基于Matlab仿真的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

李沙沙，汪東霞

（黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南焦作，454950）

0 引言

在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)作為生產(chǎn)設(shè)備主要?jiǎng)恿Φ碾妱?dòng)機(jī)有較高的要求。根據(jù)不同的生產(chǎn)要求，常常需要對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行平滑調(diào)速，而調(diào)速要通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，大多數(shù)設(shè)備要求動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、具有良好的動(dòng)態(tài)性能，這往往也直接取決于電動(dòng)機(jī)的性能。直流電動(dòng)機(jī)因?yàn)榫哂休^多明顯的優(yōu)點(diǎn)，常常被用于工業(yè)生產(chǎn)中。直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較多優(yōu)點(diǎn)，如可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)、制動(dòng)性能良好等，在具有較高要求的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此本文在Matlab平臺(tái)上搭建了直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型[1]，并進(jìn)行了仿真分析。

1 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理

帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如圖1所示。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)、放大器、 移相觸發(fā)器CF、晶閘管整流器、直流電動(dòng)機(jī)M、測(cè)速發(fā)電機(jī)G等組成。其中，：轉(zhuǎn)速反饋；：轉(zhuǎn)速偏差，：放大器輸出；Ud：整流器輸出電壓；Id：電樞電流。

圖1 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖

在該系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋Un將隨著轉(zhuǎn)速的下降而減小，而轉(zhuǎn)速的偏差?Un將增大，同時(shí)放大器輸出UC增加，并經(jīng)移相觸發(fā)器使整流輸出電壓Ud增加，電樞電流Id增加，從而使電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩增加，轉(zhuǎn)速也隨之提高，補(bǔ)償了由于負(fù)載增加所引起的轉(zhuǎn)速降落[2]。帶轉(zhuǎn)速反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程為：

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降落

本設(shè)計(jì)采用帶阻感負(fù)載的單相橋式全控整流電路，如下圖2所示，晶閘管VT1和VT3組成一對(duì)橋臂，VT2和VT4組成另一對(duì)橋臂。在U2的正半周期，觸發(fā)角α處給晶閘管VT1和VT3加觸發(fā)脈沖使其開通。U2過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用使VT1和VT4并不關(guān)斷。至ωt=π+α?xí)r刻，給VT2和VT4加觸發(fā)脈沖使其開通，U2通過VT2和VT4分別向VT1和VT3施加反壓使其關(guān)斷[3]。至下一周期，重復(fù)上述過程，如此循環(huán)下去。

圖2 整流電路

觸發(fā)器的控制角（alpha-deg端）通過移相控制環(huán)節(jié)（Fcn）。移相控制模塊的特性如圖3所示。在本模型中取αmin=30°，移相特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖3 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

2 參數(shù)計(jì)算

主要元件參數(shù)如表1所示。

元件 參數(shù)名 參數(shù)交流電源 電壓 220V變壓器 原邊電壓 220V副邊電壓 205V晶閘管整流橋 內(nèi)阻 0.01Ω RL 電阻 0.85Ω電感 0.001H電樞額定電壓 220V電樞額定電流 136A額定轉(zhuǎn)速 1460r/min勵(lì)磁電壓 220V勵(lì)磁電流 1.5A直流電動(dòng)機(jī)

3 仿真模型

在Matlab/Simulink中搭建的仿真模型如圖3所示。在仿真中，為了簡(jiǎn)化模型，省略了同步變壓器和測(cè)速發(fā)電機(jī)，整流器和觸發(fā)同步使用同一交流電源，為了減小整流器諧波對(duì)同步信號(hào)的影響，設(shè)交流電源電感為L(zhǎng)S=0，直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁由直流電源直接供電[4]。

4 仿真分析

電動(dòng)機(jī)測(cè)得轉(zhuǎn)速要與給定值進(jìn)行運(yùn)算得出差值，即的大小將一定程度上決定轉(zhuǎn)速差的大小，經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)將影響整流橋控制角。由上圖知通過調(diào)節(jié)的大小可以進(jìn)行調(diào)速。

5 結(jié)論

文章首先介紹了直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理，其次通過在Matlab中搭建模型對(duì)直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。通過仿真結(jié)果得出，轉(zhuǎn)速隨著給定值?的變化而變化；并對(duì)不同的放大倍數(shù)情況進(jìn)行對(duì)比分析，可知隨著放大倍數(shù)的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速將減小，但放大倍數(shù)過大時(shí)，會(huì)增加震蕩的可能性。為實(shí)際系統(tǒng)的研究提供了理論支持。