运动控制课程设计课程设计说明书曾强.docx

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运动控制课程设计课程设计说明书曾强

课程设计说明书

课程名称:

运动控制课程设计

课程代码:

8426590

题目:

可逆直流PWM调速控制系统的仿真与设计

学生姓名:

曾强

学号:

312009080602220

年级/专业/班:

2009级自动化2班

学院（直属系）:

机械工程与自动化学院

指导教师:

杜福银

摘要

本文主要研究了利用PI控制器控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

文章对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过PI控制器对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

此外，本文中还采用了芯片L298N作为直流电机正反转调速功率放大电路的驱动模块。

另外，本系统中使用了专用芯片LM331对直流电机的转速进行测量，LM331将包含转速信息的电流频率转换为电压值，并且最终作为反馈值输入到PI调节器进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

本文还给出了PWM波控制电机的仿真结果。

关键词：

PWM信号PI控制器L298N

Abstract

ThisarticlemainlyintroducesthemethodtogeneratethePWMsignalbyusingMCS-51single-chipcomputertocontrolthespeedofaD.C.motor.Inthispaper,theprincipleofPWMsignalgenerationmethods,andhowtothroughthePIcontrollerforPWMsignaldutyratioforadjustment,soastocontroltheinputsignalarediscussedindetail.Inaddition,thispaperhasalsousedthechipL298Nasdcmotorandreversingcontrolpoweramplificationcircuitdrivermodule.Inaddition,thesystemusethespecialchipLM331todcmotorspeedmeasurement,LM331willincludespeedinformationofcurrentfrequencyconversionforvoltagevalue,andfinallyasafeedbackvalueinputtoPIregulatorforPIoperationsoastorealizethespeedcontrolofadcmotor.ThispaperalsogivesaPWMwavetocontrolthemotorsimulationresults.

Keywords:

PWMsignalPIcontrollerL298N

0、前言

现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。

在这一系统中可对生产机械进行自动控制。

随着近代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动化电力拖动正朝着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进。

以达到高速、优质、高效率地生产。

在大多数综合自动化系统中，自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。

另外，低成本自动化技术与设备的开发，越来越引起国内外的注意。

特别对于小型企业，应用适用技术的设备，不仅有益于获得经济效益，而且能提高生产率、可靠性与柔性，还有易于应用的优点。

自动化的电力拖动系统更是低成本自动化系统的重要组成部分。

在如今的现实生活中，自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，其中自动调速系统的应用则起着尤为重要的作用。

虽然直流电机不如交流电机那样结构简单、价格便宜、制造方便、容易维护，但是它具有良好的起、制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自动调速系统中的主要形式。

现在电动机的控制从简单走向复杂，并逐渐成熟成为主流。

其应用领域极为广泛，例如：

军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航等的控制；工业方面的数控机床、工业机器人、印刷机械等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的打印机、传真机、复印机、扫描仪等的控制；音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、空调等的控制。

随着电力电子技术的发展，开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流，脉宽调制技术表现出较大的优越性：

主电路线路简单，需要用的功率元件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；近年来，微型计算机技术发展速度飞快，以计算机为主导的信息技术作为一崭新的生产力，正向社会的各个领域渗透，直流调速系统向数字化方向发展成为趋势。

1、设计任务与分析：

1.1、题目名称

可逆直流PWM调速控制系统的仿真与设计（电源采用直流电源L298N）

1.2、主要内容

控制算法采用PI，完成满足一定性能指标的直流PWM调速控制系统的方案设计。

在此基础上，应用集成开发工具Protlus并结合电学知识完成相应调速控制与功放系统的电路原理设计与仿真。

1.3、设计要求

利用Protus完成控制系统与功放系统的电路原理设计，并用Protus仿真：

1）、单位阶跃响应的超调量小于20%；

2）、稳态误差为0；

利用Protus完成控制系统与功放系统的电路原理设计，并用Protus仿真。

2、设计思路分析与技术选型

2.1、PWM调速原理

脉冲宽度调制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制。

它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，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。

一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从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，比如：

电机调速、温度控制、压力控制等等。

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，并且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”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。

也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。

如下图所示：

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Va=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T是指占空比。

由上面的公式可见，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，从而达到调速的目的。

严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。

2.2电机调速控制选定

如今，电机的调速方式有多种，最常用的有以下三种方式：

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。

方案三：

采用由三极管组成的H型PWM电路。

用单片机控制三极管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。

兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。

2.3、PWM调速工作方式的选定

由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。

调脉宽的方式有三种：

定频调宽、定宽调频和调宽调频。

我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。

方案一：

采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。

方案二：

采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。

故采用方案一。

2.4、总体流程图设计

根据上面控制方式和调速方式的选择，可以设计出本实验的流程图如下：

图1、总体流程图

其中，信号输入可以采用数字的、模拟的，还可以采用CPU输出。

这里我们使用简单的电位计输出控制信号。

PI调节器整定调理给定值与输出之间的误差。

功放电路用的是集成芯片L298N。

3、电路图的具体设计

3.1、信号输入及调理电路

信号输入采用电位器输入，为0~5V直流电压。

调理电路采用PI整定法，并且在实验中，通过实验法选定PI参数：

P：

5.5，I：

4。

在Protus中的电路图如下：

图2、信号输入及调理电路

3.2、三角波发生模块

如下所示，波形发生器选择三角波，频率调节为30，幅值调节为5，生成的三角波和PI输出叠加。

图3、三角波发生电路

3.3、直流电机驱动模块

驱动电路如下所示：

图4、直流电机驱动电路

L298N可以驱动两个电机，本设计中只用到一个。

IN1、IN2用于切换电机正反转，当IN1=0，IN2=1时，电机正传；当IN1=1，IN2=0时，电机反转。

ENA输入PWM波，作为控制信号。

VCC为L298N供电电源，VS为电机的驱动电源。

电机选择的是直流电机，参数设计如下：

额定电压：

12V，绕组电阻：

12欧，绕阻电感：

100mH，每转产生脉冲：

300。

3.4、频率电压转换反馈模块

图5、频率电压转换反馈电路

这个模块要实现把电机的转速（即电流频率）转换为0~5V的电压值，再反馈回PI调节器。

查阅资料有关公式可以计算出R9=14.5k，R7=51K，R8=68K。

4、Proteus仿真图

4.1启动电机，并且给定信号为1V（即20%）的情况下的仿真结果：

图6、单位阶跃输入下产生的PWM波

图7、单位阶跃响应曲线

图8、单位阶跃下点击运行状态

从上面结果中看出，在阶跃输入下，响应的超调量为：

σ=（1.16-1）/1×100%=16%＜20%，满足超调量要求。

稳态值等于1，稳态误差为0,。

所以满足设计要求。

4.2启动电机，并且给定信号由1.25V（即20%）逐渐增加为4V（即80%），观察直流电机运行状况。

运行后，可以看到电机转速变快由20增加到80。

所以，本设计能实现电机的调速。

4.3在电机启动情况下，切换开关SW4，观察电机运行状态。

运行后，电机的转向变化，因此，本设计能实现电机的转向，满足设计要求。

5、设计总结

本实验要求使用PI控制