电机控制综合 开发应用实验 96.docx

1、电机控制综合 开发应用实验 96 电机控制综合开发应用实验任务书常州大学信息科学与工程学院通信工程系2012年 9 月 10日目录1 设计目的 12 他励直流电动机模型 12.1 传递函数 12.2 他励直流电动机模型的MATLAB仿真模型 23 数字PID控制算法 173.1 比例控制（P）控制 173.2 积分控制（I）控制 173.3 微分控制（D）控制 173.4 位置式PID控制算法 173.5 增量式PID控制算法 183.6 数字递推PID控制公式 183.7 增量式PID控制微机算法 183.8 增量式PID控制算式流程图 183.9 增量式PID控制算法在DSP上的实现 19

2、4 单极式可逆PWM调速系统工作原理 264.1 主控制回路硬件结构图 264.2 单极式可逆PWM变换器的工作原理 285 PWM波形发生原理 295.1 DSP比较单元产生PWM波形的原理 296 设计任务 367 实验报告的要求 368 参考资料 361 设计目的(1) 对先修课程（DSP控制器原理、DSP技术与应用等）的进一步理解与运用。(2) 运用MATALB实验、DSP技术与 应用的理论知识设计出基于MATLAB仿真的他励直流电动机模型的PID控制器。在基础上，设计基于DSP实现的PID算法。最后，设计他励直流电机单极式电流单闭环可逆PWM调速系统硬件结构，用DSP实现PWM占空比

3、可变的PWM波形发生器程序。通过建模、仿真验证理论分析的正确性。(3) 能够加强同学们对直流电动机单极性可逆PWM调速系统结构和DSP控制技术的认识。达到综合提高学生工程设计与动手能力的目的。2 他励直流电动机模型2.1 传递函数他励直流电动机的铭牌额定参数：为电枢额定电压24V，为电枢额定电流62A，为额定转速2600r/min。可推算出为电枢电感0.015H，电枢内阻R为0.0375，转动惯量J为0.0032，电气时间常数为0.076s，转矩系数为0.0796N.m/A，电势系数为0.0083Vs/rad，机械时间常数为0.0189s，其中忽略粘性系数B。电机在空载启动，即=0时的他励直流

4、电机传递函数如公式(2.1)所示： (2.1)其中, ,， =代入参数计算得传递函数为： (2.2)其中， 为直流电机的角频率（即转速），为直流电机的电枢电压（即施加在电机定子线圈上的端电压）。 可见，他励直流电动机的拉普拉斯变换模型是一个二阶滞后惯性系统，也就是说，给电机施加一个阶跃电压，电机的速度不会立即上升，而是滞后慢慢上升，就是常说的直流电动机控制是一个“惯性环节”系统。2.2他励直流电动机模型的MATLAB仿真模型 利用MATLAB的simulink工具箱，画他励直流电动机传递函数模型框图，组成闭环，输入端加上阶跃电压源，输出端加上示波器。创建模型文件（文件扩展名为.mdl）的步骤如

5、下：(1)输入simulink，新建model文件。(2)查找 ：step元件在Simulink模块库中Sources中找，sum元件在Simulink模块库中math operations中找，PID在在Simulink extra模块库中additional linear中找，Transfer Fcn在Simulink模块库中Continuous，Mux在Simulink模块库中Signal Routing中找，Scope在Simulink模块库中Sink（显示）模块中中找。各模块显示如图2.1所示。图2.1 MATLAB模块图(3)修改模块参数双击阶跃（step）设置如图2.2所示。图2

6、.2 阶跃模块参数设置双击Transfer Fcn 设置传递函数,如图2.3所示。图2.3 传递函数参数设置(4)连接各模块具体方法是用鼠标单击某模块的输出端，拖动鼠标到另一模块的输入端处再释放，则可以将这两个模块连接起来。完成模块连接后，就可以得到如图2.4所示的他励直流电动机传递函数模型结构图。图2.4 传递函数模型结构图(5)系统仿真研究建立模型后就可以直接对系统进行仿真，单击启动仿真的按钮或选择Simulation-Start菜单项，则可以启动仿真过程，双击示波器模块（Scope）就可以显示仿真结果了，如图2.5所示。图2.5 仿真波形图由仿真结果可知，没有PID控制的他励直流电动机，

7、对阶跃的响应，电机转速振荡较大，无法正常使用。假如电机模型只是一阶滞后系统，模型结构图如图2.6所示。则输出对阶跃的响应如图2.7所示，没有振荡。图2.6 一阶滞后系统模型结构图图2.7 一阶滞后系统阶跃响应思考题2-1：二阶系统对应什么机械环节？他励直流电动机PID控制模型框图，如图2.8所示：图2.8 PID控制模型框图双击PID Controller，进行Kp，Ki，Kd的设置，如图2.9所示。图2.9 Kp，Ki，Kd参数设置分别设置Kp=0.5，Ki=0，Kd=0和Kp=1，Ki=0，Kd=0；结果分别如图2.10和图2.11所示，由图可知当Kp较小时，电机转速出现振荡，但是系统输出

8、稳定值不能达到输入所设置2的要求，因此Kp不能小于1，并且Kd不能为0！图2.10 Kp=0.5，Ki=0，Kd=0对应波形图图2.11 Kp=1，Ki=0，Kd=0对应波形图思考题2-2：为什么输出响应值不能达到输出稳定值2？分别设置Kp=2，Ki=2，Kd=0和Kp=2，Ki=1，Kd=0；结果分别如图2.12和图2.13所示。由图可知，Kd=0，振荡依然存在，但是后者达到稳定值的时间比前者要短，因此Ki的值也不能过大。图2.12 Kp=2，Ki=2，Kd=0对应波形图图2.13 Kp=2，Ki=1，Kd=0对应波形图思考题2-3：为什么积分作用强（Ki值较大），系统达到稳定时间就拉长了？

9、3 分别设置Kp=2，Ki=0，Kd=1和Kp=2，Ki=0，Kd=0.1；结果分别如图2.14和图2.15所示。由图可知，Kd0，系统不存在振荡，但是电机的稳定转速达不到输入给定的2，存在静差。图2.14 Kp=2，Ki=0，Kd=1对应波形图图2.15 Kp=2，Ki=0，Kd=0.1对应波形图思考题2-4：为什么电机稳定速度达不到系统要求的2？4 分别设置Kp=2，Ki=2，Kd=1和Kp=2，Ki=1，Kd=1；结果分别如图2.16和图2.17所示。由图可知，当Ki过大时将增大系统的超调，但是系统的输出静差（系统实际输出与输入要求的理想输出的差值）几乎为0。图2.16 Kp=2，Ki=

10、2，Kd=1对应波形图图2.17 Kp=2，Ki=1，Kd=1对应波形图思考题2-5：为什么加入积分控制（Ki不为0），系统输出静差几乎为0？5 分别设置Kp=2，Ki=1，Kd=1和Kp=2，Ki=1，Kd=0.5；结果分别如图2.18和图2.19所示。由图可知，当Kd过大时，增加了系统达到稳态的时间。图2.18 Kp=2，Ki=1，Kd=1对应波形图图2.19 Kp=2，Ki=1，Kd=0.5对应波形图思考题2-6：为什么微分作用增强（Kd较大），系统达到稳态的时间会拉长？6 设置Kp=2，Ki=0.4，Kd=0.4，结果如图2.20所示。由图可知，系统达到较理想的阶跃响应状态，上升时间小

11、于一个时间单位（1），超调几乎为0。图2.20 Kp=2，Ki=0.4，Kd=0.4对应波形图思考题2-7：在系统较理想阶跃响应状态状态下，想要进一步缩短达到输出稳定值的的时间，应该修改哪个参数？设置Kp=2，Ki=3，Kd=0.4，结果如图2.21所示。由图可知，增大Ki能明显缩短阶跃响应的上升时间。图2.21 Kp=2，Ki=3，Kd=0.4对应波形图思考题2-8：虽然Kp加大也可以明显缩短阶跃响应的上升时间，为什么不能一味加大Kp，而要在Kp为适当值时，加大Ki呢？ PID控制器是把比例、积分和微分作用结合起来，以利用其各自的优点，通过线性组合作为控制器的输出量，作用于被控对象。PID控

12、制器内各环节作用如下所述：(1) 比例环节实时地按照一定比例反映系统的偏差量 ，即一旦偏差出现，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例系数Kp越大，系统的调整时间就越短，稳态误差也越小，但Kp过大，会造成超调量过大，引起系统不稳定。(2) 积分环节消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。积分系数Ki越大，积分作用越强，稳态误差越小，调整时间越短，但Ki大，会造成稳定性变差。(3) 微分环节能及时地反映偏差量的变化趋势和变化率，有效改善系统的动态性能。通常，微分系数Kd大，系统超调量减小，但Kd大，也会造成系统稳定性下降。P、PI、PID三种控制方式的比较首先要知道对控制系统的一般要求：稳控制系

13、统首先必须是稳定的，并有一定的稳定裕量。准被控参数与期望值之间的偏差尽量小，系统有一定的精度。快过渡过程尽量短，一般要求过渡过程为衰减振荡过程。只有明白了控制系统的基本要求，才能进行分析比较。 P、PI、PID三种控制器在工程实践中是常用的控制器。其中最常用的为PID控制，但其是在各简单环节上建立的，它综合了各简单环节的优缺点，可以方便的对其定性分析，以整定满足条件的参数。下面对三种控制方式进行比较分析：(1) P控制器P一般用来校正系统的静态误差。P调节是一种比较简单的控制方式，由于其控制功能有限，当单独使用时其一般用在一阶系统中，用于改善系统的控制精度，但如果比例环节放大系数太大容易使系统

14、不稳定。P控制为有差调节，通过图2.22可明白图2.22 P控制模块图由图2.22可知式2.3： (2.3)分析式(2.3)知，当输入与反馈相减，即为误差e(t)=0时，输出c(t) = 0 ,故知P控制器为有差调节。换句话说也就是只有偏差e(t)不为零时，调节器才有输出调节。如果e(t)等零，则调节器输出为零，就会失去调节的作用。或者简单的说，P调节器正是利用偏差实现调节控制，使系统被控参数近似跟踪给定值。系统静差随放大倍数Kc的增大而减小，这是有利于控制的一面，但是却增加了系统的不稳定性。如果加入一个参数合适的比例控制器，可以降低系统惯性和加快系统响应速度。(2)PI控制器PI控制器为无差

15、调节方式。采用积分调节可以提高系统的无差度，也就是提高系统的控制精度。与P调节相比，这种控制方式过渡过程比较缓慢，系统的稳定性较差，这是PI控制的最大缺点。当增大积分调节的积分速度后，虽然可以在一定程度上提高系统的响应速度，但却会加剧系统的不稳定程度。图2.23 PI控制器输出响应从图2.23中可以看出，输出响应由两部分组成。在起始阶段，比例发挥作用达到迅速反应输入的的目的。之后积分也发挥作用，两者共同作用达到最终消除静差的目的。因此，PI将比例的快速反应与积分的消除静差作用结合在一起，收到比较好的控制效果。但实际中，加入的PI调节增加了系统的相位滞后。与P调节相比，PI的稳定性比P差，且加入的积分环节使调节器出现了一个严重的缺点，即积分饱和现象。(3)PID控制器PID是比例，积分，微分控制规律的线性组合。它吸取了比例调节的快速反应功能，积分调节的消除静差功能以及微分调节的预测功能，并弥补了三者的不知之处，取长补短。从控制效果上看，其应是比较