直流电机调速设计报告.docx

1、直流电机调速设计报告西安郵電學院控制系统课程设计报告书系部名称：自动化学院学生姓名：23号：帖东杰 19：赵立龙31：王泉 27号：张翻 35号：赛力汗专业名称：自动化班 级：自动0804时间：2010年 12月5日 至 2010 年12月 17日 直流电机的闭环调速系统设计一、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

2、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 (Differential or Derivative)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

3、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=20 TI=0.5 TD =0.1PID参数的确定的详细步骤：见附件基于MATLAB仿真下PID参数整订LM3

4、24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

5、+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LM331LM331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

6、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440V。线性度好, 最大非线性失真

7、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

8、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

9、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

10、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

11、，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

12、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

13、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); for Kp=0.1:0.1:1 Gc=Kp*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold on end （2）尝试的值。 G1=tf(1,0.5,1); for Kp=1:2:10 Gc=Kp*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold on end （3）尝试的值。 G1=tf(1,0.5,1); for Kp=10:1:14 Gc=Kp*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold

14、on end （4）尝试的值。 G1=tf(1,0.5,1); for Kp=15:1:20 Gc=Kp*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold on end （5）尝试的值。 G1=tf(1,0.5,1); for Kp=20:2:30 Gc=Kp*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold on end （6）确定。 G1=tf(1,0.5,1); Kp=20; Gc=Kp*G1; G=feedback(Gc,1); step(G);grid2. 然后确定的值。（1）尝试的值。 G1=tf(1,0.5,1); Kp=20; for T

15、i=0.1:0.1:0.5 PIDGc=tf(Kp*Ti,1,Ti,0); Gc=PIDGc*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold onend（2）尝试的值。 G1=tf(1,0.5,1); Kp=20; for Ti=0.5:0.1:1 PIDGc=tf(Kp*Ti,1,Ti,0); Gc=PIDGc*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold onend（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);st

16、ep(G)3. 最后确定的值。(1)尝试。 G1=tf(1,0.5,1);Kp=20;Ti=0.5;for Td=0.1:0.1:0.5 PIDGc=tf(Kp*Ti*Td,Ti,1,Ti,0); Gc=PIDGc*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold onend(2)尝试。 G1=tf(1,0.5,1);Kp=20;Ti=0.5;for Td=0.5:0.1:1 PIDGc=tf(Kp*Ti*Td,Ti,1,Ti,0); Gc=PIDGc*G1; G=feedback(Gc,1); step(G),hold onend从图中明显看出，时，不能满足的条件。（3）

17、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