認證考試機電操縱系統(tǒng)剖析與設(shè)計課程大年夜功課之一——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、機電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計課程大作業(yè)一基于MATLAB的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真學(xué)院：機電工程學(xué)院專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化班級:學(xué)號：姓名：一、 設(shè)計參數(shù)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。電機參數(shù)：額定功率 200W；額定電壓 48V；額定電流 4A；額定轉(zhuǎn)速 500r/min；電樞回路總電阻 R=8；允許電流過載倍數(shù) =2；電勢系數(shù)Ce=0.04V·min/r；電磁時間常數(shù)TL=0.008s；機電時間常數(shù) Tm=0.5；電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=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U*nm=U*

2、im=10V；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10V；PWM功率變換器的的開關(guān)頻率f=10kHz；放大倍數(shù)K=4.8；動態(tài)參數(shù)設(shè)計指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)無靜差；電流超調(diào)量5%；空載啟動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量25%；過渡過程時間ts=0.5s。二、 設(shè)計計算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12V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)T=0.2ms，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

3、數(shù)超前時間常數(shù)：=T=0.008s電流環(huán)超調(diào)量為5%，電流環(huán)開環(huán)增益：應(yīng)取，則=1666.67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=1666. 67 1/s1） 近似條件1： 現(xiàn)在，=3333.33>，滿足近似條件。2）近似條件2：現(xiàn)在，=47.43 <，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仿真未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)單位階躍響應(yīng)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)2) 電流環(huán)頻率分析的MATLAB仿真未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的電流環(huán)頻率響應(yīng)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)

4、合并的電流環(huán)頻率響應(yīng)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=0.0016s（2）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)按跟隨性和抗擾性能均比較好的原則，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為=h·T=50.0016=0.008s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益=46875 1/于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為=58.59（4）校驗

5、近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)截止頻率為=·=468750.008=3751 /s1)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) 轉(zhuǎn)速環(huán)階躍信號響應(yīng)分析的MATLAB仿真未經(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)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)1） 轉(zhuǎn)速環(huán)頻率分析的MATLAB仿真未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)頻率響應(yīng)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并的轉(zhuǎn)速環(huán)頻率響應(yīng)2) 階躍信號輸入條件下的電流輸出過渡過程曲線三、 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?？梢钥?/p>

6、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，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。在實際系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓的波動和外負載的波動會對系統(tǒng)的超調(diào)與穩(wěn)定有一定的影響，在仿真的時候可以加以考慮，最終可以看出系統(tǒng)對于外界干擾的協(xié)調(diào)能力很強。附：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)程序流程框圖MATLAB程序：>> sys1=tf(1.25,0.0002 1);>> sys2=tf(4

7、.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)>>

8、 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

9、,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(

10、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);>>