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1、HarbinHarbinHarbin InstituteInstituteInstitute ofofof TechnologyTechnologyTechnology制造系统自动化技术大作业制造系统自动化技术大作业制造系统自动化技术大作业制造系统自动化技术大作业基于 MATALAB 的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真院 系： 机电工程学院 班 级： 学 号： 姓 名： 日 期： 2013.07.02 哈尔滨工业大学第一部分第一部分 设计任务书设计任务书设计参数：设计参数：设一转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式 H 桥 PWM 方式驱动，已知电动机参数为：额定功率 200W；额定转速
2、48V；额定电流 4A；额定转速=500r/min；电枢回路总电阻；8R允许电流过载倍数=2；电势系数0.04Vmin/r；eC电磁时间常数0.008s；LT机电时间常数0.5；mT电流反馈滤波时间常数0.2ms；oiT转速反馈滤波时间常数1ms；onT要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压10V；* imnmUU两调节器的输出限幅电压为 10V；PWM 功率变换器的开关频率10kHz；f放大倍数4.8。sK试对该系统进行动态参数设计，设计指标：稳态无静差；电流超调量5%；i空载起动到额定转速时的转速超调量 25%；过渡过程时间0.5 s。st第二部分第二部分 设计说明书设计说明书一、稳态参
3、数计算一、稳态参数计算电流反馈系数：)/(25. 14210AVIUnomim转速反馈系数：)min/(02. 050010rVnUnomnm 二、电流环设计二、电流环设计1、确定时间常数确定时间常数已知 PWM 功率变换器的开关频率，则。kHzf10sTs0001. 0取电流滤波时间常数，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，取0.0002oissTTToisi0003. 00002. 00001. 02、选择电流调节器结构选择电流调节器结构电流环可按典型 I 型系统进行设计。电流调节器选用 PI 调节器，其传递函数为ssKsGii iACR1)(3、选择调节器参数选择调节器参数超前时间常数
4、：。sTli008. 0电流环按超调量考虑，电流环开环增益：取，因此%5i5 . 0iiTK0.50.51666.670.0003I iKT于是，电流调节器的比例系数为78.178 . 425. 1 8008. 067.1666si IiKRKK那么 PI 调节器传递函数为 0.0081( )17.780.008ACRsGss4、检验调整后近似条件、检验调整后近似条件电流环的截止频率。1666.67is ciI iKKKR（1）近似条件一：sciT31现在，满足近似条件。ci sT33.33330001. 031 31（2）近似条件二：lmciTT13现在，满足近似条件。ci lmTT43.4
5、7008. 05 . 0 1313（3）近似条件三：oisciTT1 31现在，满足近似条件。ci oisTT02.23570002. 00001. 01 311 31综上，可将电流环简化为传递函数*( )( )1/1/1.250.8 212 0.000310.00061dcliiiIsGs UT sss 5、运用、运用 MATLAB 绘制经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应绘制经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应 曲线（曲线（注：本设计采用 Simulink 组件中的 Linear Analysis 工具箱绘图，因此不符程序）（1）经过小参数环节近
6、似后的电流环开环结构图 4-1 经过小参数环节近似后的电流环开环结构图（2）经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线图 4-2 经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线（3）经过小参数环节近似后的电流环闭环结构图 4-3 经过小参数环节近似后的电流环闭环结构（4）经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线图 4-4 经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线6、运用、运用 MATLAB 绘制绘制未经过小参数环节近似后的未经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响 应曲线应曲线（1）未经过小参数环节近似后的电流环开环结构图 4-5 未经
7、过小参数环节近似后的电流环开环结构图（2）未经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线图 4-6 未经过小参数环节近似后的电流环开环频率特性曲线伯德图得到的频域性能指标为，幅值裕度： ，相位裕度：，GM10.6dB47.8截止频率。可见，电流环有足够的稳定裕度，其频域特性是优良的。1510/cirad s（3）未经过小参数环节近似后的电流环闭环结构图 4-7 未经过小参数环节近似后的电流环闭环结构图（4）未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线图 4-8 未经过小参数环节近似后的电流环单位阶跃响应曲线五、转速环设计五、转速环设计1、确定时间常数确定时间常数电流环的等效时间常数：。sTi
8、0006. 02转速反馈滤波时间常数：。sTon001. 0转速环小时间常数近似处理：。sTTTonin0016. 0001. 00006. 022、选择转速调节器结构选择转速调节器结构由转速无静差要求，转速调节器中必须包含积分环节；又根据动态要求，应按典型 II 型系 统校正转速环，因此转速环调节器应选择 PI 调节器，其传递函数为ssKsGnn nASR1)(3、选择调节器参数选择调节器参数按跟随性和抗扰性能均比较好的原则，取，则转速调节器的超前时间常数为10h 10 0.00160.0016nnhTs转速环开环增益()2222110 121484.3822 100.0016N nhKh
9、T2/1 s于是，转速调节器的比例系数为(1)(10 1) 1.25 0.04 0.553.7122 10 0.02 8 0.0016em n nhC TKh RT 4、检验近似条件、检验近似条件转速环的开环截止频率为（）146875 0.006281.25N cnNnKKs/1（1）近似条件一：icnT51现在，满足近似条件。cn iT67.6660003. 051 51（2）近似条件二：onicnTT21 31现在，满足近似条件。cn oniTT33.430001. 00006. 01 31 215、运用、运用 MTLAB 绘制经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应绘制
10、经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应 曲线曲线（1）经过小参数环节近似后的转速环开环结构图 5-1 经过小参数环节近似后的转速环开环结构图（2）经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线图 5-2 经过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线（3）经过小参数环节近似后的转速环闭环结构图 5-3 经过小参数环节近似后的转速环闭环结构图（4）经过小参数环节近似后的转速环闭环频率特性曲线图 5-4 经过小参数环节近似后的转速环闭环频率特性曲线6、绘制经过小参数环节近似后的转速环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线、绘制经过小参数环节近似后的转速环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线（1）
11、未过小参数环节近似后的转速环开环结构图 5-5 未过小参数环节近似后的转速环开环结构图（2）未过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线图 5-6 未过小参数环节近似后的转速环开环频率特性曲线（3）未过小参数环节近似后的转速环闭环结构图 5-7 未过小参数环节近似后的转速环闭环结构图（4）未过小参数环节近似后的转速环单位阶跃响应曲线图 5-8 未过小参数环节近似后的转速环单位阶跃响应曲线（5）完整双闭环系统的开环结构图图 5-9 完整双闭环系统的开环结构图（6）完整双闭环系统的开环频率特性曲线图 5-10 完整双闭环系统的开环频率特性曲线得系统的开环对数频率特性曲线，相位裕度：，截止频率。32
12、.6316/cirad s可见，电流环有足够的稳定裕度，其频域特性是优良的。六、阶跃信号速度输入条件下的转速、电流、转速调节器输出、电流调节器输六、阶跃信号速度输入条件下的转速、电流、转速调节器输出、电流调节器输 出过渡过程曲线与其设计结果分析出过渡过程曲线与其设计结果分析1、转速分析转速分析图 6-1 双闭环系统转速输出 Simulink 动态结构图图 6-2 双闭环系统阶跃信号输入下转速输出过渡过程曲线2、电流分析电流分析图 6-3 双闭环系统电流输出 Simulink 动态结构图图 6-4 双闭环系统阶跃信号输入下电流输出过渡过程曲线3、转速调节器输出分析转速调节器输出分析图 6-5 双
13、闭环系统转速调节器输出 Simulink 动态结构图图 6-6 双闭环系统阶跃信号输入下转速调节器输出过渡过程曲线4、电流调节器输出分析电流调节器输出分析图 6-7 双闭环系统电流调节器输出 Simulink 动态结构图 6-8 双闭环系统阶跃信号输入下电流调节器输出过渡过程曲线5、分析设计结果与要求指标的符合性分析设计结果与要求指标的符合性（1）由图 4-8 可以看出，电流环电流超调量约为，符合设计指标。4.56%5% （2）由图 6-2 可以看出，转速输出过渡过程曲线的超调量为，符合设计指24.6%25% 标。（3）由图 6-2 可以看出，过渡过程时间，符合设计指标。0.120.5stss（4）由图 6-6、图 6-8 可以看出，转速调节器和电流调节器的输出过渡曲线在达到稳态时 稳态值都为零，即符合稳态无静差设计指标。参参 考考 文文 献献1 哈工大. 机电控制系统分析与设计. 哈尔滨工业大学出版社. 2013 2 陈杰. MATLAB 宝典. 电子工业出版社. 2011
