实验五 直流电机闭环调速控制

实验五直流电机闭环调速控制

2011级测控一班王婷婷 2011134128

一、实验目的

1．掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法；

2．了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。

二、实验设备

计算机控制技术（二）、PCI数据采集卡（含上位机软件）

三、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5-1 PWM的控制电路

图5-1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5-2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13-3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5-2 SG3525内部结构

图5-3 直流电机控制系统

四、实验步骤

1．实验接线

1.1 用导线将直流电机单元中输出部分的“+”、“－”分别接到直流电机的“+”、“－”。

1.2 用导线将直流电机单元0～5V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将UO的“+”(霍耳输出)输出端接到数据采集卡的“AD1”处；

1.3 打开实验平台的电源总开关，并打开ZK-5上的电源开关。

2．脚本程序运行

2.1启动计算机，打开实验室网络管理系统软件，点击PCI数据采集卡，运行实验软件；

2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的“”按钮(脚本编程器)；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“直流电机”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为50ms；

2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察直流电机的运行情况。

2.4 当直流电机的转速稳定在设定值后，再点击“脚本编辑器”窗口上“停止”按钮，重新配置三组P、I、D的参数，并再次运行算法程序，观察直流电机的运行情况并保存相关程序和霍尔输出的图形；

注：图形在参考程序之后

2.5 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

五、实验报告要求

1．画出直流电机控制系统的方框图。

2．简单分析P、I、D控制参数对直流电机运行的影响。

P:比例环节

I:积分环节

D:微分环节

控制系统由于引入了比例—积分—微分控制器后，由于引入了一个位于坐标原点的极点，可以使系统无差度曾加1，同时，由于引入了两个负实数零点，与PI控制器比较，除了保持系统稳定性能的优点外，在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。

六、参考程序

dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op

sub Initialize(arg) '初始化函数

WriteData 0 ,1

mx=0

pvx=0

end sub

sub TakeOneStep (arg) '算法运行函数

pv = GetFS '电机的控制的转速，该转速在20～35左右

TTTRACE "转速=%f",pv

sv=35

K=2

Ti=2

Td=0

Ts=0.05 '采集周期50ms

ei=(sv-pv )/20

TTRACE "ei=%f", ei

q0=K*ei '比例项

if Ti=0 then

mx=0

q1=0

else

mx=K*Ts*ei/Ti '当前积分项

end if

q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts '微分项

q1=q1+mx

if q1>3.5 then

q1=3.5

end if

if q1<-3.5 then '当前积分限幅，以防积分饱和

q1=-3.5

end if

pvx=pv

op=q0+q1+q2 '当前输出值

if op<=1 then '输出值限幅

op=1

end if

if op>=3.5 then

op=3.5

end if

WriteData op ,1

TTRACE "op=%f", op

end sub

sub Finalize (arg) '退出函数

WriteData 0 ,1

end sub

K=2;Ti=2;Td=0

Op:1.000000 ei:-0.013047 转速：35.260931

K=2;Ti=2;Td=1;

Op:2.941634 ci:0.099112 转速：36.982249

K=2;Ti=3;Td=1; op:1.00000 ci:0.199132 转速：31.017370

K=1;Ti=2;Td=1; op:2.844704 ei:0.251199 转速：29.976019