轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、機(jī)電控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)課程大作業(yè)二 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)學(xué)院： 專業(yè)： 姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求： 1. 以下給出此次設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)：電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定功率 200W；額定電壓 48V；額定電流 4A；額定轉(zhuǎn)速 500r/min；電樞回路總電阻 R=8；允許電流過載倍數(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)Tm=0.5s;電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.2ms；轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=1ms；兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓10V；PWM功率變換器的開關(guān)頻率 f=10kHZ; 放大倍數(shù) Ks=4.8。動(dòng)態(tài)參數(shù)：穩(wěn)態(tài)無

2、靜差；電流超調(diào)量i5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量25%；過渡過程時(shí)間ts=0.5s。2. 設(shè)計(jì)任務(wù) 1) 計(jì)算電流和轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；2) 按工程設(shè)計(jì)法，詳細(xì)寫出電流環(huán)的動(dòng)態(tài)校正過程和設(shè)計(jì)結(jié)果；3) 編制Matlab程序，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；4) 編制Matlab程序，繪制未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；5) 按工程設(shè)計(jì)法，詳細(xì)寫出轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)校正過程和設(shè)計(jì)結(jié)果；6) 編制Matlab程序，繪制經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；7) 編制Matlab程序，繪制未經(jīng)過小

3、參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線和單位階躍響應(yīng)曲線；8) 建立轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流高速系統(tǒng)的Simulink仿真模型，對(duì)上述分析設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真；9) 給出階躍信號(hào)速度輸入條件下的轉(zhuǎn)速、電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出、電流調(diào)節(jié)器輸出過渡過程曲線，分析設(shè)計(jì)結(jié)果與要求指標(biāo)的符合性；10) 在布置作業(yè)后提交詳細(xì)書面報(bào)告，要求單面打印并在左側(cè)裝訂。一、 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)選擇兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅值皆為10V1. 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算電流反饋系數(shù)： =Uim*Inom=1024=1.25(V/A)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： =Unm*Inom=10500=0.02(Vmin/r); 2. 電流環(huán)設(shè)計(jì)1) 確定時(shí)

4、間常數(shù)：取電流濾波時(shí)間常數(shù)oi=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Ti=Ts+Toi=0.0003s2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)可按典型I型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為GACR(s)=Kiis+1is3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)間常數(shù)：i=Tl=0.008s電流超調(diào)量i5%考慮，電流環(huán)開環(huán)增益：取KlTi=0.5,因此Kl=0.5Ti=0.50.0003=1666.67于是，電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為Ki=KliRKs=1666.670.00881.254.8=17.784) 檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)的截止頻率ci=Kl=1666.67（1） 近似條件一：c

5、i13Ts現(xiàn)在，13Ts=130.0001=3333.33ci,滿足近似條件。（2） 近似條件二：ci31TmTl現(xiàn)在，31TmTl=310.50.008=47.43ci，滿足近似條件。3. 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)為；電流濾波時(shí)間常數(shù)根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況，取；轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；又根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)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GASRs=Knns+1ns3) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按照跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=9，則

6、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)為 Kn=(h+1)CeTm2hRTn=101.250.040.5290.0280.0016=54.254) 校驗(yàn)近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)截止頻率（1） 近似條件一：cn15Ti現(xiàn)在, 15Ti=150.0003=666.7cn，滿足近似條件。（2） 近似條件二：cn1312TiTon現(xiàn)在，1312TiTon=13120.00030.001=430.3cn，滿足近似條件。二、 仿真實(shí)驗(yàn) 1. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.Simulink仿真總圖3.電流環(huán)Simulink仿真1）未經(jīng)過小參數(shù)合并近

7、似處理電流調(diào)節(jié)器Simulink仿真圖（1） 未經(jīng)小參數(shù)合并近似處理電流調(diào)節(jié)器Simulink仿真圖（2）未經(jīng)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理后的電流環(huán)開環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線2） 經(jīng)過小參數(shù)合并近似處理電流調(diào)節(jié)器Simulink仿真圖（1）小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流環(huán)開環(huán)頻率特性曲線（2） 小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理后的電流環(huán)開環(huán)單位階躍響應(yīng)曲線4. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器Simulink仿真1）未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器Simulink仿真圖（1） 開環(huán)頻率特性曲線（2） 單位階躍響應(yīng)曲線2）經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器Simulink仿真圖（1） 開環(huán)頻率特性曲線（2） 階躍響應(yīng)曲

8、線5. 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)Simulink仿真（1） 調(diào)速系統(tǒng)仿真圖（2） 仿真結(jié)果（3）仿真結(jié)果分析此仿真過程為電動(dòng)機(jī)理想無負(fù)載運(yùn)行的情況。由上圖可知由于空載，初始階段電流大幅上升，轉(zhuǎn)速也立即隨電流上升。當(dāng)電流達(dá)到峰值以后受到電流環(huán)的調(diào)節(jié)，在最大值附近保持短暫時(shí)間，隨后轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過指令轉(zhuǎn)速，ASR的調(diào)節(jié)作用使得電流環(huán)的輸入信號(hào)開始下降，Id也就隨之降低。但此時(shí)I仍為正值，轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，出現(xiàn)超調(diào)。當(dāng)電流減為負(fù)值時(shí)電動(dòng)機(jī)開始減速。電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和指令轉(zhuǎn)速相差逐漸減小，電流和零值的差距也逐漸減小，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到指令轉(zhuǎn)速，電流值回到零值。之后電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持恒定。因此，各曲線的走勢(shì)是符合情況的。由圖像看出，過渡過程時(shí)間約為0.0