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
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班级：
学号：
年月
一． 设计要求与设计参数：
设一转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H 桥PWM 方式驱动，已知电动机参数为：
额定功率200W ；
额定转速48V ；
额定电流4A ；
额定转速=500r/min ；
电枢回路总电阻8=R Ω；
允许电流过载倍数λ=2；
电势系数=e C 0.04Vmin/r ；
电磁时间常数=L T 0.008s ；
机电时间常数=m T 0.5；
电流反馈滤波时间常数=oi T 0.2ms ；
转速反馈滤波时间常数=on T 1ms ；
要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压==*
*im nm U U 10V ；
两调节器的输出限幅电压为10V ；
PWM 功率变换器的开关频率=f 10kHz ；
放大倍数=s K 4.8。
试对该系统进行动态参数设计，设计指标：
稳态无静差；
电流超调量≤i σ5%；
空载起动到额定转速时的转速超调量σ ≤ 25%；
过渡过程时间=s t 0.5 s 。
二. 设计过程
1. 计算电流和转速反馈系数 电流反馈系数：A A
V I U im /V 25.14210nom *=?==λβ； 转速反馈系数：r V r V n U nm min/02.0min /50010max *?===α
2. 电流环的动态校正过程和设计结果
(1) 确定时间常数
由已知条件知滤波时间常数=oi T 0.2ms=0.0002s ，按电流环小时间常数环节的
近似处理方法，取
(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
(3) 选择调节器参数
超前时间常数==0.008s 。
电流环超调量≤i σ5%考虑，电流环开环增益：取，因此
于是，电流调节器的比例系数为
(4) 检验近似条件
电流环的截止频率
1) 近似条件一：
现在，，满足近似条件。
2) 近似条件二：
现在，，满足近似条件。
3) 近似条件三：
现在，，满足近似条件。
(5) 编制MATLAB 程序，绘制经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲
线和单位阶跃响应曲线
根据设计过程和结果，建立如下图所示的经过小参数环节合并并简化后的电流
环动态结构图。
也可通过编制MARLAB程序进行仿真，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],[0.008 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
通过MATLAB仿真，获得如下图所示的经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线：
经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线
经过小参数环节合并近似后的单位阶跃响应曲线
对阶跃响应曲线进行分析，如下图所示，可知电流超调量
=4.32%5%，满足设计
i
指标要求。
(6)编制MATLAB程序，未经过小参数环节合并近似后的电流环开环频
率特性曲线和单位阶跃响应曲线
根据设计过程和结果，建立如下图所示的未经过小参数环节合并并简化后电流环的动态结构图。
也可通过编制MARLAB程序进行仿真，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,[0.008 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=sys0* sys2*sys3*w/(1+sys1*sys2*sys3*w);
>> t=0:0.0001:0.008;
>> step(closys1,t);
>> grid on
通过MATLAB仿真，获得如下图所示的未经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线：
未经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线
未经过小参数环节合并近似后的电流环单位阶跃响应曲线对阶跃响应曲线进行分析，如下图所示，可知电流超调量
=4.57%5%，满足设计指标
i
要求。
比较经过经过小参数环节合并近似后的电流环单位阶跃响应曲线和未经过小参数环节合并近似后的电流环单位阶跃响应曲线可知，在满足近似条件的前提下，可以按小惯性环节的降阶处理方法，将小惯性环节合并成一个惯性环节，从而简化电流环，并且不影响结果。
3.转速环的动态校正过程和设计结果
(1)确定时间常数
电流环的等效时间常数2。
转速滤波时间常数。
转速环小时间常数近似处理：。
(2)选择转速调节器结构
由转速稳态无静差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：