基于MATLABSimulink的MXG-500D型采煤机调速系统仿真.PDF

文章编号10032079420050320029203 基于MATLAB/ Simulink的MXG- 500D型采煤机调速系统仿真 李 雯1,王汝琳1,肖洪杰2,樊 睿3 1. 中国矿业大学 北京校区,北京100083; 2.东北轻合金有限责任公司,哈尔滨150060; 3.哈尔滨市银山给水设备厂,哈尔滨150060 摘要针对控制系统传统的传递函数结构图仿真方法的不足,提出一种基于MAT LAB的 Simulink和Power System工具箱、 面向系统电气原理结构图的仿真新方法,该方法类似于实际的电 路搭建,直观且可读性强。重点介绍了同步脉冲触发器、 电磁转差离合器装置的建模,给出了采煤 机电磁调速控制系统的仿真模型和仿真结果,实验表明仿真结果接近实际波形,可信度较高。 关键词速度调节;同步六脉冲触发器; MAT LAB/ Simulink仿真 中图号 TD42116文献标识码 A 1 引言 MXG- 500D型采煤机是电磁调速技术在采煤 机上的一个典型应用。它采用普通防爆三相鼠笼式 异步电动机为原动机,以恒速实际负载时转速略有 降低带动电磁转差离合器的电枢旋转,通过对电磁 离合器励磁绕组电流的控制来实现对磁极的速度调 节,从而达到调速的目的。本文将采用Matlab的 Simulink和Power System工具箱,介绍电磁调速控制 系统的建模与仿真实现。 2 电磁调速控制系统的建模 电磁调速控制系统的主电路是由三相对称交流 电源、 晶闸管整流桥、 三相笼型异步电动机、 电磁转 差离合器等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸 管整流桥是不可分割的2个环节,工程上通常把它 们作为一个组合体来讨论,所以将触发器归到主电 路中进行建模。 控制电路是由给定信号、 速度调节器ASR、 电流 调节器ACR、 限幅器、 偏置电路、 反向器、 电流反馈、 速度反馈等环节组成。 2.1 电力系统Power System工具箱 电力系统工具箱以Simulink为运行环境,涵盖 了电工学科中常用的基本元件库。对MAT LAB6. 0 以上的版本来说,它由电源、 基本元件、 电力电子、 电 机、 连接器、 测量、 附加等主要的模块库组成。特别 是在附加模块库的控制子模块库中有六脉冲触发 器,三相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块,这些 运算能力和丰富的片内外设结构、 使电机控制外围 电路简单,结构紧凑。从试验结果可以看出,系统采 用软计算代替了速度和位置检测元件,提高了调速 的可靠性。修正的自校正方法,增强了控制系统的 鲁棒性,改善了系统的动态性能。 参考文献 [1]李华德,等.交流调速控制系统[M].北京电子工业出版社,2003. [2]江思敏,等. TMS320LF240 xDSP硬件开发教程[M].北京机械工业 出版社,2003. [3]杜海江,石春新.基于C2000系列DSP的数字电机控制研究与实 践[J ].电气电子教学学报,2002. [4]单晶,安连祥,董春霞,等. TMS320LF2407在电机控制中的应用 [J ].计算机与现代化,2004. 作者简介王艳1978 - ,女,河南焦作人,2003年毕业于河南 理工大学电气工程及自动化专业,现工作于河南理工大学图书馆,从 事计算机管理工作. E- mail carolwy . 收稿日期2004212206 Research of Speed - Sensorless Transvector Control System for Induction Motor Based on Digital Signal Processor WANGYan , CUI Li-zhi, LI Yun-bo, BU Xu-hui 1. Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 454003 ,China Abstract Transvector control is a high - powered AC driving restraining which has the trait of small restraining torque and less current harmonic. This paper introduced the basic principle of speed - sensorless transvector control and the trait and capability of the TMS320LF2407. And the design of the control system with a digital signal processor of TMS320LF2407 is given ,including of the hardware and the software. Key words transvector control ; DSP; induction motor ; speed - sensorless 92 2005年第3期 煤 矿 机 械 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 都是本系统中要用到的模块。同时,用户还可以根 据需要自己组合封装出更为复杂的模块,添加到相 关模块库中。 2.2 电磁调速控制系统的建模 组成电磁调速控制系统的主要子模块有三相 交流电源、 晶闸管三相全控整流桥、 同步电源与六脉 冲触发器、 速度和电流调节器ASR及ACR、 笼型异 步电动机、 电磁转差离合器等。除同步电源与六脉 冲触发器和电磁转差离合器需要自己封装外,其余 均可从相关模块库中直接复制。 1同步电源与六脉冲触发器的建模与封装 同步电源与六脉冲触发器并称为同步脉冲触发 器。六脉冲触发器可以从附加控制Extras Control Blocks子模块组获得。六脉冲触发器需用三相线电 压同步,所以同步电源的任务是将三相交流电源的 相电压转换成线电压。同步电源与六脉冲触发器及 封装后的子系统符号如图1所示。 a同步六脉冲触发器 b六脉冲触发器子系统 图1 同步六脉冲触发器及其子系统 Fig.1 The synchronized 6 - pulse generator and its subsystem 触发器开关信号图中In2处为 “0” 时,开放触 发器;为 “1” 时,封锁触发器。 2电磁转差离合器的建模与参数设置 在基本模块库中,没有现成的电磁转差离合器 可以调用,因此,就要根据电磁转差离合器的数学模 型和本系统的需要构建其仿真模型,封装并扩充现 有的模块库。使用时只需调用该模型输入相关参数 即可。 ① 电磁转差离合器是非线性元件,因此要采用 微小变化的线性化方法来分析。 设转差离合器励磁绕组为R ,电感为 L 见图2 a , 则励磁电路微分方程 uiRL di dt 1 式中 u , i 励磁绕组的电压和电流。 由其关系曲线见图2b可以看出,当励磁电 流为i时对应的转矩为M0,负载时以角速度 Ω0稳 定运转见图 2b 点 1 。当励磁电流突然增加Δi 时,与角速度 Ω0对应的转矩仅增加了增量ΔM ,由 此增加的转矩使负载产生加速度,亦即从动轴或负 载的转速增加。根据转差离合器工作原理可知,磁 极与电枢间的转差将变小,从而使输出转矩减小,最 后在转速仅增加ΔΩ的一点上见图 b 点2稳定 运转。因此,转动部分机械运动方程 K1i-K2ΩJ dΩ dt 2 式中 K1 转速恒定时由励磁电流增加 Δi引起 的转矩增量, K1ΔM/Δi ; K2 励磁电流恒定时由转速增加引起的 转矩增量, K2ΔM/ΔΩ。 a机械连接示意图 b微小增量变化各量的关系曲线 图2 电磁调速电动机与机械负载的耦合 Fig.2 The coupling of electromagnetic timing motor and the machine 对式1和式2取拉普拉斯变换并整理得 1 U 1 R 1 1 Ts I 1 K1 K 2 Js Ω 则有 Ω I K1 K2 1 1 Js/ K2 其中TL/ R为励磁绕组的时间常数。 ② 根据上述分析及电磁转差离合器输出轴上的 转矩M与转速n1之间的机械特性近似经验公式 n1n-K M2 I4L 的关系其中n为异步电动机的转速, K为与离合器类型有关的系数 , 建立电磁转差离合 器的仿真模型,将电磁转差离合器的仿真模型与笼 型异步电动机进行适当的连接后,就可得到电磁调 速电动机的仿真模型。 ③ 将系统主电路和控制电路的仿真模型按照电 磁调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接, 即可得到采煤机电磁调速系统的仿真模型。 3 系统主要环节的仿真参数 给定环节经仿真实践将参数设置为100 rad/ s; 电流反馈系数K1设为0.05;速度反馈系数K2设为 0.04。 系统有2个PI调节器- ACR和ASR ,其参数设 03 基于MATLAB/ Simulink的MXG- 500D型采煤机调速系统仿真 李 雯,等 2005年第3期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 置分别为 1ACRKpi τis 1 τis ,其中Kpi 12,τi 0.17 s ,上 下限幅值为[85 , - 85] ; 2ASRKpn τns1 τns ,其中Kpn15.5,τn0.44 s。 电机参数电枢电阻15Ω、 电枢电感2.5 mH、 转 动惯量0.066 kgm2,其它为系统元件的默认值。 4 仿真波形及分析 通过对仿真算法的比较实践,本系统选择的仿 真算法为ode23tb;仿真Start time设为0 ,Stop time设 为3.0。对采煤机电磁调速系统进行仿真,得到其 在给定信号下,电枢电流和转速的仿真曲线如图3 所示,图中电流和转速为其相对值。 图3 电磁调速系统电枢电流和转速波形 Fig.3 The wave of armature current and velocity for electromagnetic speed regulation control system 仿真曲线表明,启动过程的第1阶段是电流上 升阶段。突加给定电压,ASR的输入很大,其输出很 快达到限幅值,电流也很快上升,接近其最大值。第 2阶段,ASR饱和,转速环相当于开环状态,系统表 现为恒值电流给定作用下的电流调节系统,电流基 本上保持不变,拖动系统恒加速,转速线性增长。第 3阶段,当转速达到给定值后,转速调节器的给定与 反馈电压平衡,输入偏差为零,但是由于积分的作 用,其输出还很大,所以出现超调。转速超调之后, ASR输入端出现负偏差电压,使它退出饱和状态,进 入线性调节阶段,使速度保持恒定。由图中曲线可 以看出,系统的动态调节过程时间很短,在1. 5 s左 右的时间内,速度与电流基本达到稳态值,因此,可 以说该系统的动态性能是很理想的。 由上分析可以看出,实际仿真结果与理论分析 基本上是一致的。 5 结语 本文提出了一种不依赖于数学模型的仿真手 段。文中所 建 立 的 电 磁 调 速 系 统 的MAT LAB/ Simulink仿真模型,尤其是电磁调速电动机的仿真 模型,不仅仅适用于本采煤机调速系统,对造纸、 纺 织等轻工业中的电磁调速技术都是普遍适用的。 传统的控制系统计算机仿真是用传递函数方法 来完成的,各环节的传递函数是将实际模型经过一 定的简化而得到的,很多重要细节会被忽略。Power System工具箱提供了利用物理模型仿真的可能,其 仿真建模方法与构建实际电路相似,仿真结果非常 接近实际。 参考文献 [1]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京机械工业出版社,1998. 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