直流电机调速设计.docx
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直流电机调速设计
毕业设计
课题名称：
直流电机的调速系统设计
设计时间：
2009年12月
系部：
电子信息工程系
班级：
**************
姓名：
********
指导老师：
********
一、设计要求
利用PID控制器、光电传感器及F/V转换器设计直流电机的闭环调速系统。
2、设计方案分析
器材：
电路板、PID控制器、小型直流电机、
LM331、ST151各一片
电阻、电容若干、导线、LM324若干
原理框图：
输入输出
注：
1.输入电源信号与反映电机转速变化的电压信号的反馈调节电压信号，作为共同输入，通过PID控制器调节，驱动电机工作。
2.电动机转动叶轮，叶轮通过转动在光电传感器处产生脉冲信号并输入给F/V转换器；F/V转换器将频率信号转换为电压信号，将此作为反馈信号然后通过PID控制器对输出电压进行校正。
四、硬、软件设计及背景知识介绍
PID比例积分微分控制器
1、PID控制器的简单介绍
PID是比例P（Proportional）、积分（Integral）、微分D（DifferentialorDerivative）控制的简称。
在PID调节器作用下，我们可以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调节器的传递函数和电路连接如下图所示，在式中，Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。
PID传递函数：
PID电路连接：
2、PID控制器参数的确定
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参数对系统的影响：
通过仿真PID控制器参数确定如下
KP=20TI=0.5TD=0.1
PID参数的确定的详细步骤：
见附件《基于MATLAB仿真下PID参数整订》
LM324放大器
LM324为四运放集成电路，它采用了14脚双列直插塑料进行封装。
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管脚图
在电路设计时，将F/V转换器LM331输出的电压反馈信号经Lm324放大反馈到电路中；4和11管脚分别接+12V,-12V电源。
光电转换器ST151
光电转换器ST151是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，性能可靠；体积小，结构简单.多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。
ST151实物图ST151内部结果图
在本实验中，当电机驱动转动叶轮时，通过光电传感器将光信号转换为具有一定频率的脉冲信号，再将该脉冲信号传送给F/V转换器LM313。
频率－电压变换器LM331
LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。
它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。
LM331双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图1所示。
Lm331逻辑框图
Lm331各引脚功能说明如下:
脚1为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;
脚2为输出端脉冲电流幅度调节,RS越小,输出电流越大;
脚3为脉冲电压输出端,OC门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4为地;
脚5为单稳态外接定时时间常数RC;
脚6为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw;
脚7为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;
脚8为电源Vcc,正常工作电压范围为4～40V。
线性度好,最大非线性失真小于0.01%,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。
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。
在本次实验中，F/V转换器LM331是将ST151传送过来的具有一定频率的脉冲信号转换为电压，通过调节电路，最后反馈给PID控制器。
5、测试数据及设计结果：
当输入电压时，输入电压通过PID放大控制器之后，输入电机，带动电机转动，电机转动通过ST151光电传感器产生具有一定频率的脉冲信号，脉冲信号通过LM331将具有一定频率的脉冲信号转换为电压，反馈给减法器，形成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。
六、调试中出现的错误及解决方法
帖东杰（06081128）
这此实习，我遇到很多问题，也学到很多东西。
首先，是关于建模的事，刚开始不知道什么是建模，更不知道如何建模。
在网上搜，说了一些关于simulink建模，自己仔细看了看，觉得这要用到各种器件的参数，但老师并没有给出，所以我想建模是不够现实的。
老师验收时，重新给了一种建模的方法，才解决了自己心里建模的问题。
其次，就是LM324的双极性问题，因为PID出来时偏差，偏差有正有负，所以，担心输出会出现负电压，所以11引脚必须接负电源，平时我用LM324时，11引脚接的都是负5伏电压或者地，但给的器件不能提供负5伏。
自己在网上搜了一些关于LM324的资料，才把这个问题弄明白了，决定LM324接正负12伏电源。
再次，就是LM324的输入高阻抗问题，输入电压时，不能输入到LM324中，我当时，想通过上拉来解决的，但最终没有效果。
通过老师的帮助后，知道接LM324的电阻值太小了，以至于不能输进电压，于是，我将输入的10K改为200K，问题解决了。
接着就是，在示波器上观察ST151的输出波形的问题，开始观察的波形，很乱，隐隐约约能看出方波的意思，但并不清晰，但是，我想到了噪音的干扰，本来想的加个低通滤波器的，但又不知道，最高允许通过的频率是多少，所以放弃了这个想法。
我尝试着给输出加一个10uf的电容，发现效果马上不一样了。
最后，就是设计调节电路，因为LM331出来的电压不一定是我想要的电压值，到底怎么调，放大还是缩小，放大，放大多少倍？
我当时很郁闷，也无从下手。
我当时，就想测一下LM331输出的电压值，提供的是3..27伏的电压，结果LM331输出是6.6伏，于是，我将调节电路，放大到了原来电压的0.5倍，但又想，这对其他输入电压适应吗？
最终，通过自己的分析和同学的商量，我坚定地相信输入电压与LM331输出的电压是成正比的，然后通过我的是测试，也是对的。
这次实习，我花费了十天的时间，觉得好累，但出现最终的结果时，我欣然地笑了。
基于MATLAB仿真下PID参数整订
1.首先确定
的值。
（1）尝试
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>forKp=0.1:
0.1:
1
Gc=Kp*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（2）尝试
的值。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>forKp=1:
2:
10
Gc=Kp*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（3）尝试
的值。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>forKp=10:
1:
14
Gc=Kp*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（4）尝试
的值。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>forKp=15:
1:
20
Gc=Kp*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（5）尝试
的值。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>forKp=20:
2:
30
Gc=Kp*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（6）确定
。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>Kp=20;
>>Gc=Kp*G1;
>>G=feedback（Gc,1）;
>>step（G）;grid
2.然后确定
的值。
（1）尝试
的值。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>Kp=20;
>>forTi=0.1:
0.1:
0.5
PIDGc=tf（Kp*[Ti,1],[Ti,0]）;
Gc=PIDGc*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（2）尝试
的值。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>Kp=20;
>>forTi=0.5:
0.1:
1
PIDGc=tf（Kp*[Ti,1],[Ti,0]）;
Gc=PIDGc*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（3）确定
。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>Kp=20;Ti=0.5;
>>PIDGc=tf（Kp*[Ti,1],[Ti,0]）;Gc=PIDGc*G1;G=feedback（Gc,1）;step（G）
3.最后确定
的值。
（1）尝试
。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
Kp=20;Ti=0.5;
forTd=0.1:
0.1:
0.5
PIDGc=tf（Kp*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]）;
Gc=PIDGc*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
（2）尝试
。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
Kp=20;Ti=0.5;
forTd=0.5:
0.1:
1
PIDGc=tf（Kp*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]）;
Gc=PIDGc*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）,holdon
end
从图中明显看出，
时，不能满足
的条件。
（3）确定
。
>>G1=tf（[1],[0.5,1]）;
>>Kp=20;Ti=0.5;Td=0.1;
PIDGc=tf（Kp*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]）;
Gc=PIDGc*G1;
G=feedback（Gc,1）;
step（G）
Proteus电路图：
课程设计心得体会
赵立龙：
这次课程设计历时两个星期，通过这两个星期的学习，发现了自己的很多不足之处，学习的知识还存在很大的漏洞，而且实践经验比较缺乏，理论联系实际的了能力还有待提高。
在这次课程设计中，我们是分工进行，我主要负责焊接这一块，我们边调试边修改，经过一周的调试，终于做成功了。
这次的动手实践使我的焊接技术得到进一步提高，也让我增长了一些经验。
比如焊接时必须要整体规划，想到一个焊一个，这样容易造成遗漏某些器件，而且对器件排布影响很大，焊接出来的电路板比较乱，不够整齐。
还有就是要心细，电路复杂的话很容易遗漏器件或者焊接出错，这就需要仔细检测。
因为我一直只是焊电路板，虽然对电路的整体框架有所了解，但具体到每个模块，就不是很清楚了。
我们做好后，大家一起交流探讨，互相交流经验，这样我们对整个课程设计的了解就比较深刻了。
这次实践也让我看到了团队的力量，在这次课程设计的过程中一个人的力量是远远不够的，大家必须团结协作，团队离不开个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神……
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