行业资料机电操纵系统剖析与设计课程大年夜功课之一基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿.docx

《机电控制系统分析和设计》
课程大作业一
基于MATLAB直流电机双闭环调速系统设计和仿真

学院：机电工程学院
专业：机械设计制造及其自动化
班级:
学号：
姓名：

一、 设计参数
转速、电流双闭环直流调速系统，采取双极式H桥PWM方法驱动。
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=8Ω；
许可电流过载倍数,λ=2；
电势系数Ce=0.04V·min/r；
电磁时间常数TL=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
要求转速调整器和电流调整器最大输入电压U*nm=U*im=10V；
两调整器输出限幅电压为10V；
PWM功率变换器开关频率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%；
空载开启到额定转速时转速超调量25%；
过渡过程时间ts=0.5s。
二、 设计计算
1. 稳态参数计算
依据两调整器全部选择PI调整器结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调整器输出限幅值均选择为12V
电流反馈系数；
转速反馈系数：
2. 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步骤近似处理方法，则

（2）选择电流调整器结构
电流环可按经典Ⅰ型系统进行设计。电流调整器选择PI调整器，其传输函数为

（3）选择调整器参数
超前时间常数：=T=0.008s
电流环超调量为σ5%，电流环开环增益：应取，则
===1666.67
于是，电流调整器百分比系数为

（4）检验近似条件
电流环截止频率==1666.,67,,1/s
1） 近似条件1：,
现在，==3333.33>，满足近似条件。
2）近似条件2：
现在，==47.43,<，满足近似条件。
3） 近似条件3：
现在，==2357.02>，满足近似条件。
（5） MATLAB仿真
1) 电流环给定阶跃响应MATLAB仿真

未经过小参数步骤合并电流环单位阶跃响应

经过小参数步骤合并电流环单位阶跃响应

2) 电流环频率分析MATLAB仿真

未经过小参数步骤合并电流环频率响应

经过小参数步骤合并电流环频率响应

3. 转速环设计
（1）确定时间常数
电流环等效时间常数：2=0.0006s
转速滤波时间常数：T=1ms=0.001，
转速环小时间常数近似处理：=2+,T=0.0006+0.001=0.0016s
（2）选择转速调整器结构
由转速稳态无静差要求，转速调整器中必需包含积分步骤；又依据动态要求，应该按经典Ⅱ型系统校正转速环，所以转速调整器应该选择PI调整器，其传输函数为

（3）选择调整器参数
按跟随性和抗扰性能均比很好标准，取h=5，则转速调整器超前时间常数为
=h·T=50.0016=0.008s
转速环开环增益
==46875,1/
于是，转速调整器百分比系数为
==58.59
（4）校验近似条件
转速环开环截止频率为
==·=468750.008=3751,,,/s
1)近似条件1：,
现在，==666.,67>，满足近似条件。
2） 近似条件2：
现在，==430.33,>，满足近似条件。
（5）MATLAB仿真
1) 转速环阶跃信号响应分析MATLAB仿真

未经过小参数步骤合并转速环单位阶跃响应

经过小参数步骤合并电流环单位阶跃响应

1） 转速环频率分析MATLAB仿真

未经过小参数步骤合并转速环频率响应

经过小参数步骤合并转速环频率响应

2) 阶跃信号输入条件下电流输出过渡过程曲线
三、 仿真结果分析：
依据设计结果模拟仿真，能够得到设计调整系统稳态时转速无误差。能够看出：作为内环调整器，在外环转速调整过程中，它作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调整器输出量）改变。
双闭环系统中，因为增设了电流内环，电压波动能够经过电流反馈得到比较立即调整，无须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，确保取得电机许可最大电流，从而加紧动态过程。
在实际系统中，电网电压波动和外负载波动会对系统超调和稳定有一定影响，在仿真时候能够加以考虑，最终能够看出系统对于外界干扰协调能力很强。

附：
转速电流双闭环程序步骤框图

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);
>>,margin(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+sys1*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;