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文檔簡介
1、 PAGE19 / NUMPAGES19Harbin Institute of Technology制造系統(tǒng)自動化技術大作業(yè)基于MATALAB的直流電機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真院 系: 機電工程學院 班 級: 學 號: 姓 名: 日 期: 2013.07.02 工業(yè)大學第一部分 設計任務書設計參數(shù):設一轉速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),采用雙極式H橋PWM方式驅動,已知電動機參數(shù)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(shù)l=2;電勢系數(shù)0.04Vmin/r;電磁時間常數(shù)0.008s;機電時間常數(shù)0.5;電流反饋濾波時間常數(shù)0
2、.2ms;轉速反饋濾波時間常數(shù)1ms;要求轉速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓10V;兩調(diào)節(jié)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(shù)4.8。試對該系統(tǒng)進行動態(tài)參數(shù)設計,設計指標:穩(wěn)態(tài)無靜差;電流超調(diào)量5%;空載起動到額定轉速時的轉速超調(diào)量s 25%;過渡過程時間0.5 s。第二部分 設計說明書一、穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算電流反饋系數(shù):轉速反饋系數(shù):二、電流環(huán)設計確定時間常數(shù)已知PWM功率變換器的開關頻率,則。取電流濾波時間常數(shù),按電流環(huán)小時間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法,取選擇電流調(diào)節(jié)器結構電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)進行設計。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時
3、間常數(shù):。電流環(huán)按超調(diào)量考慮,電流環(huán)開環(huán)增益:取,因此于是,電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為那么PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為4、檢驗調(diào)整后近似條件電流環(huán)的截止頻率。近似條件一:現(xiàn)在,滿足近似條件。(2)近似條件二:現(xiàn)在,滿足近似條件。(3)近似條件三:現(xiàn)在,滿足近似條件。綜上,可將電流環(huán)簡化為傳遞函數(shù)5、運用MATLAB繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應曲線(注:本設計采用Simulink組件中的Linear Analysis工具箱繪圖,因此不符程序)(1)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)結構圖4-1經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)結構圖(2)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性
4、曲線圖4-2經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線(3)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結構圖4-3經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結構(4)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應曲線圖4-4經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應曲線6、運用MATLAB繪制未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應曲線(1)未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)結構圖4-5未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)結構圖(2)未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線圖4-6未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線伯德圖得到的頻域性能指標為,幅值裕度:,相位裕度:,截止頻率??梢?,電
5、流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕度,其頻域特性是優(yōu)良的。(3)未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結構圖4-7 未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)閉環(huán)結構圖(4)未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應曲線圖4-8 未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的電流環(huán)單位階躍響應曲線五、轉速環(huán)設計確定時間常數(shù)電流環(huán)的等效時間常數(shù):。轉速反饋濾波時間常數(shù):。轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理:。選擇轉速調(diào)節(jié)器結構由轉速無靜差要求,轉速調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié);又根據(jù)動態(tài)要求,應按典型II型系統(tǒng)校正轉速環(huán),因此轉速環(huán)調(diào)節(jié)器應選擇PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨性和抗擾性能均比較好的原則,取,則轉速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為轉速環(huán)開環(huán)增益
6、()于是,轉速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為4、檢驗近似條件轉速環(huán)的開環(huán)截止頻率為 ()近似條件一:現(xiàn)在,滿足近似條件。近似條件二:現(xiàn)在,滿足近似條件。5、運用MTLAB繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應曲線(1)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)結構圖5-1經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)結構圖(2)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線圖5-2經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線(3)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)閉環(huán)結構圖5-3經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)閉環(huán)結構圖(4)經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線圖5-4經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)閉環(huán)頻率特性
7、曲線6、繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應曲線(1)未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)結構圖5-5 未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)結構圖(2)未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線圖5-6 未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線(3)未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)閉環(huán)結構圖5-7 未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)閉環(huán)結構圖(4)未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)單位階躍響應曲線圖 5-8 未過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似后的轉速環(huán)單位階躍響應曲線(5)完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結構圖圖5-9 完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)結構圖(6)完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線圖5-10完整雙閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻率
8、特性曲線得系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線,相位裕度:,截止頻率??梢?,電流環(huán)有足夠的穩(wěn)定裕度,其頻域特性是優(yōu)良的。六、階躍信號速度輸入條件下的轉速、電流、轉速調(diào)節(jié)器輸出、電流調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線與其設計結果分析轉速分析圖6-1 雙閉環(huán)系統(tǒng)轉速輸出Simulink動態(tài)結構圖圖6-2 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號輸入下轉速輸出過渡過程曲線電流分析圖6-3 雙閉環(huán)系統(tǒng)電流輸出Simulink動態(tài)結構圖圖6-4 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號輸入下電流輸出過渡過程曲線轉速調(diào)節(jié)器輸出分析圖6-5 雙閉環(huán)系統(tǒng)轉速調(diào)節(jié)器輸出Simulink動態(tài)結構圖圖6-6 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號輸入下轉速調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線電流調(diào)節(jié)器輸出分析圖6-7 雙閉環(huán)系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器輸出Simulink動態(tài)結構圖6-8 雙閉環(huán)系統(tǒng)階躍信號輸入下電流調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線分析設計結果與要求指標的符合性由圖4-8可以看出,電流環(huán)電流超調(diào)量約為,符合設計指標。由圖6-2可以看出,轉速輸出過渡過程曲線的超調(diào)量為,符合設計指標。由圖6-2可以看出,過渡
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