(完整word版)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中， 只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)對(duì)電樞電流加以保護(hù)， 缺少對(duì)電 樞電流的精確控制， 也就無(wú)法充分發(fā)揮直流伺服電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力， 因而也就達(dá)不到調(diào)速系 統(tǒng)的快速起動(dòng)和制動(dòng)的效果。 通過(guò)在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電流閉環(huán)， 即按照 快速起動(dòng)和制動(dòng)的要求， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電流的精確控制， 實(shí)質(zhì)上是在起動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程的主要階 段，實(shí)現(xiàn)一種以電動(dòng)機(jī)最大電磁力矩輸出能力進(jìn)行啟動(dòng)或制動(dòng)的過(guò)程。一、 設(shè)計(jì)要求設(shè)一個(gè)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(dòng)，已知電動(dòng) 機(jī)參數(shù)為：額定功率200W額定轉(zhuǎn)速48V額定電流4A額定轉(zhuǎn)速500r/min電樞回路總電阻R8允許電

2、流過(guò)載倍數(shù)=2電勢(shì)系數(shù)Ce 0.04Vmin/r電磁時(shí)間常數(shù)TL 0.008s機(jī)電時(shí)間常數(shù)T m 0.5s電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)T oi 0.2ms轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)T on 1ms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 im 10V兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10VPWM 功率變換器的開關(guān)頻率f 10kHz放大倍數(shù)K s 4.8電流超調(diào)量i 5%空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量25%過(guò)渡過(guò)程時(shí)間ts 0.5 s電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)仿真過(guò)程先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán) （即電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其他多環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則一樣：環(huán)），在將內(nèi)環(huán)看成外環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而設(shè)計(jì)外環(huán)（即轉(zhuǎn)速環(huán)）1. 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)

3、算電流反饋系數(shù)：*Ui*m101.25V / AInom24轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：* U nm100.02V min/ rInom5002. 電流環(huán)設(shè)計(jì)1） 確定時(shí)間常數(shù)f 10kHz0.1ms2)PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3)選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)間常數(shù) :i Tl由于5%，故 K lT故Kl0.50.5T i 0.0003GACR (s)0.008si 0.51666.6667 s 1Kiis 1is由電流濾波時(shí)間常數(shù) Toi 0.0002s ，按電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，取T i Ts Toi0.0001 0.0002 0.0003s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(jìn)行設(shè)計(jì)。電流調(diào)

4、節(jié)器選用電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為：4)檢驗(yàn)近似條件i.KiKli R 1666.7KS10.205084.88 17.78電流環(huán)的截止頻率： wci1Kl 1666.6667s 1近似條件一：113Ts3 0.00013333.3333 wci （滿足近似條件）ii. 近似條件二：3 1 3 1 47.43 wci (滿足近似條件) TmTl0.5 0.008 ciiii.113 0.001 0.00022357.02 wci （滿足近似條件）113.轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)1)確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)： 2T0.0006si小時(shí)間常數(shù)近似處理： Ti Ton 0.0006 0.001 0.0016 s2

5、)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 由于轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)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(dòng)態(tài)要求， 應(yīng)GASR ( s)Kn3） 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨型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(shí)間常數(shù)為：hT n 5 0.00160.008s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)選擇 PI 調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：KNh1222h2T2n51222 52 0.0016 246875s于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為：Kn(h 1) CeTm2h RT nn6 1.25 0.04 0.52 5 0.02 8 0.001658.594） 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)截止頻率：KN c

6、nK N n 46875 0.008 375si.近似條件一：5T icn5T i 5 0.0003666.67cn滿足近似條件）ii. 近似條件二： 1 11 1 1 13 2T iTon 3 0.00063 2T iTon430.33 cn （滿足近似條件） 0.001 cnMATLAB仿真1. 電流環(huán)仿真1） 頻域分析在 matlab/simulink 中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)開環(huán) 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖 1-1、1-2 、所示），建模結(jié)果如下：2） 圖 1-1 經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3） 圖 1-2 未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

7、圖命令窗口分別輸入以下命令分別得到 Bode 圖%MATLAB PRGRAM L584.M n1=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.M n1=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

8、;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得到頻域分析曲線(如圖 1-3、1-4 所示)圖 1-3 實(shí)際電流環(huán)開環(huán) bode 圖圖 1-4 小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán) bode 圖比較上述兩圖，兩條曲線基本吻合，對(duì)于一般機(jī)械系統(tǒng)，滿足要求2） 階躍響應(yīng)分析在 matlab/simulink 中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán) 閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如

9、圖 1-5、 1-6、所示），建模結(jié)果如下：圖 1-5 經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 1-6 未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線%MATLAB PRGRAM L583.M/ L581.Ma1,b1,c1,d1=linmod( 'flex3'/'flex1' ); s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到階躍響應(yīng)曲線（如圖 1-7、 1-8 所示）圖 1-7 實(shí)際電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線圖 1-8 小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線 通過(guò)兩種增益條件下電流環(huán)階躍響應(yīng)曲線可以

10、看出， 小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后的電流環(huán)階 躍響應(yīng)仿真曲線與原曲線基本一致， 且超調(diào)量略小， 但達(dá)到平衡的時(shí)間較長(zhǎng)。 盡管如此， 不影響主要參數(shù)的條件（如超調(diào)量、上升時(shí)間等） 。通過(guò)仿真可知通過(guò)減小電流調(diào)節(jié)器 的比例系數(shù)，可以做到電流沒(méi)有超調(diào)量，但電流的上升速度和調(diào)節(jié)時(shí)間都要拖長(zhǎng)一些。 考慮到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的初衷， 電流存在一些超調(diào)當(dāng)然是可取的。 因?yàn)橛欣陔妱?dòng)機(jī)的 加速，同時(shí)電動(dòng)機(jī)又不會(huì)出現(xiàn)不良影響。2. 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真1） 頻域分析在 matlab/simulink 中建立轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖 2-1 、2-2 所示），建模結(jié)果如下：圖 2-1 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原

11、simulink 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 2-2 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后 simulink 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 命令窗口輸入以下命令分別得到 Bode 圖%MATLAB PRGRAM L586.M n1=1;d1=0.0001 1;s1=tf(n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/58.59 0;s2=tf(n2,d2);n3=1/1.25;d3=0.0006 1;s3=tf(n3,d3);n4=8;d4=0.02 0;s4=tf(n4,d4);n5=0.02;d5=0.001 1;s5=tf(n5,d5); sys=s1*s2*s3*s4*s5;margin(sys);grid on和%MATL

12、AB PRGRAM L588.Mn1=0.008 1;d1=0.008/58.59 0;s1=tf(n1,d1); n2=0.02/1.25;d2=0.0016 1;s2=tf(n2,d2); n3=8;d3=0.02 0;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys);grid on得到頻域分析曲線(如圖 2-3、 2-4 所示)轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線（原）圖 2-3圖 2-4 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線（近似處理后）比較兩圖， 趨勢(shì)基本一致。 曲線后一段的相位有較大的差異， 可能是建模的不準(zhǔn)確 的原因。2） 階躍響應(yīng)分析在 matlab/simulink 中

13、建立轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖 2-5 、2-6 所示），建模結(jié)果如下：圖 2-5 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原 simulink 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 2-6 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后 simulink 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 命令窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線%MATLAB PRGRAM L585.M/ L587.Ma1,b1,c1,d1=linmod( 'flex5'/'flex7' );s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到階躍響應(yīng)曲線(如圖 2-7、 2-8 所示)2-7 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線（原）2-8 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階

14、躍響應(yīng)曲線（近似處理后）未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線與經(jīng)過(guò)小參數(shù) 環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速換閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線形狀相似， 但是縱坐標(biāo)相差較大， 可能原因 是近似處理時(shí)某個(gè)放大環(huán)節(jié)被忽略，導(dǎo)致較大的差異。四、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（綜合）的設(shè)計(jì)仿真轉(zhuǎn)速、 電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、 應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，是各種交、直 流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)、具有調(diào)速范圍寬、 平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣 泛應(yīng)用于冶金、建材、印刷、電纜、機(jī)床和礦山等行業(yè)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作 用。1. 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) simulink 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖利用前面建立的電流和轉(zhuǎn)速的模塊動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖， 綜合設(shè)計(jì)， 得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng) 態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖 3-1 所示）圖 3-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) simul