擇“邏輯無環流系統”，通過該實驗系統，選擇“DLC測試—開始仿真”，可以在GUI界面中觀察邏輯控制器DLC的測試結果，如圖13 所示。

圖13 DLC的測試結果

然后再分別選擇“單閉環系統”“雙閉環系統”“邏輯無環流系統”，通過該實驗系統，可以在GUI界面中設置仿真時間、給定電壓、電壓周期等實驗初始條件，然后通過調節轉速調節器和電流調節器中的P和I參數，得到輸入電壓、電動機轉速，電樞電流等電動機特性的波形圖，如圖14 所示。

圖14 GUI實驗系統仿真實驗

4 結 語

經過具體的教學實驗研究，Simulink 與GUI 界面相結合的虛擬仿真實驗系統能方便學生在實驗過程中更好地觀測電動機起動過程中電動機轉速、電樞電流等輸出特性的動態性能以及在穩態過程中電動機轉速、電樞電流等輸出特性的穩態性能，也能方便學生在實驗環節中進行實驗參數快速調節，幫助學生了解不同實驗參數對電動機輸出特性的影響。同時GUI 可視化界面能更好地呈現電動機輸出特性的波形圖，加深學生對實驗過程的印象。對比利用電動機控制實驗臺進行實驗的實驗方式，該Simulink/GUI 人機交互界面實驗系統能大大縮短實驗過程中參數調試時間，提高實驗效率，同時還能使控制系統的可擴展性增強。此外，通過Simulink/GUI 人機交互界面，該實驗系統還能方便授課教師在“運動控制系統”課程上進行電動機控制實驗演示，可以取得更好的課程教學效果。