直流电机的闭环调速系统设计Word格式文档下载.docx

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本次课程设计中我们采用单闭环调速系统。

原理框图如下：

输入输出

五、实验说明

在本实验中，输入端加上一定范围的电压后，通过PID控制器以控制电机带动叶轮转动，光电传感器将电机叶轮的转速转变为频率信号输出，最后经F/V转换器将频率信号转变为反映电机转动的电压信号作为反馈。

给定不同的输入电压，电动机转速将有明显的变化。

六、硬件设计

PID比例积分微分控制器

一般用到的参数是：

Kp，Ki,Kd，其转换关系如下：

Kp=Kp,Ki=Kp/Ti,Kd=Td*Kp

PID调节器分析:

1、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调节器人们又常称为PID控制器，是比例P（Proportional）、积分I（Integral）、微分D（DifferentialorDerivative）控制的简称。

在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分控制。

调节器的输出作为被控对象的输入控制量。

PID调节器的传递函数如上图所示，在式中，Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。

在PID调节器中，如何确定Kp、Ti、Td三个参数的值。

是对系统进行控制的关键。

因此，了解三参数对系统控制的影响十分必要。

2、PID控制是比例、积分、微分控制的总体，而各部分的参数KP、TI、TD大小不同则比例、微分、积分所起作用强弱不同。

在工业过程控制中如何把三参数调节到最佳状态需要深入了解PID控制中三参量对系统动态性能的影响。

以单闭环调速系统为例，讨论各参量单独变化对系统控制作用的影响。

在讨论一个参量变化产生的影响时，设另外两个参量为常数。

PID调节参数与系统时间域性能指标间关系

参数名称

上升时间

超调量

过渡过程时间

静态误差

Kp

减小

增大

微小变化

Ki

消除

Kd

《lm324引脚图》

《lm324管脚图》

《lm324原理图》

LM324的分析：

LM324为四运放集成电路，在PID调解器中得到了运用，它采用了14脚双列直插塑料进行封装。

内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。

电路功耗很小，lm324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±

1．5V～±

15V工作。

它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～Vcc。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。

每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；

Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324引脚排列见图，lm324为民品。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等特点，因此他被非常广泛的应用在各种电路

ST151

ST151实物图

ST151内部结果图

ST151分析：

单光束直射取样式光电传感器，采用高发射功率红外光电二极管和复合晶体管组成，其特点：

性能可靠；

体积小，结构简单.广泛应用于多费率电能表，IC卡电度表等各种需测量计数的场合，配套有各种遮光盘供选用，可用于判别被测物体的运动方向。

在本实验中，主要是当电机转动时产生不同频率，进而传送给光

电传感器，光电传感器产生一定的脉冲信号再传送给F/V转换器。

LM331

频率－电压变换器分析：

由LM331构成的频率－电压转换电路如图4所示，输入脉冲fi经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。

输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。

当输入脉冲的下降沿到来时，经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。

当电容CL两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。

此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。

从前面的分析可知，电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多输出电压（电容CL两端的电压）就越高，实现了频率－电压的变换。

按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压VO与fi的关系为：

VO=2.09RlRtCtfi/Rs

电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。

电阻RL和电容CL组成低通滤波器。

电容CL大些，输出电压VO的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。

这些因素在实际运用时要综合考虑。

在本次课程设计中，LM331主要是将ST151传送过来的具有一定频率的脉冲信号转换为电压，然后反馈给PID控制器。

七、实验过程：

1．查阅资料，了解PID的设计及其应用；

2.编写MATLAB程序，确定PID各个参数；

3.把数据代入SUMLINK中进行仿真，修改相关数据，得到最佳结果：

SUMLINK仿真电路图：

SUMLINK仿真结果：

4.利用节点法，确定连接电路中传递函数和电容电阻之间的关系，并和上面的传递函数对比，得到具体电容电阻的大小;

5.进行EWB仿真，根据仿真结果最后确定参数电容电阻，及其其他参数。

EWB仿真电路图如下：

EWB仿真结果图如下：

6.根据EWB仿真图连接实际电路并进行调试,解决相关问题，得到实验要求的结果。

八．设计结果及心得

输入电压改变时电机的转速会相应改变从而引起F/V转换器的接受电压也发生改变。

当输入电压为5伏时，输入电压通过PID放大控制器之后，输入电机，带动电机转动，电机转动产生一定的脉冲，输入ST151光电传感器，观点传感器产生一定的脉冲信号，通过LM331后，LM331将具有一定频率的脉冲信号转换为电压，反馈给加和器其中反馈电压为2.6伏，同时将当输入电压为12伏时反馈电压为3.2伏，这样就形成了反馈电压和输入电压的跟随，达到了对直流电机的调速的目的。

当输入电压为5伏时ST151输出频率为27HZ，当输入电压为12伏时输出电压为35HZ.