直流电机PID控制.docx

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直流电机PID控制

直流电机PID控制

摘要

随着科学技术的发展，生产生活越来越离不开直流电机，特别是在工厂里面，直流电机更是频频出现，直流电机的必要性使直流电机的发展异常迅速，所以对直流电机的研究一直是人们研究的重点，直流电动机与交流电动机相比，直流电机具有很好的调速性能和启动性能。

它的调速范围宽，调速平滑等特点，可以实现频繁的启动和制动；所以在自动化生产系统中，它起着重要的作用，满足各种各样的运行要求。

但直流电机也有它明显的缺点。

一是它的结构复杂，消耗材料比较多，所以生产成本高；二是运行时由于有换向器的存在，容易产生火花，因而直流电机可靠性较差，维护也比较困难。

但是直流电机并不是一无是处，在一些对性能要求不严格的场合下面，直流电机仍然随处可见，特别是当我们找到解决直流电机的转速稳态误差的方法后，直流电机更加的让人们喜爱，再大工厂车间中，直流电机更是无处不在，虽然它有着许多小毛病，但是在某些要求控制性能很高的场合下必须用到直流电机，所以直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。

也一直是人们研究的重点。

这里我们重点研究直流电机的工作原理以及直流电机的各种调速方法，以及有关涉及到直流电机的一些边缘知识，像PWM的结构及原理，PID控制的物理结构模型等等，在调速控制中，我们包含两个大的部分，一个是直流电机的开环控制，另一个是直流电机的闭环控制，在直流电机的闭环控制中，又分别介绍转速闭环控制和PID闭环控制，并且对直流电机的每个模型进行建模并仿真，观察其动态性能，分析研究直流电机的各个控制的优缺点，我们得到开环直流电机并不能满足我们对生产生活的要求，其最好的解决方法就是进行闭环控制（PID），纵观直流电机的发展史，PID控制虽然有着比开环控制更好的启动型能和稳定性能，但是也还是满足不了社会对直流电机越来越苛刻的需求，所以，在直流电机的控制中，又出现了电流反馈的双闭环调节，这解决了PID控制中无法控制电流的尴尬情况，与PID控制相比较，有着电流反馈的直流电机启动性能更好，在负荷运行时候也更节能。

至此，直流电机的研究并没有结束，它随着社会的需要，研究也会越来越深入，我们会看到多种多样的控制方式。

关键词：

直流电动机，转速控制，PID控制，Matlab仿真

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,productionandlivingismoreandmoreinseparablefromtheDCmotor,especiallyinafactory,DCmotorismorefrequent,thenecessityoftheDCmotortoDCmotorexceptionallyrapiddevelopment,sothestudyofDCmotorhasalwaysbeenafocusinthestudyofpeople,comparedtoDCmotorandACmotor,DCmotorhasgoodspeedregulationperformanceandstartupperformance.DCmotorspeedrangeisverywide,verysmoothspeedregulationcharacteristics,whichcanrealizefrequentsteplessquickstart,brakeandreverse;AndDCmotoroverloadcapacityisbig,canbearveryfrequentimpactcurrent;Soinautomatedproductionsystems,itshoulderstheimportantrole,meetallkindsofoperationrequirements.ButDCmotorhasitsobviousshortcomings:

oneisitsmanufacturingprocessiscomplex,consumptionmaterialsmore,sothehighcostofproduction,twoitistoruntimeasaresultoftheexistenceofacommutator,easytoproducesparks,andDCmotorreliabilityispoorer,maintenanceisalsomoredifficult.ThusthespeedcontrolperformancerequirementsisnothighinsomeareaofDCmotorhasreplacedbyACmotor.Butinsomelargerangeofspeedandquicknessdemanding,goodprecisionandcontrolperformance,theapplicationofDCmotorisstilloccupiesalargeproportion.SotheDCmotorhasbeenafocusinthestudyofpeople.

HerewefocusontheworkingprincipleofDCmotorandtheDCmotorspeedcontrolmethods,aswellastheknowledgeofsomeedgeofinvolvedinDCmotor,suchasthestructureandprincipleofPWMandPIDcontrol,andsoon,thephysicalstructureofthemodelinthespeedregulationcontrol,weincludetwoparts,oneistheopenloopcontrolofDCmotor,theotherisaclosedloopcontrolofDCmotor,intheclosed-loopcontrolofDCmotor,andrespectivelyintroducesthespeedclosedloopcontrolandPIDclosed-loopcontrol,andeachmodelofDCmotorformodelingandsimulation,observeitsdynamicperformance,theadvantagesanddisadvantagesofanalysisandstudyofDCmotorcontrol,wegettheopenloopDCmotordoesn'tmeetourrequirementforproductionandliving,thebestsolutionistoclosedloopcontrol（PID）,throughoutthehistoryofDCmotor,PIDcontrolwithbetterthanopenloopcontrolcanstartmetalandstableperformance,butalsostillcan'tsatisfythesocialdemandforDCmotorismoreandmorestrict,sothecontrolofDCmotor,andthecurrentfeedbackofdoubleclosed-loopadjustment,itsolvedthePIDcontrol,unabletocontrolthecurrentembarrassingsituation,comparedwithPIDcontrol,hasacurrentfeedbackDCmotorstartupperformancebetter,theloadoperationtimeandmoreenergysaving,sofar,thestudyofDCmotorisnotover,withtheneedofthesociety,italsowillbemoreandmorethoroughstudy,inthenearfuture,wewillseeawidevarietyofcontrolmode.

Keywords：

DCmotor,speedcontrol,PIDcontrol,Matlabsimulation

1绪论

1.1课题背景

直流电机的发展要追溯到19世纪30年代，法拉利发现电磁感应定律，之后在1838年楞次提出了楞次定律，指出电机既可以作电动机又可以作发电机，在1860年，巴辛罗特制作了第一台电机既可做发电机又可作电动机，至今经历了两个多世纪，直流电机作为一种能量转换装置，随着电能的普及，其作用也越来越明显，它解放了人们的双手，让人从只能用手或牲畜工作的方式转变为机器作业[1]。

1.2课题研究目的和意义

随着科学技术的发展，生产生活中越来越多的地方需要用到电机，这促使电机飞速发展，直流电机从以往的小功率，大体积到现如今的大功率和小体积，各种各样的电机满足了不同行业对电机的需求，随着制造业的不断发展，对电机的控制要求也越来越高，现如今，直流电机发展已经趋于成熟，人们对直流电机的了解也进一步增强，它有着很好的启动性能和调速性能，其调速简单，没有像交流电机那样复杂，这是由于直流电机其电机内部的励磁回路与转矩回路是分开的，故有着优秀的控制性，我们可以分别予以控制，所以，在控制其输出转矩与转速时候完全不用考虑到励磁回路的影响，以至于在相当长的一段时间里面，直流电机在运动控制领域占据着主导地位，但是由于直流电机有换向器，这也是直流电机的一个致命的缺点，因为换向器会产生火花，使他不能够达到很高的转速，而且由于换向器的摩擦原因，直流电机的换向器很容易受损，使其使用寿命大大降低[2-3]。

所以，在经过无数人的努力下，直流电机中又出现了无刷的直流电机和用各种方式控制的电机，像PLC控制的，单片机控制的等等，这些都取得了辉煌的成果[4-6]。

其中直流电机的调速是现代电力拖动控制中发展较早的技术，特别是在20世纪80年代，随着晶闸管的出现以及现代控制理论的成熟，一些高性能，高效率的直流电机相继问世，使得直流电机变得更加经济性和可维护性，其优秀的调速性能是直流电机仍有其广阔的发展市场，比如像轧钢机，造纸方面等等[7]。

1.3课题研究的主要工作

因为直流电机有着很好地启动型和动能性，能在很广的范围内平滑的调速，所以在高性能可控电力拖动中得到了广泛的应用，直流电机已经深入到国民生活当中，而且直流电机控制原理及技术都比较成熟，现在已经有了很成熟的反馈闭环控制理论，虽然直流电机的研究已经很深入，但是要弄清楚直流电机的调速方法却很有必要，我们要知道其工作原理，就知道其调速方法要如何实现，要知道其方法的性能如何，就要进行Matlab仿真，已达到其观测动态的目的[8]。

Matlab中带有Simulink，他是一款仿真软件，在仿真中，Simulink是最好用，最优秀，最强大的一种，使用Simulink将是我们对仿真变得简单方便，其过程还是交互的，我们可以随时改变其参数来达到不同的效果。

因此，直流电机的调速问题的研究有很实际的意义。

1.4国内外研究现状

电力电子技术的发展推动了直流电机调速控制的发展步伐，特别是从20世纪60年代开始，电力电子器件晶闸管的发明，使功率集成电路的结构和功能越来越强大，与此同时，微电子技术、传感器技术、自动控制技术也发展迅速，这是这些技术的进步，使自动控制技术也发生翻天覆地的变化。

直流电机的调速控制是随着工业的发展息息相关的，当人们对现有的控制系统不满足要求的时候，就急需一种符合要求的控制方式来满足要求，现如今，直流电机调速方式多种多样，有PID控制、单片机控制、还有PLC控制等等，我国关于数字直流调速系统的研究主要有综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术[9]。

2直流电动机的工作原理及基本结构

2.1直流电机的结构

如下图1.1所示是直流电机的物理模型，由图可以看出，直流电动机结构中有换向器、电刷，磁极和转子，在实际直流电机中，还包括机座和端盖，换向磁极、主磁极、机座和端盖，电刷装置组成电机的定子，电枢绕组、电枢铁心、转轴、轴承和换向器构成电机的转子。

图1.1直流电机模型

图中N、S为定子的磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子，我们又叫它电枢。

线圈的a、d端连接到两个相互绝缘的换向片上。

换向片上面有不动的电刷，电刷和转子线圈与外电路是连通的。

2.2直流电机的基本工作原理

如图1.2所示，当我们在AB相加上直流电压源后，电流方向为dcba，我们由楞次定律可知，在N上S下的情况下，电枢有向左的力，是电枢向左运动，当电枢转动180度时，由于换向器的作用，使电流的方向发生改变，电流方向为abcd，虽然电流方向发生改变，但是力的方向没有发生改变，仍然是向左的，正因为如此，可以使电机一直朝一个方向运动下去,但是由于转子只有1个磁极的关系，在磁场中的受力并不均匀，所以这样的电机在转的时候会有明显的震颤感觉，所以实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。

线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，当线圈增加时，相应的磁极也要增加。

图1.2直流电机转动模型

直流电机是电能转换装置，它将电能转换为机械能，当电枢上有直流电通过时，会在电枢绕组上感应电动势，称为电枢电动势，电枢电动势与电机转速成正比，表达式分别为：

（2.1）

（2.2）

在上式中，n为直流电机转速、R为电枢电阻、

为电动机电动势常数、

励磁磁通（Wb）。

我们可以看出，电动机转速与电枢电压、电枢电流和励磁磁通有关，当电压不变时，增大电枢电流，转速n就会下降，当电枢电流不变时，减小电枢电压转速n也会下降。

2.3本章小结

我们从直流电机的结构中可以看出，直流电机的结构复杂，工艺复杂，但是直流电机相对节能，功率因素高，和交流电机相比，直流电机用的是直流电，如今大多数用的电是交流的，所以在使用直流电机的时候需要交直转换器，从而增加了成本，最重要的是直流电机中存在换向器，在换向器工作中会产生火花，当速度增大到一定的值后，换向器中的火花会形成环火，从而影响直流电机的转速，使不能转的很快。

但是直流电机独特的工作方式使它的调速范围广、带负载能力大、震动小、噪音低、通用性强、维护方便，而且直流电机对环境的适应能力强，可在有腐蚀等恶劣环境中工作，所以直流电机在我们生产生活中也得到了广泛的使用，研究直流电机控制不仅关系着国民生产，更是一种对未知事物的探索。

3开环直流电机的调速方法

由电机的转速公式

可以看出，直流电机的调速方法有以下三种，一是调节励磁磁通Ф，二是调节电枢电压U，三是调节电枢回路的电阻R。

在这三种调速方式中，调节励磁磁通需要改变磁场强度，在很多直流电机中，一般采用永久磁铁作为直流电机的NS极，在这种结构中，无法调节吃擦很难过的大小，但是也有一些直流电机采用直流励磁的方式获取磁场，由于直流电机本身结构就复杂，所以用直流励磁的方式很少采用；在直流电机中，只要直流电机已确定，那么它的电枢电阻也就固定，所以也就无法调节电枢的电阻大小；直流电机中电枢电压是由外加电压确定的，改变外加电压即可调节电枢电压的大小，所以在这三种调速方式中电枢电压调节方式最好实现，而且调节电枢电压的大小调速范围大，因此在自动控制中我们常常采用调压调速，我们知道，一般的调节电压方式无法做到平滑调节，而且一般都会有很大的损耗，所以调节为了实现电压平滑调速，我们采用PWM变换器来控制直流电机。

在控制原理中，我们知道，当冲量相等的两个形状不一样的脉冲加在同一个具有惯性的环节上，两个产生的效果一样，即，只要面积一样，那么它的作用就一样，其中PWM控制正好符合这个要求。

直流电机通过将电压源接入到PWM控制器上来改变其电压大小称之为PWM控制，由于采用了PWM控制，使电机的调速系统开关频率变高，仅靠电机的电枢电压就可以得到平滑的转速特性，随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制技术得到飞速的发展。

3.1PWM的构成及工作原理

PWM是由晶闸管组成的，晶闸管又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅，它可以人为控制其导通与关断，晶闸管的结构图如图3.1所示。

图3.1晶闸管等效图

可以看出它是由三个PN结构成的，在工作时它只有两种状态，导通状态和关断状态。

晶闸管为什么会越来越受到人们的喜爱呢？

因为晶闸管有着很多的有点，最重要的就是晶闸管可以放大电流，其放大倍数可以高达几十万倍，并且晶闸管的开关频率非常快，可以达到十几kHz，在如此高的频率上，晶闸管还能正常工作，所以在生产生活中得到广泛的应用。

它是由两个PN结构成，在P1上连接晶闸管的阴极，在P2上连接晶闸管的门极，在N2上连接晶闸管的阳极，我们在分析晶闸管的工作原理时，将晶闸管分解成如下等效图，它由一个PNP管和一个NPN管所组成[10-12]。

当晶闸管AK接负向电压时时,无论门极是否加电压，J1和J3都是反向电压，我们知道当PN结加反向电压的时候，电流截止，所以晶闸管处于截止状态，我们称这种状态为反向截止状态，当我们在AK接正向电压，门极G不加电压的时候，此时虽然J1和J3处于导通状态，但是J2还是处于截止状态，晶闸管还是未导通，我们称这么状态为正向截止，当门极G加正向电压时，这时候晶闸管J2处于导通状态，使整个晶闸管导通，此时压降很小，我们称这个状态为正向导通状态。

当晶闸管导通过，门极G就不能控制晶闸管的关断，要想晶闸管关断，就只能使AK电压减小，直到其电压不能维持晶闸管导通为止[13-16]。

3.2PWM的控制原理

PWM控制的作用是将恒定的直流电源电压调制成频率一定，脉宽可以调整的脉冲，这样就可以调节电压的大小[17]，改变电机的转速，下图3.2面是一个单相桥式PWM逆变电路控制原理图。

图3.2 晶闸管等效图

它是由4个晶闸管组成，分别为V1、V2、V3和V4，在工作的时候，V1和V2交替导通，V3和V4也交替导通，当调制电路如图3.3时，当Ur为正弦波，当Ur处于正半周时，V1导通V2截止，uc为三角波，在正半周时，当uc>ur,V3断开，V4导通，u0=ud;当ucuc时使V3断，V4通，uo=0，所以在Ur一个周期内，u0有三种状态，u0=0、uo=－ud和u0=ud。

图3.3 调制电路

其中uc的脉冲输出由触发脉冲相位角α控制，输出电压Ud0与触发脉冲相位角α的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f（α）可用下式表示。

（3.1）

3.3本章小结

PWM是由晶闸管组成的，晶闸管的特性就是可以人为的让它导通，但是晶闸管有一个缺点就是不能人为的通过门极电压来关断已经导通的通路，要让其关断我们只能依靠AK两端的电流减小到不足以维持晶闸管导通为止，但是这并不影响我们对它的使用，在由晶闸管构成的变换电路中，我们可以通过控制触发脉冲角的方式改变电压，触发脉冲角的变化改变的是脉冲的输出面积，我们知道电压与面积是成比例关系的，当我们改变触发脉冲角的大小就可以改变输出电压的大小了，虽然这种调节方式需要很多的电力电子原件，造价相对较高，但是由于工艺的提升，使晶闸管的开关频率很高，所以当我们用PWM进行调压时，电压调节非常平滑，不存在传统通过电阻滑动调压方式所有的电压不平滑现象。

这是其他调压方式所不能达到的，所以PWM调压是现在调压方式中使用最多的一种方式，越来越多的领域需要这种调节方式。

4直流电机开环系统仿真

4.1Matlab简介

现在我们用到最多的仿真软件是MATLAB，，它是由美国TheMathWorks公司编写的一款数学软件。

它是一种可用于数据分析、数据可视化、算法开发以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

除了可以进行绘制、矩阵运算函数/数据图像等常用功能外，还可以使用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。

虽然MATLAB主要时用于数学上的数值运算，但是由于它集成了很多的附加工具箱使它也适合不同的领域，比如应用在图像处理、控制系统设计与分析、金融建模和分析、信号处理与通讯等。

在建模仿真中，我们常用的是Simulink，Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

我们可以在该环境中通过简单直观的鼠标操作构造出复杂的系统，而不需要很繁琐的键盘鼠标操作，基于以上优点，所以Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计领域。

它具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点。

4.2直流电机的稳态模型

通过上面的式子

，外加电压由PWM控制，当忽略晶闸管的延迟时间，在额定励磁下，直流电机的开环调速系统稳态结构图如下图4.1所示。

图4.1直流电机开环稳态结构图

假设电机的各个参数为：

额定电压Un=220V，额定电流In=55A，空载转速为560r/min,那么电动机电动势系数Ce=

=0.393V·min/r,电枢总回路电阻R=1Ω，当放大系数Ks为22，Uc=

为10。

图4.2阶跃信号模块

我们知道了直流调速系统中的各个参数后，打开Matlab，点击图上面的运行按钮，进入Simulink操作窗口，从上面的仿真框图中我们知道要有比例环，在Simulink中，我们从MathOperations组中找到Sum和Gain，这就是我们要的比例和求和环，除此外，我们在Source中找到STEP，即阶跃模块，我们将找到的模板拖入在Simulink中新建的窗口中，其中Scope1为阶跃相应，因为我们的Uc为10，双击Scope1，将10填入其中，得到如上4.2图，Gain2为放大环节，双击它，因为Ks为22，填入数据22，得到如下图4.3所示。

图4.3放大信号模块

因为我们的电枢电阻R=1，所以Gain3里面填入1，Ce=0.393V·min/r,我们打开Gain2,填入数据1/0.393，填入数据完成，我们将各个环节连接起来后就可以进行仿真了。

当电枢电流Id=0，即不带负载，我们得到转速如下图4.4所示。

图4.4直流电机转速图

我们可以看出，点击空载时电机的转速稳定在560r/min左右。

当我们增大电枢电流Id=5时，进行仿真，仿真图如下图4.5所示。

图4.5直流电机转速图

我们可以看出这时候转速下降到547r/mi