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1、机电控制系统分析与设计机电控制系统分析与设计 课程大作业一课程大作业一基于基于 MATLAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真学院：学院：机电工程学院机电工程学院专业：专业：机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化班级班级:学号：学号：姓名：姓名：一、一、设计参数设计参数转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式 H 桥 PWM 方式驱动。 电机参数： 额定功率 200W； 额定电压 48V； 额定电流 4A； 额定转速 500r/min； 电枢回路总电阻 R=8； 允许电流过载倍数 =2； 电势系数 Ce=0.04Vmin/r； 电磁时间常数 TL=
2、0.008s； 机电时间常数 Tm=0.5； 电流反馈滤波时间常数 Toi=0.2ms； 转速反馈滤波时间常数 Ton=1ms 要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压 U*nm=U*im=10V； 两调节器的输出限幅电压为 10V； PWM 功率变换器的的开关频率 f=10kHz； 放大倍数 K=4.8； 动态参数设计指标： 稳态无静差；电流超调量5%；i空载启动到额定转速时的转速超调量25%；过渡过程时间 ts=0.5s。二、设计计算设计计算1.稳态参数计算稳态参数计算 根据两调节器都选用 PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零； 两调节器的输出限幅值均选择为 12V电流反馈系数
3、；AVAV IUim/25. 14210nom* 转速反馈系数：rVrV nUnmmin/02. 0min/50010max* 2.电流环设计电流环设计 （1）确定时间常数电流滤波时间常数 T =0.2ms，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，oi则sTTToisi0003. 00002. 00001. 0（2）选择电流调节器结构 电流环可按典型型系统进行设计。电流调节器选用 PI 调节器，其传递函 数为ssKsWii iACR1)(（3）选择调节器参数超前时间常数：=T =0.008siL电流环超调量为 5%，电流环开环增益：应取，则i5 . 0iITK=1666.67IKiT5 . 00
4、003. 05 . 0于是，电流调节器比例系数为0.008 81666.6717.781.25 4.8i iI sRKKK （4）检验近似条件电流环截止频率=1666. 67 1/sciIK1）近似条件 1： cisT31现在，=3333.33，满足近似条件。sT31 0003. 01 ci2）近似条件 2：ciLmTT13现在，=47.43 ，满足近似条件。oisTT1 31 0002. 00001. 01 31 ci（5） MATLAB 仿真 1) 电流环给定阶跃响应的 MATLAB 仿真未经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应2) 电流环频率分析的
5、MATLAB 仿真未经过小参数环节合并的电流环频率响应经过小参数环节合并的电流环频率响应3.转速环设计转速环设计 （1）确定时间常数电流环的等效时间常数：2=0.0006siT转速滤波时间常数：T=1ms=0.001，on转速环小时间常数近似处理：=2+ T=0.0006+0.001=0.0016snTiTon（2）选择转速调节器结构 由转速稳态无静差要求，转速调节器中必须包含积分环节；又根据动态要 求，应该按典型型系统校正转速环，因此转速调节器应该选择 PI 调节器，其 传递函数为ssKsWnn nASR1)(（3）选择调节器参数 按跟随性和抗扰性能均比较好的原则，取 h=5，则转速调节器的
6、超前时间常 数为=hT=5 0.0016=0.008snn转速环开环增益=46875 1/2221nNThhK220016. 05215 2s于是，转速调节器比例系数为=58.59nme nRThTChK 2) 1(5 1) 1.25 0.04 0.5 2 5 0.02 8 0.0016 （4）校验近似条件 转速环的开环截止频率为=46875 0.008=3751 /scn1NKNKn1)近似条件 1： cniT51现在，=666. 67，满足近似条件。iT51 0003. 051 cn2）近似条件 2：onicnTT21 31现在，=430.33 ，满足近似条件。oniTT21 31 001
7、. 00006. 01 31 cn（5）MATLAB 仿真 1) 转速环阶跃信号响应分析的 MATLAB 仿真未经过小参数环节合并的转速环单位阶跃响应经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应1）转速环频率分析的 MATLAB 仿真未经过小参数环节合并的转速环频率响应经过小参数环节合并的转速环频率响应2) 阶跃信号输入条件下的电流输出过渡过程曲线三、三、仿真结果分析：仿真结果分析：根据设计结果的模拟仿真，可以得到设计的调节系统稳态时转速无误差。可以看 出：作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给 定电压（即外环调节器的输出量）变化。 双闭环系统中，由于增设了电流内环，
8、电压波动可以通过电流反馈得到比较及时 的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。在转速动态过 程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 在实际系统中，电网电压的波动和外负载的波动会对系统的超调与稳定有一定的 影响，在仿真的时候可以加以考虑，最终可以看出系统对于外界干扰的协调能力很强。附： 转速电流双闭环程序流程框图MATLAB 程序： sys1=tf(1.25,0.0002 1); sys2=tf(4.8,0.0001 1); sys3=tf(0.125,0.008 1); w=17. 78*tf(0.008 1,0.008 0); figure(1); mar
9、gin(sys1*sys2*sys3*w); hold on grid on; figure(2) closys1=sys1*sys2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w); t=0:0.0001:0.008; step(closys1,t) grid on; sys1=tf(6,0.0003 1); sys2=tf(0.125,0.008 1); w=17. 78*tf(0.008 1,0.008 0); figure(3); margin(sys1*sys2*w); hold on grid on; figure(4); closys1=sys1*sys2*w/(1+sy
10、s1*sys2*w); t=0:0.0001:0.008; step(closys1,t) grid on; sys1=tf(1,0.001 1); sys2=tf(0.8,0.0006 1); sys3=tf(8,0.5 0); n=1/0.04; sys4=tf(0.02,0.001 1); g=58.59*tf(0.008 1,0.008 0); figure(5); margin(sys1*sys2*sys3*sys4*n*g); hold on grid on; figure(6); closys1=sys1*sys2*sys3*sys4*n*g/(1+sys1*sys2*sys3*sys4*n*g); t=0:0.001:0.08; step(closys1,t) grid on; sys1=tf(0.016,0.0016 1); sys2=tf(8,0.5 0); n=1/0.04; g=58.59*tf(0.008 1,0.008 0); figure(5); margin(sys1*sys2*n*g); hold on grid on; figure(6); closys1=sys1*sys2*n*g/(1+sys1*sys2*n*g); t=0:0.001:0.08; step(closys1,t) grid on;
