基于RT-LAB辅助发电机励磁控制的实时仿真研究与实现

赵 芳，高锦慧，尚林岳，李竹可

（中车永济电机有限公司，陕西 西安 710016）

引言

辅助发电机的励磁控制系统软硬件设计完成后，通过半实物仿真试验验证，可以保证实际装置及软件程序的可行性和可靠性。本文利用RT-LAB平台搭建了某轨道车辅助发电机励磁控制的半实物仿真测试环境,其中励磁控制方式采用滞环控制[1]。在RT_LAB下借助仿真软件搭建辅助发电机主回路模型，其中先使用电源为74 V蓄电池给辅发励磁机供电，当辅发发出的线电压大于60 V后启动SCR。通过励磁控制算法，控制SCR将辅发输出三相交流进行整流，并输送到辅发励磁绕组两端。当辅助发电机输出的线电压超过110 V后，切除74 V蓄电池，仅通过SCR提供励磁电压，进行自励磁。柴油机转速从800 r/min一直升到1 800 r/min，频率逐渐升高，输出的电压也随着升高（线电压与频率之比恒定为22/9）。当柴油机从1 800 r/min降到800 r/min，频率逐渐降低，通过励磁控制，输出的电压随之降低，始终满足恒压频比（22/9）。在模型中，柴油机的转矩直接由上位机给定。

1 半实物仿真硬件平台搭建

在半实物仿真测试系统中，励磁控制单元为真实设备，搭建实现励磁控制辅助发电机的主电路模型、数字输入量、数字输出量、模拟量输出等模型运行在仿真机中。半实物仿真硬件平台主要包括：上位机、RT-LAB仿真机[2]、信号调理箱和励磁控制单元及示波器。其中仿真机的作用为：1）模拟蓄电池和辅助发电机等励磁控制的被控对象；2）将励磁控制所需要的电压、电流等模拟量输出送给励磁控制单元中，对被控对象进行控制。图1为半实物仿真硬件平台实物图。

图1 半实物仿真硬件平台实物图

2 建模及测试

2.1 基于RT_LAB的模型建立

在RT_LAB的软件中，依据RT_LAB的规则搭建主界面模型，包含SM控制系统模型和SC显示系统模型如图2所示。在SM控制系统模型中，根据脉宽转换角度逻辑如下页图3所示。

图2 主界面

图3 脉宽转换角度的逻辑

2.2 测试步骤及结果

按照系统要求，根据司机手柄挡位给定对应转速，记录电压和频率的半实物仿真结果，与理论计算进行对比，通过压频比计算验证励磁控制为恒压频比控制模式。

第一步，首先从800 r/min按手柄挡位，一级一级上升转速至1 800 r/min。

1）初始状态，转速给定为800 r/min，辅发SCR不启动。

首先运行RT_LAB模型，通过蓄电池提供辅发励磁电压，此时不启动辅发SCR。模型运行达到稳态，给定转速为800 r/min，辅助发电机输出线电压为60.13 V，辅发励磁电压为14.6 V，辅发励磁电流为40.66 A 。

2）手柄挡位为1挡，启动辅发SCR调节，柴油机给定800 r/min时,频率为40 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1(黄色)及励磁板采集的辅发线电压波形4（绿色）如图4。

图4 转速给定800 r/min

3）手柄挡位为2挡，柴油机给定由800 r/min上升到942 rpm时,频率为47.1 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1（黄色）及励磁板采集的辅发线电压的波形4（绿色）如图5。

图5 转速给定为942 r/min

4)手柄挡位为3挡，柴油机给定由942 r/min上升到1 086 r/min时,频率为54.3 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1(黄色)及励磁板采集的辅发线电压的波形4（绿色）如图6。

图6 转速给定1 086 r/min

5）手柄挡位为4挡，柴油机给定由1 086 r/min上升到1 229 r/min时,频率为61.45 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1(黄色)及励磁板采集的辅发线电压的波形4（绿色）如图7。

图7 转速给定1 229 r/min

6）手柄挡位为5挡，柴油机给定由1 229 r/min上升到1 371 r/min时,频率为68.55 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1(黄色)及励磁板采集的辅发线电压的波形4（绿色）如图8。

图8 转速给定1 371 r/min

7）手柄挡位为6挡，柴油机给定由1 371 r/min上升到1 517 r/min时,频率为75.85 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1(黄色)及励磁板采集的辅发线电压的波形4（绿色）如图9。

图9 转速给定1 517 r/min

8）手柄挡位为7挡，柴油机给定由1 517 r/min上升到1 657 r/min时,频率为82.85 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1(黄色)及励磁板采集的辅发线电压的波形4（绿色）如图10。

图10 转速给定1 657 r/min

9）手柄挡位为8挡，柴油机给定由1 657 r/min上升到1 800 r/min时,频率为90 Hz。

通过示波器观测，励磁板输出的脉冲1(黄色)及励磁板采集的辅发线电压的波形4（绿色）如图11。

图11 转速给定1 800 rpm

以上测试结果如表1所示。

表1 加速阶段恒压频比测试

第二步，逐级下降手柄挡位，转速从1 800 r/min降速至800 r/min。

转速按照手柄级位信息逐级下降，通过示波器观测，励磁板输出的脉冲及励磁板采集的辅发线电压的波形如图12-图18。

图12 转速由1 800 r/min降到1 657 r/min，频率为82.85 Hz

图13 转速由1 657 r/min降到1 571 r/min，频率为75.85 Hz

图14 转速由1 571 r/min降到1 371 r/min，频率为68.55 Hz

图15 转速由1 371 r/min降到1 229 r/min，频率为61.45 Hz

图16 转速由1 229 r/min降到1 086 r/min，频率为54.3 Hz

图17 转速由942 r/min降到800 r/min，频率为40 Hz

图18 转速由1 086 r/min降到942 r/min，频率为47.1 Hz

表2 减速阶段恒压频比测试

以上测试结果如表2所示。

通过闭环调试过程分析与数据的比对，可以得出以下结论：转速上升时，电压与频率比值在2.26～2.64之间变化，精度8.2%；转速下将时，电压与频率比值在2.35～3.08之间变化，转速高时线电压震荡较大。

3 结语

本文通过半实物平台的搭建，以及励磁控制的实时仿真，验证了励磁控制程序中设计的控制算法的可行性。为后续系统在现场试验起到关键的指导作用，同时缩短试验周期，降低试验成本。

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

[2]张威.MATLAB Stateflow逻辑系统建模[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.