一种基于MATLAB的矿用电机车电机控制系统设计与仿真

姬亚辉 王宝成

(1.河南煤化集团 永煤公司顺和煤矿，河南 永城 476600;2.河南煤化集团 永城职业学院，河南 永城 476600)

防爆特殊型蓄电池电机车有多种型号和多种电压等级，采用IGBT斩波调速和变频技术、启动平稳、牵引力大、蓄电池使用寿命长、机车重心低、后瞭望性好、高效节能、维护量少、机车使用寿命长，同时具有电制动功能，机车性能更安全可靠等优点，因此在现代化矿井中得到广泛的使用。

河南煤化集团永煤公司顺和煤矿采用CTY5/6GB防爆特殊型蓄电池电机车。其所采用的牵引电机系矿用隔爆型直流牵引电动机，具体参数为额定功率P=7.5KW，额定电压U=84V，额定电流I=111A，额定转速n=1100r/min，励磁方式为串励。

本文对控制系统设计时所选用的设计指标为：(1)电流超调量δi%≤5%;(2)空载起动到额定转速时的转速超调量δn%≤10%;(3)空载起动到额定转速的过渡过程时间ts≤0.5s。

1 推导直流电机和整流环节的传递函数

1.1 整流环节的传递函数

晶闸管触发电路和整流电路涉及到电子器件的特性，它实际是非线性的。在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看作成线性环节。

晶闸管触发电路和整流装置是一个纯滞后的环节，其滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。当环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔离一定时间后才出现响应1(t-Ts)，所以经过拉氏变换，晶闸管触发电路与整流装置的传递函数为

将上式按泰勒级数展开并考虑到Ts很小，依据工程近似处理的原则，把整流装置近似看作一阶惯性环节，其传递函数可表示为

1.2 直流电动机传递函数的推导

根据电机学理论，直流电动机在额定励磁下，假定主电路电流连续，得到直流电动机的传递方程

由上式可以看出，额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节，Tm和Tl两个时间常数分别表示机电惯性和电磁惯性。

2 ACR和ASR的设计及其参数选择

由于电流检测信号和转速检测信号中常含有交流谐波分量，因此在反馈输入端都加T型滤波器。为了补偿中这一惯性作用，在给定通道中也加入一个时间常数相同的惯性环节，叫做“给定滤波环节”。当然它也可以过滤掉给定信号中的时间分量。给定滤波时间常数一般取Toi=2ms，Ton=10ms。

双闭环系统的动态结构图如图-1所示：

图-1 直流电动机双闭环系统的动态结构图

2.1 电流调节器(ACR)及参数的选择

由于电流的响应过程比转速响应过程快得多，因此假定在电流调节过程中转速来不及变化，可不考虑反电势的影响，反电势支路相当于开路。对于时间常数相差较大的双惯性型的控制对象，应采用PI型的电流调节器，则ACR的传递函数可写成

式中，Ki——电流调节器的比例系数，τi——电流调节器的积分时间常数。

由动态指标要求σi%≤5%，因此通过查电机相关手册得，当 KT=0.5 时，σp=4.3% ＜5%，能够满足要求。

由此得出电流调节器(ACR)的传递函数为

则各电阻、电容值计算如下：

过渡过程的调整时间：

2.2 转速调节器(ASR)及参数的选择

(1)根据设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：

(2)转速调节器参数的计算：

按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的传递函数为：

(3)检验近似条件

①转速环截止频率：

②电流环传递函数简化条件：

③转速环小时间常数近似处理条件：

根据以上的计算及参数的选择，推算本系统所达到的技术指标，并对该系统进行设计验证。

(1)电流超调量

由对ACR参数选择时KT=0.5，可知 σp=4.3% ＜5%，满足设计要求。

(2)校核转速超调量

设理想空载启动时，z=0，经查电机手册可知ΔCmax/Cb=81.2%。

代入超调量计算公式，得：

能够满足设计要求。

(3)过渡过程时间

当h=5时，经查电机手册可得：

恢复时间 tf=8.8T∑n=8.8 ×0.0174s=0.153s

过渡过程调整时间

ts=9T∑n=9 ×0.0174s=0.156s＜0.5s

满足设计要求。

3 用MATLAB/Simulink对系统进行仿真

3.1 电流闭环系统仿真

进入MATLAB/SIMULINK系统，建立好仿真模块，将各个模块连接起来并修改参数设置，得到如图-2所示的仿真模型图。

图-2 电流环的仿真模型

然后再对调节器参数进行调整，得到最终的仿真结果，如图-3所示：

图-3 电流环的仿真结果

3.2 转速环系统仿真

步骤与电流环建立过程雷同，修改各种设计参数，得到转速环的仿真模型图，如图-4所示。

图-4 转速环的仿真模型

然后双击阶跃输入模块确定阶跃值的大小，分别得到高速启动和低速启动时的波形效果图，如图-5所示。

图-5 转速环仿真结果波形效果图

4 结语

本文通过对直流电机控制系统进行双闭环控制设计，并用MATLAB/Simulink对系统进行仿真取得了预期的效果。对矿用电机车的传统起动与控制进行了改进，在实际生产与运行中具有一定的积极意义。

［1]阮毅，陈维钧主编.运动控制系统.北京：清华大学出版社，2006

［2]顾绳谷主编.电机及拖动基础.北京：机械工业出版社，2003

［3]杜坤梅，李铁才编著.电机控制技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002