哈工大机电控制系统大作业一
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一、 设计题目
设一转速、电流双闭环直流调速系统，米用双极式 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；
允许电流过载倍数 =2；
电势系数 Ce =0.04Vmin/r ；
电磁时间常数TL -0.008s；
机电时间常数Tm = 0.5;
电流反馈滤波时间常数To^ 0.2ms；
转速反馈滤波时间常数T°n = 1ms；
要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压 U；m =5； =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Ks =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；—-5%;
空载起动到额定转速时的转速超调量二-25% ；
过渡过程时间ts =0.5 s。 二、设计说明书
1.计算电流和转速反馈系数
电流反馈系数： U 10 = 1.25(V/A)
'I nom 2 4
转速反馈系数： * U nm Ci — - 10 0.02(V min /r)
nn om 500
2.电流环的设计
(1)确定时间常数
电流反馈滤波时间常数T°i = 0.2ms =0.0002s ,
1 1
调制周期 Ts=— — 0.0001s，
f 10x1000
按电流环小时间常数的近似处理方法，取
T 沪 Ts T°i =0.0001 0.0002 = 0.0003s
(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
皿+1
GACR (s)二 K i
NS
(3) 选择调节器参数
超前时间常数：j =T = 0.008s。
电流环按超调量6^5%考虑，电流环开环增益：取 K,^^0.5，因此
0.5 0.5 K, 1666.6667 Tj 0.0003
于是，电流调节器的比例系数为
0.008乂 8
Ki = K} - 1666.6667 17.7778 Ks 1.25 4.8
(4) 检验近似条件 电流环的截止频率•〔 = K| =1666.6667 1/s
现在， 3333.3333 • 1666.6667 =•⑺，满足近似条件。
3Ts 3x0.0001
似条件
3. Matlab 仿真
源程序：
sys仁 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)
closys 仁
sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3);
t=0:0.001:0.08; 1）近似条件一: 'ci — 1
3TS
2)
3) step(closys1,t);
grid on;
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
Time (seconds)
未经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应
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8
6 o
o eq—^-kDacea^hngaM
lyeacesath 80 T5 2 2
70 -2
10 10 10 6 10 3 4 5 源程序:
sys仁 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
经过小参数环节合并的电流环单位阶跃响应1.4
0.01 0.02 Step Response
0.03 0.04
Time (seconds) 0.05 0.06 0.07 0.08
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：2T厂0.0006s。
转速滤波时间常数：Ton -0.001S
转速环小时间常数近似处理：T可=2T〒-Ton =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, 应按典型U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
(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 20 -
40 - IDDQCeau-knsaM
60 -
- 1
2 3 4 5 10 10 10 10
Frequency (rad/s) -180
GASR(S)二 Kn nS 1
■ns
KN h^12 10 - 2 =21484.375 1/s2
2h Ts 2x10 X0.0016
于是，转速调节器的比例系数为
(4) 检验近似条件
转速环的开环截止频率为
R =KN n =21484.375 0.016 =343.75 1/s。
1 1
现在，一 - 666.6667 .343.75 =%n，满足近似条件
5怎 57.0003
2) 近似条件二：COcn兰-j—1— 3\2gT°n
1 1 1 1 ' 1 现在， 430.3315 .343.75 cn，满足
3\ 2T^T°n 3 ¥ 2 汉 0.0003 汇 0.001
近似条件。
5. Matlab 仿真
源程序：
sys仁 tf(1,[0.0006 1]); sys2=tf(21484,[1 0]);
sys3=tf([0.016 1],[1 0]);
sys4=tf(1,[0.001 1]);
figure(7);
margi n(sys1*sys2*sys3*sys4); 前时间常数为
.n = hTp =10 0.0016 = 0.016s。
转速环开环增益
Kn (h 1 厂
CeTm
h-^RT 7i (10 T) 1.25 0.04 0.5
2 10 0.02 8 0.0016 = 53.7109
1)近似条件一: -on hold on
figure(8)
Closys4=sys1*sys2*sys3*sys4/(1+sys1*sys2*sys3*sys4);
t=0:0.001:0.08;
step(closys4,t);
grid on
Step Response
未经过小参数环节合并的转速环单位阶跃响应
未经过小参数环节合并的转速环频率响应
源程序：
sys1=tf(1,[0.0016 1]);
sys1=tf(1,[1 0]);
grid on
sys1=tf(1,[0.0016 1]);
sys2=tf(21484,[1 0]);
sys3=tf([0.016 1],[1 0]);
figure(5);
margi n( sys1*sys2*sys3);
hold on
figure(6)
closys3=sys1*sys2*sys3/(1+sys1*sys2*sys3);
t=0:0.001:0.08;
step(closys3,t);
grid on0 12 3 4 10 10 10 10 10
Frequency (rad/s) 10 80 T5 2 2 - 30050335 Acau-knsaM
-270
5
