基于MATLAB的直流電機雙閉環調速系統的設計與仿真

1、機電控制系統分析與設計課程大作業一基于MATLAB的直流電機雙閉環調速系統的設計與仿真姓名： 班級： 學號：年月一 設計要求與設計參數：設一轉速、電流雙閉環直流調速系統，采用雙極式H橋PWM方式驅動，已知電動機參數為：額定功率200W；額定轉速48V；額定電流4A；額定轉速=500r/min；電樞回路總電阻W；允許電流過載倍數l=2；電勢系數0.04Vmin/r；電磁時間常數0.008s；機電時間常數0.5；電流反饋濾波時間常數0.2ms；轉速反饋濾波時間常數1ms；要求轉速調節器和電流調節器的最大輸入電壓10V；兩調節器的輸出限幅電壓為10V；PWM功率變換器的開關頻率10kHz；放大倍數4

2、.8。試對該系統進行動態參數設計，設計指標：穩態無靜差；電流超調量5%；空載起動到額定轉速時的轉速超調量s £ 25%；過渡過程時間0.5 s。二. 設計過程1. 計算電流和轉速反饋系數電流反饋系數：；轉速反饋系數：2. 電流環的動態校正過程和設計結果(1) 確定時間常數由已知條件知濾波時間常數0.2ms=0.0002s，按電流環小時間常數環節的近似處理方法，取(2) 選擇電流調節器結構電流環可按典型I型系統進行設計。電流調節器選用PI調節器，其傳遞函數為(3) 選擇調節器參數超前時間常數=0.008s。電流環超調量5%考慮，電流環開環增益：取，因此于是，電流調節器的比例系數為(4)

3、 檢驗近似條件電流環的截止頻率1) 近似條件一：現在，滿足近似條件。2) 近似條件二： 現在，滿足近似條件。3) 近似條件三：現在，滿足近似條件。(5) 編制MATLAB程序，繪制經過小參數環節合并近似后的電流環開環頻率特性曲線和單位階躍響應曲線根據設計過程和結果，建立如下圖所示的經過小參數環節合并并簡化后的電流環動態結構圖。也可通過編制MARLAB程序進行仿真，程序如下：>>sys0=1/1.25;>> sys1=tf(6,0.0003 1);>> sys2=tf(0.125,0.008 1);>> w=17.78*tf(0.008 1,0.0

4、08 0);>> figure(1);>> margin(sys1*sys2* w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closys1=sys0*sys1*sys2 *w/(1+sys1*sys2* w);>> t=0:0.0001:0.0035;>> step(closys1,t);>> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的經過小參數環節合并近似后的電流環開環頻率特性曲線和單位階躍響應曲線：經過小參數環節合并近似后的電流環開環頻率特

5、性曲線經過小參數環節合并近似后的單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知電流超調量=4.32%5%，滿足設計指標要求。(6) 編制MATLAB程序，未經過小參數環節合并近似后的電流環開環頻率特性曲線和單位階躍響應曲線根據設計過程和結果，建立如下圖所示的未經過小參數環節合并并簡化后電流環的動態結構圖。也可通過編制MARLAB程序進行仿真，程序如下：>> sys0=tf(1,0.0002 1);>> sys1=tf(1.25,0.0002 1);>> sys2=tf(4.8,0.0001 1);>> sys3=tf(0.125,0.0

6、08 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=sys0* sys2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);>> t=0:0.0001:0.008;>> step(closys1,t);>> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的未經過小參數環節合并近

7、似后的電流環開環頻率特性曲線和單位階躍響應曲線：未經過小參數環節合并近似后的電流環開環頻率特性曲線未經過小參數環節合并近似后的電流環單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知電流超調量=4.57%5%，滿足設計指標要求。比較經過經過小參數環節合并近似后的電流環單位階躍響應曲線和未經過小參數環節合并近似后的電流環單位階躍響應曲線可知，在滿足近似條件的前提下，可以按小慣性環節的降階處理方法，將小慣性環節合并成一個慣性環節，從而簡化電流環，并且不影響結果。3. 轉速環的動態校正過程和設計結果(1) 確定時間常數電流環的等效時間常數2。轉速濾波時間常數。轉速環小時間常數近似處理：。(2)

8、 選擇轉速調節器結構由轉速穩態無靜差由轉速穩態無靜差要求，轉速調節器中必須包含積分環節；又根據動態要求，應該按典型型系統校正轉速環，因此轉速調節器應該選擇PI調節器，其傳遞函數為：(3) 選擇調節器參數按跟隨性和抗擾性能均分比較好的原則，又通過校核，發現取h=5時，轉速超調量s=37.6%25%，不符合設計指標要求，故取h=10, 則轉速調節器的超前時間常數為轉速開環增益于是，轉速調節器的比例系數為：(4) 校驗近似條件轉速環的開環截止頻率為1) 近似條件一：現在，滿足近似條件。2) 近似條件二：現在，滿足近似條件。(5) 編制MATLAB曲線，繪制經過小參數環節合并近似后的轉速環開環頻率特性

9、曲線和單位階躍響應曲線根據設計過程和結果，建立如下圖所示的經過小參數環節合并并簡化后的轉速環動態結構圖。也可通過編制MARLAB程序進行仿真，程序如下：>> n=50;>> sys1=tf(0.016,0.0016 1);>> sys2=tf(8,0.02 0);>> w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0);>> figure(1);>> margin(sys1*sys2*w);>> hold on>> grid on>> figure(2);>> closy

10、s1=n* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*w);>> t=0:0.001:0.06;>> step(closys1,t);>> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的經過小參數環節合并近似后的轉速環開環頻率特性曲線和單位階躍響應曲線：經過小參數環節合并近似后的轉速環開環頻率特性曲線經過小參數環節合并近似后的轉速環單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知轉速超調量=23.3%25%，過渡過程遠小于0.5s，滿足設計指標要求。(6) 未經過小參數環節合并近似后的轉速環開環頻率特性曲線和單位階躍響應曲線MATLAB

11、根據設計過程和結果，建立如下圖所示的經過小參數環節合并并簡化后的轉速環動態結構圖。也可通過編制MARLAB程序進行仿真，程序如下：>> sys0=tf(1,0.001 1);>> sys1=tf(0.8,0.0003/1666.67 1/1666.67 1);>> sys2=tf(8,0.02 0);>> sys3=tf(0.02,0.001 1);>> w=53.71*tf(0.016 1,0.016 0);>> figure(1);>> margin(sys1*sys2*sys3*w);>> h

12、old on>> grid on>> figure(2);>> closys1=sys0* sys1*sys2*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);>> t=0:0.001:0.05;>> step(closys1,t);>> grid on通過MATLAB仿真，獲得如下圖所示的未經過小參數環節合并近似后的轉速環開環頻率特性曲線和單位階躍響應曲線：未經過小參數環節合并近似后的轉速環開環頻率特性曲線未經過小參數環節合并近似后的轉速環單位階躍響應曲線對階躍響應曲線進行分析，如下圖所示，可知轉速超調量=24.7%25%，滿足設計指標要求。比較經過經過小參數環節合并近似后的轉速環單位階躍響應曲線和未經過小參數環節合并近似后的轉速環單位階躍響應曲線可知，在滿足近似條件的前提下，可以按小慣性環節的降階處理方法，將小慣性環節合并成一個慣性環節，從而簡化轉速環，并且不影響結果。4. 建立轉速電