直流电机单闭环控制、
单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是一种常见的控制系统，用于控制直流电机的转速。
以下是单闭环直流调速系统的基本组成和工作原理：
基本组成：
1. 直流电机：负责将电能转换为机械能。
2. 编码器或传感器：用于测量电机的实际转速。
3. 控制器：通常使用PID控制器，根据实际转速和设定转速之间的误差进行调节。
4. 功率放大器：将控制器输出的信号放大后送至电机，控制电机的转速。
工作原理：
1. 测量阶段：编码器或传感器测量电机的实际转速，并将这个信息反馈给控制器。
2. 比较阶段：控制器将实际转速与设定的目标转速进行比较，计算出误差值。
3. 控制阶段：根据误差值，控制器通过PID算法计算出控制信号，控制电机的转速。
4. 执行阶段：功率放大器根据控制信号控制电机的转速，使实际转速逐渐接近设定转速。
调速过程：
-如果实际转速低于设定转速，控制器会增加电机的供电，使电机加速。
-如果实际转速高于设定转速，控制器会减小电机的供电，使电机减速。
-控制器通过不断地调整电机的供电，使得实际转速稳定在设定的目标转速附近。
通过单闭环直流调速系统，可以实现对直流电机转速的精确控制，广泛应用于工业生产中的传动系统、自动化设备等领域。
直流电机单闭环控制、解读
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]
单闭环直流调速系统.
精度高 开环和闭环系统的静差
是 nmax，而对最低速静差率的 要求相同，那么：
率分别为
Dop
nnom s nop (1 s)
Dcl
nnom s ncl(1 s)
scl
ncl , nocl
sop
nop n0 op
则得 Dcl (1 K )Dop
当n0op
n0cl时, 则scl
sop 1 K
（3）当要求的静差率一定 时，闭环系统可以大大提高 调速范围。
un
比较环节 Un Un* Un
电机端电压方程E U d0 Id R
放大器
Uct KpU n
测速反馈环节 U n n
触发和整流装置 U d 0 KsUct 电动机环节 E Cen
静特性方程
从上述六个关系式中消去中间变量，整理后， 即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程 式
n
K
（1）调节电枢供电电压U
（2）减弱励磁磁通
（3）改变电枢回路电阻R
➢调压调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra
n0
调节过程：
改变电压 UN Un ， n0
调速特性： 转速下降，机械特性曲 O
线平行下移。
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
➢调阻调速
它只与电枢电压Ud和I d电枢U电d阻RRaa有关。由于电枢电阻很 小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲 击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在 电压可调的场合则采用降压起动——在调速系统中如何 处理。
1-直流调速系统-单闭环
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
在假设忽略各种非线性因素等条件下，系统中各环节
的稳态关系为：
➢ 电压比较器 UnUn *Un
➢ 放大器 ➢ 晶闸管触发整流装置 ➢ 调速系统开环机械特性
➢ 测速发电机
UcKpUn
Ud0KsUc nUd0 IdR
Ce
Unn
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
Ce
转速 n 随触发角 变化， 改变 角，即可得到一簇 平行的机械特性曲线。
单闭环直流调速系统 -- 一般概念
转速控制基本要求： 1. 调速：在一定的速度范围内分级或无级调速； 2. 稳速：以一定的精度在所需转速上运行，尽量不受
负载变：频繁起动、制动的生产机械要求尽量缩
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
用阶跃函数表示晶闸管整流和触发装置的输入、输出
关系： U d0K sU c(tT s)
做拉氏变换得到晶闸管整流触发装置传递函数：
Ud0( s) Uc( s)
KseTss
因 Ts 远小于系统其它环节时间常数，故将其近似为
一阶惯性环节：
Ud0( s) Ks Uc(s) Tss1
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
由动态结构图可以得到系统开环传递函数：
W (s)C e(T ss1)K T (p m K T ss2T m s1)
假设 IdL=0 （不考虑负载变化对稳定性的影响），得
到系统闭环传递函数：
KpKs
Wcl(s)TmTTs
Ce(1K) s3Tm(TTs)s2TmTs s1
ans = 1.1695
>> syms a U2 t
单闭环直流电机调速系统课程设计
《计算机控制技术》课程设计（单闭环直流电机调速系统）摘要运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统。
在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静、动态性能。
由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，并有望在不太长的时间内取代直流调速系统，但是就目前来讲，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要方式。
在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
随着电子技术和计算机技术的高速发展，直流电动机调速逐步从模拟化走向数字化，特别是单片机技术的应用，使直流电动机调速技术进入一个新的发展阶段。
因此，本次课程设计就是针对直流电动机的起动和调速性能好，过载能力强等特点设计由单片机控制单闭环直流电动机的调速系统。
本设计利用AT89C52单片机设计了单片机最小系统构成直流电动机反馈控制的上位机。
该上位机具有对外部脉冲信号技术和定时功能，能够将脉冲计数用软件转换成转速，同时单片机最小系统中设计了键盘接口和液晶显示接口。
利用AT89C52单片机实现直流电机控制电路，即直流电动机反馈控制系统的下位机，该下位机具有直流电机的反馈控制功能，上位机和下位机之间采用并行总线的方式连接，使控制变得十分方便。
本系统能够用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节并且有速度显示电路。
本系统操作简单、造价低、安全可靠性高、控制灵活方便，具有较高的实用性和再开发性。
关键词：直流电动机AT89C52 L298N 模数转换1课题来源1.1设计目的计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性，为了使学生进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高学生运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养学生独立自主、综合分析与创新性应用的能力，特设立《计算机控制技术》课程设计教学环节。
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介绍课件
智能化：引入 人工智能技术， 实现系统的自 适应控制和自 学习能力
网络化：通过 互联网和物联 网技术，实现 远程监控和故 障诊断
集成化：将多 个子系统集成 为一个整体， 提高系统的集 成度和可靠性
节能和环保的发展趋势
01
提高能源利用率：通过优化控制策略和算法，降低能耗，提高能源利用率
02
减少污染排放：采用环保材料和工艺，减少生产过程中的污染排放
单闭环直流调速 系统介绍课件
目录
01. 单闭环直流调速系统的基本 概念
02. 单闭环直流调速系统的控制 方式
03. 单闭环直流调速系统的应用 领域
04. 单闭环直流调速系统的发展 趋势
1
单闭环直流调速 系统的基本概念
直流调速系统的组成
01
整流器：将交流 电转换为直流电
02
滤波器：去除直 流电中的交流成
04
应用场合：适用于对转速要求不高，但对响应速度要求较高的场合
电流控制方式
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
电压控制方式： 通过控制电压 来调节电流， 实现调速
电流控制方式： 通过控制电流 来调节电压， 实现调速
速度控制方式： 通过控制速度 来调节电流， 实现调速
位置控制方式： 通过控制位置 来调节电流， 实现调速
网络化：实现远程监控 和控制，提高系统的可 维护性和可扩展性
谢谢
速度控制方式
1
电压控制方式：通过调节直流电源的输出电压来控制电机的转速
2
电流控制方式：通过调节直流电源的输出电流来控制电机的转速
3
转速控制方式：通过调节电机的转速来控制电机的转速
4
位置控制方式：通过调节电机的位置来控制电机的转速
实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验
实验三-单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的本实验旨在通过实验研究单闭环不可逆直流调速系统的基本原理、调速特性和调速方法，掌握闭环调速的基本思想和方法，熟悉DC电机的调速控制原理和方法。
二、实验原理在单闭环不可逆直流调速系统中，电机的速度调节采用PID控制方式，通过控制电机的电源电压来实现调速。
具体的原理如下：1.电机的动作原理：当电枢通电后，电枢周围会产生一个磁场，同时在电枢内产生一个磁场，这两个磁场互相作用产生力矩，从而将电枢带动转动。
2.电机的调速控制：通过改变电机的电源电压来实现对电机的调速控制，电源电压越高，电机的转速越快，电源电压越低，电机的转速越慢。
而电源电压的改变通常是通过PWM调制实现的。
3.PID算法：PID控制算法采用比例、积分、微分三种控制信号结合的方式实现对电机转速的控制。
比例控制用于实时调整电机转速，积分控制用于修正电机转速下降过程中的偏差，微分控制用于提高系统的动态响应速度。
三、实验步骤1.将实验电路图搭建好，并连接好电源、电机、PWM信号发生器等模块。
2.对电机进行标定：通过对电机的空载转速和负载转速进行测量，确定电机传动系数和最大负载系数。
3.进行调速实验：通过修改PWM信号发生器的占空比来改变输入电压，从而实现对电机速度的控制。
同时通过示波器和万用表实时对电流、转速、电压等参数进行测量与记录。
4.使用PID算法对电机进行调速控制，对比比例控制、积分控制、微分控制和PID控制四种方法的效果和优缺点。
四、实验结果与分析实验中我们对电机的标定得到了电机的传动系数约为0.0134，最大负载系数为0.39。
在进行调速实验时，我们可以明显地感受到PWM信号发生器占空比的改变会对电机的转速产生影响。
同时通过测量和记录不同占空比下的电流、转速、电压等参数，我们可以得到调速系统的调速特性曲线。
通过加入PID算法，我们可以明显地感受到PID控制的稳定性和动态性，相比其他三种控制方法，PID控制能够更快速地达到稳定状态，同时产生的超调也更小。
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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
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
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
人为机械特性方程式
n Un
e n
R R T n n K K K
ad a 2 n 0 e t
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
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
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
+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
NPN
Photo
Q
4
R
P
3
C
1
C
RPot
C
Pol1
Cap
3
1
0
0
K
2.2uF
Cap
0.1uF
2.2uF
Pol1
Cap
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
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
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
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。
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！
COMPARE
unsigned compare
dataa[9..0] datab[9..0]
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。