计算机控制技术直流电机调速控制实验报告,pid直流电机转速控制实验报告（31页）原创力文档...

课程设计

课程名称计算机控制技术

题目名称 PID 直流电机转速控制

学生学院

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

2013 年 06 月17日

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目录

一、 系统总体设计 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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二、 硬件设计 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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三、 软件设计 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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四、结果分析 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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五、实验总结及体会 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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六、附录 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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一、系统总体设计

1.1 直流电机转速开环控制与闭环控制的选取

对直流电机转速的控制有一般有两种方式，一种是开环控制，一种是闭环控制。开环控制的优点是简单、稳定、可靠。若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。缺点是精度通常较低，无自动纠偏能力；闭环控制的优点是控制的精度可以达到很高，而且对外界的干扰和系统的参数变化有很好的抑制作用，且可以通过输出反馈控制系统的控制过程。缺点是存在稳定性，振荡，超调等一系列问题，对系统的性能分析和设计远比开环控制麻烦。

经过利弊的取舍，本次试验选择的是闭环控制，因为准备应用 PID 算法控制电机的转速，故而需要有实际转速进行反馈与给定的转速形成对比，进而通过算法输出 PWM波形来控制直流电机。

既然选择了直流电机转速闭环控制，可根据反馈机制大概做出其控制模型。

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R(t) +e(t)c(t)

PID算法输出直流电机

—

测速装置

1.2 直流电机调速方式的选取

直流无刷电机由电动机、 转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。在应用实例中，磁极旋转，电枢静止，电枢绕组里的电流换向借助于位置传感器和电子开关电路来实现。电机的电枢绕组作成三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用

霍尔传感器。 3600 范围内，两两相差1200 安装，共安装三个。

为了提高电机的特性，电机采用二相导通星形三相六状态的工

作方式。开关电路采用三相桥式接线方式。

基于直流电机的特性 ,本次试验使用的是 PWM 脉宽调制方法。脉宽调制 (PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。 PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷 :模拟电路容易随时间漂移，会产

生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了 PWM 技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信

号，可以大幅度降低成本和功耗。PWM 对调速系统来说， 系统

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的响应速度和稳定精度等指标比较好 ;电枢电流的脉动量小， 容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作 ;系统的调速范围宽 ;使用元件少、线路简单。

PWM 的原理：

理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上

时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环

节的输出响应波形基本相同。 低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N 等

分，看成 N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲

代替，等幅，不等宽，中点重合，面积(冲量)相等，宽度按正弦规

律变化。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其

占空比与信号的瞬时采样值成比例。图 1 所示为脉冲宽度调制系统的

原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts 的锯齿波

发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，

否则输出 0。因此，从图 1 中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。

1.3

直流电机测速装置的选取

经过查阅了大量资料，发现目前常用的测速装置有三种。

1.3.1

直流测速发电机测速

直流测速发电机可分为励磁式和永磁式两种。励磁式由励磁绕组接成他励，永磁式采用矫顽力高的磁钢制成磁极。由于永磁式不需另加励磁电源，也不因励磁绕组温度变化而影响输出电压，故应用较广。

根据已学过的直流发电机的工作原理知，电刷两端的感应电势 ：

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Ea = Ceфn=Ke n 可知

电刷两端的感应电势与电机的转速成正比。

直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测

速。

自动控制系统对测速发动机的要求为： 1. 输出电压与转速的关系曲线为线性。 2. 输出特性的斜率要大。 3. 温度变化对输出特性的影响要小。 4. 输