转速、电流双闭环直流调速系统设计.docx

在转速闭环直流调速系统中， 只有电流截止负反馈环节对电枢电流加以保护， 缺少对电枢电流的精确控制， 也就无法充分发挥直流伺服电动机的过载能力， 因而也就达不到调速系统的快速起动和制动的效果 通过在转速闭环直流调速系统的基础上增加电流闭环， 即按照快速起动和制动的要求， 实现对电枢电流的精确控制， 实质上是在起动或制动过程的主要阶段，实现一种以电动机最大电磁力矩输出能力进行启动或制动的过程一、 设计要求设一个转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式机参数为：额定功率额定转速额定电流额定转速电枢回路总电阻允许电流过载倍数电势系数电磁时间常数机电时间常数电流反馈滤波时间常数转速反馈滤波时间常数转速调节器和电流调节器的最大输入电压两调节器的输出限幅电压为PWM 功率变换器的开关频率放大倍数电流超调量空载起动到额定转速时的转速超调量过渡过程时间H 桥 PWM 方式驱动，已知电动200W48V4A500r/minR 8=2C e 0.04Vmin/rTL 0.008sT m 0.5sT oi 0.2msT on 1msU nm* U im* 10V10Vf 10kHzK s 4.8i 5%25%ts 0.5 s二、 电流环、转速环设计仿真过程双闭环直流调速系统的设计及其他多环控制系统的设计原则一样： 先设计内环 （即电流环），在将内环看成外环的一个环节，进而设计外环（即转速环） 。

1. 稳态参数计算电流反馈系数：= U im*101.25V / AI nom2 4转速反馈系数：= U nm*100.02V min/ rI nom5002. 电流环设计1) 确定时间常数110.1msTs10kHzf由电流滤波时间常数 Toi0.0002 s ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，取T i Ts Toi 0.0001 0.0002 0.0003s2) 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G ACR (s) Kii s1si3) 选择调节器参数超前时间常数 :iTl0.008s由于 i5% ，故 K lTi0.5故 K l0.50.51666.6667 s 1T i0.0003电流调节器比例系数为：KiKli R0.00881666.71.2517.78K S4.84) 检验近似条件电流环的截止频率： wci Kl 1666.6667s 1i. 近似条件一：113333.3333wci （满足近似条件）3Ts3 0.0001ii.近似条件二：131w （满足近似条件）347.43TmTl0.50.008ciiii.近似条件三：11113TsToi32357.02 wci（满足近似条件）0.001 0.00023. 转速环设计1) 确定时间常数电流环等效时间常数： 2T0.0006 si小时间常数近似处理： T i Ton 0.0006 0.001 0.0016 s2) 选择转速调节器结构由于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， 应按典型Ⅱ型系统校正转速环，因此转速调节器应选择 PI 调节器，其传递函数为：n s 1GASR (s) K nn s3) 选择调节器参数按跟随型和抗扰性能均比较好的原则，取 h=5 ，则转速调节器的超前时间常数为：n hT n 5 0.0016 0.008s转速环开环增益：K Nh 15146875s 22h2T 2n2 520.0016 2于是，转速调节器比例系数为：(h 1) CeTmK n2h RT n4) 校验近似条件转速环开环截止频率： cn K N11i. 近似条件一： cn 5T i61.250.040.5250.02858.590.0016K N n 46875 0.008 375s 111cn （满足近似条件）5T i5666.670.000311ii.近似条件二：2Tcn3i Ton1111430.33 cn （满足近似条件）32T iTon30.0006 0.001三、 MATLAB仿真1. 电流环仿真1) 频域分析在 matlab/simulink 中建立电流环动态结构图及校正成典型Ⅰ型系统的电流环开环动态结构图（如图 1-1、1-2、所示），建模结果如下：2) 图 1-1 经过小参数环节合并近似后的电流开环动态结构图3) 图 1-2 未经过小参数环节合并近似处理的电流开环动态结构图命令窗口分别输入以下命令分别得到 Bode 图%MATLAB PRGRAM L584.Mn1=1.25*4.8;d1=[0.0003 1];s1=tf(n1,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;margin(sys);grid on和%MATLAB PRGRAM L582.Mn1=1;d1=[0.0002 1];s1=tf(n1,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);n6=1;d6=[0.0002 1];s6=tf(n6,d6);sys=s1*s2*s3*s4*s5*s6;margin(sys);grid on得到频域分析曲线（如图 1-3、1-4 所示）图 1-3 实际电流环开环 bode 图图 1-4 小参数环节合并后电流环 bode 图比较上述两图，两条曲线基本吻合，对于一般机械系统，满足要求2) 阶跃响应分析在 matlab/simulink 中建立电流环动态结构图及校正成典型Ⅰ型系统的电流环闭环动态结构图（如图 1-5、 1-6、所示），建模结果如下：图 1-5 经过小参数环节合并近似后的电流闭环动态结构图图 1-6 未经过小参数环节合并近似处理的电流闭环动态结构图命令窗口输入以下命令分别得到阶跃响应曲线%MATLAB PRGRAM L583.M/ L581.M[a1,b1,c1,d1]=linmod( 'flex3'/'flex1' );s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到阶跃响应曲线（如图 1-7、 1-8 所示）图 1-7 实际电流环阶跃响应仿真曲线图 1-8 小参数环节合并后电流环阶跃响应仿真曲线通过两种增益条件下电流环阶跃响应曲线可以看出， 小参数环节合并后的电流环阶跃响应仿真曲线与原曲线基本一致， 且超调量略小， 但达到平衡的时间较长。

尽管如此，不影响主要参数的条件（如超调量、上升时间等） 通过仿真可知通过减小电流调节器的比例系数，可以做到电流没有超调量，但电流的上升速度和调节时间都要拖长一些考虑到双闭环调速系统的初衷， 电流存在一些超调当然是可取的 因为有利于电动机的加速，同时电动机又不会出现不良影响2. 转速环仿真1) 频域分析在 matlab/simulink 中建立转速环开环原动态结构图及转速环开环近似处理后动态结构图（如图 2-1、2-2 所示），建模结果如下：。