直流电机转速控制系统设计开发资料Word文档下载推荐.docx

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Intheageofelectricitytoday,motorhasbeeninthemodernizationofproductionandlifeplaysaveryimportantrole.Dcmotorofthestructureiscomplex,highcost,operationandmaintenancedifficultiesinspeedcontrol,dcmotorofthesteadyspeedindexgenerallydifficulttomeetrequirements.Aimingatthecharacteristicsofdcmotor,accordingtoautomaticcontrolprinciple,adoptPWMcontrolmode,thedesigndcpulse-widthspeedregulationsystemtobettercontroldcmotorspeed.

Thissystemdesignedto89S52microcontrollerascontrolcore,insmalldcmotorforcontrolobject,realizesingleclosed-loopcontrolspeedcontrol,usekeyboardinputrelevantcontrolsignalandparameters,USESthemonolithicinterfaceoutputPWMpulseandHbridgedrivingcircuitcontroldcmotorsudoku,realizethemotorspeedregulation,andturnandusephotoelectricswitchdetectionmotorspeed,thereal-timedisplayinLEDrelatedparameters.

Thissystemsoftwarepartadoptsmodularthought,firstdrawthemainmodule,namelythemainprogrammodule,buttonsscanningmodule,interrupthandlingmoduleandPIDalgorithmmodules,andthenusingtheflowdiagramwritteninClanguageprogram,andthentherelevantdebugging,makeitscompletecorrespondingfunction.

Finallythroughsystemtest,motorafterabout5secondsinastablecondition,notappearexcessiveovershootorowetone.Steady-stateerrorofplusorminus3,speedinturn/SEC.Becausespeedmeasurementdevice,shakingarisingfromthemeasuredvalueswillaccidentallyerrorsoccur,makemotorcanappearsometimesspeedmoments,butnotsurgingorslumpcausedsystemdysregulation,thesystemwillautomaticallyadjustspeed,quicklyagainreachstablestate.

Keywords：

SCMDC-motorspeedmodificationPWMPIDcontrol

前言

直流电机是最常见的一种电机，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等各个领域中得到了广泛的应用。

与交流电机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护困难。

但是直流电机具有良好的调速性能、较大的起动转矩和过载能力强等许多优点。

因此在许多行业中仍有应用，因此具有很好的发展前景。

工业生产中，电机转速的检测与控制占有很大的比重，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响，因此具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。

在对电动机转速检测的过程中单片机和传感技术的应用目前已经相当重要和成熟。

单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，广泛应用于工业控制、智能化仪器仪表、家用电器以及过程控制方面，甚至电子玩具等各个领域，单片机都扮演着越来越重要的角色。

它具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。

采用单片机技术对电动机参数进行高精度测量，既简单易行、开发方便，同时又能实现电机运行参数的在线检测，对提高电机的运行，改善其性能起到一定的作用。

在与单片机相结合的应用中，传感、检测和电子测量技术也是影响自动控制系统相当重要的因素，传感器件在信息采集和传输的准确度及即时性对于采用自动检测系统进行实时测量和分析产品性能有着至关重要的作用，可以说现代感测技术中传感器件的精度是保证产品性能和质量的重要环节。

本设计就是要以单片机为核心部件，可对直流电机的转向和转速进行设定，并利用PID调节使直流电机的转速的趋于设定值，并在数码管实时显示转速。

本设计包括对硬件电路和软件系统的设计。

通过这种方式达到对相关知识的系统掌握，并加强实际动手能力，做到理论与实际相结合。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。

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，通过各种方法对直流电机转速系统的研究，对提高直流电机转速控制系统的精度起着至关重要的作用。

1.直流电机概述

1.1直流电机的主要结构

如图1.1所示是一台小型直流电机的结构剖面图,它是由定子和转子两部分组成，

还有一部分是气隙，图中各个数字标号对应直流电机的一部分结构，1—换向器；

2—电刷装置；

3—机座；

4—主磁极；

5—换向极；

6—端盖；

7—风扇；

8—电枢绕组；

9—电枢铁心。

主要组成部分简述如下：

1.1直流电机结构图

1.1.1定子部分

（1）主磁极主磁极的作用是在气隙中建立磁场,它包含主极铁芯和励磁绕组两部分。

在直流电机中,主磁铁也可以采用永久磁铁,它不需要励磁绕组,叫做永磁直流电机。

（2）换向极换向器又叫附加极,装在相邻磁铁之间的几何中心线,其作用是改善直流电机的换向。

换向极也由换向及铁芯和换向极绕组两部分组成.换向极绕组须与电枢绕组串联。

在1KW以下的容量直流电机中,有时换向极的数目只有主铁极的一半,或不装换向极。

（3）机座直流电机的机座既是磁的通路又起固定的作用,因此要求机座既要导磁面积,又要有足够的机械强度和刚度.对于换向要求很高的电机,机座可以用薄钢板冲片叠压而成。

（4）电刷装置电刷与换向器相配合,起到整流或逆变器。

1.1.2转子部分

（1）电枢铁芯电枢铁芯是电机主磁路的一部分,而且用来嵌置电枢绕组.为了减少电枢旋转时电枢铁芯中损耗,电枢铁芯通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘的硅钢片叠加而成。

（2）电枢绕组电枢绕组是用来产生感应电动势和电磁转矩,实现机电能量转换的关键部件.现代直流电机的电枢,在其圆周上均匀地分布有许多个线圈,每个线圈可以单匝也可以多匝,称为元件.每个元件的两个有效边分别嵌放在相隔一定槽数的电枢铁芯的两个槽中.每个元件的首端与尾端,按一定的规律分别与换向器上的两个换向片相连。

（3）换向器换向器的作用是在电刷见得到直流电动势,并保证每个磁极下电枢导体电流方向不变,以产生恒定方向的电磁转矩.电枢绕组有许多元件而组成而每个元件的两个引出端分别连结两片换向片,换向器有许多彼此互相绝缘的铜片组成。

1.1.3气隙

气隙是定子磁极和电枢之间自然形成的间隙,它是主磁路的一部分,气隙中的磁场的电机进行电能转换的媒介,气隙的大小对电机的运行有很大的影响.小容量直流电机的气隙约1~3mm,大容量电机的气隙可达几毫米。

1.2直流电机的特性

直流电机的基本工作原理，如下所述：

图1.2直流电机工作模型

如图1.2所示，是一个直流发电机的工作模型，图中N，S是两个在空间固定不动的磁极，abcd是一个装在可以转动的铁磁圆柱体上的线圈（合称线圈）；

线圈的首，末端分别连接到与电枢同轴旋转的两个圆弧形铜片（称为换向片）上，换向片之见及换向片与转轴之间是互相绝缘的；

A和B是两个与换向片相接触，但在空间上静止不动的铜片（称为电刷），从电刷A，B引出即可对负载供电。

绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。

N、S为—对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁），两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。

当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。

若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。

种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。

显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。

为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，这且和电枢一起旋转。

换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。

装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。

电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。

这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。

这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。

这就是直流电动机的工作原理．

1.3本章小结

本系统是设计直流电机的转速控制系统，因此我们首先应该对直流电机的相关知识有一个比较全面的认识了解，通过对直流电机的学习了解，使我对直流电机有了更进一步的熟悉，特别是对直流电机的工作原理有了一个比较深入的认识，使得我对设计也会更加的有帮助，也加深了我对设计本系统设计意义认识。

2.PWM控制和PID调节

2.1PWM控制

PWM（PulseWidthModulation）——脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的PWM控制技术。

PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

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。

PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内"

接通"

和"

断开"

时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的"

占空比"

来改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。

简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何适合，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。

电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的，通的时候即是直流供电被加到负载上去，断的时候即是供电被断开。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

采样控制理论中有一个重要结论：

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。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。

知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。

一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。

对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；

电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。

占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率，设电机始终接通电源时，设占空比为

D=t1／T①

以上公式中t1为高电平时间，T为PWM周期。

当我们改变当我们改变占空比D=t1／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd,严格地讲平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。

PWM特点：

（1）主电路简单，所用功率元件少，且工作于开关状态，因此电路的导通损耗小，装置效率比较高。

（2）采用功率比较小的底惯量电机时具有高的定位速度和精度。

（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。

（4）响态性能好，抗干扰能力强。

2.2PID调节

当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。

反馈理论的要素包括三个部分：

测量、比较和执行。

测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。

这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。

PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ki和Kd）即可。

在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

PID是周期性地控制操作。

假定控制器的执行频率足够高，以使系统得到真确控制。

误差信号是通过将被控参数的期望设定值减去该参数的实际测量值来获得的。

误差的符号表明控制输入所需的变化方向。

（1）P项（比例）

由误差信号乘以一个P增益因子形成，使PID控制响应为误差幅值的函数。

当误差信号增大时，控制器的P项将变大以提供更大的校正量。

（2）I项（积分）

对全部误差信号进行连续积分。

因此，小的静态误差随时间累计为一个较大的误差值。

累计误差信号乘以一个I增益因子即成为PID控制器的I输出项。

（3）D项（微分）

D项输入是计算前次误差值与当前误差值的差来获得的。

该误差乘以一个D项增益因子即成为D输出项。

系统误差变化的越快，控制器的D项将产生更大的控制输出。

PID控制具有以下优点：

（1）应用范围广。

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

（2）参数较易整定。

也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。

如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

PID调节中参数的选择方法：

在数字PID控制中，如果采样周期选得比较小，则PID控制参数Kp、Ki和KD可按模拟PID控制器中的方法来选择。

在对电动机控制中，首先要求系统是稳定的，在给定值变化时，被控量应能迅速、平稳地跟踪，超调量要小。

在各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。

另外，控制变量不宜过大，以避免系统过载。

显然，上述要求要都满足是很困难的，因此，必须根据具体的实际情况，抓主要方面，兼顾其他方面。

在选择控制器参数前，应首先确定控制器结构。

对于电动机控制系统，一般常用PI或PID控制器接口，以保证被控系统的稳定，并尽可能清楚静态误差。

PID参数的选择有两种可用方法：

理论设计法和试验确定发。

理论设计法确定PID控制参数的前提，是要有被控对象准确的数学模型，这在电动机控制中往往很难做到。

因此，用下列试验确定法来选择PID控制参数，就成为目前经常采用的，并且是行之有效的方法,称作试凑法。

凑试法是通过模拟或闭环运行系统，来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响，来改变参数，反复凑试，直到认为得到满意的响应为止。

凑试前，要先了解PID控制器参数值对系统的响应有哪些影响。

增大比例系数Kp，可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；

但是，过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。

增大积分常数Ki，会有利于减少超调，减少振荡，使系统更稳定；

但系统静态误差的消除将随之减慢。

增大微分常数Kd，也可以加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加；

但系统的抗干扰能力降低。

在考虑了以上参数对控制过程的影响后，凑试时，可按先比例—后积分—再微分的顺序反复调试参数。

具体步骤如下：

首先只调节比例部分，将比例系数由小变大，并观察系统所对应的响应，知道得到响应快，超调量小的响应曲线为止。

如果这时系统的静态误差已在允许范围内，并且达到1/4衰减度的响应曲线（最大超衰减到1/4时，已进入允许的静态误差范围），那么只需用比例环节即可，比例系数可由此确定。

如果在比例调节的基础上，系统的静态误差还达不到设计要求，则必须加入积分环节。

积分常数在凑试时，先给一个较大值，并将上一步调整时获得的比例系数略微减少（例如取原值的80%），然后逐渐减少积分常数进行凑试，并根据所获得的响应曲线进一步调试比例系数值和积分常数值，直到消除静态误差，并且保持良好的动态性能为止。

如果使用比例积分环节虽然消除了静态误差,但系统的动态性能仍不能令人满意,这时可加入微分环节。

在凑试时，可先给一个很小的微分常数，以后逐渐增大，同时响应地改变比例系数和积分常数，知道获得满意的效果为止。

2.3本章小结

本章通过对PWM控制的学习了解，让我对PWM的基本原理有了一个大致的了解，对于PWM的控制技术有了进一步的认识，也熟悉了输出的PWM是怎样去控制直流电机的转速。

通过对PID控制器的学习，我对PID调节有了一个更加深入的了解，对PID的各项参数，即比例项，积分项和微分项各自对调节对象所起到的明确作用有了一定的掌握，并且学会了用有效地方法，试凑法来确定PID的控制参数，从而达到利用PID算法提高电机转速的控制精度。

本设计主要就是利用PID调节来控制电机转速的精度，因此对PID控制算法的了解学习，加强了完成本系统设计的信心。

3.系统方案论证

3.1系统结构方案论证

方案一：

采用一片单片机（AT89S52）完成系统所有测量、控制运算，并输出PWM控制信号。

方案二：

采用两片单片机（AT89S52）,其中一片做成PID控制器，专门进行PID运算和PWM控制信号输出；

另一片则作为系统主芯片，完成电机速度的键盘设定、测量、显示，并向PID控制器提供设定值和测量值，设定PID控制器的控制速度。

方案一的优点是系统硬件简单，结构紧凑。

但是其造成CPU资源紧张，程序的多任务处理难度增大，不利与提高和扩展系统性能，也不利于向其他系统移植。

方案二则与方案一相反，虽然硬件增加，但在程序设计上有充分的自由去改善速度测量精度，缩短测量周期，优化键盘，显示及扩展其它功能。

与此同时，PID控制算法的实现可以更加精确，对程序算法或参数稍加改动即可移植到其他PID控制系统中。

因此通过比较，显然方案二更加好，但是由于就我而言，不用去考虑的那么复杂，只要能够满足要求，应使系统结构简单，且更为经济，方案一已经可以满足所实现的功能，所以我选择方案一。

3.2转速测量方案论证

采用记数的方法。

具体是通过单片机记录单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速：

M=N/S×

60。

方案二：

采用定时的方法。

是通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：

M=60/T。

比较两个方案，方案一的误差主要是±

1误差（量化误差），设电机的最低设计转速为120转/分，则记数时间S=1s，所以其误差得绝对值|γ|=|（N±

1）/S×

60-N/S×

60|=60（转/分），误差计算公式表明，增大记数时间可以提高测量精度，但这样做却增大了速度采样周期，会降低系统控制灵敏度。

而方案二所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差γ=[60/（T±

1）-60/T]，设电机速度在120—6000转/分之间，那么0.01s≤T≤0.5s，代入公式得：

0.00024≤|γ|≤0.6（转/分）。

由此明显看出,方案二在测量精