(完整word版)转速、电流双闭环直流调速系统设计
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在转速闭环直流调速系统中， 只有电流截止负反馈环节对电枢电流加以保护， 缺少对电 枢电流的精确控制， 也就无法充分发挥直流伺服电动机的过载能力， 因而也就达不到调速系 统的快速起动和制动的效果。 通过在转速闭环直流调速系统的基础上增加电流闭环， 即按照 快速起动和制动的要求， 实现对电枢电流的精确控制， 实质上是在起动或制动过程的主要阶 段，实现一种以电动机最大电磁力矩输出能力进行启动或制动的过程。
一、 设计要求 设一个转速、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 R8
允许电流过载倍数 =2
电势系数 C
e 0.04Vmin/r
电磁时间常数 TL 0.008s
机电时间常数 T
m 0.5s
电流反馈滤波时间常数 T
oi 0.2ms
转速反馈滤波时间常数 T
on 1ms
转速调节器和电流调节器的最大输入电压 U nm U
im 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 K
s 4.8
电流超调量 i 5%
空载起动到额定转速时的转速超调量 25%
过渡过程时间 t
s 0.5 s 电流环、转速环设计仿真过程 双闭环直流调速系统的设计及其他多环控制系统的设计原则一样： 环），在将内环看成外环的一个环节，进而设计外环（即转速环）
1. 稳态参数计算
电流反馈系数： * Ui*m
10 1.25V / A
Inom
24
转速反馈系数： *
U nm
10 0.02V min/
r Inom
500
2. 电流环设计
1） 确定时间常数
由电流滤波时间常数 Toi 0.0002s ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，取 T i Ts Toi 0.0001 0.0002 0.0003s 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
电流调节器比例系数为：
先设计内环 （即电流 2) PI 调节器，其传递函数为
3) 选择调节器参数
超前时间常数 : i Tl
由于 5%， 故
K lT
故Kl
0.5 0.5
T i 0.0003
GACR (s) 0.008s i 0.5
1666.6667 s 1
Ki
is 1
is
f 10kHz 0.1m4) 检验近似条件
i.
Ki Kl
i R 1666.7
KS
10..205084.88 17.78
电流环的截止频率： wci
1
Kl 1666.6667s 1
近似条件一： 1 1
1 1
Kn
(h 1) CeTm
2h RT n
n
6 1.25 0.04 0.5 2 5 0.02 8 0.0016 58.59
4） 校验近似条件
转速环开环截止频率： KN
cn K N n 46875 0.008 375s
i. 近似条件一： 5T i
cn
ii. 近似条件二：
3 1 3 1 47.43 wci (满足近似条件) TmTl 0.5 0.008 ci
3. 转速环设计 1) 确定时间常数
电流环等效时间常数： 2T 0.0006s i
小时间常数近似处理： T i Ton 0.0006 0.001 0.0016 s 2) 选择转速调节器结构 由于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，因此转速调节器应选择 PI 调节器，其传递函数为：
转速环开环增益：
于是，转速调节器比例系数为：
3Ts 3 0.0001
3333.3333 wci （满足近似条件）
iii. 11 3 0.001 0.0002 2357.02 wci （满足近似条件）
GASR ( s) K
n
3） 选择调节器参数
按跟随型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：
hT n 5 0.0016 0.008s
KN
h1
22 2h2T2n
51 22 2 52 0.0016 2
46875s 1 1 ii. 近似条件二：
1 1
3 2T iTon
430.33 cn （满足近似条件）
0.001 cn
MATLAB仿真
1. 电流环仿真
1） 频域分析
在 matlab/simulink 中建立电流环动态结构图及校正成典型Ⅰ型系统的电流环开环 动态结构图（如图 1-1、1-2 、所示），建模结果如下：
5T i 5 0.0003 666.67 cn 满足近似条件）
1 1 1 1 3 2T iTon 3 0.0006
2） 图 1-1 经过小参数环节合并近似后的电流开环动态结构图
3） 图 1-2 未经过小参数环节合并近似处理的电流开环动态结构图 命令窗口分别输入以下命令分别得到 Bode 图 %MATLAB PRGRAM L584.M n1=1.25*4.8;d1=[0.0003 1];s1=tf(n1,d1); n2=[0.008 1];d2=[0.008/17.78 0];s2=tf(n2,d2); n3=1/8;d3=[0.008 1];s3=tf(n3,d3); sys=s1*s2*s3; margin(sys); grid on 和
%MATLAB PRGRAM L582.M n1=1;d1=[0.0002 1];s1=tf(n1,d1); n2=[0.008 1];d2=[0.008/17.78 0];s2=tf(n2,d2); n3=4.8;d3=[0.0001 1];s3=tf(n3,d3); n4=1/8;d4=[0.008 1];s4=tf(n4,d4); n5=1.25;d5=[1];s5=tf(n5,d5); n6=1;d6=[0.0002 1];s6=tf(n6,d6); sys=s1*s2*s3*s4*s5*s6; margin(sys); grid on
得到频域分析曲线(如图 1-3、1-4 所示)
图 1-3 实际电流环开环 bode 图 图 1-4 小参数环节合并后电流环 bode 图
比较上述两图，两条曲线基本吻合，对于一般机械系统，满足要求 2） 阶跃响应分析
在 matlab/simulink 中建立电流环动态结构图及校正成典型Ⅰ型系统的电流环 闭环动态结构图（如图 1-5、 1-6、所示），建模结果如下：
图 1-5 经过小参数环节合并近似后的电流闭环动态结构图 图 1-6 未经过小参数环节合并近似处理的电流闭环动态结构图
命令窗口输入以下命令分别得到阶跃响应曲线 %MATLAB PRGRAM L583.M/ L581.M [a1,b1,c1,d1]=linmod( 'flex3'/'flex1' ); s1=ss(a1,b1,c1,d1); step(s1)
得到阶跃响应曲线（如图 1-7、 1-8 所示）
图 1-7 实际电流环阶跃响应仿真曲线 图 1-8 小参数环节合并后电流环阶跃响应仿真曲线 通过两种增益条件下电流
环阶跃响应曲线可以看出， 小参数环节合并后的电流环阶 跃响应仿真曲线与原曲线基本一致， 且超调量略小， 但达到平衡的时间较长。 尽管如此， 不影响主要参数的条件（如超调量、上升时间等） 。通过仿真可知通过减小电流调节器 的比例系数，可以做到电流没有超调量，但电流的上升速度和调节时间都要拖长一些。 考虑到双闭环调速系统的初衷， 电流存在一些超调当然是可取的。 因为有利于电动机的 加速，同时电动机又不会出现不良影响。 2. 转速环仿真
1） 频域分析
在 matlab/simulink 中建立转速环开环原动态结构图及转速环开环近似处理后 动态结构图（如图 2-1 、2-2 所示），建模结果如下：
图 2-1 转速环开环原 simulink 动态结构图
