直流电动机调速系统
创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计
目录
目录 (1)
1 引言 (2)
1.1 设计背景 (2)
1.2 系统可实现的功能 (2)
2 总体方案设计 (3)
2.1 单片机选型方案 (3)
2.2 转速测量方案选择 (4)
2.3直流电机驱动电路介绍 (5)
2.4 PWM调宽方式的选择 (6)
2.5键盘的选择 (6)
2.6整体方案设计框图 (6)
3 硬件电路设计 (7)
3.1 系统的整体硬件框图 (7)
3.2 按键模块电路设计 (7)
3.3数码管显示模块电路设计 (8)
4系统软件设计 (10)
4.1 PWM输出程序设计 (10)
4.2 数字PID算法程序设计 (11)
4.3速度采集模块程序设计 (12)
4.4 按键设定程序设计 (13)
4.5 速度显示模块程序设计 (15)
5 总结 (16)
6参考文献 (17)
附录A系统原理图 (18)
1 引言
1.1 设计背景
现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
1.2 系统可实现的功能
设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。
2 总体方案设计
2.1 单片机选型方案
1.Intel公司的8051系列
美国的Intel公司是最早的MCU生产商。Intel公司于1979年推出的MCS-51奠定了嵌入式应用的单片微型计算机的经典体系结构，8051系列是最早最典型的8位微控制器。
2.Freescale公司的MC系列
Freescale半导体公司是世界上最大的微控制器厂商，其产品特点是品种齐全，选择余地大，新产品多，多年来一直雄居高可靠微控制器销量总量榜首。Freescale公司开发了众多的8位、16位和32位微控制器品种。其微控制器的特点之一是在同样的总线速度下所有的外部时钟较8051类微控制器低得多，因而使得高频噪声降低，抗干扰能力增强，更适于工业测控和汽车电子的恶劣环境。
3.Microchip公司的PIC系列
Microchip公司的PIC系列微控制器，是1996年以来技术发展非常迅速、市场份额增长最快的微控制器。目前，它的主要产品是PIC16C/F系列和18C/F 系列的8位机，PIC24/30/33系列的16位机。PIC系列微控制器采用RISC系统和Harvard双总线结构，运行速度快，工作电压宽，低功耗，较高的输出驱动能力，价格低，体积小，可一次编程或多次编程。
Freescale半导体公司的8位S08微控制器有以下特点：
①技术成熟、高可靠、高性能、抗干扰和电磁兼容性强，内部资源丰富，且种类齐全，选择余地大，新产品多；
②开发技术先进且费用低廉，可提供免费得集成开发环境和开发调试器；
③支持C高级语言开发，并进行了硬件和软件优化，效率较高；
④可平滑的完成从8位MCU到32位MCU核心的转移，他们的引脚兼容，开发环境不变。
虽然51单片机较其他单片机略显劣势，但是51单片机的开发现在是最成熟的一款单片机了，而且价格相对较低，经济而稳定性好，结合本人的喜好，本次设计选择51单片机作为本次设计的控制器。
2.2 转速测量方案选择
测速是工农业生产中经常遇到的问题，学会使用单片机技术设计测速仪表具有很重要的意义。要测速，首先要解决是采样的问题。在使用模拟技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。使用单片机进行测速，可以使用简单的脉冲计数法。只要转轴每旋转一周，产生一个或固定的多个脉冲，并将脉冲送入单片机中进行计数，即可获得转速的信息。
方案一：采用霍尔传感器测速
霍尔传感器是对磁敏感的传感元件，常用于开关信号采集的有CS3020、CS3040等，这种传感器是一个3端器件，外形与三极管相似，只要接上电源、地，即可工作，输出通常是集电极开路（OC）门输出，工作电压范围宽，使用非常方便。如图1所示是CS3020的外形图，将有字面对准自己，三根引脚从左向右分别是Vcc，地，输出。
图2.1 CS3020外形图
使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构也可以做得较为简单，只要在转轴的圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。
方案二：采用编码盘和光电耦合器测速
经比较，方案一虽然安装和接线都相对简单，但是对于本次学习性创新设计而言并不经济，所以本次设计采用方案二。
2.3直流电机驱动电路介绍
主要元件：恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N、光电耦合器TLP521-4
工作电压方式：直流
工作电压：信号端 4~6V、控制端 5~36V
调速方式：直流电动机采用PWM信号平滑调速。
特点：
1、可实现电机正反转及调速。
2、启动性能好，启动转矩大。
3、工作电压可达到36V，4A。
4、可同时驱动两台直流电机。
5、适合应用于机器人设计及智能小车的设计中。
用L298驱动两台直流减速电机的电路。引脚A，B可用于PWM控制。如果机器人项目只要求直行前进，则可将IN1，IN2和IN3，IN4两对引脚分别接高电平和低电平，仅用单片机的两个端口给出PWM信号控制A，B即可实现直行、转弯、加减速。本次设计只用一个电机。电机驱动电路如图2.2所示：
图2.2 电机驱动电路
2.4 PWM调宽方式的选择
调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽调频。本设计采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定;井且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。PWM软件实现方式有两种:
1.采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个Us。
2.采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。
基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用软件延时方式。
2.5键盘的选择
本设计中键盘主要用于参数的输入。将采用采用独立式键盘直接与单片机进行连接。这种方法结构简单，对于少数量的键盘来说比较适合。
2.6整体方案设计框图
整体方案设计框图如图2.3所示：
图2.3 整体方案设计框图
3 硬件电路设计
3.1 系统的整体硬件框图
本设计系统以51单片机作为电动机控制的核心，系统包括主控模块51单片机，显示模块，键盘模块，电源模块以及电动机驱动模块。系统的整体框图如图3.1所示：
图3.1 系统的整体硬件框图
3.2 按键模块电路设计
共设置四个按键，对应的功能分别为：
S1:功能选择按钮
S2：数值增1按钮
S3：数值减1按钮
S4：确认按钮
对应的硬件接线原理图如图3.2所示：
图3.2 按键模块硬件连接电路图3.3数码管显示模块电路设计
数码管显示电路硬件接线连接图如图3.3所示：
图3.3 数码管显示硬件连线图
4系统软件设计
4.1 PWM输出程序设计
利用AT89C52单片机中的定时器0和定时器1分别产生相应的高低电平延时，并在一定的总周期下，通过改变计数初值改变高或低电平的保持时间来实现改变占空比，从而实现PWM波的不同占空比输出，进而改变电动机的电枢电压，实现调速。
#define A 3000 //设置PWM的频率
#define n 50 //设置PWM的占空比n/100
//下面是对定时器0和定时器1的初始化程序
void timer_init()
{
TMOD = 0x11;
TL0 = (65535 - A) & 0xFF;
TH0 = (65535 - A) >> 8;
TL1 = (65535 - A) & 0xFF;
TH1 = (65535 - A) >> 8;
ET0 = 1;
ET1 = 1;
EA = 1;
TR0 = 1;
}
//定时器0和定时器1实现PWM波输出，输出口是P1.0口（可改变）
void timer0_ISR() interrupt 1
{
TL0 = (65535 - A) & 0xFF;
TH0 = (65535 - A) >> 8;
n1 ++;
if(n1 == (100 - n))
{
n1 = 0;
TR0 = 0;
DB1 = 0;
TR1 = 1;
}
}
void timer1_ISR() interrupt 3
{
TL1 = (65535 - A) & 0xFF;
TH1 = (65535 - A) >> 8;
n2 ++;
if(n2 == n)
{
n2 = 0;
TR1 = 0;
DB1 = 1;
TR0 = 1;
}
}
4.2 数字PID算法程序设计
系统控制可以选用模拟控制和数字控制两种方式，比较之下，数字控制系统结构简单并且能够实现较复杂的控制规律，从而达到精确控制被控对象的目的。本次设计选用数字控制的方法，以AT89C52为核心，用程序实现PID控制规律控制被控对象。
PID控制不需要了解被控对象的数学模型，只需要根据经验调整控制器参数，便可获得满意的结果。计算机进入控制领域后，用计算机实现PID控制，把PID
控制规律进一步与计算机的强大运算能力、存储能力和逻辑判断能力结合起来，使PID控制更加灵活，参数整定和修改更为方便，更能够满足对控制系统提出各种各样的要求。
增量式PID算法表达式为：
△u(k)=Kp*（e(k)-e(k-1)）+Ki*e(k)+Kd*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2))
采用PI控制，即Kd=0。
相关的程序代码如下：
void PID()
{
E_K = GD - sp;//GD为给定转速数值，sp为采集回的转速数值
U_K = U_K_1 + KP * (E_K - E_K_1) + KI * E_K;
U_K_1 = U_K;
E_K_1 = E_K;
//控制量U_K去改变n的值，从而改变PWM占空比，进而实现改变转速
}
4.3速度采集模块程序设计
AT89C52的定时器2具有捕捉功能，利用编码盘旋转和光电耦合器提供的电平变化信号让定时器2连续捕捉，计算出相邻两次的时间差，便可通过这个时间差计算出此时的转速的大小。
//定时器2的中断服务程序通过采集两个脉冲的时间间隔sp,sp可直接反应转速
void timer2_ISR() interrupt 5
{
TR2 = 0;
num ++;
if(num == 1)
{
sp1l = RCAP2L;
sp1h = RCAP2H; //第一个下降沿来时捕捉定时器2寄存器的值}
else
{
num = 0;
sp2l = RCAP2L;
sp2h = RCAP2H;//第二个下降沿来时再次捕捉定时器2寄存器的值
sp = (sp2h * 256 + sp2l) - (sp1h * 256 + sp1l);//对两次捕捉回来的值求差，算得时间间隔，对应速度
TL2 = 0;
TH2 = 0;
}
TR2 = 1;
}
4.4 按键设定程序设计
void key_scan()
{
if(s1==0)
fl=1;
while(fl==1)
{
if(s4==0)
fl=0;
P1=0xfe;
if(s2==0) //消除抖动*******************
delay(1);
if(s2==0)
a++; //a用来计s2按键按的次数，奇数次显示个位，偶数次显示
十位，当计数到11重新设为1.
if(a==11)
a=1;
if(s2!=0)
{
if(a%2==1)
{
display(k1,0);
delay(30);
while(s3==0)
{
if(s3!=0)
k1++;
}
if(k1==10)
k1=0;
}
else
{
display(k2,1);
delay(30);
while(s3==0)
{
if(s3!=0)
k2++;
}
if(k2==10)
k2=0;
}
}
speeddis(N);
delay(30);
}
}
4.5 速度显示模块程序设计
void display(int x,int y)
{
dula=1;
P0=table[x];
dula=0;
delay(1);
wela=1;
P0=table1[y];
wela=0;
delay(60);
}
//速度实时显示函数
******************************************************************* void speeddis(int x)
{
int ge,shi;
ge=x/10;
shi=x%10;
display(ge,3);
display(shi,2);
5 总结
通过本次创新设计，我学到了很多以前没有学到的东西。我们平时在课本上学到的只是理论，然而只有通过实践才能真正发现问题的所在，实践才是检验真理的唯一标准，我在此次创新设计中收获了不少，现总结如下。
首先，老师给我们做了一个创新设计的安排，然后就开始自己的创新设计了。我做的题目是直流电动机调速系统设计。刚开始的时候，面临着很多的问题，有很多东西都忘了，还有的软件不会使用，比如说VISIO软件，为此，我就到图书馆查资料，自己摸索怎么使用，如果还不会的就请教同学，和同学一块探讨。通过自己的努力，以及到图书馆和上网查阅资料，我对创新设计有了重新的认识，对51单片机和调速系统有了更深刻理解，实现了真正实践的目的。在理论学习的过程中，我只是简单地学到了一些理论知识，但是在实际的设计过程中才发现理论与实际之间存在巨大差别。我们在课堂上，掌握的仅仅是专业基础课的理论，如何去锻炼我们的实践的一面，如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢，我想做类似的设计就为我们提供了良好的实践平台。在做本次设计的过程中，我感触最深的就是查阅了大量的资料和学会了用VISIO软件。为了让我的设计更加完善，更加符合标准，一次次翻阅书籍是十分必要的，同时也是必不可少的。在学习理论知识的同时也要参加实践活动，把课本上的知识运用到社会实践当中去，也是我们学习专业理论知识的最终目的。
由于之前也做过类似的创新设计，所以为这次设计奠定过一定的基础。但对于我来说，收获最大的是分析和解决问题的能力，以及和同学合作解决问题的能力。在整个创新设计的过程中，我发现自己在经验方面还是有点缺乏，理论的知识不足，有些东西与实际脱节；还有自己对一些常用的软件使用的还不是很熟练。但总体来说，这次创新设计对我的帮助还是很大的，它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，并借助于其他软硬件条件设计一个控制器出来，并能实现预先设计的目的；当然，在本次创新设计中，方发现自己的缺点，从中暴露出自身的不足，以待改进！
在这次创新设计中，我学到了很多，学会了如何与他人合作，如何更好的借助于手中的资料来学习新的知识，如何更好的去完成一个课题等！这些都是我们
在这次创新设计中学到的知识，而且，我以后还会继续更好的利用这次学到的知识，加强对自己的训练，争取有更多的收获！
6 参考文献
[1] 何立民．单片机初级教程[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2004
[2] 赵建领．51单片机开发与应用技术详解[M]．北京：电子工业出版社,2009
[3] 张俊谟．单片机的发展与应用[J]．电子制作，2007，(8)：23~24
[4] 李艳红．单片机I/O口不宜用作直接驱动出口[J] ．电站设备自动化,2003,(2)
[5] 高金源．计算机控制技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[6] 夏继强．单片机实验与实践教程[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[7] 李海涛．关于如何提高单片机系统可靠性的探讨[J] ．宁夏机械,2005,(3)
[8] 王威．嵌入式微控制器S08AW原理与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2008
[9] 李占芳,黄嘉兴．面向煤炭应用型人才的单片机课程教学改革探索[J] ．价值工程,2011,(7)
[10] 田志华．电池供电单片机的低功耗设计[J] ．宁夏机械,2002,(4) ．
[11]石明江,顾亚雄, 张禾．单片机原理与应用课程教学改革与实践[J] ．计算机教育,2011,(6)
[12] 朱玉玺，崔如春等．计算机控制技术[M]．北京：电子工业出版社，2010
[13] 李萍．AT89S52单片机原理、开发与应用实例[M] ．中国电力出版社，2008
附录A 系统原理图
附录A 系统原理图
直流电动机调速课程设计
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
直流电动机调速设计
目录 1．直流电动机简介 (1) 2．直流电动机的相关内容 (1) 3．直流电动机调速简介 (4) 4．他厉直流电动机的调速方法 (6) 5．设计内容 (10) 6．结论 (12) 7．参考文献 (13) 8．致谢 (14) 9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计 一. 直流电动机 直流电动机是人类最早发明和应用的电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。它是实现了电能转换成机械能的电机。 二.有关内容： 〈一〉直流电动机的分类 1、他励直流电动机 2、并励直流电动机 3、串励直流电动机 4、复励直流电动机 〈二〉直流电动机用途 直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。 直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。但目前仍有不少场合使用直流电动机。
〈三〉直流电动机的结构 图1 直流电机装配结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。 （1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
直流无刷电动机及其调速控制
直流无刷电动机及其调速控制 1．直流无刷电动机的发展概况与应用 有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。 1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用。1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。 随着现代永磁材料和相关电子元器件的性能不断提高，价格不断下降，无刷电动机的到了快速发展，并被广泛应用于各个领域，例如，在数控机床、工业机器人以及医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺机械和家用电器等小功率场合，计算
直流电机双闭环调速系统设计.
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术，在实际的拖动控制系统中，由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变；与此同时，电机作为被控对象是非线性的，很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性，使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼，不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标，常常使控制系统的鲁棒性较差，尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统，常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标，往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。 通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个
#直流电机调速系统分析与设计
第一部分并励直流电动机的工作原理 并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 转速电流双闭环原理 转速、电流双闭环直流调速系统的组成，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。 限幅的作用： 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im －－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流； τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm －－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第二部分 PID算法的基本原理 PID调节器各校正环节的作用 1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节 器立即产生控制作用以减小偏差。 2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分 时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 小调节时间。 下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
直流电动机启动、调速控制线路
实验题目类型：设计型 《电机与拖动》实验报告实验题目名称：直流电动机启动、调速控制线路 实验室名称：电机及自动控制 实验组号：指导教师： 报告人：学号： 实验地点：实验时间： 指导教师评阅意见与成绩评定
一、实验目的 1、掌握并励直流电动机电枢电路串电阻起动的方法。 2、掌握并励直流电动机改变电枢电阻和改变励磁电流调速的方法。 3、掌握并励直流电动机的制动方法。 4、提交实验成果。 二、实验设备 三、实验技术路线 实验前预习要点： 1.直流电动机的起动 起动的方法 a)串电阻起动 串电阻起动就是在启动时将一组启动电阻R串入电枢回路，以限制启动电流，而当转数上升到额定转数后，再把启动变阻器从电枢回路中切除。 串电阻起动的优点是启动电流小；缺点是变阻器比较笨重，启动过程中要消耗很多的能量。 b)降电压起动 降电压起动就是在启动时通过暂时降低电动机供电电压的办法来限制启动电流，当然降压启动要有一套可变电压的直流电源，这种方法只适合于大功率直流电机。
2.直流电动机的调速 调速的种类与方法： a)调节电枢供电电压 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 b)改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 c)电枢回路串电阻调速 电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 3.直流电动机的制动方 法 能耗制动 并励直流电动机在能耗制动时要保持励磁电流不变，在电枢两端从电源断开的同时，其立即接到一个制动电阻上。这时电动机内主磁场保持不变，电枢因机械惯性继续旋转，电动机由电动机状态立即转至发电机状态，此时电枢电流反向。从而产生的电磁转矩与原来反，称为制动转矩，故转速迅速下降，直到停转。电动机机械系统所储存的动能，全都转为电能而消耗在制动电阻上，所以称能耗制动。 反接制动
直流电动机调速系统设计综述
概述 (2) 1 设计任务与分析 (3) 1.1 任务要求 (3) 1.2 任务分析 (3) 2方案选择及论证 (4) 2.1 三相可控整流电路的选择 (4) 2.2 触发电路的选择 (4) 2.3 电力电子器件的缓冲电路 (5) 2.4 电力电子器件的保护电路 (5) 3主电路设计 (7) 3.1 整流变压器计算 (7) 3.1.1 U2的计算 (7) 3.1.2一次侧和二次侧相电流I1和I2的计算 (8) 3.1.3变压器的容量计算 (8) 3.2 晶闸管元件的参数计算 (9) 3.2.1晶闸管的额定电压 (9) 3.2.2晶闸管的额定电流 (9) 3.3 电力电子电路保护环节 (10) 3.3.1交流侧过电压保护 (10) 3.3.2直流侧过电压保护 (11) 3.3.3晶闸管两端的过电压保护 (11) 3.3.4过电流保护 (11) 4触发电路设计 (11) 4.1 触发电路主电路设计 (11) 4.2 触发电路的直流电源 (13) 5电气原理图 (14) 小结与体会 (15) 参考文献 (16) 附录 (16)
直流电动机具有良好的起动和制动性能，广泛应用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。随着电力电子技术的发展，晶闸管在直流电动机的调速系统中得到广泛应用。晶闸管直流电动机调速系统，可实现电动机的无级调速，具有调节范围宽，控制精度高，使用寿命长、成本低等优点。正确掌握晶闸管直流电动机调速系统的设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大意义。 本设计以晶闸管直流电动机调速装置为主，介绍了系统的各个部件的组成及主要器件的参数计算。调速装置以可控整流电路作为直流电源，把交流电变换成大小可调的单一方向直流电。通过改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚来改变直流电压的平均值。 关键词：可控整流晶闸管触发电路保护电路
直流电动机双闭环调速系统(1)
直流电动机双闭环调速系统 一、系统发展背景 直流电动机双闭环调速系统是一种当前应用广泛，经济的电力传动系统，在现代化工业生产中已经得到广泛应用，具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM 微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。 二、系统原理图 三、系统方块图
四、系统的工作原理分析 总述：分析系统原理图，可知这是一个双闭环调速系统，在双闭环系统中，系统的输出量通过检测装置引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，由于扰动作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差，调节器将此偏差信号进行调节，并输出一标准信号，去控制执行机构的动作。 下面，针对此直流电机双闭环调速系统，对其原理进行具体的分析： 1、双环的构成 直流电机双闭环调速系统同时具有速度反馈和电流反馈，实现了转速和电流两种负反馈的调节。二者之间如图所示实行嵌套模式，从闭环的结构上看，电流调节环属内环，速度调节环属外环，这样就形成了速度，电流双闭环调节系统。 2、电流环 速度调节器的输出作为电流调节器的输入，可控制电路的电流输出经电流互感器形成局部反馈，即电流反馈。其中，电流互感器是电流反馈的检测元件，电流调节器对其输入信号给定量和反馈量进行加法，减法，比例，积分等运算，使其按照某种预定规律运行。 3、速度环 可控硅电路的电压输入加在直流电动机的电枢上，使电动机旋转，电动机输
直流电动机调速设计
综述 直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。 直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。
1 直流电动机调速原理 1.1直流电动机的定义 输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。 1.2直流电动机的基本结构 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 图1-1直流电动机的基本结构 1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。 1.3直流电动机的工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转
单片机课程设计完整版《PWM直流电动机调速控制系统》
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
直流电动机的电气调速方法
直流电动机的电气调速方法 直流电动机的电气调速方法下的调速性能及其应用。关键卸电机调违方法性能化较基本调速方法电机的电磁转炬和转速是表征电机运斤状态的主要物理量直流他励电机的电磁转矩和转速。 在恒负载转矩始下，若改变电枢回路所串联电阻化，改变电枢两端电压，或改变磁通，都可改变直流电机的机械特性，达到调速的目的。 因此，人为的改变电机的运行参数而实现的调速方法有：电枢回路串联电阻调速；改变电枢电压调速；减弱通调速这种人为的改变电机的运斤参数而得到的机械特性称人工机械特化电枢回路串联电阻调速持电源电压和磁通H为额定值不变，控制触点。 接通或断开可得到定负载转矩下电机的不同转速，电枢回路串接不同电阻下的空载转速。保持不变，而负载时的转速降将随电枢串联电阻的增加而大，电机的转速随电枢回路串联电阻的加而减小。 由于电枢电阻为恒值旧而电机的转速只能在额定转速下调整，电机的机械特性变软，在负载转炬变化时，转速降落较大，保持磁通为额定值，电枢回路不串入电阻，通过改变调压装置改变电枢电压，使其在额定电压凹下变化，其调速特性改变电枢电压的人工机械特性为条平行于自然机械特性的直线。随着电枢电压下降电机的空载转速降低，负载时的转速降保持不变，电机转速随电枢电压降低而下降。由
于电枢电压只能在额定电压化判下变化，因此改变电枢电压调速只能在额定转速下调整，电机的机械特性硬，在负载转矩变化时，转速降落较小。 以上两种调速方法在拖动恒转矩负载，稳定在不同转速下运行时，在采用电枢回路串入电阻调速或改变电枢电调速时，力辉电动机的负载能力具有恒转矩特化改变域通调速于额定磁通下，磁路系统已接近饱和，因此改变磁通只能在额定磁通巧下减小。在某负载转矩化下，保持电枢电压为额定电压化，电枢回路不串入电阻，调整励磁电阻况使励磁电流减小，从而减小磁通。随着磁通的减小，电机的空载转速将加内，电机的转速将随着磁通的减弱而增加内内减弱磁通调速只能得到高于额定转速的转速，且电机的机械特性变软，在负载转矩变化时，转速降落较大采用弱磁调速方法时，若拖动恒转炬负载，电动机运行于不同转速下的电枢电流。 调速的相对稳定性调速的相对稳定性亦称静差率，是衡量调速精度的指示它是指负载转矩变化时，转速变化的程度，其定义为：电动机由理想空载到额定负载时转速降落n.与理想空载转速《之比的百分数，常用来表示式中心电动机的额定转速。越小调速的相对稳定性越好，越大调速的相对稳定性就越差。电动机受负载变化所引起的转速降。系统的相对稳定性就越好，调速的精度就越高；电动机的理想空载转速。越低，义就越大，系统的相对稳定性就越差，调速的精度就越低。
双闭环直流电机调速系统设计参考案例
《运动控制系统》课程设计指导书 一、课程设计的主要任务 （一）系统各环节选型 1、主回路方案确定。 2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。 （二）主要电气设备的计算和选择 1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。 2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。 3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。 4、平波电抗器选择计算。 （三）系统参数计算 1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。
2、转速调节器ASR 中n n R C 、 计算。 3、动态性能指标计算。 （四）画出双闭环调速系统电气原理图。 使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。 二、基本要求 1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。 2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。 3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。 4、掌握触发电路的选型、设计方法。 5、掌握同步电压相位的选择方法。 6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。 7、掌握电气系统线路图绘制方法。 8、掌握撰写课程设计报告的方法。 三、 课程设计原始数据
有以下四个设计课题可供选用： A 组： 直流他励电动机：功率P e ＝1.1KW ，额定电流I e =6.7A ，磁极对数P=1， n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =2.34Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝246.25Mh(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，K s =58.4，机电时间常数 T m =116.2ms ，滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 10V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* B 组： 直流他励电动机：功率P e ＝22KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =116A,磁极对 数P=2，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =0.112Ω,主电路总电阻R ＝ 0.32Ω，L ∑＝37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数 C e =0.138 Vmin ／r ，K s =22，电磁时间常数T L =0.116ms ，机电时间常数T m =0.157ms ， 滤波时间常数T on =T oi =0.00235s ，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值 10V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* C 组： 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=0.0015Ω,主电路总电阻R ＝0.036Ω，Ks=41.5，电磁时间常数TL=0.0734ms ，机电时间常数
直流电动机调速系统设计方案
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)
直流电动机转速控制
直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。
各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：
直流小电动机调速系统
题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工
摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚
2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。
显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图
直流电动机调速设计
直流电动机调速设计
直流电动机调速设计 一、要点： 加深对《电机与拖动》这门学科的理解，拓展知识面，并了解直流电动机调速在实际生产中的应用。 要在设计的过程中充分利用已经掌握的《电机与拖动》的知识来解决问题，要做到理论联系实践。 通过计算和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术指标资料等，培养电机设计的基本技能。 掌握对直流电动机的三中调速方法； 掌握各种方法对直流电机调速的原理和步骤； 理解各种方法电机调速的优缺点； 培养独立思考问题和独立解决问题的能力。 二、原理： (一)、直流电动机的物理模型： 直流电动机的物理模型图 这是分析直流电机的物理模型图。 其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的) 上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 （二）、直流电动机的工作原理
（三）、直流电动机的励磁方式： （1）定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式，实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何连接，就决定了它是什么励磁方式。 （2）分类：他励式和自励式 他励式：若励磁绕组不和电枢绕组连接，励磁绕组单独有其他电源供电的直流电机称为他励式直流电机。 自励式：分为串联式、并励式、复励式三种。 （四）、直流电动机的分类： 1、他励直流电动机； 2、并励直流电动机； 3、串励直流电动机； 4、复励直流电动机。 （五）、调速的含义： 在实际的生产过程中，很多方面都要求能改变电机的工作速度。例如金属切削机床，由于加工工件的精度要求不同，对电机工作时的速度的要求也就不同。所谓调速就是根据电力拖动系统的负载特系的特点，通过改变电动机的电源电压、电枢回路电阻或减弱磁通而改变来改变电动机的特性来人为的达到给系统调速的目的，以满足实际的工作需要的一种方法。 （六）、调速的方法有三种： 1、改变电枢电阻调速；
双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真
目录 1、引言 (2) 二、初始条件： (2) 三、设计要求： (2) 四、设计基本思路 (3) 五、系统原理框图 (3) 六、双闭环调速系统的动态结构图 (3) 七、参数计算 (4) 1. 有关参数的计算 (4) 2. 电流环的设计 (5) 3. 转速环的设计 (6) 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (8) 1.系统主电路图 (8) 2.触发电路 (9) 3.控制电路 (13) 4. 转速调节器ASR设计 (13) 5. 电流调节器ACR设计 (14) 6. 限幅电路的设计 (14) 八、系统仿真 (15) 1. 使用普通限幅器进行仿真 (15) 2. 积分输出加限幅环节仿真 (16) 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (17) 九、总结 (20)
一、设计目的 1.联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学 《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题 的能力。 4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌 握工程设计的方法。 5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 二、初始条件： 1．技术数据 （1）直流电机铭牌参数：P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N=1500r/min，电枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5； （2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。 （3）系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4）电磁时间常数：T1=0.012s （5）机电时间常数：Tm =0.1s （6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7）额定转速时的给定电压：Unm =10V （8）调节器饱和输出电压：10V 2．技术指标 （1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作错误！未指定书签。； （2）系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）； （3）动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s； （4）调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求： （1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图； （2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 （3）动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR 调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳 定，并满足动态性能指标的要求； （4）绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控
直流电动机设计方案
直流电动机设计方案 第1章前沿 1.1 课题研究的背景及意义 直流电动机以其良好的起动、制动性能，较宽范围内平滑调速的优点，在许多调速要求较高、要求快速正反向、以蓄电池为电源的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术得到了很快的发展，在某些领域交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流调速系统系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用，比如轧钢机、电气机车等都还有用直流电机；而且从控制规律的角度来看，交流拖动控制系统的控制方式是建立在直流拖动控制系统的基础之上的，从某种意义上说有相似的地方。因此，掌握和了解直流拖动控制系统的控制规律和方法是非常必要的。 从生产机械的要求的角度看，电力拖动控制系统分为调速系统、伺服系统、多电动机同步控制系统、张力控制系统等多种类型。而各种系统大多都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统最基本的系统[1]。 从直流电机在国民生产生活中所占位置的角度来看，直流电机目前依旧应用于工业生产中，并广泛应用于人们的生活中。因此直流电机的控制技术的发展很大程度上影响着国民经济的增长，影响着人们的生产生活水平，因此，对直流电机调速系统的研究还是很有必要的。 1.2 课题发展历程及趋势 在很长的一段时间里直流电动机作为最主要的电力拖动工具，其应用已经渗透到人们的工作、学习、生活的各个方面。早期电动机调速控制器主要由模拟器件构成，由于模拟器件存在的固有缺点，比如存在温漂，零漂电压等，使系统控制精度和可靠性降低。后来，随着可编程控制器比如AT89C51，PLC等和IGBT、GTR等电力电子开关器件，传感器技术等的发展使得直流电机调速系统进入了数字控制的阶段，这使得直流电机调速系
直流电动机调速控制系统论文
安徽三联学院 年度论文 直流电动机调速系统的研究 Dc motor speed control system research 专业：电气工程及其自动化 姓名：薄朋_____________ 学号: 1002164___________ 指导老师：张金翰________ 2013年1月10日 信息与通信技术系
【摘要】直流电动机诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。直流调速系统具有优良的启动、制动性能，宜于在宽广范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。电动机拖动生产机械运行时，系统的速度需要根据工作状态和工艺要求的不同进行调节，使生产机械以最合理的速度工作，从而提高产品和生产效率，这就要求人为采取一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要。 关键字：直流电动机调速 【abstract 】Dc motor was born in the 19th century, more than 100 years of history, and has become the main drive power machinery. Dc speed control system has good start, braking performance, like in the wide range smoothing speed and are in need of high performance controlled electric drive field has been widely used in the field. Motor drive production machine operation, the speed of the system need according to the working status and technological requirements of different carries on the adjustment, production machinery with the most reasonable speed work, so as to improve the products and production efficiency, this requires people to take certain method to change the production machinery working speed, in order to meet production need. Key words: Dc motor speed regulation