_直流调速系统的数字控制
直流电机PWM控制系统设计
1 0 前言
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。
直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广,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,能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。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。直流电机的数字控制是直流电动机控制的发展趋势，用单片机的数字控制的发展趋势,用单片机进行控制是实现电动机数字控制的最常用的手段。由于电网相控变流器供电的直流电机调速系统能够引起电网波形畸变、降低电网功率因数，除此之外，该系统还有体积大、价格高、电压电流脉动频率低、有噪声等缺点。而采用直流电动机的PWM调速控制系统可以克服电网相控调速系统的上述诸多缺点。
电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动控制方法能够得到实现，脉宽调制控制方法（PWM和SPWM）,变频技术在直流调速和交流调速中获得广泛的应用。
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计
第一章:前言
1.1 前言：
直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。
近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。
随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。
1.2本设计任务:
任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统
设计的主要内容以及技术参数:
功能主要包括：
1) 直流电机的正转；
2) 直流电机的反转；
3) 直流电机的加速；
4) 直流电机的减速；
5) 直流电机的转速在数码管上显示；
6) 直流电机的启动；
7) 直流电机的停止；
第二章：总体设计方案
双闭环直流调速系统特性与原理
1 / 27 摘要
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。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。
自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。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。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再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，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止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，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。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度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2 / 27 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。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
直流调速器简单参数设置
直流调速器简单参数设置
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装置调试大纲
6RA70 直流装置简要调试步骤
一. 送电前检查装置和电机
1、 辅助电源系统送电检查
2、 接地线和辅助电源零线检查
3、 电机绝缘检查和编码器安装检查
4、 电机电枢绕组和励磁绕组对地绝缘和电阻检查
5、 检查装置风机和柜顶风机电源和转向
6、 检查电机风机电源和转向
7、 装置电源和控制电源检查
8、 编码器电源和信号线检查
二. 基本参数设定(计算机或PMU 单元完成)
1、系统回复出厂设置：
合上装置控制电源和操作控制电源，用PMU 执行功能P051= 21
2、负载周期参数设定：
P067=1-5 选择负载过负荷周期，见手册，通常默认也可
3、进线电压设定
= 630V 主回路进线交流电压,作为判断电压故障的基准值
= 380V，励磁进线电压
作为欠压或过压的判断门槛电压，相关参数见P351，P352，P361-P364.（根据实际情况）。
4、 电机基本参数参数设定 ：
P100(F)= 额定电动机电枢电流(A)
P101(F)=额定电动机电枢电压(V)
P102(F)= 额定电动机励磁电流(A)
P103(F)=最小电机励磁电流(A),必须 小于P102 的50%.在弱磁调速场合,一
般设定到防止失磁的数值（根据实际情况）
5、 实际速度检测参数设定
P083(F)=实际速度反馈选择当
P083=2 (脉冲编码器) 时，100%速度为P143 参数值
P083=3 (EMF反馈) 时，100%速度为P115 参数值所对应的速度
运动控制系统习题集解(直流部分)2
14 习题二 转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
2-1 在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节什么参数?改变转速调节器的放大倍数Kn行不行? 改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行? 改变转速反馈系数α行不行?若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数?
答：① 在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：转速给定电压U*n，因为转速反馈系统的转速输出服从给定。
② 改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡过程，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。因此，不能通过改变转速调节器的放大倍数Kn，来改变转速
③ 改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡过程，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。因此，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速
④ 改变转速反馈系数α，能改变转速。转速反馈系数α的影响不在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。因此，可以通过改变转速反馈系数α来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。
⑤ 若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反馈系数α等，因为它们都在电流环之外。
2-2 在转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少？为什么?
答：在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，转速调节器退饱和，PI的作用使得转速调节器的输入偏差电压为0，转速调节器的输出电压由于维持在U*im（n*）。
在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，电流调节器不饱和，PI的作用使得电流调节器的输入偏差电压为0，形成一个电流随动子系统，力图使Id尽快跟随其给定U*i. 电流调节器的输出电压UC又后面的环节决定。
基于PWM控制直流电机自动调速系统设计
1 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的
更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.SKW电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。
毕业设计(论文)基于智能pid的直流电机调速系统
摘 要
由于变频技术的出现，交流调速一直冲击直流调速，但综观全局，尤其是我国在此领域的现状，再加上全数字直流调速系统的出现，提高了直流调速系统的精度及可靠性，直流调速仍将处于重要地位。对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。稳速很难达到要求原因在于数字直流调速装置中的PID调节器对被控对象及其负载参数变化自适应能力差。
模糊控制不要求被控对象的精确模型且适应性强，为了克服常规数字直流调速装置的缺点，本文将模糊控制与PID调节器结合，着手fuzzy-PID复合控制方案理论研究和硬件的实现，设计出相关控制方案的直流调速系统，该方案以AT89C51单片机为主控单元，合适的驱动电路和一些外围电路构成硬件系统；以参数模糊自整定PID为控制策略。本文对于系统的硬件及软件设计进行了详细的设计，包括电机控制模块、检测模块、电机驱动模块的设计等，以及软件的控制思想和编程方法。本系统的设计顺应了目前国外直流调速朝着数字化，发展的趋势，充分利用了单片机的优点，使得通用性得到了提高。
经过理论分析和设计此控制器的各项性能指标优于模糊控制器和常规PID控制器，具有很强的鲁棒性。
关键词：模糊控制；直流调速；稳态性能；单片机
Abstract
After Frequency Conversion Technology appeared，AC speed regulation
method had always impacted DC Speed Regulation，but Generally speaking，especially the status in our country，in addition to digital DC Speed Regulation
逻辑控制器DLC_交直流调速系统（第2版）_[共2页]
直流可逆调速系统 58 第4章
控制命令的内容有一一对应关系，所以DLC输入信号之一是电流给定信号*
iU。
当电动机由正转直接反向控制时，*
nU由正变负，*
iU由负变正，逻辑控制器DLC应该控制工
作晶闸管由VF转为VR，即控制命令由U
1f =“0”、U1
lr =“1”变为U
1f =“1”、U
1r =“0”，但是
不能在*
iU极性改变时立刻进行工作晶闸管的切换，必须等VF完成本组逆变，电流减小为零时，
才能封锁VF，开放VR。所以零电流检测信号U
i0也是DLC的输入信号之一。
DLC封锁一组脉冲和开放另一组脉冲不是同时进行的，需经过2个延时才完成控制切换。首
先，当U
i0检测到主电路电流为零时，要经过一个封锁延时t
1（一般为2～3ms）之后才能封锁原
来工作的晶闸管，因为零电流检测元件是有一定灵敏度的，当其认为I
d =0A时，电流I
d可能并没
有真正减小到零，等待一个封锁延时t
1的目的就是让I
d进一步减小为零，以保证能可靠地对原工
作晶闸管实施封锁；发出封锁信号之后，再经一个开放延时t
2（一般为5～7ms）才能对另一组
脉冲施加开放信号，这是因为晶闸管由导通到完全阻断需要一个恢复时间，增加开放延时的目的
是为了保证不会让2组晶闸管出现同时导通的机会，防止主电路发生短路。
综合上述分析，对DLC的具体要求总结如下。
① 由电流给定信号*
nU和零电流检测U
i0共同完成逻辑切换，*
iU的极性决定DLC控制命令的
内容，U
i0为零决定控制命令发出的时刻。
② 发出切换命令后，须经过封锁延时t
1才能封锁原导通组脉冲，再经过开放延时t
2后，才能
开放另一组脉冲。
③ 任何情况下都不允许对2组脉冲同时施加开放信号。
1．逻辑无环流系统中，DLC的任务是什么？
2．为实现DLC的控制作用，在功能上对DLC有什么具体要求？
3．写出DLC输出状态真值表及其表达的控制含义。
4.4.3 逻辑控制器DLC
根据对逻辑控制器DLC的要求，DLC的功能框图如图4-14所示。它由4部分组成，即电平
数字PI调节器
1 3.4 数字PI调节器
Q1 模拟PI调节器的数字化
Q2 改进的数字PI算法
Q3 智能型PI调节器
Q1 模拟PI调节器的数字化
PI调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器.
在微机数字控制系统中，当采样频率足够高时，可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。
•PI调节器的传递函数 ssKsEsUsW1)()()(pipi
•PI调节器时域表达式 tteKteKtteteKtud)()(d)(1)()(IPpi
其中 KP= Kpi 为比例系数
KI =1/ 为积分系数
•PI调节器的差分方程
•将上式离散化成差分方程，其第 k 拍输出为
)()()()()(IP1samIPkukeKieTKkeKkuki
)1()()()(IsamIPkukeTKkeKku 其中，Tsam为采样周期
以上是数字PI调节器的位置式算法。
•数字PI调节器算法--有位置式、增量式两种
位置式算法——即上式差分方程，
特点：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。
结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。
积分部分： )1()()(IsamIkukeTKkuI
比例部分： )()(PkeKkuP
PI调节器的输出 )()()(kukukuIP
增量式PI调节器算法
11samIP1samIP)()1()()()1()()(kikiieTKkeKieTKkeKkukuku
)()1()()(samIPkeTKkekeKku 2 PI调节器的输出)()1()(kukuku
•限幅值设置
直流电机调速控制系统设计
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. 可修编. 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
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Translate DC motor speed Control system design
学生 王杰
学 号
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 .
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. 可修编.
2016年 6月 14日 .
-
. 可修编. 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114
附录214
目录编至三级标题，参考文献、附录同样按第一层次（章）的编辑要求处理，另起新页，与正文一起顺序用阿拉伯数字编页。目录中各章题序及标题用小四号黑体，其余用小四号宋体。 .