基于RT-LAB輔助發電機勵磁控制的實時仿真研究與實現

趙 芳，高錦慧，尚林岳，李竹可

（中車永濟電機有限公司，陜西 西安 710016）

引言

輔助發電機的勵磁控制系統軟硬件設計完成后，通過半實物仿真試驗驗證，可以保證實際裝置及軟件程序的可行性和可靠性。本文利用RT-LAB平臺搭建了某軌道車輔助發電機勵磁控制的半實物仿真測試環境,其中勵磁控制方式采用滯環控制[1]。在RT_LAB下借助仿真軟件搭建輔助發電機主回路模型，其中先使用電源為74 V蓄電池給輔發勵磁機供電，當輔發發出的線電壓大于60 V后啟動SCR。通過勵磁控制算法，控制SCR將輔發輸出三相交流進行整流，并輸送到輔發勵磁繞組兩端。當輔助發電機輸出的線電壓超過110 V后，切除74 V蓄電池，僅通過SCR提供勵磁電壓，進行自勵磁。柴油機轉速從800 r/min一直升到1 800 r/min，頻率逐漸升高，輸出的電壓也隨著升高（線電壓與頻率之比恒定為22/9）。當柴油機從1 800 r/min降到800 r/min，頻率逐漸降低，通過勵磁控制，輸出的電壓隨之降低，始終滿足恒壓頻比（22/9）。在模型中，柴油機的轉矩直接由上位機給定。

1 半實物仿真硬件平臺搭建

在半實物仿真測試系統中，勵磁控制單元為真實設備，搭建實現勵磁控制輔助發電機的主電路模型、數字輸入量、數字輸出量、模擬量輸出等模型運行在仿真機中。半實物仿真硬件平臺主要包括：上位機、RT-LAB仿真機[2]、信號調理箱和勵磁控制單元及示波器。其中仿真機的作用為：1）模擬蓄電池和輔助發電機等勵磁控制的被控對象；2）將勵磁控制所需要的電壓、電流等模擬量輸出送給勵磁控制單元中，對被控對象進行控制。圖1為半實物仿真硬件平臺實物圖。

圖1 半實物仿真硬件平臺實物圖

2 建模及測試

2.1 基于RT_LAB的模型建立

在RT_LAB的軟件中，依據RT_LAB的規則搭建主界面模型，包含SM控制系統模型和SC顯示系統模型如圖2所示。在SM控制系統模型中，根據脈寬轉換角度邏輯如下頁圖3所示。

圖2 主界面

圖3 脈寬轉換角度的邏輯

2.2 測試步驟及結果

按照系統要求，根據司機手柄擋位給定對應轉速，記錄電壓和頻率的半實物仿真結果，與理論計算進行對比，通過壓頻比計算驗證勵磁控制為恒壓頻比控制模式。

第一步，首先從800 r/min按手柄擋位，一級一級上升轉速至1 800 r/min。

1）初始狀態，轉速給定為800 r/min，輔發SCR不啟動。

首先運行RT_LAB模型，通過蓄電池提供輔發勵磁電壓，此時不啟動輔發SCR。模型運行達到穩態，給定轉速為800 r/min，輔助發電機輸出線電壓為60.13 V，輔發勵磁電壓為14.6 V，輔發勵磁電流為40.66 A 。

2）手柄擋位為1擋，啟動輔發SCR調節，柴油機給定800 r/min時,頻率為40 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1(黃色)及勵磁板采集的輔發線電壓波形4（綠色）如圖4。

圖4 轉速給定800 r/min

3）手柄擋位為2擋，柴油機給定由800 r/min上升到942 rpm時,頻率為47.1 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1（黃色）及勵磁板采集的輔發線電壓的波形4（綠色）如圖5。

圖5 轉速給定為942 r/min

4)手柄擋位為3擋，柴油機給定由942 r/min上升到1 086 r/min時,頻率為54.3 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1(黃色)及勵磁板采集的輔發線電壓的波形4（綠色）如圖6。

圖6 轉速給定1 086 r/min

5）手柄擋位為4擋，柴油機給定由1 086 r/min上升到1 229 r/min時,頻率為61.45 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1(黃色)及勵磁板采集的輔發線電壓的波形4（綠色）如圖7。

圖7 轉速給定1 229 r/min

6）手柄擋位為5擋，柴油機給定由1 229 r/min上升到1 371 r/min時,頻率為68.55 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1(黃色)及勵磁板采集的輔發線電壓的波形4（綠色）如圖8。

圖8 轉速給定1 371 r/min

7）手柄擋位為6擋，柴油機給定由1 371 r/min上升到1 517 r/min時,頻率為75.85 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1(黃色)及勵磁板采集的輔發線電壓的波形4（綠色）如圖9。

圖9 轉速給定1 517 r/min

8）手柄擋位為7擋，柴油機給定由1 517 r/min上升到1 657 r/min時,頻率為82.85 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1(黃色)及勵磁板采集的輔發線電壓的波形4（綠色）如圖10。

圖10 轉速給定1 657 r/min

9）手柄擋位為8擋，柴油機給定由1 657 r/min上升到1 800 r/min時,頻率為90 Hz。

通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖1(黃色)及勵磁板采集的輔發線電壓的波形4（綠色）如圖11。

圖11 轉速給定1 800 rpm

以上測試結果如表1所示。

表1 加速階段恒壓頻比測試

第二步，逐級下降手柄擋位，轉速從1 800 r/min降速至800 r/min。

轉速按照手柄級位信息逐級下降，通過示波器觀測，勵磁板輸出的脈沖及勵磁板采集的輔發線電壓的波形如圖12-圖18。

圖12 轉速由1 800 r/min降到1 657 r/min，頻率為82.85 Hz

圖13 轉速由1 657 r/min降到1 571 r/min，頻率為75.85 Hz

圖14 轉速由1 571 r/min降到1 371 r/min，頻率為68.55 Hz

圖15 轉速由1 371 r/min降到1 229 r/min，頻率為61.45 Hz

圖16 轉速由1 229 r/min降到1 086 r/min，頻率為54.3 Hz

圖17 轉速由942 r/min降到800 r/min，頻率為40 Hz

圖18 轉速由1 086 r/min降到942 r/min，頻率為47.1 Hz

表2 減速階段恒壓頻比測試

以上測試結果如表2所示。

通過閉環調試過程分析與數據的比對，可以得出以下結論：轉速上升時，電壓與頻率比值在2.26～2.64之間變化，精度8.2%；轉速下將時，電壓與頻率比值在2.35～3.08之間變化，轉速高時線電壓震蕩較大。

3 結語

本文通過半實物平臺的搭建，以及勵磁控制的實時仿真，驗證了勵磁控制程序中設計的控制算法的可行性。為后續系統在現場試驗起到關鍵的指導作用，同時縮短試驗周期，降低試驗成本。

[1]RT-LAB Version 10.4 User Guide[Z].OPAL-RT Inc.,2007.

[2]張威.MATLAB Stateflow邏輯系統建模[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.