一種基于MATLAB的礦用電機車電機控制系統設計與仿真

姬亞輝 王寶成

(1.河南煤化集團 永煤公司順和煤礦，河南 永城 476600;2.河南煤化集團 永城職業學院，河南 永城 476600)

防爆特殊型蓄電池電機車有多種型號和多種電壓等級，采用IGBT斬波調速和變頻技術、啟動平穩、牽引力大、蓄電池使用壽命長、機車重心低、后瞭望性好、高效節能、維護量少、機車使用壽命長，同時具有電制動功能，機車性能更安全可靠等優點，因此在現代化礦井中得到廣泛的使用。

河南煤化集團永煤公司順和煤礦采用CTY5/6GB防爆特殊型蓄電池電機車。其所采用的牽引電機系礦用隔爆型直流牽引電動機，具體參數為額定功率P=7.5KW，額定電壓U=84V，額定電流I=111A，額定轉速n=1100r/min，勵磁方式為串勵。

本文對控制系統設計時所選用的設計指標為：(1)電流超調量δi%≤5%;(2)空載起動到額定轉速時的轉速超調量δn%≤10%;(3)空載起動到額定轉速的過渡過程時間ts≤0.5s。

1 推導直流電機和整流環節的傳遞函數

1.1 整流環節的傳遞函數

晶閘管觸發電路和整流電路涉及到電子器件的特性，它實際是非線性的。在設計調速系統時，只能在一定的工作范圍內近似地看作成線性環節。

晶閘管觸發電路和整流裝置是一個純滯后的環節，其滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。當環節的輸入為階躍信號1(t)，輸出要隔離一定時間后才出現響應1(t-Ts)，所以經過拉氏變換，晶閘管觸發電路與整流裝置的傳遞函數為

將上式按泰勒級數展開并考慮到Ts很小，依據工程近似處理的原則，把整流裝置近似看作一階慣性環節，其傳遞函數可表示為

1.2 直流電動機傳遞函數的推導

根據電機學理論，直流電動機在額定勵磁下，假定主電路電流連續，得到直流電動機的傳遞方程

由上式可以看出，額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環節，Tm和Tl兩個時間常數分別表示機電慣性和電磁慣性。

2 ACR和ASR的設計及其參數選擇

由于電流檢測信號和轉速檢測信號中常含有交流諧波分量，因此在反饋輸入端都加T型濾波器。為了補償中這一慣性作用，在給定通道中也加入一個時間常數相同的慣性環節，叫做“給定濾波環節”。當然它也可以過濾掉給定信號中的時間分量。給定濾波時間常數一般取Toi=2ms，Ton=10ms。

雙閉環系統的動態結構圖如圖-1所示：

圖-1 直流電動機雙閉環系統的動態結構圖

2.1 電流調節器(ACR)及參數的選擇

由于電流的響應過程比轉速響應過程快得多，因此假定在電流調節過程中轉速來不及變化，可不考慮反電勢的影響，反電勢支路相當于開路。對于時間常數相差較大的雙慣性型的控制對象，應采用PI型的電流調節器，則ACR的傳遞函數可寫成

式中，Ki——電流調節器的比例系數，τi——電流調節器的積分時間常數。

由動態指標要求σi%≤5%，因此通過查電機相關手冊得，當 KT=0.5 時，σp=4.3% ＜5%，能夠滿足要求。

由此得出電流調節器(ACR)的傳遞函數為

則各電阻、電容值計算如下：

過渡過程的調整時間：

2.2 轉速調節器(ASR)及參數的選擇

(1)根據設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為：

(2)轉速調節器參數的計算：

按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的傳遞函數為：

(3)檢驗近似條件

①轉速環截止頻率：

②電流環傳遞函數簡化條件：

③轉速環小時間常數近似處理條件：

根據以上的計算及參數的選擇，推算本系統所達到的技術指標，并對該系統進行設計驗證。

(1)電流超調量

由對ACR參數選擇時KT=0.5，可知 σp=4.3% ＜5%，滿足設計要求。

(2)校核轉速超調量

設理想空載啟動時，z=0，經查電機手冊可知ΔCmax/Cb=81.2%。

代入超調量計算公式，得：

能夠滿足設計要求。

(3)過渡過程時間

當h=5時，經查電機手冊可得：

恢復時間 tf=8.8T∑n=8.8 ×0.0174s=0.153s

過渡過程調整時間

ts=9T∑n=9 ×0.0174s=0.156s＜0.5s

滿足設計要求。

3 用MATLAB/Simulink對系統進行仿真

3.1 電流閉環系統仿真

進入MATLAB/SIMULINK系統，建立好仿真模塊，將各個模塊連接起來并修改參數設置，得到如圖-2所示的仿真模型圖。

圖-2 電流環的仿真模型

然后再對調節器參數進行調整，得到最終的仿真結果，如圖-3所示：

圖-3 電流環的仿真結果

3.2 轉速環系統仿真

步驟與電流環建立過程雷同，修改各種設計參數，得到轉速環的仿真模型圖，如圖-4所示。

圖-4 轉速環的仿真模型

然后雙擊階躍輸入模塊確定階躍值的大小，分別得到高速啟動和低速啟動時的波形效果圖，如圖-5所示。

圖-5 轉速環仿真結果波形效果圖

4 結語

本文通過對直流電機控制系統進行雙閉環控制設計，并用MATLAB/Simulink對系統進行仿真取得了預期的效果。對礦用電機車的傳統起動與控制進行了改進，在實際生產與運行中具有一定的積極意義。

［1]阮毅，陳維鈞主編.運動控制系統.北京：清華大學出版社，2006

［2]顧繩谷主編.電機及拖動基礎.北京：機械工業出版社，2003

［3]杜坤梅，李鐵才編著.電機控制技術.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2002