基于PID控制的直流电机调速系统Word格式.docx

1、电机最早先的样子是在两个U型磁铁中间安装了一个六臂轮，并在每个臂上带两根棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力推动轮轴转动。电机在雅克比手上还有进一步的发展，他制造了一个大型的装置为小艇提供动力，并在易北河上试航，虽然当时的时速只达到了2.2公里，但这不影响电机实验的成功。电机的另一个发展者美国的达文波特，在几乎相同的时间里，也成功的制造了电动的印刷机，只可惜这个型号的印刷机成本太大，几乎没有商业价值。电机被广泛应用的推动力来自直流电机的问世，在1870年时比利时的工程师格拉姆发明了这种实用机械，并把它大量制造出来，而后还不断的对电机的效率进行提高。电机的另一个研究单位德国西门子也在努力研究，几

2、乎也是在格拉姆成功的同一时间，西门子推出了电机车，这个不烧油的车在柏林工业展览会上获得一片喝彩声。1.2.2直流电机的特点直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电机。此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电机作为原动机来拖动工作机械的。直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在

3、控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。因此，电机制造业中正在努力改善交流电机的调速性能，并且大量代替直流电机。不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。因此，从结构上来看，任何

4、电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。1.2.3直流电机的分类一般的电机多采用电流励磁。励磁的方式分为他励和自励两大类。 他励直流电机由独立的电源为电机励磁绕组提供所需的励磁电流。例如用独立的直流电源为直流发电机的励磁绕组供电；由交流电源对异步电机的电枢绕组供电产生旋转磁场等等。前者为直流励磁，后者为交流励磁。同步电机按电网的情况,

5、可以是转子的励磁绕组直流励磁,也可以定子上由电网提供交流励磁，一般以直流励磁为主。如直流励磁不足，则从电网输入滞后的无功电流对电机补充励磁；如直流励磁过强，则电机就向电网输出滞后的无功电流,使电机内部磁场削弱。采用直流励磁时,励磁回路中只有电阻引起的电压降,所需励磁电压较低,励磁电源的容量较小。采用交流励磁时，由于励磁线圈有很大的电感电抗，所需励磁电压要高得多，励磁电源的容量也大得多。他励式励磁电源，原来常用直流励磁机。随着电力电子技术的发展，已较多地采用交流励磁机经半导体整流后对励磁绕组供电的方式励磁。励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现；也可以在交流励磁机输出电压基本保持不变的情

6、况下，利用可控整流调节。后者调节比较快速，还可以方便地利用可控整流桥的逆变工作状态达到快速灭磁和减磁，从而取消常用的灭磁开关。前一种方式，整流元件为二极管，如把它和交流励磁机电枢绕组、同步电机励磁绕组一起都装在转子上，则励磁电流就可以直接由交流励磁机经整流桥输入励磁绕组,不再需要集电环和电刷，可构成无刷励磁系统,为电机的运行、维护带来很多方便。当然整流元件、快速熔断器等器件在运行中均处于高速旋转状态，要承受相当大的离心力，这在结构设计时必须加以考虑。自励直流电机利用电机自身所发电功率的一部分供应本身的励磁需要。电机采用自励时，不需要外界单独的励磁电源,设备比较简单。但如果原先电机内部没有磁场,

7、它就不可能产生电动势，也就不可能进行自励。所以实现自励的条件是电机内部必须有剩磁。自励系统又可分为并励和复励两种。并励指仅由同步电机的电压取得能量的自励系统，复励指由同步电机的电压及电流两者取得能量的自励系统。并励发电机进行自励的条件和起励过程如图1和图2所示。图1是并励直流发电机的原理接线图。图2为其起励过程。其中曲线1为发电机的磁化曲线f（If）。由于在一定转速下电机的感应电动势与磁通成正比,所以曲线1同时也就是电机的空载特性曲线E 0=f（If），即电机的感应电动势与励磁电流If 之间的关系。而曲线2为励磁回路的电阻特性UIfR,它表示励磁电流与电机电压之间的关系。它实际是一条斜率为R的

8、直线。其中R 为励磁回路的总电阻，它包括励磁绕组的电阻和外加的调节电阻Rr。1.2.4直流电机的结构及基本工作原理直流电机的结构分为两部分：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。（1）定子 定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与

9、转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。直流电机的磁场是一个恒定不变的磁场，是由励志绕组中的直流电流形成的磁场方向和励磁电流的关系由由有螺旋法则确定。在微型直流电机中，也有用永久磁铁作磁极的。（2）转子 转子是电机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和点数饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器又称整流子，是直流电机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放

10、在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。直流电机的基本工作原理导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。图1-1 直流电机的原理模型当电枢转了180后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由

11、于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电机能连续地旋转。这就是直流电机的工作原理。直流电机的机械特性直流电机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。下面一常

12、用的他励和并励电机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。图1-2 直流电机的接线图图1-2是他励和并励直流电机的接线原理图。他励电机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电机中两者是并联的，由同一电压U供电。并励电机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：U=E+RaIa 即：Ia=（Ra为电枢电压）I=Ia+IfIa当电源电压U和励磁电路的电阻Rf保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通也保持不变，即=常数。则电机的转距也就和电枢电流成正比，T= KTIa= KIa这是并励电机的

13、特点。当电机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电机的转速、电流及电磁转距等发生变化。，称为：图1-3 并励电机的机械特性曲线式中并励电机的起动与反转：并励电机在稳定运行时，其电枢电流位：因电枢电阻Ra很小，所以电机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近似相等。在起动时，n=0，所以EkEn0。这时电枢电流及起动电流为：由于Ra很小，因此起动电流Iast可达额定电流IN的1020倍，这时不允许的。同时并励电机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。限制起动电流

14、的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。这时起动电枢中的起动电流的初始值为：则起动电阻为：一般：Iast=（1.52.5）IN起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电机转速的上升，再把它逐段切除。注意：直流电机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。普则，由于磁路中只有很小的剩磁，就有可能发生以下：要改变电机的转动方向，就必须改变电磁转距T的方向， 可通过改变磁通（励磁电流）或电枢电流Ia的方向实现。1.并励电机的调速电机的调速就是在同一负载下获得不同的转速，以满足不同的要求。由转速公式：可知常用的调速方式有调磁调速和调压调速两种。2.改

15、变磁通（调磁调速 ）当保持电源电压U为额定值不变时，调节励磁电路的电阻，改变励磁电流If而改变磁通。由式可见，当磁通减小时，n0升高了，转速降n也增大了；但n与2成正比，所以磁通愈小，机械特性曲线也愈陡，但仍有一定的硬度。见图1-4由于电机一般是在额定状态下运行的，它的磁路已接近于饱和，所以在一定负载下，通常是减小磁通调速（N），转速上调（nnN）。1.3系统开发软硬件概述1.3.1单片机最小系统（图1）单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图

16、（图1）： 图1详细说明如下：复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C取10u，R取10K。原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。（2） 晶振电路：典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确

17、的uS级时歇,方便定时操作），在本电路中，取12M。（3） 单片机：一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。单片机的共40个引脚功总共40个脚，电源用2个（Vcc和GND），晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是： P0端口P0.0 - P0.7共8个； P1端口P1.0 - P1.7共8个； P2端口

18、P2.0 - P2.7共8个； P3端口P3.0 - P3.7共8个；1.3.2Proteus仿真软件简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件9。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8

19、051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。Proteus主要用于绘制原理图并可进行电路仿真，Proteus ARES 主要用于PCB 设计。ISIS 的主界面主要包括：1 是电路图概览区、2

20、是元器件列表区、3 是绘图区。绘制电路图的过程如下：单击2 区的P 命令即弹出元器件选择（Pick Devices）对话框，Proteus 提供了丰富的元器件资源，包括30 余种元器件库，有些元器件库还具有子库。利用该对话框提供的关键词（Keywords）搜索功能，输入所要添加的元器件名称，即可在结果（Results）中查找，找到后双击鼠标左键即可将该元器件添到2 区，待所有需要的元器件添加完成后点击对话框右下角的OK 按钮，返回主界面。接着在2 区中选中某一个元器件名称，直接在3 区中单击鼠标左键即可将该元器件添加到3 区。由于是英国的软件，特别要注意的是绘图区中鼠标的操作和一般软件的操作习

21、惯不同，这正像是司机座位和人行道走向和国内不同一样。单击左键是完成在2 区中被选中的元器件的粘贴功能；将鼠标置于某元器件上并单击右键则是选中该元器件（呈现红色），若再次单击右键的话则删除该元器件，而单击左键的话则会弹出该元器件的编辑对话框（Edit Component）；若不需再选中任何元器件，则将鼠标置于3 区的空白处单击右键即可；另外如果想移动某元器件，则选中该元器件后再按住鼠标左键即可将之移动。元器件之间的连线方法为：将鼠标移至元器件的某引脚，即会出现一个“”符号，按住鼠标左键后移动鼠标，将线引至另一引脚处将再次出现符号“”，此时单击鼠标左键便可完成连线。连线时在需拐弯的地方单击鼠标左键

22、即可实现方向的改变。绘制好电路后，可利用1 区的绿色边框对3 区的电路进行定位。Keil编译及调试软件简介目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的Keil C51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为Vision（通常称为V2）。Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：Vision IDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目

23、标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。应用Keil进行软件仿真开发的主要步骤为：编写源程序并保存建立工程并添加源文件设置工程编译/汇编、连接，产生目标文件程序调试。Keil使用“工程”（Project）的概念，对工程（而不能对单一的源程序）进行编译/汇编、连接等操作。工程的建立、设置、编译/汇编及连接产生目标文件的方法非常易于掌握。首先选择菜单FileNew，在源程序编辑器中输入汇编语言或C语言源程序（或选择FileOpen，直接打开已用其他编辑器编辑好的源程序文档）并保存，注意保存时必须在文件名后加上扩展名.asm（.a51）或.c；然后选择菜单ProjectNew

24、Project，建立新工程并保存（保存时无需加扩展名，也可加上扩展名.uv2）；工程保存后会立即弹出一个设备选择对话框，选择CPU后点确定返回主界面。这时工程管理窗口的文件页（Files）会出现“Target1”，将其前面+号展开，接着选择Source Group1，右击鼠标弹出快捷菜单，选择“Add File to Group Source Group1”，出现一个对话框，要求寻找并加入源文件（在加入一个源文件后，该对话框不会消失，而是等待继续加入其他文件）。加入文件后点close返回主界面，展开“Source Group1”前面+号，就会看到所加入的文件，双击文件名，即可打开该源程序文件。

25、紧接着对工程进行设置，选择工程管理窗口的Target1，再选择ProjectOption for Target Target1（或点右键弹出快捷菜单再选择该选项），打开工程属性设置对话框，共有8个选项卡，主要设置工作包括在Target选项卡中设置晶振频率、在Debug选项卡中设置实验仿真板等，如要写片，还必须在Output选项卡中选中“Creat Hex Fi”；其他选项卡内容一般可取默认值。工程设置后按F7键（或点击编译工具栏上相应图标）进行编译/汇编、连接以及产生目标文件。成功编译/汇编、连接后，选择菜单DebugStart/Stop Debug Session（或按Ctrl+F5键）进入

26、程序调试状态，Keil提供对程序的模拟调试功能，内建一个功能强大的仿真CPU以模拟执行程序。Keil能以单步执行（按F11或选择DebugStep）、过程单步执行（按F10或选择DebugStep Over）、全速执行等多种运行方式进行程序调试。如果发现程序有错，可采用在线汇编功能对程序进行在线修改（DebugInline Assambly），不必执行先退出调试环境、修改源程序、对工程重新进行编译/汇编和连接、然后再次进入调试状态的步骤。对于一些必须满足一定条件（如按键被按下等）才能被执行的、难以用单步执行方式进行调试的程序行，可采用断点设置的方法处理（DebugInsert/Remove B

27、reakpoint或DebugBreakpoints等）。在模拟调试程序后，还须通过编程器将.hex目标文件烧写入单片机中才能观察目标样机真实的运行状况。Keil软件Eval版（免费产品）的功能与商业版相同，只是程序的最大代码量不得超过2kB，但对初学者而言已是足够。Keil软件由于其强大的软件仿真功能，友好的用户界面以及易于掌握的特点而受到工程技术人员的欢迎，有人甚至认为Keil是目前最好的51单片机开发应用软件。1.4本课题研究的基本内容 学习PID控制直流电机的设计方法；学习PWM控制理论；学习数字PID算法在单片机上的实现方法。2直流电机PID调速系统设计方案2.1系统总体设计方案2.

28、1.1调速方案比较及选择（一）方案一：PWM波调速 采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图21）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。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。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电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。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。图2-1 PWM波调速电路其结构图如图2-2所示：图2-2 电机PID调速系统总体设计框图（二）方