(完整word版)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中， 只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)對(duì)電樞電流加以保護(hù)，缺少對(duì)電樞電流的精確控制，也就無法充分發(fā)揮直流伺服電動(dòng)機(jī)的過載能力，因而也就達(dá)不到調(diào)速系統(tǒng)的快速起動(dòng)和制動(dòng)的效果。通過在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電流閉環(huán)，即按照快速起動(dòng)和制動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電流的精確控制，實(shí)質(zhì)上是在起動(dòng)或制動(dòng)過程的主要階 段，實(shí)現(xiàn)一種以電動(dòng)機(jī)最大電磁力矩輸出能力進(jìn)行啟動(dòng)或制動(dòng)的過程。一、設(shè)計(jì)要求設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用雙極式H橋PWM方式驅(qū)動(dòng)，已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：額定功率200W額定轉(zhuǎn)速48V額定電流4A額定轉(zhuǎn)速500r/mi n電樞回路總電阻R 8允許電流過載倍數(shù)=2電勢(shì)系數(shù)Ce

2、0.04Vmi n/r電磁時(shí)間常數(shù)Tl0.008s機(jī)電時(shí)間常數(shù)T m 0.5s電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)T oi 0.2ms轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)T on 1ms轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓U nm U im 10V兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10VPWM功率變換器的開關(guān)頻率f 10kHz放大倍數(shù)Ks 4.8電流超調(diào)量i 5%空載起動(dòng)到額疋轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量25%過渡過程時(shí)間ts 0.5 s電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)仿真過程先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)（即電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其他多環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則一樣: 環(huán)），在將內(nèi)環(huán)看成外環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而設(shè)計(jì)外環(huán)（即轉(zhuǎn)速環(huán)）1.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算電流反饋系數(shù)：:* Um101.

3、25V/A丨nom2 4轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：*.U nm100.02V min/ r丨nom5002.電流環(huán)設(shè)計(jì)1）確定時(shí)間常數(shù)f 10kHz0.1ms3)選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)間常數(shù)：iTl由于5%，故KTGacr (s)0.008si °.5KiiS 1iS故Kl0.50.5T i 0.00031666.6667 s 1由電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi0.0002s，按電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，取T i Ts Toi 0.00010.00020.0003s2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為:4)檢驗(yàn)近似條件

4、i.KiKi1666.7Ks號(hào) 17.78電流環(huán)的截止頻率：Wc1Kl 1666.6667s近似條件一:11iii.3Ts3 0.00013333.3333 wci （滿足近似條件）ii. 近似條件二:313147.43 wci (滿足近似條件) TmTl: 0.5 0.0081 130.001 0.00022357.02 wci （滿足近似條件）13.轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)1)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：2T0.0006si小時(shí)間常數(shù)近似處理：Ti Ton0.0006 0.001 0.0016s2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)，又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)Gasr(

5、S)KnnS 13）選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨型和抗擾性能均比較好的原則，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為:hT n 5 0.00160.008s按典型n型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)選擇pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:Kn2 22hT n5 12 22 50.001646875s于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為:Kn(h 1) CeG2h RTn6 1.25 0.04 0.52 5 0.02 8 0.001658.594）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)截止頻率:Kncn1Kn n 46875 0.008375si.近似條件一:5T icn5T i 5 0.0003666.67cn（滿足近似條

6、件）ii.近似條件二：111 1 1 1 3 2T iTon3 , 0.00063*T iTOn430.33 cn （滿足近似條件）0.001MATLAB仿真1.電流環(huán)仿真1）頻域分析在matlab/simulink中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)開環(huán) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖1-1、1-2、所示），建模結(jié)果如下：2） 圖1-1經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3） 圖1-2未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口分別輸入以下命令分別得到Bode圖%MATLAB PRGRAM L584.Mn1= 1.25*4.8;d1=0.0003 1;s 仁tf(n 1,

7、d1);n2=0.008 1;d2=0.008/17.78 0;s2=tf(n2,d2);n3=1/8;d3=0.008 1;s3=tf( n3,d3);sys=s1*s2*s3;margi n( sys);grid on和%MATLAB PRGRAM L582.Mn1=1;d 仁0.0002 1;s 1=tf(n 1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/17.78 0;s2=tf( n2,d2); n3=4.8;d3=0.0001 1;s3=tf( n3,d3);n4=1/8;d4=0.008 1;s4=tf( n4,d4); n5=1.25;d5=1;s5=tf( n5,d5)

8、;n6=1;d6=0.0002 1;s6=tf( n6,d6);sys=s1*s2*s3*s4*s5*s6;margi n( sys);grid on得到頻域分析曲線(如圖 1-3、1-4所示)F igur-e 1Fil# EdilE Vi#w Intiprl Took Desktop Window H#lpsli)ec.aJ3e=Emi目I 四B«o-dc- DiagramGrn 一 Inf d6 (a t Inf rDd/sec J , ：Prn - 65 5 d-eg (at 1 52-093 rod/s-ccjD105i ： Fequency (raid/sje圖1-3實(shí)際電

9、流環(huán)開環(huán) bode圖回Mtal輛 fieri *圖1-4小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán)bode圖比較上述兩圖，兩條曲線基本吻合，對(duì)于一般機(jī)械系統(tǒng)，滿足要求2）階躍響應(yīng)分析在matlab/simulink中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán) 閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖1-5、1-6、所示），建模結(jié)果如下：圖1-5經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖file Edit View Sirtiulaiitn rm mat Tuula HrkpAddTras* Fen】pI' n n I'fnrnalReacycde45圖1-6未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令

10、窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線%MATLAB PRGRAM L583.M/ L581.Ma1,b1,c1,d1=li nm od('flex37'flex1');s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到階躍響應(yīng)曲線（如圖 1-7、1-8所示）Fili* ElJiI ViwIn 壬套 nTool &Window HelpSstep Responae圖1-7實(shí)際電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線p巴也加"I怎|哄汛礬®記必訂包t 目| o圖1-8小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線通過兩種增益條件下電流環(huán)階躍響應(yīng)曲線可以看出，小參數(shù)

11、環(huán)節(jié)合并后的電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線與原曲線基本一致，且超調(diào)量略小，但達(dá)到平衡的時(shí)間較長(zhǎng)。 盡管如此,不影響主要參數(shù)的條件（如超調(diào)量、上升時(shí)間等）。通過仿真可知通過減小電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，可以做到電流沒有超調(diào)量，但電流的上升速度和調(diào)節(jié)時(shí)間都要拖長(zhǎng)一些?？紤]到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的初衷，電流存在一些超調(diào)當(dāng)然是可取的。因?yàn)橛欣陔妱?dòng)機(jī)的加速，同時(shí)電動(dòng)機(jī)又不會(huì)出現(xiàn)不良影響。2.轉(zhuǎn)速環(huán)仿真1）頻域分析在matlab/simulink中建立轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖2-1、2-2所示），建模結(jié)果如下：圖2-1轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖列 fk曲士I o .圖2-2

12、轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到 Bode圖%MATLAB PRGRAM L586.Mn1=1;d 1= 0.0001 1;s 1=tf( n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/58.59 0;s2=tf(n2,d2);n3=1/1.25;d3=0.0006 1;s3=tf( n3,d3);n4=8;d4=0.02 0;s4=tf( n4,d4);n5=0.02;d5=0.001 1;s5=tf( n5,d5);sys=s1*s2*s3*s4*s5;margi n(sys);grid on和%MATLAB PRGRAM L588.Mn1

13、=0.008 1;d1=0.008/58.59 0;s1=tf( n1,d1);n2=0.02/1.25;d2=0.0016 1;s2=tf( n2,d2);n3=8;d3=0.02 0;s3=tf( n3,d3);sys=s1*s2*s3;margi n(sys);grid on得到頻域分析曲線(如圖2-3、2-4所示)FJ Figure 1Fil4R EdiT Vimw Insert Tool <« OiRklop Window H Rip蜜-石ea巳 3 I堆|性叫汐® 題屛：| 固| 口UckIe Diri.gt-BinG-m 一 1X2 JO ('s

14、i 1.02»-0>03. Pm 畳 W O dl*g <al M-4圖2-3轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線（原）F；l#EditVirw】yrt ToolsD#&lktopWi ndowHwlpJ HIjb | '%.化紳 *a | 口目.TTf i召kJFie 2一 H：巖冒帛左日cmJe! DiagramGm = -In f dB (al D rad/w-tdC) , Pm = 411 cl亡g (3 3h4S i ncV丿亡匚)圖2-4轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線（近似處理后）比較兩圖，趨勢(shì)基本一致。曲線后一段的相位有較大的差異，可能是建模的不準(zhǔn)確的原因

15、。2）階躍響應(yīng)分析在matlab/simulink中建立轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖2-5、2-6所示），建模結(jié)果如下:圖2-5轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖H flex7f. 1=1圖2-6轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線%MATLAB PRGRAM L585.M/ L587.Ma1,b1,c1,d1=li nm od('flex57'flex7');s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到階躍響應(yīng)曲線(如圖 2-7、2-8所示)3 Fir二II JFRe

16、Ecdlit:Viejw In se-rt Tcso-ls Oe-sk±«opi Wi ritdlow He?Ip"s*呂 v u I * | r、?也*；” 旦|口同|. ra2-7轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線（原）2-8轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線（近似處理后）未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線與經(jīng)過小參數(shù) 環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速換閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線形狀相似，但是縱坐標(biāo)相差較大， 可能原因是近似處理時(shí)某個(gè)放大環(huán)節(jié)被忽略，導(dǎo)致較大的差異。四、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（綜合）的設(shè)計(jì)仿真轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)、具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、建材、印刷、電纜、機(jī)床和礦山等行業(yè)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作 用。1. 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖利用前面建立的電流和轉(zhuǎn)速的模塊動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，綜合設(shè)計(jì)，得到雙閉環(huán)調(diào)速系