哈工大——基于matlab的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

1、一、設(shè)計參數(shù)設(shè)一轉(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，已知電動機參數(shù)為：額定功率200W；額定轉(zhuǎn)速48V；額定電流4A；額定轉(zhuǎn)速=500r/min；電樞回路總電阻W；允許電流過載倍數(shù)l=2；電勢系數(shù)0.04Vmin/r；電磁時間常數(shù)0.008s；機電時間常數(shù)0.5；電流反饋濾波時間常數(shù)0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)1ms；要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓10V；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10V；PWM功率變換器的開關(guān)頻率10kHz；放大倍數(shù)4.8。試對該系統(tǒng)進行動態(tài)參數(shù)設(shè)計，設(shè)計指標：穩(wěn)態(tài)無靜差；電流超調(diào)量5%；空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s £ 2

2、5%；過渡過程時間0.5 s。二、設(shè)計過程1、穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算根據(jù)兩調(diào)節(jié)器都選用PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)態(tài)時電流和轉(zhuǎn)速偏差均應(yīng)為零；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅值均選擇為10V電流反饋系數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 2、電流環(huán)設(shè)計1) 確定時間常數(shù)電流濾波時間常數(shù)，按電流環(huán)小時間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，則2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)進行設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3）選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時間常數(shù)：=T=0.008s電流環(huán)超調(diào)量為，電流環(huán)開環(huán)增益：取，則于是，電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為4）檢驗近似條件 電流環(huán)截止頻率（1）近似條件1： 現(xiàn)在，滿足近似條件。（2）近似條件2： 現(xiàn)在=47.43 <

3、，滿足近似條件。（3）近似條件3： 現(xiàn)在=2357.02>，滿足近似條件。5）MATLAB仿真(1) 電流環(huán)給定階躍響應(yīng)的MATLAB仿真 經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下： 輸入a1,b1,c1,d1=linmod('001');step(a1,b1,c1,d1);grid on 后經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線 輸入a1,b1,c1,d1=linmod('lu002');margin(a1,b1,c1,d1);grid on 后經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并

4、的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線3、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計1）確定時間常數(shù) 電流環(huán)的等效時間常數(shù)：2=0.0006s 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：T=1ms=0.001， 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：=2+ T=0.0006+0.001=0.0016s2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由轉(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)動態(tài)要求，應(yīng)該按典型型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)該選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3）選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)要求空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s £ 25%，取h=10，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為=h·T=100.0016=0.016s

5、轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益=21484.4 1/于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為=53.714）校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)截止頻率為=·=21484.40.016=343.75 1/s(1) 近似條件1： 現(xiàn)在=666. 67>，滿足近似條件。(2) 近似條件2：現(xiàn)在，=430.33 >，滿足近似條件。（5）MATLAB仿真1) 經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線2）經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線3）轉(zhuǎn)速電

6、流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Simulink仿真動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線階躍信號輸入轉(zhuǎn)速輸出過度過程曲線由上述曲線可知，轉(zhuǎn)速和電流超調(diào)量都滿足指標要求。階躍信號輸入電流輸出過渡過程曲線階躍信號輸入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線階躍信號輸入電流調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線仿真結(jié)果分析：根據(jù)設(shè)計結(jié)果的模擬仿真，可以得到設(shè)計的調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速無誤差。可以看出：作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保