直流电动机调速硬件设计1.docx
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直流电动机调速硬件设计1
论文题目：
直流电动机调速器硬件设计
专业：
自动化
本科生：
刘小煜（签名）＿＿＿＿
指导教师：
胡晓东（签名）＿＿＿＿
直流电动机调速器硬件设计
摘要
直流电动机广泛应用于各种场合,为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。
该实验中搭建了基于C8051F020单片机的转速单闭环调速系统，利用PWM信号改变电动机电枢电压，并由软件完成转速单闭环PI控制，旨在实现直流电动机的平滑调速，并对PI控制原理及其参数的确定进行更深的理解。
实验结果显示，控制8位PWM信号输出可平滑改变电动机电枢电压，实现电动机升速、降速及反转等功能。
实验中使用霍尔元件进行电动机转速的检测、反馈。
期望转速则可通过功能按键给定。
当选择比例参数为0.08、积分参数为0.01时，电机转速可以在3秒左右达到稳定。
由实验结果知，该单闭环调速系统可对直流电机进行调速，达到预期效果。
关键字：
直流电机，C8051F020，PWM，调速，数字式
Subject:
HardwareDesignofSpeedRegulatorforDCmotor
Major:
Automation
Name:
XiaoyuLiu（Signature）＿＿＿＿
Instructor:
XiaodongHu（Signature）＿＿＿＿
HardwareDesignofSpeedRegulatorforDCmotor
Abstract
Thedcmotorisawidelyusedmachineinvariousoccasions.Thespeedregulaitingsystermisusedtosatisfytherequirementthatthespeedofdcmotorbecontrolledoverarangeinsomeapplications.Inthisexperiment,thedigitalClose-loopcontrolsystermisbasedonC8051F020SCM.ItusedPIregulatorandPWMtoregulatethespeedofdcmotor.Themethodofspeedregulatingofdcmotorisdiscussedinthispaperand,makeadeepunderstandingaboutPIregulator.Accordingtoexperiment,thearmaturevoltagecanbecontrolledlinearnizedwithregulatingthe8bitPWM.Sothedcmotorcanaccelerateordecelerateorreverse.Inexperiment,hallcomponentisusedasadetectorandfeedbackthespeed.Theexpectingspeedcanbegivenbykey-press.WithusingthePIregulator,thedcmotorwillhaveastablespeedintensecondswhenchoosePvalueas0.8andIvalueas0.01.Atlast,theexperimentshowsthatthespeedregulatingsystermcanworkasexpected.
Keywords:
dcmotor,C8051F020,PWM,speedregulating,digital
第一章绪论
1.1直流调速系统发展概况
在现代工业中，电动机作为电能转换的传动装置被广泛应用于机械、冶金、石油化学、国防等工业部门中，随着对生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
在可调速传动系统中，按照传动电动机的类型来分，可分为两大类：
直流调速系统和交流调速系统。
交流电动机直流具有结构简单、价格低廉、维修简便、转动惯量小等优点，但主要缺点为调速较为困难。
相比之下，直流电动机虽然存在结构复杂、价格较高、维修麻烦等缺点，但由于具有较大的起动转矩和良好的起、制动性能以及易于在宽范围内实现平滑调速，因此直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式。
直流调速系统的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。
正是这些技术的进步使直流调速系统发生翻天覆地的变化。
其中电机的控制部分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统，并正向全数字控制方向快速发展。
电动机的驱动部分所用的功率器件亦经历了几次更新换代。
目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。
功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。
脉宽调制控制方法在直流调速中获得了广泛的应用。
1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把PWM技术应用到电机传动中从此为电机传动的推广应用开辟了新的局面。
进入70年代以来，体积小、耗电少、成本低、速度快、功能强、可靠性高的大规模集成电路微处理器已经商品化，把电机控制推上了一个崭新的阶段，以微处理器为核心的数字控制（简称微机数字控制）成为现代电气传动系统控制器的主要形式。
PWM常取代数模转换器（DAC）用于功率输出控制，其中，直流电机的速度控制是最常见的应用。
通常PWM配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。
在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。
目前，电机调速控制模块主要有以下三种：
（1）、采用电阻网络或数字电位器调整直流电机的分压，从而达到调速的目的；
（2）、采用继电器对直流电机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整；
（3）、采用由IGBT管组成的H型PWM电路。
用单片机控制IGBT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。
1.2国内外发展概况
1.2.1国内发展概况
我国从六十年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统开始得到迅速的发展和广泛的应用。
用于中、小功率的0.4～200KW晶闸管直流调速装置已作为标准化、系列化通用产品批量生产。
目前，全国各大专院校、科研单位和厂家都在进行数字式直流调速系统的开发，提出了许多关于直流调速系统的控制算法：
（1）、直流电动机及直流调速系统的参数辩识的方法。
该方法据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统环节的内部参数。
所获得的参数具有较高的精度，方法简便易行。
（2）、直流电动机调速系统的内模控制方法。
该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。
（3）、单神经元自适应智能控制的方法。
该方法针对直流传动系统的特点，提出了单神经元自适应智能控制策略。
这种单神经元自适应智能控制系统不仅具有良好的静、动态性能，而且还具有令人满意的鲁棒性与自适应性。
（4）、模糊控制方法。
该方法对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。
经1.5kw电机实验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。
上诉的控制方法仅是直流电机调速系统应用和研究的一个侧面，国内外还有许多学者对此进行了不同程度的研究。
1.2.2国外发展概况
随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究也在不断发展和完善，尤其80年代在这方面的研究达到空前的繁荣。
大型直流电机的调速系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究，提出了内模控制算法、I-P控制器取代PI调节器的方法、自适应和模糊PID算法等等。
目前，国外主要的电气公司，如瑞典ABB公司，德国西门子公司、AEG公司，日本三菱公司、东芝公司、美国GE公司等，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。
如西门子公司生产的SIMOREG-K6RA24系列整流装置为三相交流电源直接供电的全数字控制装置，其结构紧凑，用于直流电机电枢和励磁供电，完成调速任务。
设计电流范围为15A至1200A，并可通过并联SITOR可控硅单元进行扩展。
根据不同的应用场合，可选择单象限或四象限运行的装置，装置本身带有参数设定单元，不需要其它任何附加设备便可以完成参数设定。
所有控制调节监控及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值和反馈值为数字量或模拟量。
1.2.3总结
随着生产技术的发展，对直流电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面都提出了更高的要求，这就要求大量使用直流调速系统。
因此人们对直流调速系统的研究将会更深一步。
1.3本课题研究目的及意义
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。
因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。
随着单片机的发展，数字化直流PWM调速系统在工业上得到了广泛的应用，控制方法也日益成熟。
它对单片机的要求是：
具有足够快的速度；有PWM口，用于自动产生PWM波；有捕捉功能，用于测频；有A/D转换器、用来对电动机的输出转速、输出电压和电流的模拟量进行模/数转换；有各种同步串行接口、足够的内部ROM和RAM，以减小控制系统的无力尺寸；有看门狗、电源管理功能等。
因此该实验中选用Cygnal公司的单片机C8051F020。
通过设计基于C8051F020单片机的直流PWM调速系统并调试得出结论，在掌握C8051F020的同时进一步加深对直流电动机调速方法、PI控制器的理解，对运动控制的相关知识进行巩固。
1.4论文主要研究内容
本课题的研究对象为直流电动机，对其转速进行控制。
基本思想是利用C8051F020自带的PWM口，通过调整PWM的占空比，控制电机的电枢电压，进而控制转速。
系统硬件设计为：
以C8051F020为核心，由转速环、显示、按键控制等电路组成。
具体内容如下：
（1）、介绍直流电动机工作原理及PWM调速方法。
（2）、完成以C8051F020为控制核心的直流电机数字控制系统硬件设计。
（3）、以该系统的特点为基础进行分析，使用PWM控制电机调速，并由实验得到合适的PI控制及相关参数。
（4）、对该数字式直流电动机调速系统的性能做出总结。
第二章直流电动机调速器工作原理
2.1直流电机调速方法及原理
直流电动机的转速和各参量的关系可用下式表示：
由上式可以看出，要想改变直流电机的转速，即调速，可有三种不同的方式：
调节电枢供电电压U，改变电枢回路电阻R，调节励磁磁通Φ。
3种调速方式的比较表2-1所示.
表2-13种电动机调速方式对比
调速方式和方法
控制装置
调速范围
转速变化率
平滑性
动态性能
恒转矩或恒功率
效率
改变电枢电阻
串电枢电阻
变阻器或接触器、电阻器
2:
1
低速时大
用变阻器较好
用接触器、电阻器较差
无自动调节能力
恒转矩
低
改变电枢电压
电动机-发电机组
发电机组或电机扩大机（磁放大器）
10:
1～20:
1
小
好
较好
恒转矩
60%～70%
静止变流器
晶闸管变流器
50:
1～100:
1
小
好
好
恒转矩
80%～90%
直流脉冲调宽
晶体管或晶闸管直流开关电路
50:
1～100:
1
小
好
好
恒转矩
80%～90%
改变磁通
串联电阻或可变直流电源
直流电源变阻器
3:
1
～
5:
1
较大
差
差
恒功率
80%～90%
电机扩大机或磁放大器
好
较好
晶闸管变流器
好
由表2-1知，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最佳，而变电枢电压调速方法亦是应用最广的调速方法。
2.2直流电机PWM（脉宽调制）调速工作原理
在直流调速系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。
在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。
在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上的压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管导通还是关断，输出晶体管中的功耗都是很小的。
一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。
PWM脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得获得所需要波形（含形状和幅值）的技术。
根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：
相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、非线性控制PWM，谐振软开关PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、空间电压矢量控制PWM。
利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制原理图及输入输出电压波形如图2-1、图2-2所示。
当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由电压
。
秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。
秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2-2所示。
电动机的电枢绕组两端的电压平均值
为：
式2-1
式中
——占空比，
占空比
表示了在一个周期
里，开关管导通的时间与周期的比值。
的变化范围为0≤
≤1。
由式2-1可知，当电源电压
不变的情况下，电枢的端电压的平均值
取决于占空比
的大小，改变
值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
在PWM调速时，占空比
是一个重要参数。
以下是三种可改变占空比的方法：
（1）、定宽调频法:
保持
不变，改变
，从而改变周期
（或频率）。
（2）、调宽调频法：
保持
不变，改变
，从而改变周期
（或频率）。
（3）、定频调宽法：
保持周期
（或频率）不变，同时改变
、
。
前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此应用较少。
目前，在直流电动机的控制中，主要使用第3种方法。
图2-1PWM调速控制原理
图2-2输入输出电压波形
产生PWM控制信号的方法有4种，分别为：
（1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。
它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。
（2）、软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。
这种方法要占用CPU大量时间，需要很高的单片机性能，易于实现，目前也逐渐被淘汰。
（3）、专用PWM集成电路
从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。
这些芯片除了由PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。
在单片机控制直流电动机系统中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作也更可靠。
（4）、单片机PWM口
新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。
单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只能在改变占空比时CPU才进行干预。
其中常用后两中方法获得PWM信号。
实验中使用方法（4）获得PWM信号。
2.3转速负反馈单闭环直流调速系统原理
2.3.1单闭环直流调速系统的组成
只通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的，称为开环调速系统。
但开环直流调速系统具有局限性：
（1）、通过控制可调直流电源的输入信号
，可以连续调节直流电动机的电枢电压
，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，在启动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电机额定电流，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过流而烧毁。
因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。
（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。
因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。
（3）、开环系统对于负载扰动是有静差的。
必须采用闭环反馈控制消除扰动静差
为克服其缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统，方框图如图2-3所示。
在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。
利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。
因此，带输出量负反馈的闭环控制系统能提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。
图2-3闭环系统方框图
对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。
在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与输出量——转速成正比的负反馈电压
，与转速给定电压
进行比较，得到偏差电压
，经过放大器A，产生驱动或触发装置的控制电压
，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统，如图2-4所示。
图2-4转速负反馈单闭环直流调速系统静态框图
2.3.2速度负反馈单闭环系统的静特性
由图2-4，按照梅森公式可以直接写出转速给定电压Un*和负载扰动电流IL与转速n的关系式如下：
式2-2
其中,闭环系统的开环放大系数为：
式2-3
开环系统的负载速降为：
式2-4
由式2-2闭环时的负载速降为：
式2-5
上式表明采用速度闭环控制后，其负载速降减小了（1+Kol）倍，使得闭环系统的机械特性比开环时硬得多；因而，闭环系统的静差率要小得多，可以大大增加闭环系统的调速范围。
2.3.3转速负反馈单闭环系统的基本特征
转速负反馈单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下基本特征，也是反馈控制的基本规律。
（1）、具有比例放大器的单闭环调速系统是有静差的。
由式2-4中可以看出，闭环系统中的开环放大系数K值对系统的稳态性能影响很大。
K越大，稳态速降越小，但当放大器只是比例放大器时，只有当K=∞才能使
=0，显然不可能实现，因此，稳态速降只能减少而不可能消除。
这样的调速系统属于有静差调速系统，简称有差系统，而这种系统正是依靠偏差来保证实现控制作用的。
（2）、具有较强的抗干扰性能
反馈闭环系统具有很好的抗扰性能，对于作用在被负反馈所包围的前向通道上的一切扰动都能有效地抑制。
除给定信号外，作用在控制系统上一切能使输出量发生变化的因素都叫做“扰动作用”。
除了负载扰动所引起的稳态速降之外，还有许多因素会引起电动机转速的变化。
而所有被反馈环所包围的加在闭环系统前向通道各环节上的扰动作用对输出量的影响都会受到反馈控制的抑制。
这一性质是闭环自动控制系统最突出的特征。
（3）、对给定信号和检测装置中的扰动无能为力
在闭环调速系统中，给定作用如果由细微的变化，输出转速就会立即随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。
如果给定电源发生了不应有的波动，则输出转速也要跟着发生变化，反馈控制系统无法区分是正常的调节给定电压还是给定电源的变化。
因此，闭环调速系统的精度依赖于给定稳压电源的精度。
此外，闭环控制系统对于检测装置本身的误差也是无法克服的。
对于调速系统来说，如果测速发电机励磁发生变化，也会引起反馈电压
的改变，通过系统的调节作用，使电动机转速偏离原应保持的数值。
因为实际转速变化引起的反馈电压
的变化与其他因素（如测速机励磁变化、换向纹波、安装不良造成的转子和定子间的偏心）引起的反馈电压
的变化，反馈控制也是区分不出来的。
因此，闭环控制系统的精度还依赖于反馈检测装置的精度。
2.3.4转速负反馈单闭环系统的局限性
（1）、响应速度慢
由于电气的时间常数一般较大，使得Rn（s）的调节作用要经过的延时才能产生相应的电枢电流Id（电磁转矩Te），调节转速偏差，使转速调节的速度受到限制。
（2）、抗扰性能差
主要是当可调直流电源参数发生扰动时，例如电网电压变化会引起电源放大倍数Ks的变化；或者相控整流电源电流断续时使得电源放大倍数Ks和电枢电阻等效大幅变化，使得闭环系统的开环传递函数发生变化。
严重时会导致闭环系统不稳定。
（3）、电枢电流动态过冲大
由于电枢的大惯性，在动态过程中很容易发生电枢电流大幅过冲，对电动机和直流电源的安全运行不利。
因此，工程中为改善转速单闭环的动、静态性能而加入电流环，构成转速、电流双闭环调速系统。
增设电流内环后，带来下列好处：
（1）、电枢电流的快速变化不再受大的电气时间常数的限制，使响应速度更快。
（2）、在电流内环前向通道中的各种扰动量，都会被有效抑制。
（3）、使得系统抗电网电压扰动的能力更强，也使得电枢电流断续引起的系统非线性不再会威胁闭环系统的稳定性。
（4）、利用转速调节器的输出限幅特性，可自然实现“电流截止特性”。
但负载电流扰动在电流闭环之外，因此电流内环对改善系统的抗负载扰动特性的作用是有限的。
但在实验过程中考虑到电流量不容易检测并反馈，鉴于实验人员能力有限而将系统设计为转速负反馈单闭环系统。
2.4采用PI调节器的单闭环无静差调速系统
前面所述的单闭环调速系统采用的是比例调节器，其控制作用需要用偏差来，只能减少静差，但不能消除静差。
对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。
采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且足够的稳定欲量，并改善动态性能，实现无静差调速。
图2-5为单闭环调速系统的动态结构图。
利用结构图的运算法则，可以得到采用不同的调节器时，输出量
与扰动量
之间的关系如下。
（1）、当采用比例调节器时，得式2-5：
（2）、当采用比例积分调节器时，调节器的传递函数分别为
得到负载扰动引起的稳态速度偏差为：
式2-6突加负载使，
，利用拉氏变换的终值定理可以求出负载扰动引起
的稳态误差为：
因此，比例积分控制的调速系统为无静差系统。
但如果积分环节出现在扰动点以后，它对消除静差是无能为力的。
另外，采用比例积分控制的单闭环无静差调速系统，只是在稳态时无差，动态还是有差的。
在整个调节过程中，比例部分在开始和中间阶段起主要作用，在
的作用下，PI调节器立即输出比例调节部分
使晶闸管整流输出电压
出现，阻值转速n的继续下降，帮助转速的顺利回升，随着转速接近稳态值，比例部分作用变小。
积分部分在调节过程的后期起主要作用，而且依靠它最后消除转速偏差。
在动态过程中最大的转速降落
叫做动态速降（如
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