Matlab仿真在双闭环直流调速实验教学中的应用

胡明忠,　徐志宇,　余有灵

(同济大学 电子与信息工程学院,上海　201804)



Matlab仿真在双闭环直流调速实验教学中的应用

胡明忠,徐志宇,余有灵

(同济大学 电子与信息工程学院,上海201804)

摘要：电力拖动运动控制系统是自动化专业的核心课程之一。高性能的直流调速系统多采用双闭环串级控制的结构:外环为转速反馈,实现转速调节;内环为电流反馈,加快瞬态过程。由于原理的复杂性,历来是教学的难点。Matlab是一种强大的仿真工具,已广泛应用于高校教学活动。以双闭环直流调速为例,将Matlab仿真技术引入运动控制实验教学。利用SimPowerSystem模块搭建系统模型;通过仿真,对比分析系统在突加给定和突增负载时的动态响应特性;验证了双闭环结构相对于开环、单闭环系统的优势。与传统实物实验相结合,更有利于学生加深对相应知识点的理解和掌握。

关键词：直流双闭环调速; Matlab仿真; 动态特性分析; 实验教学

1引言

直流调速系统是以直流电动机为对象的运动控制系统,由于其精度高、应用广、控制简单等优势,在调速领域长期处于主导地位[1];直流调速系统也是运动控制实验教学中的重要内容[2]。传统的直流调速实验中,各组学生按照预设方案和规定步骤完成实验,主要训练线路连接、系统调试、仪表测量等动手操作能力,在综合、分析、设计方面存在不足[3]。为此,我们在实验教学中引入Matlab技术[4],利用计算机数值仿真,拓展实验内容,加深知识理解[5,6]。其中主要用到控制仿真(Simulink)和电力系统仿真(SimPowerSystems)2大工具箱。

2双闭环调速简介

如图1所示,双闭环直流调速系统由转速、电流两个反馈闭环嵌套而成,其中转速为外环、电流为内环。转速调节器(ASR)根据转速给定和测速装置(TG)的转速反馈,给出控制量;电流调节器(ACR)根据电流给定和互感装置(TA)的电流检测,给出控制量。双闭环直流调速系统具有以下特点[1]:

图1　转速-电流双闭环直流调速系统Fig.1　Speed-current dual-loop DC motor control system

(1) 转速调节器ASR和电流调节器ACR是串联关系,ASR的输出作为ACR的给定;

(2) 外环调节电机转速,起主导作用;内环调节电枢电流,起辅助作用;

(3)ASR、ACR一般都采用PI调节器,提高系统的动静态特性;

(4)ASR、ACR的输出都带有限幅,分别决定了电枢电流和整流电压的最大允许值。

3数值仿真分析

在Matlab/Simulink环境中搭建双闭环直流调速系统的仿真模型(如图2所示)。主电路包括他励式直流电机、三相对称交流电源、三相整流桥、同步6脉波触发器、平波电抗器等。控制电路包括给定输入、ASR、ACR、比较器、转速检测、电流检测,以及相应的一阶惯性滤波。

3.1仿真设置

三相电源的电压有效值为220V,频率50Hz,A、B、C三相的初相分别为0°、120°、240°;整流桥内阻RS=0.3Ω,电动机负载转矩TL=130N·m,转动惯量J=0.573kg·m2,电枢回路电阻Ra=0.2Ω,电感La=15mH;励磁回路电阻Rf=240Ω,电感Lf=1.4H。采用工程设计法,依次确定ACR、ASR的PI参数值。仿真算法采用ode45。

3.2突加给定的起动过程仿真

如图3中0～0.15s时间段,为突加给定时电机起动的全过程。仿真结果显示,整个起动过程大致分为三个阶段,分别对应了ASR的三个状态。

(2) 恒流升速阶段(ASR饱和):ASR始终饱和,转速环等效于开环,电枢电流几乎保持其最大值Idm,使电机以最大加速度加速。考虑到与转速上升相伴的反电动势上升,电流环的输入偏差应维持为一恒定值,故实际电枢电流接近而略低于Idm,整流触发角α逐渐调整。

图2　双闭环直流调速系统的Matlab仿真模型Fig.2　Matlab simulation model of dual-loop DC motor control system

图3　双闭环直流调速系统在突加给定、突增负载时的过渡过程Fig.3　Transient process of dual-loop DC motor control system under reference/load step

3.3突增负载的过渡过程仿真

如图3中0.6～0.65s时间段,为突加负载时电机的动态调整过程。设置在0.6s时刻,负载电流TL由200N·m突增至400N·m。在此瞬间电机转速跌落,整流触发角α立即减小到0°,电枢电流Id随之急剧上升,使电机加速;经过一次超调,转速迅速恢复到给定值180r/min,电枢电流也再次稳定在与负载转矩相平衡的数值。

3.4双闭环与开环、单闭环的对比仿真

图4进一步给出了在上述过渡过程中,开环、转速单闭环、转速-电流双闭环系统的转速响应曲线。其中蓝色粗实线为双闭环,绿色虚线为单闭环,红色点划线为开环。当突加给定时,开环结构的转速上升最慢,经过单峰超调后最终收敛值与给定值之间的稳态误差显著;单闭环结构的转速上升最快,但超调大,调节时间长,在0.6s内始终未收敛到给定值;双闭环结构最快地达到给定值,且超调很小。当突加负载时,三者的调速性能对比结果类似。综上,采用转速-电流双闭环结构的直流调速系统比采用开环结构、转速单闭环结构具有更好的动态特性,能够在更短的时间内结束过渡过程,达到新的平衡状态。

图4　双闭环与开环、单闭环的调速性能对比Fig.4　Performance comparison:open-loop,single-loop,and dual-loop

4结束语

转速-电流双闭环系统是本科生专业课《电力电子与运动控制》中的教学重点与难点。本文应用Matlab软件,针对该系统进行数值仿真与理论分析相结合的研究探讨。对照仿真曲线,更加深入地阐释了双闭环系统在突加给定和突加负载情况下,转速、电枢电流、整流触发角的关键状态的过渡过程;通过对比,说明了双闭环系统较之开环、单闭环结构,具有更优的动态性能。

参考文献:

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FENGXingtian,WANGPing,HUHuihui.Curriculuminnovationofthe“DCmotorcontrolsystem”.[J]JournalofElectricandElectronicsEduation,2014,36(1):18-22.

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[5]卢卫娜,陈秀敏,马玉泉,等.仿真技术在电力拖动实验教学中的应用[J].大学物理实验,2011,24(6):55-58.

LUWeina,CHENXiumin,MAYuquan,etal.Applicationsofsimulationonelectricdriveexperiments[J].UniversityPhysicsExperiments,2011,24(6):55-58.

[6]陈荣.《电力拖动自动控制系统》虚拟实验系统设计[J].实验科学与技术,2013,11(6):13-16.

CHENRong.Designofvirtualexperimentalsystemsfor《electricdrivecontrolsystems》[J].ExperimentalScienceandTechnology,2013,11(6):13-16.

胡明忠男(1968-),硕士,实验师,主要研究方向为电力电子技术,电机与电力拖动控制系统。

徐志宇男(1982-),博士,高级工程师,主要研究方向为仿真技术在电力电子与运动控制系统中的应用。

中图分类号：TM 306; TP 391

文献标识码：A

基金项目：上海市重点课程项目,同济大学精品实验项目

Application of Matlab Simulation on Experimental Courses of Dual-Loop DC Motor Control

HU Mingzhong,XU Zhiyu,YU Youling

(SchoolofElectronics&InformationEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Abstract：Electric drive motion control system is one of the key courses for students majoring in Automation.High performance DC motor control systems generally utilize the scheme of dual-loop cascade control:the outer loop implements speed regulation and the inner loop controls the current to shorten the transient process.Normally it′s a stumbling block in teaching due to the fundamental complexity.Matlab is a powerful simulation tool which is widely adopted in university education activities.This paper takes the dual-loop DC motor control as an instance,and applies the Matlab simulation technology to the experimental courses of motion control.The system model is built with SimPowerSystem modules.The dynamic response characteristics are investigated and compared,given the step reference and load.It is verified that the dual-loop system is superior to open-loop and single-loop systems.This approach can be applied to supplement the conventional hardware experiment,so as to help students establish better understanding on relevant knowledge.

Key words：dual-loop DC motor control; matlab simulation; dynamics analysis; experimental course