电机控制系统研究.

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本科生毕业论文（设计）

题目：电机控制系统研究

学习中心：

层次：专科起点本科

专业：电气工程及其自动化

年级： 2011年秋季

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完成日期：

内容摘要

目前的世界，能源日益紧张，环境日趋恶化。节能减排，改善人类生存的环境，正成为越来越多人们的共识。低碳已经成为一个世界性的话题，而电能的消耗主要是工作使用，电机占了很大的比重。电能是所有能源种类中最易被人类使用的一种能源，也是很多其它能源所转换的一个对象，因此，对电能的节约，也就是相应的节约了其它类型的一次性能源，比如煤、油、气等非再生能源。随着大功率开关器件集成电路及高性能的磁性材料的进步，采用电子换向原理工作的无刷直流电机取得了长足的发展。无刷直流电机既有直流电机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点。又具备交流电机运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点，在当今国民经济的各个领域里的应用日益普及。通常我们靠霍尔元件来得到转子的位置，然而传感器有一些缺点，比如增加了成本占空间，附加了传感器电路对温度不稳定，除此之外，它不能用于在一些恶劣的环境中。由于无位置传感器技术能解决上述问题，因此吸引了各国科研工作者研究的兴趣。

关键词：无刷直流电机；控制系统；电气伺服系统；交流电机控制策略

内容摘要 ........................................................................................................................... I 引言 (1)

1 电机控制系统介绍 (2)

1.1 电机控制系统的基本组成 (2)

1.1.1 电动机 (2)

1.1.2 功率放大与变换装置 (2)

1.1.3 控制器 (3)

1.1.4 传感器 (3)

1.2 运动控制系统的转矩控制规律 (3)

1.3 电机控制系统的分类 (4)

2 电机调速系统 (5)

2.1 概述 (5)

2.2 交流电机的调速方式 (5)

2.3 变频调速系统 (7)

3 电气伺服系统 (8)

3.1 概述 (8)

3.2 电气伺服系统的结构及分类 (8)

3.3 伺服系统的应用及展望 (9)

4 交流电机控制策略 (11)

4.1 矢量控制 (11)

4.2 直接转矩控制 (11)

4.3 PID控制 (12)

5 结论 (13)

参考文献 (14)

电机是与电能的生产、传输和使用有着密切关系的电磁机构。在日常生活中,电机的使用随处可见,比如:在很多场合大量使用各种电动机作为原动机,用以拖动各种机械设备；在军事、信息和各种自动控制系统中,使用大量的控制电机,作为检测!执行和计算等元件；在当今社会中,办公自动化(0A)的概念已日渐深入人心,其中也随处可见电机的身影。

电机运动控制技术以电力半导体变流器件的应用为基础,以电动机为控制对象,以自动控制理论为指导,以电子技术和微处理器控制及计算机辅助设计(CAD)为手段,并且与检测技术和数据通信技术相结合,构成一门具有相对独立性的科学技术，在生产设备和过程自动化中发挥着日益重要的作用。

真正意义上的电机运动控制系统是在20世纪30年代出现的,当时是晶闸管!引燃管,而后是磁放大器、磁饱和电抗器作为静止变流器,形成了新一代电机运动控制系统。随着新型电力电子器件、自动控制理论以及微处理器技术的发展,电机运动控制系统发生了巨大的变革。到了21世纪的今天,电机运动控制系统的技术水平更是提高到了一个新的高度,无论是应用的广泛程度,还是研究的深入程度都是过去人们想象不到的。目前，国内外电机控制有关研究工作正围绕电机控制策略、计算机辅助技术、电机控制器、电力电子技术、无速度传感器技术等方面展开。

1 电机控制系统介绍

1.1 电机控制系统的基本组成

电机控制系统的基本组成框图如图1.1所示。

图1.1 电机控制系统的组成框图

1.1.1 电动机

电动机是电机运动控制系统的控制对象，主要分为以下三类：

1.直流电动机----结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的转速与容量。优点：易于控制。

2.交流异步电动机----结构简单、制造容易，无需机械换向器，其允许转速与容量均大于直流电动机。

3.同步电动机----转速等于同步转速，具有机械特性硬，在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进了同步电动机在运动控制中的应用。

1.1.2 功率放大与变换装置

功率放大与变换装置是电机运动控制系统的执行手段，主要由电力电子器件组成。

电力电子器件的发展历程：

第一代：半控型器件，如SCR，方便地应用于相控整流器(AC→DC)和有源逆变

器(DC→AC) ，但用于无源逆变(DC→AC)或直流PWM方式调压（DC→DC）时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。

第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等。此类器件用于无源逆变(DC→AC) 和直流调压（DC→DC）时，无须强迫换流回路，主回路结构简单。另一个特点是可以大大提高开关频率，用脉宽调制（PWM）技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。

第三代：特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。

1.1.3 控制器

1.模拟控制器：模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。

2.数字控制器：硬件电路标准化程度高、制作成本低、而且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。

1.1.4 传感器

运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流、转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器。

精度--信号传感器必须有足够高的精度，才能保证控制系统的准确性。

滤波--信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。

1.2 运动控制系统的转矩控制规律

运动控制系统的基本运动方程式：

m e m m d dt

L d J T T dt

ωθω=-= （1.1） 其中：J ——机械转动惯量；

m ω——转子的机械角速度；

m θ——转子的机械转角。

（1）运动控制的目的：控制电动机的转速和转角；

（2）对于直线电动机来说是控制速度和位移；

（3）要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。

（4）在高性能的运动控制系统中，采用转速闭环控制，用转速偏差来调节系统的动态转矩。

1.3 电机控制系统的分类

电机控制系统的分类见表1.1。

表1.1 电机控制系统的分类

2 电机调速系统

2.1 概述

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。

长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，20世纪80年代以前，在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。

20世纪80年代随着以IGBT为代表的新型电力电子器件的发明及不断完善，及以矢量控制为代表的各种交流调速控制理论的深入发展，加上计算机(单片机、数字信号处理器DSP)控制技术迅速发展的配合，使交流调速系统在性能上开始可以与直流调速系统相媲美。之后，交流调速系统在调速领域中的比重逐步加大，目前已经成为调速系统的主流。在交流调速技术中，变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

2.2 交流电机的调速方式

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式:

1(1-)60

=(1-)s f

n s n

p

（2.1）式中：n——电动机的转速；

f——电动机的电源频率；

1

n——电动机的同步转速；

s——转差率；

p——极对数。

由式（2.1）可知，若要实现转速的调速，只需调节s、p和f三个变量。根据改变电机的不同参数，有以下三种调速措施：

1.改变电机的转差率s

该调节方式有着简单的系统结构，在某些场合得到应用。例如电机的转子串电阻调速和串极调速都属于通过改变电机的转差率来进行调速。

2.改变电机的磁极对数p

其应用的广泛程度受到限制，主要原因是调速方式的影响，其采用的是有级调速的方法。

3.改变电机的电源频率f

该调节方式应用最为广泛，效率也最高，能够构成高性能的动态交流调速系统，相比较而言是发展前途最大的调节方法。电动机制造完成，转差率s和磁极对数p就确定了，而转速n与频率f之间有着线性关系，因此在理论上该调节方式的调速范围可达到 100%。由于这些优点变频调速方法在改造工程中得到广泛采用。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的一种理想的高效率、高性能的调速手段。其作用是通过改变电源频率来改变电机的转速，也就是通常所说的变频调速。

交流电机的调速方式对比见表2.1。

表2.1 交流电机的调速方式比较

变频调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）见表2.2。

表2.2 变频调速的优点

2.3 变频调速系统

变频调速系统可分为两大类:

1.交-直-交变频调速

先把电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电。按变频电路最后一级变换器的电源特性又可分为电压型(电容器滤波)和电流型(电感滤波)两种。目前生产的异步电动机变频器几乎都采用电压源型晶体管SPWM 交-直-交变频电路，它具有体积小、重量轻，在采用矢量控制时系统性能好的特点，但需考虑回馈制动的问题。随着电力电子技术的发展，目前已有多种把电压源的能量回馈到电网的方案，且已经开始批量上市。因此，回馈制动及四象限运行的问题不久也会得到很好的解决。它是异步电动机交-直-交变频调速的主流。

2.交-交变频调速

把工频交流电直接变换成可变频率的交流电，由于它只有一级功率变换，省去了直流环节，减少了损耗，进一步提高了效率。也因此结构复杂、额定工作频率较低、造价较高。但它能够提供比较逼近正弦的交流电流，可以四象限运行，主要适用于低速大容量的交流调速设备中，变频器的输出功率一般不超过电源频率的1/3，主开关元件采用晶闸管，依靠电源电压自然换流。

3 电气伺服系统

3.1 概述

随着材料技术、电力电子技术、控制理论技术、计算机技术和微电子技术的快速发展以及电动机制造工艺水平的逐步提高，电气传动技术将逐渐取代液压传动、机械传动、气压传动技术而广泛应用于工业自动化、汽车、航空、导航系统、雷达天线、精密数控机床、加工中心、机器人等领域。电气伺服系统是电气传动技术的一种体现形式，主要由伺服电动机和控制器组成，典型的位置伺服系统是由位置环、速度环和电流环组成的，以步进电动机驱动的液态伺服电动机或以功率步进电动机直接驱动为中心，伺服系统的控制为开环系统。第二个发展阶段是2O世纪六七十年代，直流伺服电动机诞生并全盛发展，由于直流电动机具有优良的调速性能，被很多高性能驱动装置采用，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。第二三个发展阶段是20世纪80年代至今，以机电一体化时代为背景。与其相适应的伺服驱动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶段。其中数字式交流伺服系统更符合数字化控制模式的潮流，且调试、使用简单，因而倍受青睐。交流伺服系统由于控制原理的先进性，成本低、免维护，并且控制特性正在全面超越直流伺服系统，势必将在绝大多数应用领域代替传统的直流伺服系统。可以预见，交流伺服系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展，同时由于新技术、新工艺和控制策略在伺服系统中的不断更新，将会在控制领域有一个全新的革命，值得我们一起去领略。

3.2 电气伺服系统的结构及分类

由于交流伺服系统有着优越的性能，所以被广泛应用于机械制造装备、工业机器人、计算机外围设备、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等设备中。下面阐述几种机电一体化设备中应用该系统的优良控制品质。

3.2.1数控机床

数控机床系统它的主要特点有：通常调速比为1:10000，能够满足低速加工和高速返回的要求；具有足够的加（减）速力矩，PMSM能够产生足够大的力矩；交流伺服系统动态响应快，具有良好地动态跟随特性，能尽快消除负载扰动对电动机速度的影响；PMSM转子惯量小，可提高交流伺服系统的加（减）速性能。在低速到高速整个调速范围内，运行平滑，电动机转矩脉动小。因此，在系统运行过程中脉动小、噪声也小，在停车时不产生爬行现象及高频振动。

3.2.2．工业机器人

工业机器人系统，其特点有：驱动器具有足够的输出力矩和功率，能够满足各种工程的要求；它能够灵活、方便地接受控制器的控制指令，实现转矩、位置和速度的控制；能够进行频繁地起、制动和反转切换等重复运行；具有良好的稳定性，并能对控制指令实行快速响应；运动部件的惯量应尽可能小些；要求整体装置体积小、重量轻。

3.2.3．新型电梯驱动系统

无齿轮传动电梯驱动系统采用PMSM，体积小、重量轻、高效节能，且具有多极结构、低速大转矩，可方便地实现大范围平滑无级调速。可省去齿轮减速器，通过微型化的牵引机来实现直接驱动轿厢。该驱动系统能实现可靠、平稳和精确地平层的安全运行，使人们乘坐舒适、方便快捷。典型产品的拖动数据如下：

3.2.4．雷达天线驱动系统

该系统应用在军事、航天、卫星和气象等部门，它要求能精确地跟踪目标设定的方位角和俯仰角，并且具有较强的抗扰动能力。如用在警戒入侵天空的警戒雷达系统、导弹发射引导头的雷达系统等要求准确度、精确度都十分高的场合。

3.3 伺服系统的应用及展望

随着现代化生产规模的不断扩大，各行各业对电气伺服系统的需求日益增加，并对其性能提出了更高的需求。例如：要求伺服系统有良好的位置控制能力及较快的动态响应能力、较高的加、减速能力及较宽的调速范围，并能够频繁地起动、制动和正反转切换，使其在全速度范围内能够平稳的运行。为此，目前的伺服驱动系统已由50~60年代的直流伺服系统逐渐转变成交流伺服驱动系统，并且精密的交流伺服系统已由开环控制变成闭环控制。且随着大功率晶闸管的出现，以及计算机控制技术和自动化技术的不断发展，国外大多数采用全数字交流伺服系统。

目前，基于稀土永磁体的交流永磁伺服驱动系统，能提供最高水平的动态响应和扭矩密度。所以拖动系统的发展趋势是用交流伺服驱动取替传统的直流、液压和步进调速驱动，以便使系统性能达到一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。

近10年来，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步

电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。在很多方面已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。

对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式”存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础。

伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性以及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口”。

4 交流电机控制策略

电机控制是一个不断发展的课题。而交流电机控制具有种种优点，是近年来国内外研究开发的热点。由于交流电机本质上为非线性、多变量、强耦合、参数时变、大干扰的复杂对象，它的有效控制一直是国内外研究的热点问题，现已提出了多种控制策略与方法。

4.1 矢量控制

矢量控制是由Blasehke F.在1971 年提出。根据电机的动态数学模型，利用矢量变换方法，将异步电机模拟成直流电机，从而获得良好的动态调速性能。它可分为转子磁场定向控制和定子磁场定向控制两种，其中转子磁链定向控制以转子磁链为参考坐标，通过静止坐标系到旋转坐标系间的坐标变换，将定子电流分解成产生磁链的励磁分量和产生转矩的转矩分量，并使两分量相互独立而解耦，然后分别对磁链和转矩独立控制。通常的控制策略是保持励磁电流不变，改变转矩电流来控制电机转矩；定子磁场定向控制是将同步旋转坐标系d 轴放置在定子磁场方向上，有利于定子磁通观测器的实现，减弱转子回路参数对控制系统的影响，但低速运行时，定子电阻压降不容忽略，反电势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。若采用转子方程实现磁通观测，会增加系统复杂性。

此法优点：实现了磁链与转矩的解耦，可对它们分别独立控制，明显改善了控制性能。

此法缺点：对电机参数的依赖性大，而电机参数存在时变性，难以达到理想的控制效果；即使电机参数与磁链能被精确测量，也只有稳态时才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在；需假设电机中只有基波正序磁势，太理论化，不完全符合实际；若解耦后的控制回路采用普通PI 调节器，其性能受参数变化及各种不确定性影响严重。

矢量控制已获得非常广泛应用于交流电机控制，且为克服其缺点，它常与其他控制方法相结合来使用。

4.2 直接转矩控制

直接转矩控制是由德国Depenbrock M.于1985 年提出，它摒弃了解耦思想，直接控制电机转矩，不需要复杂的变换与计算，把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，计算定子磁通和转矩，通过PWM 逆变器的开关状态直接控制转矩。

此法优点：控制思路新颖，采用“砰-砰”控制，系统结构简洁，无需对定子

电流解耦，静、动态性能优良；采用定子磁链进行磁场定向，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性；可被推广到弱磁调速范围。

此法缺点：功率开关器件存在一定的通、断时间，为防止同一桥臂的两开关发生直通而短路，必须在控制信号中设置死区，但死区会使在各调制周期内引起微小畸变，畸变积累后会使逆变器的输出电流产生畸变，引起转矩脉动，低速时死区效应更明显；低速时定子电阻的变化引起的定子电流和磁链的畸变；对逆变器开关频率提高的限制较大；无电流环，不能做电流保护，需加限流措施。此法已逐步大量用于交流电机控制，且为克服它的缺点，常与其他控制方法相结合。

矢量控制和直接转矩控制两法表面上不同，控制性能上各有特色，但本质是相同的，都采用转矩、磁链分别控制，其中转矩控制环（或电流的转矩分量环）都处于转速环的内环，可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。

4.3 PID控制

PID 控制问世已有70 多年了，它是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。由于其简单、有效、实用的特性，目前仍是应用最为广泛的控制算法。

此法优点：结构简单，物理意义明确，稳定性好，调整方便，应用经验丰富。

此法缺点：仅适于线性、定常对象的控制，但不适于非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂对象的控制。

由于交流电机是一个强耦合的非线性对象，且存在多种干扰，电机参数也会变化，此法无法在线自适应对象参数的变化，控制参数适用控制对象范围小，难以取得满意的控制效果。近年来，出现了PID 控制与其他控制相结合的多种新型PID 控制，如自适应PI、模糊PI、神经PI 等控制，它们在一定程度上改善了电机的调速性能。

5 结论

前面的讨论可以看出，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求也越来越高。伺服技术将继续迅速地由DC伺服系统转向AC伺服系统。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是AC伺服系统。在工业发达的国家，AC伺服电机的市场占有率已超过80﹪，在国内生产AC伺服电机的厂家也越来越多，正在逐步超过生产DC伺服电机的厂家。可以预见，不久的将来，除了在某些微型电机领域之外，AC伺服电机将完全取代DC伺服电机。

智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。

交流电机的速度控制是交流传送系统非常重要的问题。本文综述性地论述了交流电机的多种控制策略，并按控制理论发展规律对这些方法进行了科学分类，还分析了这些方法的原理及特点，最后指出了今后的发展方向。本文对电机控制方法的研究与选择有一定参考指导价值。

参考文献

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[6] 周凯，陆启建．数控机床高精度轨迹控制的一种新方法．机械工程学报．2004年3月第40卷.

解析DSP在电机控制系统中的应用

解析DSP在电机控制系统中的应用 发表时间：2018-09-10T16:59:49.327Z 来源：《基层建设》2018年第20期作者：卢曙兵1 陈洁平2 [导读] 摘要：电机控制系统广泛地应用于机械、冶金、军工等行业，近年来，随着微电子技术的发展，微机和数字控制处理芯片的运算能力以及可靠性大幅度提高，控制系统逐渐发展为以单片机为核心的全数字化控制系统。 1.身份证号码：4210231984060XXXX 510760； 2.身份证号码44023319870614XXXX 510760 摘要：电机控制系统广泛地应用于机械、冶金、军工等行业，近年来，随着微电子技术的发展，微机和数字控制处理芯片的运算能力以及可靠性大幅度提高，控制系统逐渐发展为以单片机为核心的全数字化控制系统。数字信号处理器（DSP）芯片的交流电机控制系统比较复杂，存储数据量大，实时处理能力强。因而在电机控制系统中得到了较为广泛的应用。 关键词：DSP；电机控制系统；应用 1.DSP的工作原理及特点 DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片，其有着强大的数据处理能力和高运行速度。 2.电机DSP控制系统的优越性 2.1 DSP采用哈佛结构或者是改进的哈佛结构，使数据和程序相互独立的总线结构提高了计算能力。因此可以实现比较复杂的控制规律，如智能控制、优化控制等，将现代算法和控制理论的应用得以体现。 2.2简化了电机控制器的硬件设计难度，降低了整体的重量，缩小了体积，降低了能耗。 2.3 DSP芯片内部设计，在一定程度上为元器件的可靠性和稳定性提供了保证，从而会使整个系统的可靠性得到提高。 2.4通过DSP控制系统，使得软件的灵活性和硬件的统一性得到了有机的结合，DSP电机控制电路可以统一，如DSP控制三相逆变器驱动相应的感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机或用改进后的逆变器驱动直流电机等，它们的硬件电路的结构大致相同，我们只需要针对不同的电机，编写和设计出不同的控制规律即可，进而使得系统的灵活性大大提高。 3.基于DSP的电机控制方式 3.1单DSP系统 目前利用DSP来实现复杂控制算法的应用很多。如无速度传感器的矢量控制、直接转矩控制等。它采用基于DSP的矢量控制方法来控制交流异步电机。其原理是利用坐标变换将电机的三相坐标等效为两相系统，经过按转子磁场定向的旋转变换实现对定子电流励磁分量与转矩分量之间的解藕，达到分别控制交流电机磁链和电流的目的。系统充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的外设资源，实验结果表明系统精度高，动态响应快。 3.2双DSP系统 双PWM控制系统分别对整流和逆变器采用PWM控制，但电机采用的是恒压频比控制，可进一步改进。其一用于控制整流逆变器，另一个采用直接转矩的方法控制电机将有更快的响应速度，更高的精度。二者之间可以SCI通讯端口连接。这样减小了谐波污染，提高了变频器的控制性能。 1.3 DSP与PC组合系统 双DSP控制的双PWM控制系统是以光盘机高速数字伺服控制应用为目标的通用系统。DSP作为系统的快速处理的执行者，以尽量快的速度完成算法的实现。它由PC、高性能DSP、64K字的程序存储器和64K字的数据存储器组成。采用共享存储器的方式构成PC-DSP多处理器系统。系统不仅提供了一个完整的硬件环境，以实时运行一个真正的数字控制，而且实现各种先进的控制规律，如在设计控制器由于系统的高速数字控制能力，通过S域的变换，模拟控制器也能在其上应用、重构和评价。 4.DSP在电机控制系统中的具体应用 4.1基于DSP的电机控制系统串行通信设计 在电机控制系统中。通过上位机客户端设置电机的运行参数，并且被控电机将各种运行状态信息实时地传给远程控制端客户。采用串行通信设计的电机控制系统连线少，成本低，简单可靠，得到广泛应用。韩芝侠等分析数字信号处理芯片TMS320LF2407A DSP串行外设接口SPI和串行通信接口SCI模块。他们通过SCI串行通讯接口连接DSP控制器与PC机，控制人员使用数码显示驱动电路确定电机的转速、温度等信息，利用SPI同步串行口来实现了DSP与外围设备的通信。该电机控制系统，系统软件及通讯协议设计通过初始化设置所需操作参数，设置发送和接收波特率及中断方式等。 4.2基于DSP的多电机控制系统 在生产和制造过程中经常会遇到多电机控制问题，采用“一对一”方式的DSP控制器、逆变器和电机的方式增加了系统成本和复杂性，降低了系统的稳定性和可靠性。贺洪江等针对这一问题，提出一种基于DSP的多电机控制系统的设计，通过SVPWM方法实现对2台电机的变频调速控制，使用1片DSP芯片实现了对2台异步电机的控制，并给出了系统主要硬件电路和软件的实现方法。该系统以DSP芯片为核心，通过外部电路协调控制2台电机。电压、电流及电机转速信号经DSP通过调速控制算法转变为控制信号，传送至逆变器控制电机转速，实现了对两台电机的启动/停止、转向和调速等控制，也能实现过流保护、过压保护、欠压保护等功能。此外，该设计方案的控制系统降低了硬件成本，显著提高了系统的可靠性，具有良好的使用价值与应用前景。 4.3基于DSP的平面电机控制系统设计 平面电机由一个齿状结构的定子和一个带位置传感器的动子组成，具有结构简单、速度高、稳定性强、控制精度高等特点，还有偏航控制、自动校正、误差补偿、停滞检测等独特功能。李晓飞等设计了基于DSP的平面电机控制系统。其控制系统由平面电机、控制器模块、位置反馈模块、电源模块、驱动模块以及人机交互界面组成，采用高集成度的运动卡实现平面电机三自由度同步控制，完成采集电流信号、AD校正参考电压、位置信号、输出PMW信号、数字滤波、位置伺候控制等。该系统的控制软件由DSP实现，具备远点归位、主轴控制、状态管理、状态采集等功能。平面电机易以Y轴点对点方式运动进行精度测试，系统运行稳定，达到系统各项指标。该设计系统采用一

基于STM32的直流无刷无感电机的控制系统研究

南阳理工学院 本科生毕业设计（论文） 学院：电子与电气工程学院 专业：电子信息工程 学生： 指导教师：薛晓 完成日期2014 年 5 月

南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 直流无刷电机的控制系统设计与实现Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation 总计： 21 页 表格： 2 个 插图： 27 幅

南阳理工学院本科毕业设计（论文） 直流无刷电机控制系统设计与实现 Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation 学院（系）：电子与电气工程学院 专业：电子信息工程 学生姓名： 学号： 指导教师（职称）：薛晓（讲师） 评阅教师： 完成日期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology

直流无刷电机控制系统设计与实现 电子信息工程专业 [摘要]直流无刷无感直流电机具有体积小、调速性能好、重量轻、效率高等优点，目前在很多领域得到了的应用。本课题设计的是无刷无感直流电机的控制，包括无刷直流电机无位置传感器控制系统和无刷无感直流电机的基本结构、工作原理、数学模型等理论进行了分析和论述，为直流电机的控制提供理论依据。用matlab guide设计了上位机界面来进行PID参数的整定。 本课题设计了直流无刷电机的控制系统并进行了调试。用STM32进行控制。实验结果表明设计的转子位置检测可以很好的检测电机的反电势过零点信号，进而保证电机的正确换相和稳定运行。整个系统可以控制无刷无感直流电机顺利启动，并通过滑动变阻器实现电机的调速。 [关键词] 无刷直流电机；电机驱动；换相；反电势 Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation Electronic Information Engineering Specialty Abstract:The brushless DC motors have the advantage of small,good debugging performance,low weight,and high efficiency. So it has been widely used now. And this restricts the industrial drive applications,After the attachment with sensorless control. This paper mainly reserches the sensorless control technology for BLDCM,designs and control BLDCM without position sensor. I use MATLAB guide to debug PID parameter. designing a controller of brushless DC motor and do some experiments for this control system. I use the STM32 MCU as the core microprocessor of hardware system.The results of the experiment show that the rotor position detection system can perfectly detect the location of back-EMF zero-crossing signal,and ensuring the correct motor commutation and stable operation.The whole control system can control the brushless DC motor stating smoothly,and use the Sliding rheostat to achieve speed control. Key words：Brushless dc motor；motor drive；commutation; back-emf

PWM控制直流电机的系统的设计

电力电子与电机拖动综合课程设计 题目： PWM控制直流电机的系统 专业： 05自动化 学号： 200510320219 姓名：张建华 完成日期： 指导教师：李晓高

电力电子与电机拖动综合课程设计任务书 班级：自动化05 姓名：张建华指导老师：2008年6月10日 年月日

目录

1 引言 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。 本电机调速系统采用脉宽调制方式, 与晶闸管调速相比技术先进, 可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。 2 系统概述 2.1 系统构成 本系统主要有信号发生电路、PWM速度控制电路、电机驱动电路等几部分组成。整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器

两相步进电机控制系统设计

综合课程设计 题目两相步进电机 学院计信学院 专业10自动化 班级2班 学生姓名 指导教师文远熔 2012 年12 月28 日

两相步进电机课程设计报告 步进电机是一种进行精确步进运动的机电执行元件，它广泛应用于工业机械的数字控制，为使系统的可靠性、通用性、可维护性以及性价比最优，根据控制系统功能要求及步进电机应用环境，确定了设计系统硬件和软件的功能划分，从而实现了基于8051单片机的四相步进电机的开环控制系统。控制系统通过单片机存储器、I/O 接口、中断、键盘、LED 显示器的扩展、步进电机的环形分频器、驱动及保护电路、人机接口电路、中断系统及复位电路、单电压驱动电路等的设计，实现了四相步进电机的正反转，急停等功能。为实现单片机控制步进电机系统在数控机床上的应用，系统设计了两个外部中断，以实现步进电机在某段时间内的反复正反转功能，也即数控机床的刀架自动进给运动，随着单片机技术的不断发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，自六十年代初期以来，步进电机的应用得到很大的提高。人们用它来驱动时钟和其他采用指针的仪器，打印机、绘图仪，磁盘光盘驱动器、各种自动控制阀、各种工具，还有机器人等机械装置。此外作为执行元件，步进电机是机电一体化的关键产品之一，被广泛应用在各种自动化控制系统中，随着微电子和计算机技术的发展，它的需要量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。步进电机是机电数字控制系统中常用的执行元件，由于其精度高、体积小、控制方便灵活，因此在智能仪表和位置控制中得到了广泛的应用，大规模集成电路的发展以及单片机技术的迅速普及，为设计功能强，价格低的步进电机控制驱动器提供了先进的技术和充足的资源。 关键字: 步进电机单片机

#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。

一种新型电机自动控制系统调节器——典型Ⅲ型系统及其优化设计

一种新型电机自动控制系统调节器###典型*型系统及其优化设计 ! 卢健康!杨立华!高扬!史仪凯 "西北工业大学机电学院!陕西西安Z$&&Z)# 摘要!针对电机控制系统的设计方法!提出一种典型*型系统"经过理论研究和大量的数字仿真与计算机辅助分析!在保证系统稳定的条件下!依据*?A C 6及+H A C 6准则得出了该典型*型系统的优化设计方法!避免了$型系统加速度输入的稳态误差问题!同时获得良好的系统性能"可作为现有控制系统调节器的工程设计方法之扩展" 关键词!典型*型系统#优化设计#调节器 中图分类号!’($$++文献标识码!,++文章编号!$&&$-.//$")&&0#$$-$%)-. 7E #:L #B’4(&)01#2%B*J#&");+)0J)&)0K )*&0)4$52&#-0!53%.(4*$ 52&#-(*;%&2?3&%-(41#2%B*U 1_C =6P=67!c ,2C B 4J 5B 85I 6?A 9E C D =J 8C A ?J =B C 568=6M D 5A R L?B 9E =C M9M =6=J K 898!=65LB C A =J M98C 76A 9B 45M 5I B 49B K LC D =J *8K 8B 9A@=8I 5?6MO ’5968?E 9B 498K 8B 9A /88B =GC J C B K !B 4C 8A 9B 45M @=89M?D 9M G=89M 56B 49;*?/!;+H /A C 6C A ?ALE C 6D C LJ 98O ’49A 9B 45M D =6=N 5C M B 498B =GJ 99E E 5E 5I B K LC D =J $8K 8B 9A@4C J 9B 49C 6L?B C 6R D J ?M98=D D 9J 9E =B 9M 9J 9A 96B !=6M E 9D 9C N 9=LE 9I 9E =GJ 9L9E I 5E A =6D 9O H B D =6G9?89M =8=69X B 968C 56B 5B 49E 97?J =B 5E /8967C 699E C 67M98C 76A 9B 45MO 9#5:)0;2&’K LC D =J *8 K 8B 9A #;LB C A =J M98C 76#V 97?J =B 5E !"引言 目前电机控制系统的设计中!常采用调节器的 +工程设计方法,($)!作为运动控制系统中的基本设计方法!长期以来!该方法以其简便’实用和有效性在电力拖动自动控制系统的优化设计中得到广泛应用"然而!由于它只含有典型H 型与典型$型两种典型系统!不适于设计稳态误差度要求较高的系统!如输入信号中含有与时间的平方成正比的成份时!只有设计成*型系统!才能使稳态误差为零"而一般认为*型及*型以上系统很难稳定!所以通常只将系统设计成H 型或$型($!))"为了解决工程设计方法存在的上述问题!本文提出一种典型*型系统"文中不仅解决了它的稳定性问题!而且沿用典型$型系统的优化设计思路!得出了这种典型*型系统的优化设计方法!可作为现有调节器的工程设计方法之扩展" #"系统的结构及其稳定判据 具有单位反馈结构的典型*型系统的开环传递函数为 A &$ B %h ;5$"$B ^$%$")B ^$%B . $5B ^$% $$%式中&B 为复变量!时间常数5为被控对象的固有参数!;5是开环放大系数!它为系统中的可变参数!"$与")这两个时间常数可能都是可变参数!也可能都是固有参数或其中一个可以改变!因系统的具体组成而异"为了分析方便!作如下变量代换& 令H h 5B !则A &$B %可变换为A &$B %h A $H %h ;$5$H ^$%$5)H ^$%H . $H ^$%$)%式中&;h ;55. !5$h "$45!5)h ")4 5$.% 上述变量代换的意义是以系统的固有参数5为时间基准来分析设计!求出相对参数;’5$’5)后再按式$.%求出实际参数"所以!依据式$)%得出的具有时间量纲的指标$例如调节时间+H 等%!只是无量纲的相对指标!须乘以5后才是实际的时域指标#同理!具有频率量纲的指标$例如截止频率0) %!须除以5后才是实际的频域指标"典型*型系统的闭环传递函数是& A )$$H %h 7)H ) ^7$H ^$H *4;^H .4;^7)H ) ^7$H ^$$*%其中&7$h 5$^5)!7)h 5$5)$%% 根据四阶系统的劳斯判据!可得出使系统稳定的 充要条件& ;i &!7)i 7$i &且;$7)-7$%7$i $$0% 由于实际系统中5$’5)一般为正数!故要满足 条件7)i 7$i &必须满足5$i $!5)i $!此时!条件7)i 7$i &成为7)i 7$i )当5$i )且5)i )时!7)i 7$i )必定满足!所以!5$i )且5)i )与;$7)-7$%7$i $这两个条件可作为使系统稳定的充分条件" * =H <*$机床与液压%)&&0O 25O $$! 基金项目 !国家自然科学基金资助项目$%&)Z%$)%%万方数据

关于直流电机及控制系统的基本知识

关于直流电机及控制系统的基本知识 6、直流电机的四象限运行： 直流电机与交流电机一样，也有两种运行方式：电动运行和制动运行。如果再以正、反转来分的话，则分为正转运行、正转制动运行和反转运行、反转制动运行四种运行方式。如果以坐标形式来表示的话，则称为电机的四象限运行坐标，见下图4-5各种运行方式的机械特性曲线。 当电机正向运行时，其机械特性是一条横跨1、2、4象限的直线。其中1象限为电动运行状态，电磁转矩方向与旋转方向相同，第2、4象限为制动运行状态，在此状态内是产生一个与转向方向相反的阻力矩，以使拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态下转矩的方向与转速的方向相反，此时电机从轴上吸收机械能并转化为电能消耗于电枢回路电路或回馈于电源。第3象限为反向电动运行。

当电磁转矩T M与转速n同方向，T M是拖动负载运动的，所以电机运行曲线处于1、3象限，1象限为电机正向运行，3象限为电机反向运行；当T M与转速n的方向相反时，表示电机机处于制动运行方式，其机械特性曲线在坐标的2、4象限内，2象限内为电机正向制动，包含能耗制动过程（O A线段）、电源反接制动过程（-T M B线段）和正向回馈制动过程（-n0C）线段；处于第四象限时为电机反向制动，也包含能耗制动过程（O D线段）、倒拉反接制动过程（T M E线段）和反向回馈过程（-n0F线段）。 7、直流电机的启动、停止和制动控制： 直流电机从接入电源开始，电枢由静止开始转动到额定转速的过程，称为启动过程。要求启动时间短、启动转矩大、启动电流小。启动的要求是矛盾的，比如，用逐渐提升供电电压实施软起动，来降低起动电流，但启动时间又会加长；加大启动转矩，又势必增大的启动电流等。因而要根据实际应用和配置情况，对启动问题综合考虑。 1）启动方式： a、直接启动。只适用于小型直流电机。启动方法是先给电机加励磁，并调节励磁电流达到最大，当励磁磁场建立后，再使电枢绕组直接加上额定电压，电机开始启动。在启动过程中，电枢中最大冲击电流，称为启动电流。直流启动，因启动电流大，电气和机械冲击大等缺点，应用较少； b、早期采用变阻器启动，电动机在启动时在电枢回路中串入变阻器，用接触器触点切换电阻只数，限制启动电流。将启动电流限制在2位额定电流以内。后期采用晶闸管电子电力技术，用改变电枢电压的方式实现了软起动。 2）停止方式： a、自由停车。直流电机的电源关断后，电机按运转惯性自由停车； b、施加制动（刹车）措施，如机械抱闸刹车、能耗制动、反接制动等使其快速停车。 3）直流电机的制动方式和方法： 电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。 制动的目的：使电动机减速或停车、限制电动机转速的升高（如电车下坡）。 机械抱闸制动也是一种制动（刹车）方式，但不属电机运行特性的范畴。属于电机运行特性的制动方式和方法有以下四种，有时也统称为电磁制动方式。 a、能耗制动。指运行中的直流电机突然断开电枢电源，然后在电枢回路串 入制动电阻，使电枢绕组的惯性能量消耗在电阻上，使电机快速制动。由于电压和输入功率都为0，所以制动平衡，线路简单；

步进电机控制系统

目录 一、设计任务: (2) 二、步进电机概述： (2) 三、题目分析与整体构思: (4) 四、硬件电路设计: (7) 五、硬件验证: (10) 六、程序设计: (10) 七、系统仿真： (15) 八、感应子式步进电机工作原理： (17) 九、心得体会: (24) 参考文献: (25)

一、系统设计要求 步进电机作为一种电脉冲—角位移的转换元件，由于具有价格低廉、易于控、制、无积累误差和计算机接口方面等优点，在机械、仪表、工业控制等领域中获得了广泛的应用。本设计的具体要求是： 1. 设计制作一个步进电机控制电路，可以细分驱动和常规驱动。 2. 常规驱动状态转速四档可调并可实现正反转。 二、步进电机概述 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为100%）的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度。 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 （一）步进电机的一些基本参数： 1.电机固有步距角： 电机固有步距角表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°，整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为“电机固有步距角”，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。 2.步进电机的相数： 步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，它们的步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°

基于单片机的伺服电机控制系统分析

基于单片机的伺服电机控制系统分析 随着时代的发展社会的进步，科学技术水平日益提高，电动机被普遍应用到了人民的日常生活及工农业生产过程中，发挥了重要作用。其中较为典型的控制电机应该是步进电机，在当前多个领域如打印机、加工中心、自动化生产线等均可得到有效应用。本篇文章通过对系统软件的相关程序的设计、调试以及控制有关的参考数，对单片机的伺服电机的控制系统进行分析。通过大量的实验和对比，来展现了单片机的伺服电机的控制情况良好。 标签：单片机;伺服电机;控制系统分析 引言：当自动控制的系统启动时，单片机的伺服电机的马达能够发挥的主要作用是将电压的控制信号转化为机械位置，然后，接下来再把所收集到的电压信号转化为伺服电机的角位移，又或者是一定的转速。因此，工作人员可以通过使用单片机来控制伺服电机。单片机的伺服电机具有灵活、轻巧、体积小、控制方便等方面的优势，所以，伺服电机在现如今的生活之中深受到人们的热爱，从而在控制系统中可以得到广泛的应用。 一、单片机以及伺服电机的总论 单片机本质上是一种集成电路芯片，又称微型控制器，单片机是一种由中央处理机、计时器、各种接口组合而成的集成电路芯片，简单来说，单片机就是一台小型的电脑，虽然体积小，但计算机和单片机的差别不是很大，并且，单片机具有的价格低廉的优势，所以作为小型家电控制器来说，单片机具有很高的性价比，单片机的运行是依靠程序来进行的，程序可以人为的进行修改[1]。相比之下，单片机具有结构简单、灵活性强、体积小、储存方便、能耗少等优势，它在各种恶劣条件下都可以正常的运行，具有较强的环境适应力[2]。近几年来，我国的计算机随着信息技术和尖端技术的快速发展，单机技术也得到了快速发展，它在家电、电子产品、机械产品等领域也得到了扩大和先进。 伺服电机是由控制部件运行的发动机，是其中的一种变速装置，伺服电机可以调节发动机的转动速度，以电压信号来控制，伺服电机的转动速度和输入信号有着密切的关系。伺服电机主要分为交流电气和直流电机分为两种，一般伺服电机是通过脉冲来进行定位的，电机在接受脉冲时，它会相应地旋转。伺服电机本身会产生脉冲，当伺服电机移动位置时，就会产生相对应位移的脉冲，因此，接收电机和发出来的脉冲会形成一个闭锁环。 二、总体设计方案 本次的研究中，采用的是松下交流伺服电机。根据单片机的工作原理，来对松下伺服交流电机进行一定的控制，利用键盘来输入准确的速度参数，单片机在接收具体的速度参数后，然后把信号转化为脉冲信号，在通过差动驱动器将脉冲信号转化为差动脉冲信号之后，然后在传送到伺服电机的驱动器中;接下来，编

直流电机控制系统设计

直流电机控制系统设计

XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师

沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7 月9 日至2012年7 月20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。 指导教师年月日 负责教师年月日

学生签字年月日 目录 0 前言 (1) 1 总体方案设计 (2) 1.1 系统方案 (2) 1.2 系统构成 (2) 1.3 电路工作原理 (2) 1.4 方案选择 (3) 2 硬件电路设计 (3) 2.1 系统分析与硬件设计 (3) 2.2 单片机AT89C52 (3) 2.3 复位电路和时钟电路 (4) 2.4 直流电机驱动电路设计 (4) 2.5 键盘电路设计 (4) 3软件设计 (5) 3.1 应用软件的编制和调试 (5) 3.2 程序总体设计 (5) 3.3 仿真图形 (7) 4 调试分析 (9) 5 结论及进一步设想 (9) 参考文献 (10) 课设体会 (11) 附录1 电路原理图 (12) 附录2 程序清单 (13)

单闭环直流电机速度控制系统研究报告

一.实验原理 直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。 功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅<晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。 PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理： 1．PWM的工作原理 图1-1PWM的控制电路 上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用。 PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图1-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波<即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。 2.功放电路 直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。 3.反馈接口 在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。

4．直流电机控制系统如图1-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律<通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。 图1-2 SG3525内部结构 图1-3 直流电机控制系统 5.PID原理 过程控制的基本概念 过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。 1.模拟控制系统 图1-4 基本模拟反馈控制回路 被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。 控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。 2.微机过程控制系统

直流电机控制系统

直流电机控制系统

摘要：本文利用MCS-51系列单片机产生PWM信号，采用了自己设计的电机驱动电路，实现对直流电机的转速和控制方向的控制，并着重对电机驱动电路的设计进行叙述。主要模块包括单片机控制模块、电机驱动模块、电机接口模块、电源模块、键盘控制模块。 关键词：PWM信号，直流电机，电机驱动，单片机

引言 随着科学技术的迅猛发展,电气设备发展日新月异.尤其以计算机,信息技术为代表的高新技术的发展,使制造技术的内涵和外延发生了革命性的变化,传统的电气设备设计,制造技术不断吸收信息控制,材料,能量及管理等领域的现代成果,综合应用于产品设计,制造,检测,生产管理和售后服务.在生产技术和生产模式等方面,许多新的思想和概念不断涌现,而且,不同科学之间相互渗透,交叉融合,迅速改变着传统电气设备制造业的面貌,从而使得产品频繁的更新换代,这就使得电机成为社会生产和生活中必不可少的工具.随着科学技术的不断发展,人类社会的不断进步,人们对生活产品的需求要不断趋向多样化,这就要求生产设备必须具有良好的动态性能,在不同的时候进行不同的操作,完成不同的任务.为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计.特别是大型的钢铁行业和材料生产行业,为达到很高的控制精度,速度的稳定性,调速范围等国产直流电机简介为了满足各行业按不同运行条件对电动机提出的要求,将直流电机制造成不同型号的系列.所谓系列就是指结构形状基本相似,而容量按一定比例递增的一系列电机.它们的电压,转速,机座型号和铁心长度都是一定的等级.现将我国目前生产的几个主要系列直流电机简要的介绍如下。Z2系列为普通用途的中,小型电机.它的容量从400W到200KW,电动机的额定电压有200V和110V两种,额定转速有3000,1500,1000,750及600r/min五个等级.Z2系列普通用

直流电机双闭环控制系统分析报告与设计

基于MATLAB 的直流电机 双闭环调速系统的设计与仿真 设计任务书： 1. 设置该大作业的目的 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。此外，通过完成本大作业题目，让学生体会反馈校正方法所具有的独特优点：改造受控对象的固有特性，使其满足更高的动态品质指标。 2. 大作业具体容 设一转速、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 ； 额定电压48V ； 额定电流4A ； 额定转速=500r/min ； 电枢回路总电阻8=R Ω； 允许电流过载倍数λ=2； 电势系数=e C 0.04Vmin/r ； 电磁时间常数=L T 0.008s ； 机电时间常数=m T 0.5s ； 电流反馈滤波时间常数=oi T 0.2ms ； 转速反馈滤波时间常数=on T 1ms ； 要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压==* *im nm U U 10V ； 两调节器的输出限幅电压为10V ；

f10kHz； PWM功率变换器的开关频率= K 4.8。 放大倍数= s 试对该系统进行动态参数设计，设计指标： 稳态无静差； σ5%； 电流超调量≤ i 空载起动到额定转速时的转速超调量σ≤ 25%； t0.5 s。 过渡过程时间= s 3. 具体要求 (1) 计算电流和转速反馈系数； (2) 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； (3) 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； (4) 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； (5) 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； (6) 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； (7) 编制Matlab程序，绘制未经过小参数环节合并近似处理的转速环开环频率特性曲线和单位阶跃响应曲线； (8) 建立转速电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真模型，对上述分析设计结果进行仿真； (9) 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；

直流电机控制系统设计.

XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名

指导教师 航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7月9日至2012年7月20日 课程设计的容及要求： 1.容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。

指导教师年月日 负责教师年月日 学生签字年月日 目录 0 前言1 1 总体方案设计2 1.1 系统方案2 1.2 系统构成2 1.3 电路工作原理2 1.4 方案选择3 2 硬件电路设计3 2.1 系统分析与硬件设计3 2.2 单片机AT89C523 2.3 复位电路和时钟电路4 2.4 直流电机驱动电路设计4 2.5 键盘电路设计4 3软件设计5 3.1 应用软件的编制和调试5 3.2 程序总体设计5

3.3 仿真图形7 4 调试分析9 5 结论及进一步设想9参考文献10 课设体会11 附录1 电路原理图12附录2 程序清单13

直流电机调速系统设计 XXXXX大学自动化学院 摘要：本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWN调速的基本办法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。重点介绍了基于MCS-51单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统体积小，结构简单、可靠性高、操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。 关键词：单片机最小系统；PWM ；直流电机调速; 0 前言 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。