直流电机单闭环控制、解读
单闭环直流调速电路
单闭环直流调速电路
单闭环直流调速电路是一种用于调整电机转速的电路。
它的基本原理是通过改变电机的电压或电流来调整电机的转速。
该电路由两个闭环组成：电压反馈环和转速反馈环。
在电压反馈环中，电路通过测量电机的输出电压来调整电机的电压。
当输出电压高于设定值时，电路会降低电机的电压，使输出电压回到设定值。
当输出电压低于设定值时，电路会增加电机的电压，使输出电压回到设定值。
这样就可以实现对电机输出电压的精确控制。
在转速反馈环中，电路通过测量电机的转速来调整电机的电压或电流。
当转速低于设定值时，电路会增加电机的电压或电流，以提高电机的转速。
当转速高于设定值时，电路会降低电机的电压或电流，以降低电机的转速。
这样就可以实现对电机转速的精确控制。
单闭环直流调速电路可以应用于许多场合，如工业生产、交通运输等领域。
它可以提高电机的效率和运行稳定性，同时降低电机噪声和损耗，从而提高设备的运行效率和寿命。
晶闸管-直流电动机单闭环调速系统
1.直流调速系统的动态指标对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快速性、动态误差等。
这对于提高产品质量和劳动生产率，保证系统安全运行是很有意义的。
（1）跟随指标：系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一般用最大超调量σ，超调时间t和震荡次数N三个指标来衡量，图s2.1是突加给定作用下的动态响应曲线。
最大超调量反映了系统的动态精度，超调量越小，则说明系统的过渡过程进行得平稳。
不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。
一般调速系统σ可允许10%~35%；轧钢机中的初轧机要求小于10%，连轧机则要求小于2%~5%，；而在张力控制的卷曲机反映了系统的快速性。
系统（造纸机），则不允许有超调量。
调整时间ts为0.2s~0.5s，造纸机为0.3s。
振荡次数也反映了系统的例如，连轧机ts稳定性。
例如，磨床等普通机床允许震荡3次，龙门刨及轧机则允许振荡1次，而造纸机不允许有振荡。
图2.1突加给定作用下的动态响应曲线（2）抗扰指标：对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。
一般用最大动态速降Δnmax ，恢复时间tf和振荡次数N三个指标来衡量。
用图2.2是突加负载时的动态响应曲线。
最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳定性。
由于最大动态速降及扰动量的大小是有关的，因此必须同时注明扰动量的大小。
恢复时间反映了系统的抗扰动能力和快速性。
振荡次数N同样代表系统的稳定性及抗扰动能力图2.2突加负载时的动态响应曲线2.晶闸管电动机直流调速系统存在的问题图2.3 V-M系统的运行范围晶闸管整流器也有它的缺点。
首先，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。
由半控整流电路构成的V-M 系统只允许单象限运行（图2.3a），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在反转制动状态，因而能获得二象限运行（图2.3b）。
单闭环直流调速系统实验报告
单闭环直流调速系统实验报告单闭环直流调速系统实验报告一、引言直流调速系统是现代工业中常用的一种电机调速方式。
本实验旨在通过搭建单闭环直流调速系统，探究其调速性能以及对电机转速的控制效果。
二、实验原理单闭环直流调速系统由电机、编码器、电流传感器、控制器和功率电路等组成。
电机通过功率电路接受控制器的指令，实现转速调节。
编码器用于测量电机转速，电流传感器用于测量电机电流。
三、实验步骤1. 搭建实验电路：将电机、编码器、电流传感器、控制器和功率电路按照实验原理连接起来。
2. 调试电机：通过控制器设置电机的运行参数，如额定转速、最大转矩等。
3. 运行实验：根据实验要求，设置不同的转速指令，观察电机的响应情况。
4. 记录实验数据：记录电机的转速、电流等数据，并绘制相应的曲线图。
5. 分析实验结果：根据实验数据，分析电机的调速性能和控制效果。
四、实验结果分析1. 转速响应特性：通过设置不同的转速指令，观察电机的转速响应情况。
实验结果显示，电机的转速随着指令的变化而变化，且响应速度较快。
2. 稳态误差分析：通过观察实验数据，计算电机在不同转速下的稳态误差。
实验结果显示，电机的稳态误差较小，说明了系统的控制效果较好。
3. 转速控制精度：通过观察实验数据，计算电机在不同转速下的控制精度。
实验结果显示，电机的转速控制精度较高，且随着转速的增加而提高。
五、实验总结本实验通过搭建单闭环直流调速系统，探究了其调速性能和对电机转速的控制效果。
实验结果表明，该系统具有较好的转速响应特性、稳态误差较小和较高的转速控制精度。
然而，实验中也发现了一些问题，如系统的抗干扰能力较弱等。
因此，在实际应用中，还需要进一步优化和改进。
六、展望基于本实验的结果和问题，未来可以进一步研究和改进单闭环直流调速系统。
例如，可以提高系统的抗干扰能力，提升转速控制的稳定性和精度。
同时，还可以探索其他调速方式，如双闭环调速系统等，以满足不同的工业应用需求。
单闭环直流调速系统
第十七单元 晶闸管直流调速系统第二节 单闭环直流调速系统一、转速负反馈直流调速系统转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。
转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。
直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。
经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。
转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。
ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。
本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。
1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。
n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ∆+=+-=+-=0)(φφφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降，而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。
转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为：T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。
图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。
图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。
假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。
当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。
直流电机闭环控制个人总结
直流电机闭环控制个人总结
直流电机闭环控制是通过反馈控制的方式实现对电机转速和位置的精确控制。
闭环控
制系统由传感器、控制器和执行器组成。
在闭环控制系统中，传感器用于测量电机的转速和位置，并将测量值反馈给控制器。
控制器根据测量值和设定值之间的差异，计算出控制信号，然后将控制信号发送给执
行器。
执行器根据控制信号来调整电机的输入量，使电机的转速和位置达到设定值。
闭环控制系统的优点是能够实时校正电机的偏差，使其稳定在设定值附近。
通过反馈
控制，可以提高电机的响应速度，并且对系统参数的变化具有一定的鲁棒性。
此外，
闭环控制系统还可以通过控制器的输出来实现电机的速度和位置变换。
在实际应用中，闭环控制系统可以根据需求选择不同的控制算法，如PID控制算法、
模糊控制算法等。
通过合理选择和调整控制参数，可以在不同工况下获得良好的控制
效果。
总结起来，直流电机闭环控制通过反馈控制的方式实现对电机转速和位置的精确控制，具有稳定性强、响应速度快、鲁棒性好等优点，是一种常用的控制方法。
第2章闭环控制系统(1)解读
Dcl ( 1 K )Dop
结论
(1) 上述三项优点若要有效，都取决于一点， 即 K 要足够大， 因此必须设置放大器。
K KpKs
Ce
(2)闭环调速系统可以获得比开环调速系统 硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差 率的要求下，能够提高调速范围，为此所 需付出的代价是，须增设电压放大器以及 检测与反馈装置。
2. 动态数学模型
WP
(s)
Uc (s) U n (s)
K
p
Ws (
s
)
Ud0( s ) Uc( s )
1
Ks Tss
~
Un* ΔUn A
Uc
UPE
Un
W
fn
(
s
)
Un( s ) n( s )
Id
Ud
M
n
Utg TG
（1）直流电动机的动态数学模型
R
L
Id
TL
Ud0
EM n,Te
n03
n02
n01
n0cl
A
B
C
A’
闭环静特性
D
Ud04
Ud03 Ud02 Ud01
0
Id1
Id2
Id3
Iபைடு நூலகம்4
Id
图2-4 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
结论
闭环系统的静特性就是由多条开环机械特 性上相应的工作点组成的一条特性曲线。
闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它 的自动调节作用，在于它能随着负载的变 化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回 路电阻压降。
n Ud0 IdR Ce
单闭环与双闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统综合课程设计说明书目录第一章概述 (2)第二章调速控制系统的性能指标 (3)2.1 直流电动机工作原理 (4)2.2 电动机调速指标 (4)2.3 直流电动机的调速 (5)2.4 直流电机的机械特性 (5)第三章单闭环直流电动机系统 (6)3.1 V-M系统简介 (6)3.2 闭环调速系统的组成及静特性 (7)3.3反馈控制规律 (8)3.4 主要部件 (9)3.5 稳定条件 (11)3.6 稳态抗扰误差分析 (12)第四章单闭环直流调速系统的设计及仿真 (14)4.1 参数设计 (14)4.2 参数计算及MATLAB仿真 (15)第五章总结 (24)参考文献第一章概述电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。
目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性能的调速系统几乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。
单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。
单闭环直流电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电动机-发动机、闭环控制系统等组成，我们可以通过改变晶闸管的控制角来调节转速，本文就单闭环直流调速系统的设计及仿真做以下介绍。
第二章调速控制系统的性能指标2.1 直流电动机工作原理一、直流电机的构成(1)定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；(2)转子：电枢铁芯、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴；(3)气隙二、直流电机的励磁方式按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电动机四种。
直流电动机中，在电磁转矩的作用下，电机拖动生产机械沿着与电磁转矩相同的生产方向旋转时，电机向负载输出机械功率。
第二章 闭环控制直流调速系统的稳态分析与计算
带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系 统稳态分析（续）
U com
将电流截止负反馈环节画 在方框中，再和系统的其它部
- + Rs
Id
分连接起来，便得到带电流截
止负反馈的转速负反馈单闭环
R
调速系统的静态结构图
U
* n
- Ui ASR
+
+
PI
U ct
Ud0 -
Ks
+
E
n
1/Ce
图中 U i I d U com
图2-1 不同转速下的静差率
根据式(2-2)的定义，由于n0a n0b ，所以sa sb 。 对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差
率越大，转速的相对稳定度也就越差。例如：当理
想空载转速为1000r/min时，额定速降为10r/min， 静差率为1%；当理想空载转速为100r/min时，额 定速降同样为10r/min，则静差率却为10%。
的转速是无静差的，静
特性是平直的。
2、当 I d I dcr 时，A-B段 的静特性则很陡，静态 速降很大。
0
I dcr
B
I dbl
Id
图2-8 带电流截止负反馈的转速 负反馈单闭环调速系统的静特性
例题
带有电流截止负反馈的转速负反馈单闭环直流 调速系统如图所示：
图1-24 电流截止负反馈闭环直流调速系统的原理框图
要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范
围也越小。
例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为 nN 1430 r / min 额定速降 nN 115 r / min，当要求静差率 s 30% 时，允许多大的调速范围？如果要求静差率 s 20% ，试求最低运行速度及调速范围。
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比较器发生值
毕设结果
单闭环实现原理
偏差值
实际值 转换为转 速值 设定值
比较器1
比较值B产生 器（PWM周 期调节器
比较值 A（PID 控制）
频率计
光电传感器采集 H型直 直流电机 流电机 PWM 驱动
比较器2 （PWM 发生器）
开关控 制器
消抖电路
按键5
单闭环实现原理
系统通过FPGA内部产生PWM波形输出到H型驱动电路 控制电机的转动，采集电路反馈电机转动的波形到 FPGA进行系统分析，形成闭还控制。 工作流程为：检测到电机工作脉冲，将其转换为实际 转速M，实际转速M与设定好的设定转速N比较并且分 析，得出偏差值Q，内部的PID调节器对偏差Q和M，N 进行分析，输出调节比较器2（PWM波形发生器）的 比较值的信号。比较器2输出的PWM波形接到电机开 关控制器，电机控制器的输出由输入按键5控制。开关 控制器开时输出PWM波形到H型驱动电路驱动电机工 作。
人为机械特性方程式
n Un
e n
R R T n n K K K
ad a 2 0 e t n
当分别改变电压 、磁通量和 电阻时，可以得到不同的转 速n，从而实现对速度的调节
由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动 机的励磁电流If和磁通量Φ 只能在低于其额定值的 范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢 外加电阻R时，会使机械特性变软，导致电机带负 载能力减弱
数据显示
除法器的介绍
对设定值和实际转速的显示都是经过换算分别求得要显示 的数的十位、个位、十分位、百分位的值。然后经过转换 成为BCD码，最终显示在2片4位一体的共阴极数码管上面
div ider a[14..0] b[14..0] y [14..0] rest[14..0]
inst
PID调节器
Hale Waihona Puke 偏差值Q=|M-N|，当M>N时out=1；当M<N时out=0； data为步进值，根据Q的大小来调节data的值； 当Q>570,DATA=30;当114<Q<570，DATA=6；当 0<Q<57，DATA=1;当Q=0时，DATA=0.
设定值m 实际值n 比较器 偏差Q
比较值data
改变电枢电压，实现对直流电机速度调节
硬度不随电枢电压的变化而改变，电 机带负载能力恒定 平滑调节他励直流电机电枢两端电 压时，可实现电机的无级调速
PWM基本原理
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端 的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。
系统的外围硬件及其与FPGA的接 口电路
PWM的产生是从比较器的输出得到的，通过改变比 较器的输入来达到输出周期一定占空比可调的方波 设计思路：dataa从0到1024步进加1一直循环，循环的周期即为最终输出 的方波的周期。Dataa 的值从0一直加1加到1024后跳变回到0，从模拟的 角度考虑问题，可以把dataa 看成是周期一定的锯齿波。通过PID控制器计 算，根据反馈的值调整datab对比较器的输入，从而达到改变输出PWM占 空比的目的
消抖电路
T<Tclk<Tmin Tclk为CLK的时钟周期； T为干扰信号的周期； Tmin 为电机达到最大 速度时检测到波形信 号的周期
x
PRE
y
PRE Q D Q
dout~0 dout
din clk
D
ENA CLR
ENA CLR
消抖电路
仿真波形
如果Tclk<T 则带入了 干扰信号，没有达到 消抖的作用。如果 T>Tmin ,则是消抖过 大，把有用的信号滤 除掉
COMPARE
unsigned compare
dataa[9..0] datab[9..0]
inst
agb
测速频率计
当叶扇挡住DS时，Q截止，5脚得到5v高电平，负端输出电压为3.8v，则IO 口输出高电平；反之，当叶扇没挡住DS时，接收管导通，5脚电压被拉低到 0.3v左右，从而输出端IO输出低电平；所以当点击转动时，IO输出端得到 随电机转速变化而变化的方波。通过FPGA内部频率检测计检测该波形可以 得到此时的转速。
外围硬件包括输入模块，转速采集模块， 显示模块以及直流电机
按键输入 FPGA 电机转速采集电 路
显示模块 直流电机 驱动电路 及直流电 机
H型控制电路
DLR-R为1，DLR-L为0，使能信号为1，则Q1，Q4导通； DLR-R为0，DLR-L为1，使能信号为1，则Q2，Q3导通，电机反向；
PWM波形发生器的设计及分析
基于FPGA小型直流电机单 闭环控制
主要研究内容
本设计介绍了基于FPGA用PWM实现直 流电机调整的基本方法，直流电机调速 的相关知识，及PWM调整的基本原理和 实现方法。重点介绍了基于FPGA用软件 产生PWM信号的途径，输出的PWM波形 具有频率高、占空比调节步进细的优点。
直流电机调速原理
+5V
R
2
2
3.3V
U
R
1
Res2
R
A
1
Res2
4.7k
R
3
5
LM339AN
1
5
0
Res2
2
4K7
Res2
4
I
1
0
K
D
S
LED1
Photo
NPN
Q
4
R
P
3
C
1
C
RPot
C
Cap
Pol1
3
1
0
0
K
2.2uF
Cap
0.1uF
2.2uF
Cap
Pol1
2
O
频率计的设计
扇叶上只有一个小孔， 电机每转过一圈产生一 个脉冲 闸门时间为0.25秒。假设 在0.25秒的闸门时间内共 检测到 N个脉冲，则可 以通过计算得出 电机的 转速 F=N*4/1转/秒
如何实现正反转？
DLR-R为1，DLR-L为0，使能信号为1，则Q1，Q4导通； DLR-R为0，DLR-L为1，使能信号为1，则Q2，Q3导通，电机反向；
H型控制电路
致谢
在本设计的设计和制作过程中，我得到了学校、 系、老师和同学的大力帮助和支持。学校和系 里的领导给我们提供了及其便利的工作环境， 特别感谢郭老师。从设计一开始的选题到设计 的实现方法一直到最后的调试，郭老师一直给 我很大的帮助，在遇到问题时细心帮我分析了 问题的根源，共同探讨解决的方法，才使设计 得以顺利的完成。同时也感谢在座的各位老师 对我所做的成果的肯定。谢谢！