实验四 直流调速系统仿真与设计

实验四 直流调速系统仿真与设计

一、 实验目的

1、掌握连续部分的程序实现方法；

2、熟悉仿真程序的编写方法。

二、 实验容

一转速、电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统，已知电动机参数为：N P =200W ，N U =48V ，N I =4A ，额定转速 500r/min ，电枢电阻Ra=6.5欧，电枢回路总电阻R=8欧，允许电流过载倍数2λ=，电势系数C 0.12min/e V r =•，电磁时间常数s T l 015.0=，机电时间常数s T m 2.0=，电流反馈滤波时间常数

s T oi 001.0=，转速反馈滤波时间常数s T on 005.0=。设调节器输入输出电压**

nm im cm U U U 10V

===，调节器输入电阻Ω=k R 400。已计算出电力晶体管D202

的开关频率f 1kHz =，PWM 环节的放大倍数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

5%σ≤；空载

起动到额定转速时的转速超调量n

20%σ≤；过渡过程时间s t 0.1s ≤。

建立系统的仿真模型，并进行仿真验证。 一、 设计计算

1. 稳态参数计算

根据两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调

节器的输出限幅值均选择为12V 电流反馈系数；A V A V

I U im /25.14210nom *

=⨯==λβ

转速反馈系数：r V r V

n U nm min/02.0min

/50010max *⋅===α

2. 电流环设计 （1）确定时间常数

电流滤波时间常数T oi =0.2ms ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则

s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑

（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

s s K s W i i i ACR ττ1

)(+=

（3）选择调节器参数

超前时间常数：i τ=T L =0.008s

电流环超调量为σi ≤5%，电流环开环增益：应取5.0=∑i I T K ，则

I K =i T ∑5.0=0003.05.0=1666.67

于是，电流调节器比例系数为

0.0088

1666.6717.781.25 4.8i i I s R K K K τβ⨯=⋅=⨯=⨯

（4）检验近似条件

电流环截止频率ci ω=I K =1666. 67 1/s 1） 近似条件1：ci ω ≤s

T 31

现在，s T 31=0003

.01

=3333.33>ci ω，满足近似条件。

2）近似条件2：≥ci ωL

m T T 1

3 现在，L m T T 1

3

==47.43

s ci T T 1

31≤ω

现在，

oi s T T 131=0002

.00001.0131⨯=2357.02>ci ω，满足近似条件。

（5） MATLAB 仿真

1) 电流环给定阶跃响应的MATLAB 仿真

未经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应

经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应

2)电流环频率分析的MATLAB仿真

未经过小参数环节合并的电流环频率响应

经过小参数环节合并的电流环频率响应

3.转速环设计

（1）确定时间常数

电流环的等效时间常数：2i T ∑=0.0006s 转速滤波时间常数：T on =1ms=0.001，

转速环小时间常数近似处理：n T ∑=2i T ∑+ T on =0.0006+0.001=0.0016s （2）选择转速调节器结构

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

s

s K s W n n n

ASR ττ1

)(+= （3）选择调节器参数

按跟随性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 τ=h ·T n ∑=5⨯0.0016=0.008s

转速环开环增益

2221n N T h h K ∑+=

=2

20016

.0521

5⨯⨯+=46875 1/2s

于是，转速调节器比例系数为

n m e n RT h T C h K ∑+=αβ2)1(=(51) 1.250.040.5250.0280.0016+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=58.59

（4）校验近似条件

转速环的开环截止频率为 cn ω=1

ωN K

=N K ·n τ=46875⨯0.008=3751 /s

1)近似条件1：cn ω ≤

i

T ∑51

现在，

i

T ∑51=0003.051⨯=666. 67>cn ω，满足近似条件。 2） 近似条件2：on

i cn T T ∑≤21

31ω

现在，

on i T T ∑21

31=001

.00006.0131⨯=430.33 >cn ω，满足近似条件。

（5）MATLAB 仿真

1) 转速环阶跃信号响应分析的MATLAB 仿真