MATLAB在直流調速系統(tǒng)教學中的應用

王麟珠 戴立慶

福建船政交通職業(yè)學院 福建福州 350007

在軋鋼機、挖掘機、金屬切削機床等電力拖動系統(tǒng)中，直流電動機不僅具有良好的啟動和制動性能，而且兼具大范圍內的平滑調速等特點，應用領域極其廣泛。而交流調速系統(tǒng)的研究又是以直流調速系統(tǒng)為基礎的，因此，在自動調速系統(tǒng)中，直流調速系統(tǒng)具有不可替代的作用。

直流調速系統(tǒng)課程綜合性較強，要求學生具備“自動控制原理”“電力電子技術”“電力拖動基礎”等專業(yè)課程的基礎知識，因此，在教學過程中，教師授課難度大，學生接受效果差。將MATLAB軟件應用于直流調速系統(tǒng)課程的教學中，不僅可以使抽象知識形象化，有利于學生對知識的吸收，而且便于分析各參數(shù)對系統(tǒng)的影響。與采用實驗臺進行實驗相比較，軟件仿真更容易進行參數(shù)設置與調試，可以觀察到動態(tài)過程中參數(shù)的變化，且易于故障分析和排除，并能夠進行線上教學。在傳統(tǒng)理論教學和實驗教學相結合的基礎上，改進課程教學模式，采用“三位一體”的教學模式，即課堂理論知識講解、軟件模擬仿真、實驗臺實物接線調試，能夠使學生更加深入地理解直流調速系統(tǒng)工作原理，增強學生分析問題的能力，鍛煉學生實踐動手能力。

1 開環(huán)直流調速系統(tǒng)

直流電動機的轉速方程式為：

式中：n為轉速，U為電樞電壓，I為電樞電流，R為電樞回路總電阻，Ke為電動勢系數(shù)，Φ為勵磁磁通。

從轉速方程式可知，調節(jié)電樞電壓可以實現(xiàn)對電動機的調速，這也是最常用的調速方法。開環(huán)直流調速系統(tǒng)是最簡單的調速系統(tǒng)，由主電路和控制電路兩大部分組成，主電路部分有三相交流電源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機，控制電路由給定電壓和脈沖觸發(fā)電路組成。

運用MATLAB/Simulink/simPowerSystems進行電氣元件建模仿真，圖1所示為開環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型。建立電氣元件模塊仿真模型的過程，相當于學生進行了虛擬仿真接線，也讓學生明白在實驗臺實驗過程中的接線步驟和注意事項，加深學生對系統(tǒng)結構和工作原理的理解。

圖1 開環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型

由于開環(huán)直流調速系統(tǒng)的機械特性軟，無法滿足生產機械對調速系統(tǒng)的性能指標要求，為提高直流調速系統(tǒng)的機械特性硬度，可引入單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。

2 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

與開環(huán)調速系統(tǒng)相比較，保持主電路不變，控制電路增加了轉速檢測、比較和轉速調節(jié)器，就可完成單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的構建，原理框圖如圖2所示。通過對直流電動機的實際轉速進行檢測，將實際轉速和期望轉速做比較，采用轉速調節(jié)器對系統(tǒng)進行調節(jié)，實現(xiàn)單閉環(huán)系統(tǒng)的自動調節(jié)功能。

2.1 有靜差直流調速系統(tǒng)

在單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，當轉速調節(jié)器為比例調節(jié)器(即P調節(jié)器)時，系統(tǒng)為有靜差直流調速系統(tǒng)，即系統(tǒng)自動調節(jié)進入穩(wěn)態(tài)后，實際轉速值和期望轉速值存在一個差值，圖2所示為單閉環(huán)有靜差直流調速系統(tǒng)組成框圖。與開環(huán)系統(tǒng)相比，單閉環(huán)系統(tǒng)具有靜特性硬和靜差率小的特點，并且調速范圍和抗干擾能力得到有效提高。系統(tǒng)對前向通道上的擾動(如電網電壓波動、負載變化等)能起到有效抑制作用，在軟件仿真時，可實現(xiàn)在任意環(huán)節(jié)加上干擾信號，進而對系統(tǒng)抗干擾性能進行分析。

圖2 單閉環(huán)有靜差直流調速系統(tǒng)組成框圖

2.2 無靜差直流調速系統(tǒng)

為了使系統(tǒng)達到實際轉速值與期望轉速值一致，采用比例積分調節(jié)器(即PI調節(jié)器)取代單閉環(huán)有靜差直流調速系統(tǒng)中的比例調節(jié)器，這一系統(tǒng)即為無靜差直流調速系統(tǒng)。與有靜差系統(tǒng)相比，無靜差系統(tǒng)增加了積分調節(jié)作用，積分調節(jié)器可使系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差恒速穩(wěn)定運行，但由于積分調節(jié)為滯后環(huán)節(jié)，會大大降低系統(tǒng)響應的快速性，因此，采用比例積分調節(jié)器，綜合比例控制滿足快速性要求和積分控制滿足準確性要求的優(yōu)點。仿真時，通過改變PI調節(jié)器Kp、Ki兩個系數(shù)的大小，可觀察兩個參數(shù)對系統(tǒng)的影響，匹配出最優(yōu)參數(shù)，以便實驗臺實驗使用。采用軟件仿真，參數(shù)修改快捷簡便，可細致觀察系統(tǒng)響應曲線，能有效提高實驗效率。

2.3 帶電流截止負反饋的無靜差直流調速系統(tǒng)

直流電動機在啟動過程中會形成過大的沖擊電流，損壞過載能力低的晶閘管，此外，部分生產機械的電動機在工作過程中可能會遭遇堵轉狀況，因此，在無靜差調速系統(tǒng)的基礎上增加電流截止負反饋環(huán)節(jié)。當電樞電流在正常范圍工作時，電流截止負反饋未啟動，此時系統(tǒng)就是無靜差調速系統(tǒng)；當電樞電流超過允許值時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)將電流反饋信號送至比較器，通過閉環(huán)系統(tǒng)的自動調節(jié)功能，達到有效降低電樞電流的目的。

3 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

雖然帶電流截止負反饋的無靜差調速系統(tǒng)實現(xiàn)了無靜差調速和限制過大電流，但同時也使電動機啟動時的電流受限，因此影響了電動機啟動的快速性。為解決這一問題，在單閉環(huán)系統(tǒng)的基礎上增加電流檢測器和電流調節(jié)器，構成雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，即系統(tǒng)具有轉速負反饋外環(huán)和電流負反饋內環(huán)兩個閉環(huán)。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器均采用PI調節(jié)器。在啟動過程中，轉速調節(jié)器很快進入飽和狀態(tài)，輸出達到最大限幅值，該限幅值即為電流環(huán)的給定值，電流負反饋發(fā)揮調節(jié)作用，使電流保持最大值，轉速以最快速度增大達到目標值；當轉速出現(xiàn)超調，轉速調節(jié)器得以退飽和，轉速負反饋外環(huán)發(fā)揮閉環(huán)調節(jié)作用，電流環(huán)跟隨轉速環(huán)調節(jié)；系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，轉速達到目標值，實現(xiàn)轉速無靜差，電樞電流與負載電流相等，電磁轉矩與負載轉矩平衡。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)達到了穩(wěn)定性、準確性和快速性的控制要求，但在啟動過程中，轉速會出現(xiàn)超調，為了解決這一問題，可通過增加一個轉速微分負反饋，實現(xiàn)轉速超調的抑制。

圖3 雙閉環(huán)直流系統(tǒng)仿真模型

圖3所示為基于MATLAB的雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，運用MATLAB軟件便于觀察系統(tǒng)動態(tài)調節(jié)過程中各參數(shù)的變化情況，通過調節(jié)轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的Kp、Ki參數(shù)，學生可以總結出兩個調節(jié)器對系統(tǒng)的影響。通過對轉速微分負反饋參數(shù)的調節(jié)，可匹配出最優(yōu)參數(shù)使系統(tǒng)達到最佳性能指標。通過對轉速反饋線接反或反饋線突然斷線等各種故障情況的仿真，學生能夠較容易觀察出系統(tǒng)各環(huán)節(jié)及參數(shù)的變化情況，對在實驗臺實驗過程中的排故有了充分的經驗積累，使學生在實驗臺實驗前做到心中有數(shù)、輕松應對。

圖4 各系統(tǒng)轉速響應曲線

圖4為各系統(tǒng)的轉速響應曲線，從曲線中可以看出，單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)、單閉環(huán)無靜差系統(tǒng)、雙閉環(huán)系統(tǒng)是直流調速系統(tǒng)的不斷改進過程，使直流調速系統(tǒng)不僅具有良好的啟動特性和抗干擾能力，而且穩(wěn)態(tài)性能好，可以達到工業(yè)生產機械的性能指標要求。

4 雙閉環(huán)可逆直流調速系統(tǒng)

4.1 有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)

雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)已能夠較好地滿足性能指標要求，但由于晶閘管的單向導電性，主電路只有一組晶閘管整流裝置，只能提供單方向的電流，因此，無法實現(xiàn)電機的可逆運行，即電機無法實現(xiàn)正反轉切換和制動。因此，主電路需要采用正反兩組晶閘管整流裝置，正組晶閘管整流裝置提供正向電流，反組晶閘管整流裝置提供反向電流。通過對兩組晶閘管整流裝置控制角的調節(jié)，可實現(xiàn)晶閘管裝置處于整流或逆變狀態(tài)，從而實現(xiàn)電機四象限運行。

由于主電路回路采用了兩組晶閘管整流裝置，因此，電路中存在環(huán)流問題，即使控制回路在雙閉環(huán)控制的基礎上加上配合控制，也只能消除直流平均環(huán)流，無法消除瞬時脈動環(huán)流。為此，主電路回路必須串入環(huán)流電抗器，以抑制脈動環(huán)流。

4.2 無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)

為徹底消除可逆直流調速系統(tǒng)中的環(huán)流，在雙閉環(huán)控制回路中增加無環(huán)流邏輯控制器，通過對電機四象限運行的分析，可知處于工作狀態(tài)的晶閘管裝置只有一組，無環(huán)流邏輯控制器開放處于工作狀態(tài)的晶閘管裝置觸發(fā)脈沖，封鎖另一組處于待工作狀態(tài)的晶閘管裝置觸發(fā)脈沖，從而切斷環(huán)流回路，實現(xiàn)無環(huán)流控制，主電路回路也就不再需要串入環(huán)流電抗器，圖5所示為邏輯無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)仿真模型。

圖5 無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)仿真模型

結語

本文針對開環(huán)直流調速系統(tǒng)存在機械特性軟的問題，引入單閉環(huán)系統(tǒng)。對單閉環(huán)系統(tǒng)啟動快速性不足問題，引入雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，實現(xiàn)滿足調速范圍大、靜差率低等性能指標要求的直流調速系統(tǒng)。為實現(xiàn)電機可逆運行，主電路采用兩組晶閘管裝置。為消除可逆系統(tǒng)中的環(huán)流，在控制回路增加無環(huán)流邏輯控制器，最終實現(xiàn)雙閉環(huán)控制的無環(huán)流可逆直流調速系統(tǒng)。將直流調速系統(tǒng)課程由簡單到復雜進行剖析，建立各系統(tǒng)間有機統(tǒng)一體的關系，使學生更加系統(tǒng)性地掌握直流調速系統(tǒng)的知識點。同時，運用MATLAB軟件進行建模仿真，通過仿真模型的搭建，學生可以更好地掌握系統(tǒng)的組成原理；通過對比各系統(tǒng)的轉速響應曲線，學生可以直觀地看出系統(tǒng)得到了一步步的改善；通過對各種故障情況模擬仿真，學生能夠更加快速地對故障情況進行分析和排查，結合“三位一體”的教學模式，教學效果得到有效改善。