直流调速系统
摘要
当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。
本文设计开发了一套基于单片机的直流电机调速控制器，作为其配套的试验装置。论文根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以AT89C51单片机为核心的硬件构成，对键盘电路、串行通信电路、测量电路、转换电路和显示电路等作了详细阐述;软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。论述了软件的设计思想和方法;实现了对直流电动机转动参数的设置、启动、停止、加速、减速和显示等功能。
关键词：单片机，直流调速系统
Abstract
Nowadays,automatic control systems have been widely used and developed in ev ery aspect of life. As the artery in the area of electric drive systems, DC drivers becom e more and more important modern production. For a long time, DC motor has posses sed the main role in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth timing in a wide range,besides,its control performance is excellen t. DC motor is widely used on the automatic equipments ,such as CNC and industrial r obot. As the scale of production becomes larger and larger the demand and requireme nts become higher and higher,so the research on improving the DC controlling system behavior has important sense.
This paper system of DC motor multiple speeds based on STCMCU is designed,a s its necessary test equipment. It finished the total project design of system and model selection. The hardware and software design of the system according to the preceding solutions are discussed detailed. For the hardware part after a dissertation on the whol e design.the core hardware of the control system is the STCMCU,the paper introduced the details of some hardware problem,including input circuit of keyboard,serial com munication circuit, measure circuit, D/A switching circuit and display circuit and so o n. The method of software planning for it is also discussed. For the software part,with the introduction of modular design concept some procedure flow charts of main progr am subroutine are offered. The paper designs the software which achieves the functio ns,such as install parameters, download parameters,startup stop accelerate and deceler ate.
Keywords: Single-chip compute,DC speed control system
目录
第一章绪论 (1)
1.1 电机控制的发展 (1)
1.1.1 电力电子技术的发展 (1)
1.2 课程背景 (2)
1.21 可编程控制器的概述 (2)
1.22 直流电机概述 (2)
第二章系统方案选择和总体结构设计 (3)
2.1 调速方案的选择 (3)
2.1.1 系统控制对象的确定 (3)
2.1.2 电动机供电方案的选择 (3)
2.2 总体结构设计 (3)
2.2.1 系统结构选择 (3)
2.2.2 系统的工作原理 (5)
第三章主电路设计与参数计算 (6)
3.1 整流变压器的设计 (6)
3.1.1 变压器二次侧电压U
的计算 (6)
2
3.1.2 变压器容量的计算 (7)
3.2 晶闸管元件的选择 (7)
3.2.1 晶闸管的额定电压 (7)
3.2.2 晶闸管的额定电流 (8)
3.3 主电路及保护电路原理图 (8)
第四章控制系统软件设计 (10)
4.1 系统主程序设计流程图 (10)
4.2数字PI调节器程序设计 (10)
4.3 数字滤波器程序设计 (11)
4.4 中断处理程序设计 (13)
4.4.1 电流环中断服务程序的设计 (13)
4.4.2 速度环中断服务程序的设计 (16)
4.4.3 其它中断处理程序设计 (17)
第五章系统MATLAB仿真 (18)
5.1 系统的建模与参数设置 (18)
5.2 系统仿真结果的输出及结果分析 (19)
总结 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
第一章绪论
1.1电机控制技术的发展
电机是一种机电能量转换得装置，在国民经济中起着重要的作用，无论是在工农业生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样得电机，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机已无法满足要求，而是要能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。这些功能的实现都要求对电机进行控制，所以，对电机的控制是电机应用得重要分支。广义上说，这些被控制得电机是指在自动控制装置或系统中使用的各种电机。
电机在其实际应用中，已由过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。在这种情况下，原先的“电机控制”“电气传功”已发展到“运控控制”得新阶段。
1.11电力电子技术的发展
电力电子学(或电力电子技术)的理论是建立在电子学、电力学和控制学三个学科基础之上的。起初它被认为是介于电子学、电力学与控制学之间的边缘学科,但是随着电力电子技术的不断发展,它已成为一个涉及领域广阔的学科,可以说凡是涉及到电能应用的场合,便有其用武之地。电力电子技术发展到今天,它不仅仅涉及到"电力"的变换与应用,而且也涉及到化学能电源(电池)、太阳能电池电能的变换与应用。虽然已突破了当初单纯"电力"的界限,但是仍然是在功率变换的范围。仅就电力电子技术本身而言,它主要包括二个方面,即电力半导体器件制造技术和电力半导体变流技术。前者是电力电子技术的基础,后者是电力电子技术的核心。二者相辅相成,相互依存,相互促进的关系,使得电力电子技术发展势不可挡,使其在科技进步和经济建设中发挥着越来越重要的作用
1.2课题背景
1.21可编程控制器的概述
可编程序控制器总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面：
1)向小型化、专用化、低成本方向发展20世纪80年代初，小型PLc
在价格上还高于小系统用的继电器控制装置。
2)随着微电子技术的发展，新型器件大幅度的提高功能和降低价格，
使PLc结构更为紧凑，功能不断增加，将原来大、中型PLc才有的功能
移植到小型PLc上，如模拟量处理、数据通信和复杂的功能指令等，但
价格不断下降，真正成为继电器控制系统的替代产品。
3)向大容量，高速度方向发展大型PLC采用多微处理器系统，有的采
用了32位微处理器，可同时进行多任务操作，处理速度提高．
4)与计算机联系密切从功能上看，PLc不仅能完成逻辑运算，且计算
机的复杂运算功能在PLC中也进一步得到利用；从结构上看，计算机的
硬件和技术越来越多地应用到PLC；从语言上看，PLC已不再是单纯用梯
形图语言，而且可用多种语言编程，如类似计算机汇编语言的语句表，
甚至可直接由计算机高级语言编程；在通信方面，PLc与计算机可直接
相连并进行信息传递。
1.22直流电机概述
输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。
直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽。
第二章系统方案选择和总体结构设计
2.1调速方案的选择
2.1.1系统控制对象的确定
本次设计选用的电动机型号Z
型，额定功率1.1KW，额定电压230V，额定
2-32
电流6.58A,额定转速1000r/min, 励磁电压220V,运转方式连续。
2.1.2电动机供电方案的选择
变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称V-M 系统，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选V-M系统。
在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。
2.2总体结构设计
2.2.1系统结构选择
若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定
的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。
若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流小于I
dm
流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。
综上所述，本系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、电压记忆环节、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。其硬件结构如图2-1所示。
图2-1 单片机控制的直流调速系统结构图
2.2.2系统的工作原理
在此单片机控制的直流调速系统中，速度给定、速度反馈和电流反馈信号是通过模拟光电隔离器、A/D转换器送入计算机，计算机按照已定的控制算法计算产生双脉冲，经并行口、数字光电隔离器、功率放大器送到晶闸管的控制级，以控制晶闸管输出整流电压的大小，平稳的调节电动机的速度。晶闸管正反组切换
由数字逻辑切换单元来完成。
第三章 主电路设计与参数计算
电动机的额定电压为230V ，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y 联结。
3.1整流变压器的设计
3.1.1变压器二次侧电压U 2的计算
U 2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会
造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：
)(cos 22min max 2N sh T
d I I CU A nU U U -+=αε
式中U dmax --整流电路输出电压最大值；
nU T --主电路电流回路n 个晶闸管正向压降；
C -- 线路接线方式系数；
U sk --变压器的短路比，对10～100KVA ，U sk =0.05～0.1；
I 2/I 2N --变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。
在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即：
()B A U U d
ε2.1~12=
式中A--理想情况下，α=0°时整流电压U d0与二次电压U 2之比，即A=U d0/U 2；B--
延迟角为α时输出电压U d 与U d0之比，即B=U d /U d0；
ε——电网波动系数；
1~1.2——考虑各种因数的安全系数；
根据设计要求，采用公式：()B
A U U d ε2.1~12=
由表查得 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量，则 B=cos α=0.985
()V U 133~111985.09.034.22302.1~12=??=
取U 2=120V 。
电压比K=U 1/U 2=380/120=3.17。
3.1.2变压器容量的计算
S 1=m 1U 1I 1；
S 2=m 2U 2I 2；
S=1/2(S 1+S 2)；
式中m 1、m 2 --一次侧与二次侧绕组的相数；
由表查得m 1=3，m 2=3
S 1=m 1U 1I 1=3×380×1.69=1.9266 KVA
S 2=m 2U 2I 2=3×120×5.37=1.9332 KVA
S=1/2(S 1+S 2)=1/2（1.9266+1.9332）=1.9299 KVA
3.2晶闸管元件的选择
3.2.1晶闸管的额定电压
晶闸管实际承受的最大峰值电压U Tm ，乘以（2～3）倍的安全裕量，参照标
准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压U TN ，即U TN =（2～3）U Tm 整流电路形式为三相全控桥，查表得26U Tm U =，则
()()()V
U U U Tm TN 82.881~88.58712063~263~23~22=??=== 取V U TN 700=
3.2.2晶闸管的额定电流
选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值TN I 大于实际流过管子电流最大有效值T I ，即
TN I =1.57)(AV T I >T I 或 )(AV T I >57.1T
I =57.1T I d d
I I =K d I
考虑（1.5～2）倍的裕量
)(AV T I =（1.5～2）K d I
式中K=T I /（1.57d I ）--电流计算系数。
此外，还需注意以下几点：
①当周围环境温度超过+40℃时，应降低元件的额定电流值。
②当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 ③关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。
由表查得 K=0.368，考虑1.5~2倍的裕量
()()d AV T KI I 2~5.1=
()A
84.4~63.358
.6368.02~5.1=??= 取()A AV T I 5=。故选晶闸管的型号为75-p K 。
3.3主电路及保护电路原理图
图3-1 主电路及保护电路原理图
第四章控制系统软件设计
4.1 系统主程序设计流程图
图4-1 主程序流程图
如图4-1所示的主程序流程图，它完成主程序完成系统的各种功能初始化操作，包括0808的片内I/O寄存器、各种状态和标志位、各个控制数据等的初始化，然后循环定时执行速度环和电流环的计算，并完成键盘输入、显示扫描等各种功能。
4.2 数字PI调节器程序设计
在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。
当输入时误差函数e(t)、输出函数是u(t)时，PI 调节器的传递函数如下
ts ts pi K s E s U s pi W 1)()()(+== （4-1）
式中 K pi 为PI 调节器比例部分的放大系数；
t 为PI 调节器的积分时间常数。
式子（4-1）的时域表达式可写成
??+=+=dt t e I K t e P K dt t e t t e pi K t u )()()(1
)()( （4-2）
其中，K P =K pi 为比例系数，K I =1/t 为积分系数。
将上式离散化成差分方程，其第k 拍输出为
)1()()()()(1)()()(-++=+==+=∑k I u k e sam T I K k e P K k I u k e k i P K i e sam T I K k e P K k u （4-3）
其中，T sam 为采样周期。
式（4-3）表述的差分方程为位置式算法，u(k)为第k 拍的输出值。由式子看出，比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。位置式PI 调节器的结构清晰，P 和I 两部分作用分明，参数调整简单明了。
为了安全起见，常须对调节器的输出实行限幅。在数字控制算法中，要对u 限幅，只须在程序内设置限幅值u m ,当u(k)>u m 时，便以限幅值u m 作为输出。而
位置式算法必须要同时设积分限幅和输出限幅。
带有积分限幅和输出限幅的位置式数字PI 调节程序框图如图4-2所示。
4.3 数字滤波器程序设计
在检测得到的转速信号中，不可避免地要混入一些干扰信号。在数字测速中，硬件电路只能对编码器输出脉冲起到整形、倍频的作用，往往用软件来实现数字滤波。数字滤波具有使用灵活、修改方便等优点，它可以用于测速滤波，也可以
用于电压、电流检测信号的滤波。常有的数字滤波主要有三种，它们分别是算数平均值滤波、中值滤波和中值平均滤波。本次设计采用中值平均滤波。
中值平均滤波首先要设有N 次采样值，排序后得X 1 ∑-=-=1 2 21 N i i X N Y 图4-2 位置式数字PI 调节器程序框图 4.4 中断处理程序设计 4.4.1 电流环中断服务程序的设计 它主要完成电机索零运算、电流调节器PI运算、轻载时电流自适应的运算。设系统电流断续临界值为I0，反馈电流采样值为I，则程序框图如图4-2所示。 图4-2 电流环中断服务程序简化框图 （1）锁零单元程序设计 为防止电机慢速爬行，一般模拟晶闸管都设有锁零单元。这里用计算机软件来实现。首先检查下速度给定U Gn和速度反馈U Fn是否为零或者小于某临界值n0，若不为零系统正常运行。若为零，使电流调节器输出为负电压，把晶闸管调速系统推向逆变，迫使电动机停止（爬行），其程序框图如图4-3所示。 图4-3 锁零程序框图 （2）电流自适应程序设计 在转速和电流双闭环调速系统中，电流环PI 调节器的动态参数一般是按电枢回路电流连续的情况来选取，然而当系统轻载工作时，如果平波电抗器的电感量不太大，就会出现电流断续的情况。当电枢电流断续时，晶闸管调速系统的机械特性和电流连续相比有明显的差别，其动态性能也发生两项重要变化。 （a ）由于电流断续时整流装置外特性变陡，其等效内阻大大增加，因此，使电流环调节对象总放大倍数下降。 （b ）当电流断续时，由于电枢回路电磁时间常数T D 存在，从整流电压U DO 的突变到平均电枢电流I D 响应不可能瞬间完成，而是按指数规律逐渐变到稳态 值。当电流断续时情况不同，由于电感对电流的延缓作用已在一个波头结束，平均电压突变后，下一个波头的平均电流便也立即随电压变化。 考虑到上述两项变化，平均整流电压与平均整流电流间的传递函数由连续的11+s D T R 变成断续时的R '1，其中R ，是断续时电枢回路的等效电阻，如果电流调节器 已按连续情况设计好了，其传递函数为 s t s t K s LT D 1) 11(1)(+= 为了使系统在电流断续时具有同样的动态性能，只有让调节器结构和参数也随着 调节对象传递函数变更而改变才行，假设电流环其他部分传递函数没有变化则电 流断续时电流调节器的传递函数)(s L T D '应满足下列关系： R s LT D s D T R s LT D '?'=+?1)(11)( 考虑到电流连续时通常选择T D =τ1,则有 R t R s K s LT D 11 K K ,)('=''='其中 由此可见,电流断续时要求电流调节器是一个积分环节,因而电流断续时要改变电流调节器的结构,使它和电流连续时相适应,使其动态性能基本和电流连续时相同,这就称为电流自适应控制。若用计算机软件来实现电流自适应控制，只要判断主回路电流是否连续即可，若电流连续就按PI 算法，若电流断续就按I 算法。按积分算法其差分方程为 C n =C n-1+K 3e n-1 设II 单元放电流反馈值；IO 单元放电流断续临界值，则其程序框图如图4-4所示。 图4-4 电流自适应程序框图 4.4.2 速度环中断服务程序的设计 测速软件包括捕捉中断服务子程序（如图4-5所示）和测速时间中断服务子程序（如图4-6所示）构成，转速调节中断服务子程序中进行到“测速允许”时，开放捕捉中断，但只有到旋转编码器脉冲前沿到达时，进入捕捉中断服务子程序，旋转编码器脉冲计数器M1和高频时钟计数器M2才真正开始计数，同时打开测速时间计数器T1，禁止捕捉中断，使之不再干扰计数器计数。待测速时间计数器到达计数值，发出停止测速信号，再次开放捕捉中断，到旋转编码器脉冲前沿再到达时停止计数。在这一组软件框图中，测速软件仅完成M1和M2计数，转速计算是在转速调节中断服务子程序中完成的。 图4-6 测速时间中断服务子 程序框图 图4-5 捕捉中断服务子程序框图 转速调节中断服务子程序框图如图4-7所示。进入转速调节中断服务子程序后，首先应保护现场，再计算实际转速，完成PI调节，最后启动转速检测，为下一步调节作准备。在中断返回前应恢复现场使中断的上级程序正确可靠地恢复运行。 《综合实验1》设计说明书 题目直流调速系统设计与调试 系部自动化系 专业自动化 班级自动化092班 学号 09423002 09423004 09423013 09423022 姓名裴玉柱刘勇薛尚刘鲲鹏 指导老师刘艳于美荣 日期2012年11月23日－2012年12月06日 直流调速系统设计与调试 (3) 1 技术要求： (3) 2 硬件系统设计 (4) 2.1 驱动电路： (4) 2.2 控制电路： (4) 3 直流调速系统参数和环节特性的测定： (5) 3.1 电枢回路总电阻R的测定 (5) 3.2 电枢回路电感L的测定 (6) 3.4 直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2 的测定 (7) 3.4 主电路电磁时间常数Td的测定 (8) 3.5 电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定 (8) 3.6 系统机电时间常数TM的测定 (8) 3.7 晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)和测速发电机特性UTG=f(n)的测定 (9) 4 直流调速系统设计 (9) 5 系统调试与分析 (10) 5.1双闭环系统的调试 (10) 5.2 系统的分析 (14) 7 参考文献： (14) 直流调速系统设计与调试 1 技术要求： （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、平波和均衡电抗选择、晶闸管保护设计 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改变电枢电压；2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）.一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用pid适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能 现代工业自动化的高速发展也给直流电机的控制与调速提供了大范围的应用与更新:如远程信号传输,远距离调速,高温环境的遥控调速与控制,手动自动集成等。 成绩 电气控制与PLC 课程设计说明书 直流电机调速控制系统设计 . Translate DC motor speed Control system design 学生姓名王杰 学号20130503213 学院班级信电工程学院13自动化 专业名称电气工程及其自动化 指导教师肖理庆 2016年6月14日 目录 1 直流电机调速控制系统模型 0 1.1 直流调速系统的主导调速方法 0 因此，降压调速是直流电机调速系统的主导调速方法。 0 1.2 直流电机调速控制的传递函数 0 1.2.1 电流与电压的传递函数 (1) 1.2.2 电动势与电流的传递函数 (1) 由已学可知，单轴系统的运用方程为: (1) 1.3 直流调速系统的控制方法选择 (2) 1.3.1 开环直流调速系统 (3) 1.3.2 单闭环直流调速系统 (3) 由前述分析可知，开环系统不能满足较高的调速指标要求，因此必须采取闭环控制系统。图1-4所示的是，转速反馈单闭环调速系统，其是一种结构相对复杂的反馈控制系统。转速控制是动态性能的控制，相比开环系统，速度闭环控制的控制精度及控制稳定性要好得多，但缺乏对于静态电流I的有效控制，故这类系统被称之为“有静差”调速系统。 (3) 1.3.3 双闭环直流调速系统 (4) 图1-4 双闭环控制直流调速控制系统 (4) 1.3.3.1 转速调节器（ASR） (4) 1.3.3.1 电流调节器（ACR） (4) 1.4 直流电机的可逆运行 (5) 1.2 ×××××× (7) 1.2.1 电流与电压的传递函数 (7) .. 7 3 PLC在直流调速系统中的应用 (8) 2 ××××× (9) 2.1 ×××××× (9) 2.1.1 ×××× (9) 3 ××××× (11) 3.1 ×××××× (11) 3.1.1 ×××× (11) 参考文献 (12) 附录 (13) 附录1 (13) 附录2 (13) 目录 前言 (1) 一、设计目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、直流调速系统整体设计 (2) 四、系统参数选取 (7) 五、各部分设计 (8) 六、双闭环系统设计 (14) 七、系统仿真 (17) 八、设计总结 (18) 参考文献 (19) 前言 由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算 三、直流调速系统整体设计 1、直流电机PWM调速控制原理 直流电动机转速公式为： n=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制(PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。 PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。在本次课程设计采用双闭环直流调速系统进行调速控制。 2、双闭环直流调速系统 A.双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电 昆明学院实验报告册 专业：电气工程及其自动化 班级：15 电二 姓名：韩浪 学号：150417410105 课程：交直流调速控制系统 昆明学院自动控制与机械工程学院 实验项目名称：开环直流调速系统的仿真实验 实验时间： 同组人： 实验报告评分： 一、预习报告（实验课前了解实验目的，预习实验原理、实验步骤）： 1、实验目的（简述）： 1． 掌握开环直流调速系统的原理； 2． 掌握利用simulink 编程进行仿真的方法。 2、实验原理（简述）： 直流电动机的转速方程为： a a e U RI n C -= Φ (1) 从转速方程可以看出，调节电枢供电电压U a 即可实现调速，这种调速方法的优点是既能连续平滑调速，又有较大的调速范围，且机械特性也很硬。 开环直流调速系统的电气原理图如图1所示。三相晶闸管桥式整流电路经平波电抗器L 为直流电动机电枢供电，通过改变触发器移相控制信号U c ，可以调节晶闸管的触发角α，从而改变整流电路的输出电压平均值U d ，实现直流电动机的调速。 1-5 V-M 系统的结构示意图AC ~ 图1 开环直流调速系统电气原理图 3、实验步骤： 1．根据开环直流调速系统电气原理图，编制Simulink 实验程序，上机调试。 2．固定负载，改变触发角α，观察整流器输出直流电压平均值的变化情况，以及电动机输出转速的变化情况。 3．固定触发角α，增加负载扰动，观察电动机输出转速的变化情况。 4．分析实验结果，完成书面实验报告，并完成相应的思考题。 二、实验数据（记录相应的表格或图表，注意图形标注的完整性）： 1、 绘制不同触发角（30o 和60o ）对应的三相桥式整流装置输出电压平均值曲线。 一、绪论 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。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型， Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的：由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统快速性、可控性、经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛。 课 题：双闭环直流调速系统 班 级：电气工程及其自动化1004 学 号：3100501091 姓 名：贾斌彬 指导老师：康梅、乔薇 日 期：2014年1月9日 电 力 传 动 课 程 设 计 目录 第1章系统方案设计 1.1 任务摘要 (3) 1.2 任务分析 (3) 1.3设计目的、意义 (3) 1.4 方案设计 (4) 第2章晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 2.1 电枢回路电阻R的测定 (5) 2.2主电路电磁时间常数的测定 (6) 2.3系统机电时间常数TM的测定 (7) 2.4测速电机特性UTG=f(n)的测定 (7) 2.5晶闸管触发及整流装置特性Ug=f（Ug）的测定 (7) 第3章双闭环调速系统调节器的设计 3.1 电流调节器的设计 (7) 3.2 转速调节器的设计 (9) 第4章系统特性测试 4.1系统突加给定 (11) 4.2系统突撤给定 (11) 4.2.2突加负载时 (11) 4.2.3突降负载时 (11) 第5章设计体会 第1章系统方案设计 1.1 设计一个双闭环晶闸管不可逆调速系统 设计要求：电流超调σi≤5% 转速超调σn≤10% 静态特性无静差 给定参数：电机 额定功率185W 额定转速1600r/min 额定励磁电流<0.16A 额定电流1.1A 额定电压220V 额定励磁电压220V 转速反馈系数ɑ=0.004 V·min/r 电流反馈系数β=6V/A 1.2 任务分析 采用转速、电流双闭环晶闸管不可逆直流调速系统为对像来设计直流电动机调速控制电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，电流调节器和速度调节器，为了实现电流和转速分别起作用，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在把电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。该双闭环调速系统的两个调节器ASR 一、什么是直流调速器? 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备, 由于直流电动机具有低转速大力矩的特点,是交流电动机无法取代的, 因此调节直流电动机速度的设备—直流调速器,具有广阔的应用天地。 二、什么场合下要选择使用直流调速器? 下列场合需要使用直流调速器: 1．需要较宽的调速范围。 2. 需要较快的动态响应过程。 3. 加、减速时需要自动平滑的过渡过程。 4. 需要低速运转时力矩大。 5. 需要较好的挖土机特性，能将过载电流自动限止在设定电流上。 以上五点也是直流调速器的应用特点。 三、直流调速器应用: 直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。 四、直流调速器工作原理简单介绍： 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。 五、直流电机的调速方案一般有下列3种方式： 1、改变电枢电压； 2、改变激磁绕组电压； 3、改变电枢回路电阻。 最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）. 六、一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体， 采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID 适配器调整。该调速器体积小、重量轻，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。 如何将交流电转换成直流电？ 需要以下步骤： 1整流--即把交流调整成直流，换句话就是使交流的正玄波调整到的X轴上方。但是现在还只是脉冲的。主要元件是二极管。整流方式: 全波整流（桥式整流， 实训报告课程名称：专业实训 专业：自动化班级：103031学号：10303104姓名：徐红颖指导教师：王艳秋成绩： 完成日期：2014 年1月9 日 任务书 1 单闭环直流调速系统 对于单闭环直流调速系统来说，转速是输出量，一般我们引入的是转速负反馈构成闭环调速系统。转速负反馈系统是在电动机上安装一台测速电机TG，引出和输出量转速成正比的负反馈电压Un，和转速给定电压Ua*进行比较，得到偏差电压ΔUa，经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压Uct，与控制电动机的转速，组成了反馈控制的闭环调速系统。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。而一般采用的比例调节器的调速系统还是有静差，为了消除静差，可用积分调节器替代比例调节器。 反馈控制系统的规律是如果要想维持系统中的某个物理量基本不变，就要引用该量的负反馈信号去与恒量给定相比较，组成一个闭环系统。对于调速系统来说，如果想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变化，最有效和最直接的方法就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。 1.1 主电路设计 直流调速系统电路的组成主要由主电路和控制电路两大部分组成，知道了电路组成的两大部分后，就应该确定主电路的接线方式和系统的控制方案。整流变压器由变压部分和整流部分组成，其变压部分将电网电压降压并变成稳定的交流电，整流部分将变压后的交流电整流为恒定40V的直流电压供给直流电动机的励磁回路，整流变压器变压后的交流电两端另接一个单相桥式全控整流电路，输出的可调直流电加在直流电动机的电枢回路。保护环节采用的是过电压保护的一种--阻容吸收，将其并联在整流变压器二次侧起到保护电路的作用。 主电路的设计需要准备的资料： 1 单相整流模块：MZKD-ZL-50 了解其功能，技术参数，电路内部结构，外部接法，控制线管脚接法，安装说明2电机参数：直流电机，额定电压24V，额定电流6A，励磁电压24V，最大允许电流50A，了解电机不同的接线形式，重点掌握电机他激（并激）方式的接线方法。 3 电机转速测量的检测器：光电编码器（E6B2-C） 燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日 目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26) 前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要 运动控制系统试验报告——单闭环直流调速系统 学号:0504220110 姓名:杨娟 一.实验目的: 通过实验了解单闭环直流调速系统的结构和工作原理，通过系统调试深入领会系统的动静态特性， 并掌握控制系统的调试方法。 二.实验内容及结果: 1) 转速负反馈的单闭环直流调速系统。 转速负反馈单闭环调速系统的静特性为: 其中 为闭环系统的开环放大系数 要求输入信号U n *为阶跃信号，初值为0，终值为30，阶跃起始时刻为0时刻；负载电流为斜坡信号，斜率为1，起始时间为0，初始输出为0。仿真时间不小于20秒。设计转速调节器的参数，使得该闭环直流调速系统为有静差系统，理想空载转速为800r/min ，并计算其在I d =15时的闭环系统静态转速降落。即n ocl=800r/min ，又图中给出了Ks=30，* n U =30V ，a=0.02，Ce=0.127，代入方程得到参数 Kp=0.2419。其结构图及仿真的静特性。如下： 转速负反馈的单闭环直流调速系统的稳态结构图 转速负反馈单速度闭环调速系统的静特性 如图所示，电动机转速随着负载电流的增加线性下降，正好满足静特性方程的特点。当负载电流 Id=15时，代入静特性方程得静态转速降落为Δn cl=165.4r/min 2) 电压负反馈的单闭环直流调速系统 电压负反馈单闭环调速系统的静特性为: 其中K=γKpKs 为闭环系统的开环放大系数。 cl cl e d e * n s p e s p e d *n s p Δn n K C R I K C U K K α/C K K C R I U K K n -=+- +=+-=0)1()1()1(e s p C α K K K =e d a e d pe e n s p C I R K C I R K C U K K n -+-+=)1()1(* 直流调速控制系统方案设计毕业论文 目录 第一章绪论 (1) 第二章系统方案设计 (5) 2.1 设计思路 (5) 2.2 基本原理 (5) 2.3 总体设计框图 (6) 第三章系统硬件设计 (7) 3.1 单片机控制模块 (7) 3.1.1 AT89S51的简介 (7) 3.1.2 AT89S51最小系统 (14) 3.2 电机驱动模块 (17) 3.2.1电机驱动模块的电路设计 (17) 3.2.2 L298芯片 (19) 3.3 液晶显示模块 (22) 3.3.1 1602LCD引脚分布和接口信号说明 (22) 3.4 独立式键盘控制模块 (25) 3.4.1 外部中断设置 (25) 3.4.2 外部中断扩展方法 (26) 3.5 本章小结 (28) 第4章系统软件设计 (29) 4.1总电路图 (29) 4.2 总电路功能介绍 (29) 4.3 直流电机控制程序 (29) 第五章系统仿真 (39) 第六章结束语 (43) 参考文献 (44) 附录 (46) 第一章绪论 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统，其中许多系统有调速的要求：如车辆、电梯、机床、造纸机械等等。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制：为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速[1]。电机调速系统由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。各部分之间的不同组合，可构成多种多样的电机调速系统。 三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代[2]。 随着微控制器尤其是脉宽调制 PWM 专门控制芯片的飞速发展，其对电机控制方面的应用起了很重要的作用，为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。本文对基于PIC单片机的直流电机 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流 PWM调速系统的数学模型。用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件 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。 直流电机调速系统 设计报告 学院：信息控制与工程学院班级： 姓名： 学号： 时间： 一设计任务 设计并制作一套直流电机调速系统，主要包括两部分：主电路部 分和以单片机为核心的控制电路部分。设计要求、制作控制电路和主电路，实现如下功能： （1）通过码盘和光耦得到一系列脉冲，利用M 法、T 法或M/T 法对这些脉冲在单片机中进行处理得到电机的转速，在液晶或数码管上进行显示； （2）DC/DC 电路能够正常工作，通过旋钮或键盘设定转速，并 能够通过电力电子电路输出合适的电压，使电机的转速达到设定转速。 图1 系统总体框图 二、 设计思路和设计过程 在此次电路和软件的设计中，电机的转速的获得是通过光耦采集 码盘和光耦 脉冲传输到单片机的INT0管脚上进行中断，然后通过定时器T0产生1s的计时，计算在1s内脉冲的个数为X，由于电机上码盘上刻有23个孔，那么电机的转速为3X。而转速的设定采用的是电位器，采集0-5V的电压，通过单片机上P1.0端口进行A/D转换产生00H-FFH。PWM的产生是由P1.3口产生的，通过单片机的ＰＣＡ中的寄存器设定初始值，产生大约是４０ＫＨＺ的ＰＷＭ波。通过驱动电路来改变电机的转速。 由于本次实习采用的是自主设计，需要同学们自己自行设计电路并编写程序，由于我之前并没有接触过这种设计，因此此次设计有很大的难度。电源部分的设计由于之前都做过很多，这是很简单的，在当天下午我们基本上就完成了这部分。至于单片机最下系统部分的电路和数码管显示的电路是参考老师给的关于ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ１６ＡＤ型号单片机的技术资料上参考得到的。驱动电路和主电路的设计是来源于网上的参考资料和从图书馆中借的书中，并与其他同学对照比较和在老师的帮助下完成的。这部分花了比较长的时间完成。 由于课程设计之前我自己看过Ｃ语言编写单片机程序的书，再加上参考老师给的一些资料，所以完成起来不是特别难。 三、电路调试过程中遇到的问题 １、由于在焊接数码管部分电路时，为了方便焊接就把数码管的管脚打乱了接，在程序设计过程中出现了几次修改才让数码 管显示正常。 电气控制与PLC 课程设计说明书 直流电机调速控制系统设计 . Translate DC motor speed Control system design 学生姓名王杰 学号20130503213 学院班级信电工程学院13自动化 专业名称电气工程及其自动化 指导教师肖理庆 2016年6月14日 目录 1 ×× (1) 1.1 ×××××× (1) 1.1.1 ××××..................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1.2 ×××× (1) …… 1.2 ×××××× (1) 1.2.1 ×××× (8) …… 2 ××××× (8) 2.1 ×××××× (10) 2.1.1 ×××× (10) …… 3 ××××× (12) 3.1 ×××××× (12) 3.1.1 ×××× (12) …… 参考文献 (13) 附录 (14) 附录1 (14) 附录2 (14) 1 直流电机调速控制系统模型 1.1 直流调速系统的主导调速方法 根据直流电动机的基础知识可知，直流电动机的电枢电压的平衡方程为： R I E U a += 式(1.1) 公式中：U 为电枢电压；E 为电枢电动势；R I a 为电枢电流与电阻乘积。 由于电枢反电势为电路感应电动势，故： n C E φe = 式(1.2) 式中：e C 为电动势常数；φ为磁通势；n 为转速。 由此得到转速特性方程如下： φe a C R I U /)(n -= 式(1.3) 由式（1.3）可以看出,调节直流电动机的转速有以下三种方法： 1.改变电枢回路的电阻R ——电枢回路串电阻调速。属于有级调速，且不易构成自动调速系统，当电机低速运行时，电枢外串电阻上的功耗大，系统效率低，故一般不予采用。 2.减弱励磁磁通φ——弱磁调速。可以构成无极调速，但只能在电动机额定转速以上做小范围的升速，不能作为主导调速方法。 3.调节电枢电压Ｕ——降压调速。可以构成无极调速，且调速范围大、控制性能好。而且，现代电力电子技术的发展，使得直流电源输出电压能够非常容易地实现连续可调。 因此，降压调速是直流电机调速系统的主导调速方法。 1.2 直流电机调速控制的传递函数 在直流电机调速系统中通常是以他励式直流电动机为控制对象,其等效控制 电路如图1-1所示。 图1-1他励直流电机等效控制电路 PWM ft流脉宽调速系统设计 1 PWM调速系统的主要问题 1.1什么是PWM 脉冲宽度调制（PWM）,是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写，简称脉 宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅 极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变， 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数 字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 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 PWM的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关 控制方式，形成了脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系 统，或直流PWM S速系统。与V-M系统相比，PWM S统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开怪频率咼，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳速精度高，调速围宽，可达 1 : 10000左右。 4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于有上述优点，直流PWM S速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量 的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。 1.3 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压 前言 1957年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称可控硅）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生根本性的变革，开始进入晶闸管时代。到今天，晶闸管－电动机调速系统（简称V-M系统）已经成为直流调速系统的主要形式。直流电动机双闭环调速系统在工程中应用广泛，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，调速范围等要求，又由于交流调速在当时尚未解决好调速控制问题，调速范围不大，控制精度低，快速性差等性能指标不满足生产工艺的要求，所以当时大量使用的是直流电动机调速系统，尤其是直流双闭环调速系统，它具有调速性能好，范围宽，动态性能好等优点，特别是设计简单方便，虽然随着控制技术以及电力电子技术的的发展，制造工艺技术的提高，大量出现交流调速的传动系统，但直流传动所具有的优点特征，至今仍大量广泛地使用直流调速。在此本人就飞机生产制造行业中的对必不可少的四辊压压延机主传动直流电机的调速，作了以下设计，以满足飞机轮胎制造工艺的生产要求。 目录 1．设计任务与要求 1．1 设计任务 1．2设计要求与技术指标 1．3方案比较论证 1．3．1 总体方案比较 1．3．2 单元方案比较 2．主电路设计 2．1 主电路工作设备设计 2．2 主电路保护设备 3．控制电路设计 3．1 电流调节控制器（ACR）设计 3．2 速度调节控制器（ASR）设计4．实验验证 4．1 实验目的、内容、参数的整定 4．2 实验数据与曲线 4．3 实验结论 5．总结 6．参考文献 1． 设计任务与要求 1.1 设计任务 四辊压延机主传动直流调速系统的设计 压延机生产线主要是生产飞机轮胎的生产线，而四辊压延机又是 飞机轮胎生产厂家的最关键的生产设备。它运行的质量直接影响生产 出来的飞机轮胎的质量的好坏，也同时直接对对飞机安全性有重大的 影响，所以对四辊压延机的控制是至关重要的。 （一） 生产工艺流程以及控制的要求 （1） 生产工艺流程 帘布放布机 储布机 四辊压延主机 （主机1， 2仓库 放 接 前 储 前 干 四 后 2 布 头 三 布 四 燥 辊 四 套 机 疏 辊 架 辊 辊 压 辊 卷 化 电 电 延 电 取 机 动 机 主 机 机 机 机 142.斩波器调速系统 143.生产机械对调速装置的要求 144.调速范围 145.静差率 146有转速负反馈闭环直流调速系统的组成147.转速反馈 148.转速微分负反馈 149.转速反馈系数 150.电流反馈系数 151.直流电动机静态模型 152.无静差系统 153.有静差系统 154.静特性 155.静特性方程 156.静特性曲线 157.转速降落 158.最大转速 159.额定转速 160.理想空载转速 161.开环放大倍数 162.闭环放大倍数 163.数字调节器 164.可控直流电源静态放大倍数和静态模型164.直流电动机调速原理 166.G-M调速系统 167.有转速反馈直流调速系统静特性 168.有转速反馈直流调速系统静态结构图 169.开环调速系统与闭环调速系统的不同 170.转速负反馈闭环系统静态参试计算 171.晶闸管装置供电转速负反馈单闭环系统的调试 172.电流截止负反馈 173.电流截止负反馈环节 174.电流截止负反馈系统的静态结构图175.带电流截止负反馈闭环系统的静特性176.电流截止环节参数的计算 177.电压负反馈 178.电压负反馈环节 179.电压负反馈闭环系统的静态结构图180.电压负反馈系统的静特性 181.电压负反馈系统静参数计算 182.电流补偿控制 183.电流补偿控制的作用 184.电流补偿控制与转速反馈控制的不同185.前向通道 186.前向通道放大倍数 187.检测反馈元件 188.滤波元件 189.反馈通道 190.反馈通道放大倍数 191.开环前馈补偿 192.给定信号 193.给定元件 194.转速给定信号 195.电流给定信号 196.数字斜波给定 197.扰动信号 198.负载扰动 199.电源电压扰动 200.不可预见扰动 201.跟随性能 双闭环控制的直流调速系统简介 1.1V—M系统简介 晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。 优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。 缺点： 1．由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 2．元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。 因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。 图1 V—M系统 1.2转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面： 1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速； 2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； 3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起﹑制动尽量平稳。 1.3 直流调速系统的性能指标 根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1，6]。 一、静态性能指标 1）．调速范围 生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速m ax n 与最低转速m in n 之比，称为调速范围，用符号D 表示 m in m ax n n D = （2—2） 2）．静差率 静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s 来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落 ed n ?与理想空载转速 n 之比，用百分数表示为 %100%1000 00?-=??= n n n n n s ed ed （2—3） 显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，ed n ?越小，静差率就越小，转速 的稳定度就越高。 然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落1ed n ?=2 ed n ?， 但由于 01 02n n <，因此12s s >。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对 稳定性就越差。在1000r/min 时降落10r/min ，只占1%；在100r/min 时也降落10r/min ，就占10%；如果 n 只有10r/min ，再降落10r/min 时，电动机就停止转动，转速全都 降落完了。 由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s ，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。直流调速系统设计与调试
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