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《机电控制系统分析与设计》
课程大作业二
转速双闭环调速系统
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转速双闭环调速系统的设计要求:
以下给出此次设计的电动机参数:
电动机参数:
额定功率200W;
额定电压48V;
额定电流4A;
额定转速500r/min;
电枢回路总电阻R=8Ω;
允许电流过载倍数λ=2;
电势系数Ce
电磁时间常数Tl
机电时间常数Tm
电流反应滤波时间常数Toi
转速反应滤波时间常数Ton
两调节器的输出限幅电压10V;
PWM功率变换器的开关频率f=10kHZ;
放大倍数Ks
动态参数:
稳态无静差;
电流超调量σi
空载起动到额定转速的转速超调量σ≤25%;
过渡过程时间ts=0.5s
设计任务
计算电流和转速反应系数;
按工程设计法,详细写出电流环的动态校正过程和设计结果;
编制Matlab程序,绘制经过小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线;
编制Matlab程序,绘制未经过小参数环节合并近似处理的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线;
按工程设计法,详细写出转速环的动态校正过程和设计结果;
编制Matlab程序,绘制经过小参数环节合并近似后的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线;
编制Matlab程序,绘制未经过小参数环节合并近似处理后的电流环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线;
建立转速电流双闭环直流高速系统的Simulink仿真模型,对上述分析设计结果进行仿真;
给出阶跃信号速度输入条件下的转速、电流、转速调节器输出、电流调节器输出过渡过程曲线,分析设计结果与要求指标的符合性;
在布置作业后提交详细书面报告,要求单面打印并在左侧装订。
直流双闭环调速系统的理论设计
选择两调节器的输出限幅值皆为10V
稳态参数计算
电流反应系数:β=U
转速反应系数:∝=Unm
电流环设计
确定时间常数:
取电流滤波时间常数τoi=0.0002s,
T
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
G
选择调节器参数
超前时间常数:τ
电流超调量σi≤5%考虑,电流环开环增益:取
K
于是,电流调节器的比例系数为
K
检验近似条件
电流环的截止频率ω
近似条件一:ω
现在,13Ts=
近似条件二:ω
现在,31
近似条件三:ω
现在,13
转速环设计
确定时间常数:
电流环等效时间常数为;
电流滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况,取;
转速环小时间常数按小时间常数近似处理,取。
选择转速调节器的结构
由于设计要求转速无静差,转速调节器必须含有积分环节;又根据动态设计要求,应按典型II型系统设计转速环,因此转速调节器应选择PI调节器,其传递函数为
G
选择转速调节器参数
按照跟随和抗扰性能都较好的原那么取h=9,那么转速调节器的超前时间常数为
转速开环增益为
于是,转速调节器的比例系数为
K
校验近似条件
转速环的开环截止频率
近似条件一:ω
现在,1
近似条件二:ω
现在,1312
仿真实验
双闭环调速系统的动态结构框图
双闭环调速系统的动态结构框图
2.Simulink仿真总图
3.电流环Simulink仿真
1〕未经过小参数合并近似处理电流调节器Simulink仿真图
未经小参数合并近似处理电流调节器Simulink仿真图
〔2〕未经小参数环节合并近似处理后的电流环开环单位阶跃响应曲线
经过小参数合并近似处理电流调节器Simulink仿真图
〔1〕小参数环节合并近似后的电流环开环频率特性曲线
小参数环节合并近似处理后的电流环开环单位阶跃响应曲线
转速调节器Simulink仿真
1〕未经过小参数环节合并近似处理的转速环转速调节器Simulink仿真图
开环频率特性曲线
单位阶跃响应曲线
2〕经过小参数环节合并近似处理的转速环转速调节器Simulink仿真图
开环频率特性曲线
阶跃响应曲线
转速电流双闭环直流调速系统Simulink仿真
调速系统仿真图
仿真结果
〔3〕仿真结果分析
此仿真过程为电动机理想无负载运行的情况。
由上图可知由于空载,初始阶段电流大幅上升,转速也立即随电流上升。当电流到达峰值以后受到电流环的调节,在最大值附近保持短暂时间,随后转速继续增加,当转速超过指令转速,ASR的调节作用使得电流环的输入信号开始下降,Id也就随之降低。但此时I仍为正值,转速继续增加,出现超调。当电流减为负值时电动机开始减速。电动机实际转速和指令转速相差逐渐减小,电流和零值的差距也逐渐减小,直到电动机到达指令转速,电流值回到零值。之后
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