直流电机双闭环系统设计.docx
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直流电机双闭环系统设计
直流电机双闭环系统设计
院系：
机电工程学院
班级：
电气自动化一班
姓名：
学号：
1102030142
指导教师：
目录
1 引言
2调速系统的性能指标
2.1 调速系统的稳态指标
2.2 调速系统的动态性能指标
2.3 系统结构选择
3 数字直流电机调速系统的数字PID控制
3.1基于单片机控制的直流电机双闭环调速系统
3.2PID调节器的基本原理
4 总结与展望
4.1 工作总结
4.2 研究展
参考文献
直流电机双闭环系统设计
摘要
近年来，自动化控制系统在各行业中得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统作为电力拖动系统的主要方式之一，在现代化生产中起着十分重要的作用。
随着微电子技术的不断发展，计算机在调速系统中的应用使控制系统得到简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法也都分别在调速系统中得到了灵活。
以单片机为控制核心的数字直流调速系统有着许多优点：
由于速度给定和测速采用了数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速的范围，提高了测速控制系统的精度；由于硬件的高度集成化，所以使得零部件数量大大减少；由于很多功能都是由软件实现的，使硬件得以简化，因此故障率小；单片机以数字信号工作，控制方法灵活便捷，抗干扰能力较强。
关键词：
直流电动机；调速；双闭环
1 引言
按照拖动的电动机的类型来划分，自动调速系统可以分为直流调速系统和交流调速系统两大类。
由于直流电动机的电压、电流和磁通的耦合较弱，使直流电动机具有良好的运行性能和控制特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，其在20世纪70年代以来一直在高精度，大调速范围的传动领域内占据主导地位。
在要求高起、制动转矩，快速响应和较宽速度调节范围的电气传动领域中，采用直流电动机作为调速系统的执行电机。
由于直流电动机具有良好的机械特性和调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内进行平滑调速，过载能力较大，能够承受频繁的冲击负载，可以实现无级快速制动和反转，能够满足工业生产过程中的特殊运行要求，因此直流调速系统至今仍然被广泛用于自动控制要求较高的生产过程，仍然是调速系统的主要形式。
2 调速系统的性能指标
2.1 调速系统的稳态指标
调速系统稳态运行时的性能指标称为稳态性能指标，它有调速范围D和静差率s两个指标。
显然，静差率是用来衡量调速系统负载变化时转速的稳定程度，而且调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，只有同时提示才有意义。
一个系统的调速范围，是指在最低转速是还能满足静差率要求下的转速可调范围。
2.2 调速系统的动态性能指标
控制系统的动态性能指标可分为跟随性能指标和抗扰性能指标，两种响应曲线到达并不再超出允许误差带所需要的最短时间，允许误差带。
从阶跃扰动开始，到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需的最短时间间隔段称为恢复时间。
2.3 系统结构选择
若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。
若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。
得到过电流的自动保护。
显然静特性优于单闭环系统。
在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。
3直流电机双闭环控制系统
3.1基于单片机控制的直流电机双闭环调速系统
原理：
如图可以知道，这是一个闭环系统，我们借助单片机来控制，我们
现运用AD芯片，运用单片机来控制AD芯片来转换模拟电压到数字电压，AD给定的电压越大，则产生的数字量越大，单片机再控制这个数字量来产生一个PWM，PWM占空比越大，就驱动晶体管导通的时间越长，这样加到压频转换器的电压也就越大，电压越大，则压频转换器输出的计数脉冲在单位时间也就越多，这样就相当于电机的电压越大，其转速也就会越快，我们再用单片机对压频转换器的输出脉冲计数，PID调节器就把这个计数脉冲和预先设定的值进行比较，比设定值小，这样就会得到一个偏差，再把这个偏差加到AD的给定电压，这样就相当于加大了PWM的占空比，要是比设定值大，这样也会得到一个偏差，就把这个变差与给定的电压向减，这样就可以减少PWM的占空比，通过改变占空比来改变晶体管的导通时间，就可以改变压频转换器的输入电压，也就改变压频转换器的单位计数脉冲，达到调电动机速度的目的。
优点：
利用单片机控制的直流电动机调速系统与其他直流电动机控制系统相比，具有方便、可靠、易操作和系统紧凑、轻便等优点。
缺点：
使用单片机控制虽然操作简便，但是速度较之其他器件慢，而且内存也比较小。
3.2 PID调节器的基本原 理
控制器最常用的控制规律是PID控制。
常规PID控制系统原理框图如图3-1所示。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差
简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：
⑴比例环节：
成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
⑵积分环节：
主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用度强弱取决于积分时间常数T1，T1越大，积分作用越弱，反之则越强。
⑶微分环节：
能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
4总结与展望
4.1 工作总结
本设计用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器、触发器、逻辑切换单元、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。
用软件编程完成电流、转速等各项参数的计算，实现最优化调节。
通过本次毕业设计，总结出了数字调速系统具有以下主要特点：
（1）速度给定和测速采用数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，进而扩大了调速范围，提高了速度控制的精度。
（2）控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，零部件的数量和触点大大减少，而且可靠性高，可重复性好。
对于不同的控制对象和控制要求，只需要改变控制算法软件即可。
（3）数字控制系统用计算机进行数据处理和计算，系统中的控制量和反馈量都必
须根据一定的采样周期进行离散化，转换成数字信号。
（4）由于许多功能都是由软件来完成的，所以使硬件得以简化，故障率比较小。
单片机以数字信号来工作，其控制手段方便灵活，抗干扰能力强。
（5）数字控制装置具有很强的通信功能，通过现场总线可以与工业控制系统的上
4.2 研究展望
微机数字控制系统的稳定性好、可靠性高，可以提高控制性能，它将是未来调速系统的必然发展趋势。
当然，离散化和数字化的结果导致了信号在时间上和量值上的不连续，从而会引起量化误差，影响控制精度和平滑性。
数模转换器D/A和零阶保持器会提高控制系统传递函数分母的阶次，使系统的稳定裕量减小，系统性能。
随着微电子技术的进步，微处理器的运算速度不断提高，其位数也不断增加，上述两个问题的影响已经越来越小。
根据目前的发展，展望未来，全数字直流调速系统必将向着高性能高指标的方向发展，朝调试手段先进，控制、通信更加丰富的方向迈进，尤其是它的动态性能指标还可以进一步提高。
现阶段，我国还没有自主的系列的全数字化的控制系统商用，而且国外先进的进口控制器设备价格较为昂贵。
因此，研制具有自主知识产权的国产全数字化直流调速装置具有重大价值。
学习和研究国外先进的控制器，对于研制出有我国自主知识产权的控制器，具有重大的经济价值和重要而又深远的实际意义。
参考文献
[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统．北京：
机械工业出版社，2003.32-40
[2] 罗飞，郗晓田.电力拖动与运动控制系统.北京：
化学工业出版社，2007.111-122.
[3] 余发山，郑征.自动控制系统.徐州:
中国矿业大学出版社，2005.94-165
[4] 李正熙，白晶．电力拖动自动控制系统．北京：
冶金工业出版社，2000.12-21
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