哈工大机电控制系统 大作业一

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 。

1.计算电流和转速反馈系数

电流反馈系数：）

（A V I U nom im /25.14210

*=⨯==λβ 转速反馈系数：)/min (02.0500

10

*r V n U nom nm ===α

2.电流环的设计 （1）确定时间常数

电流反馈滤波时间常数s ms T oi 0002.02.0==， 调制周期s f T s 0001.01000

1011=⨯==

， 按电流环小时间常数的近似处理方法，取

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 G i i i

ACR ττ1

)(+= （3）选择调节器参数

超前时间常数：s T l i 008.0==τ。

电流环按超调量%5≤i σ考虑，电流环开环增益：取5.0=∑i I T K ，因此

6667.16660003

.05

.05.0===

∑i I T K 于是，电流调节器的比例系数为

.7778718

.425.18

008.06667.1666=⨯⨯⨯==s i I

i K R K K βτ （4）检验近似条件

电流环的截止频率1/s 6667.1666==I ci K ω。

1）近似条件一：s

ci T 31≤

ω 现在，

ci s T ω=>=⨯=6667.16663333.33330.0001

3131，满足近似条件。 2）近似条件二：l

m ci T T 13

≥ω 现在，ci l m T T ω=<=⨯=6667.16664342.470.008

5.01

313

，

满足近似条件。 3）近似条件三：oi

s ci T T 1

3

≤ω 现在，ci oi s T T ω=>=⨯=6667.16660226.23570.0002

0010.01

313，满足近似条件。

3.Matlab 仿真 源程序：

sys1=tf(1,[0.0002 1]); sys2=tf(1,[0.0001 1]); sys3=tf(1666.67,[1 0]); figure(1);

margin(sys1*sys2*sys3); hold on figure(2)

closys1=sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3); t=0:0.001:0.08; step(closys1,t); grid on;

00.010.020.030.040.050.060.070.08

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Step Response

Time (seconds)

A m p l i t u d e

未经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应

-150-100

-50

50

M a g n i t u d e (d B )10

10

10

10

10

P h a s e (d e g )

Bode Diagram

Gm = 19.1 dB (at 7.07e+03 rad/s) , P m = 63.6 deg (at 1.57e+03 rad/s)

Frequency (rad/s)

未经过小参数环节合并的电流环频率响应

源程序：

sys1=tf(1,[0.0003 1]); sys2=tf(1666.67,[1 0]); figure(3); margin(sys1*sys2); hold on figure(4)

closys2=sys1*sys2/(1+sys1*sys2); t=0:0.001:0.08; step(closys2,t); grid on

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Step Response

Time (seconds)

A m p l i t u d e

经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应

-80-60-40-20020

40M a g n i t u d e (d B )10

2

10

3

10

4

10

5

P h a s e (d e g )

Bode Diagram

Gm = Inf dB (at Inf rad/s) , P m = 65.5 deg (at 1.52e+03 rad/s)

Frequency (rad/s)

经过小参数环节合并的电流环频率响应

4.转速环的设计 （1）确定时间常数

电流环的等效时间常数：s T i 6000.02=∑。 转速滤波时间常数：s T on 001.0=。

转速环小时间常数近似处理：s T T T on i n 0016.0001.00006.02=+=+=∑∑ （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，应按典型Ⅱ型系统校正转速环，因此转速调节器选用PI 调节器，其传递函数为

s

s K s G 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又需要满足超调量的要求，取h=10（由后续分析知：若h=5，超调量为37.5%>25%，不满足要求），则转速环调节器的超