机电控制系统基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真

《机电控制系统分析与设计》课程大作业一基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：0808108学号：1080810812姓名：林珍坤一、设计参数转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H桥PWM方式驱动。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；允许电流过载倍数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要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压U*nm=U*im=10V；两调节器的输出限幅电压为10V；PWM功率变换器的的开关频率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i5%；空载启动到额定转速时的转速超调量25%；过渡过程时间ts=0.5s。二、设计计算1.稳态参数计算根据两调节器都选用PI调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为12V电流反馈系数；AVAVIUim/25.14210nom*转速反馈系数：rVrVnUnmmin/02.0min/50010max*2.电流环设计（1）确定时间常数电流滤波时间常数Toi=0.2ms，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则sTTToisi0003.00002.00001.0（2）选择电流调节器结构电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为ssKsWiiiACR1)(（3）选择调节器参数超前时间常数：i=TL=0.008s电流环超调量为σi5%，电流环开环增益：应取5.0iITK，则IK=iT5.0=0003.05.0=1666.67于是，电流调节器比例系数为0.00881666.6717.781.254.8iiIsRKKK（4）检验近似条件电流环截止频率ci=IK=1666.671/s1）近似条件1：cisT31现在，sT31=0003.01=3333.33ci，满足近似条件。2）近似条件2：ciLmTT13现在，LmTT13=130.50.008=47.43ci，满足近似条件。3）近似条件3：oisciTT131现在，oisTT131=0002.00001.0131=2357.02ci，满足近似条件。（5）MATLAB仿真未经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应未经过小参数环节合并的电流环频率响应源程序sys1=tf(1,[0.00021]);sys2=tf(1,[0.00011]);sys3=tf(1666.67,[10]);figure(1);margin(sys1*sys2*sys3);holdonfigure(2)closys1=sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3);t=0:0.001:0.08;step(closys1,t);gridon;经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应经过小参数环节合并的电流环频率响应源程序sys1=tf(1,[0.00031]);sys2=tf(1666.67,[10]);figure(3);margin(sys1*sys2);holdonfigure(4)closys2=sys1*sys2/(1+sys1*sys2);t=0:0.001:0.08;step(closys2,t);gridon3.转速环设计（1）确定时间常数电流环的等效时间常数：2iT=0.0006s转速滤波时间常数：Ton=1ms=0.001，转速环小时间常数近似处理：nT=2iT+Ton=0.0006+0.001=0.0016s（2）选择转速调节器结构由转速稳态无静差要求，转速调节器中必须包含积分环节；又根据动态要求，应该按典型Ⅱ型系统校正转速环，因此转速调节器应该选择PI调节器，其传递函数为ssKsWnnnASR1)(（3）选择调节器参数因要求超调量小于等于百分之二十五，取h=10，则转速调节器的超前时间常数为n=h·Tn=100.0016=0.016s转速环开环增益2221nNThhK=220016.0102110=214841/2s于是，转速调节器比例系数为nmenRThTChK2)1(=0016.0802.01025.004.025.1)110(=53.71（4）校验近似条件转速环的开环截止频率为cn=1NK=NK·n=214840.016=3441/s1)近似条件1：cniT51现在，iT51=0003.051=666.67cn，满足近似条件。2）近似条件2：onicnTT2131现在，oniTT2131=001.00006.0131=430.33cn，满足近似条件。（5）MATLAB仿真未经过小参数环节合并的转速环单位阶跃响应未经过小参数环节合并的转速环频率响应源程序sys1=tf(1,[0.00061]);sys2=tf(21484,[10]);sys3=tf([0.0161],[10]);sys4=tf(1,[0.0011]);figure(7);margin(sys1*sys2*sys3*sys4);holdonfigure(8)closys4=sys1*sys2*sys3*sys4/(1+sys1*sys2*sys3*sys4);t=0:0.001:0.08;step(closys4,t);gridon经过小参数环节合并的转速环频率响应经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应源程序sys1=tf(1,[0.00161]);sys1=tf(1,[10]);gridonsys1=tf(1,[0.00161]);sys2=tf(21484,[10]);sys3=tf([0.0161],[10]);figure(5);margin(sys1*sys2*sys3);holdonfigure(6)closys3=sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3);t=0:0.001:0.08;step(closys3,t);gridon三、仿真结果分析：根据设计结果的模拟仿真，可以得到设计的调节系统稳态时转速无误差。可以看出：作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必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，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。在实际系统中，电网电压的波动和外负载的波动会对系统的超调与稳定有一定的影响，在仿真的时候可以加以考虑，最终可以看出系统对于外界干扰的协调能力很强。程序流程框图