运动控制课程设计
专 业： 自动化
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指导教师：自动化与电气工程学院2016年 10 月 20 日
直流双环系统的设计及仿真分析
1初始条件
电动机参数为：min /200,7.3,48,200r n A I V U W P N N N N ==== ，电枢电阻
6.5a R =Ω，电枢回路总电阻8R =Ω，允许电流过载倍数2λ=，电势系数0.12min/e C V r =⋅，电磁时间常数0.015l T s =，机电时间常数0.2m T s =，电流反
馈滤波时间常数0.001oi T s =，转速反馈滤波时间常数0.005on T s =，调节器输入输
出电压**
10nm
im cm U U U V ===，调节器输入电阻040R k =Ω，电力晶体管的开关频率1f kHz =，PWM 环节的放大倍数 4.8s K =。

设计指标：稳态无静差，电流超调量%5≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量%20n ≤σ，过渡过程时间
s t s 1.0≤。

2转速、电流双闭环直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

二者之间实行嵌套（或称串级）联接。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

3转速电流双闭环直流调速系统调节器的设计
转速和电流两个调节器的作用
转速调节器的作用
(1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n 很快地跟随给定电压*
n U 变
化,稳态时可减小转速误差，如果采用PI 调节器，则可实现无静差。

(2)对负载变化起抗扰作用。

(3)其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

电流调节器的作用
(1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压*i U （即外环调节器的输出量）变化。

(2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

电流调节器的设计
确定时间常数
因为kHz f 1=，所以取： s T s 001.0= 电流滤波时间常数：s T oi 001.0=
电流环小时间常数：s T T T oi s i 002.0=+=∑
选择电流调节器结构
根据设计要求：电流超调量%5≤i δ，且
105.7002
.0015.0<==∑i T T l 电流环设计为典I 系统，选择PI 调节器，其传递函数为()s
s K s W i i i
ACR ττ1
+= 选择电流调节器参数
ACR 超前时间常数： s T l i 015.0==τ，
电流开环增益：要求电流超调量%5≤i δ，所以应取5.0=∑i K T i ，所以
250002
.05
.05.0===
∑i T K I ACR 的比例系数为：63.48
.435.18
015.0250=⨯⨯⨯==s i I
i K R K K βτ 校验近似条件
电流环截止频率:=ci ω1s 250-=I K
(1)晶闸管装置传递函数近似条件：s
ci T 31
≤
ω
ci s s T ω>=⨯=-13.333001
.03131，满足近似条件。

(2)忽略反电动势对电流环影响的条件：l
m ci T T 13
≥ω ci l m s T T ω<=⨯=-17.54015
.02.01
313
，满足近似条件。

(3)小时间常数近似处理条件：oi
s ci T T 1
31≤
ω
ci oi s s T T ω>=⨯=-13.333001
.0001.01
31131。

满足近似条件。

调节器的电阻电容：因为Ω=K R 400，则
Ω=Ω⨯==K K R K R i i 2.1854063.40， 近似取 Ω=K R i 185。

F F R C i
i
i μμτ81.001010
185015
.063
=⨯⨯=
=
，取F μ8.00。

F F R T C oi oi μμ1.01010
40001
.044630=⨯⨯⨯==。

取F μ1.0。

转速调节器的设计
确定时间常数
电流环等效时间常数s T i 004.02=∑
转速滤波时间常数s T on 005.0=
转速环小时间常数s T T T on i n 009.02=+∑=∑
选择转速调节器结构
由于设计要求无静差，且要求设计为典II 系统，转速调节必须含有积分环节;故ASR 选择PI 调节器，传递函数为
s
s K s W n n n ττ1
)(ASR += 选择转速调节其参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则， 取h=5，则ASR 的超前时间常数为: s hT n n 045.0009.05=⨯=∑=τ
转速环开环增益:2
2
225.148109
.00252621-=⨯⨯=∑
+=
s T h h K n N 所以，ASR 的比例系数为:4.509
.0085.0010.2
02.105.3162)1(=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=
∑n RT h T C h K m e n αβ
校验近似条件
转速环截止频率：17.66045.05.1481-=⨯==s K n N cn τω
(1)电流环传递函数简化条件：∑
≤
i
cn T 51ω
cn i s T ω>=⨯=∑
-1100002.051
51，满足简化条件。

(2)小时间常数近似处理条件：on
i cn T T ∑
≤
21
31ω
cn on i s T T ω>=⨯⨯=∑
-15.74005
.0002.021
312131，满足条件。

计算调节器的电阻和电容
Ω=K R 400，Ω=⨯==K 216404.50R K R n n ，可近似取ΩK 220。

F F R C n
n
n μμτ20.01010
220045
.063
=⨯⨯=
=，取F μ20.0。

F F R T C on on μμ5.01010
40005.0446
30=⨯⨯⨯==
，取F μ5.0。

校验转速超调量
m
n
nom b n T T n n z C C ∑∆-∆=*)(2%)(%max λδ
当h=5时，
%2.81%m ax =∆b C C ，而min 7.24612
.08
7.3r C R I n e dnom nom =⨯==∆ 所以%20%0.182
.0009
.02007.24622%2.81%<=⨯⨯
⨯⨯=n δ，满足要求。

4 系统仿真与分析
系统仿真原理图
Matlab接成图如图1所示。

图1双闭环直流调速系统仿真原理图
系统仿真结果图
双闭环直流调速系统的转速仿真波形如图2。

图2双闭环直流调速系统的转速仿真波形图双闭环直流调速系统的电流仿真波形如图3。

图3双闭环直流调速系统的电流仿真波形图
从波形中也可以看出，在启动中转速调节器经历了不饱和，饱和，退饱和三种情况，整个动态过程分为三个阶段：电流上升阶段、恒流升速阶段、转速调节阶段。

第一阶段突加电压，电枢电流迅速上升，速度调节器的输入很快达到限幅值。

第二阶段，ASR始终饱和，转速环相当于开环，保持电流恒定，拖动系统恒加速，转速线形增加。

第三阶段，当转速达到给定值之后，转速调节器和电流调节器的给定电压与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。

转速超调之后，转速调节器输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线形调节阶段，使速度恒定不变，实际仿真结果基本上符合理论分析。

参考文献
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