一.实验原理
直流电机在应用中有多种控制方式,在直流电机的调速控制系统中,主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。
功率放大器是电机调速系统中的重要部件,它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅<晶闸管)。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比,有功耗低、效率高,有利于克服直流电机的静摩擦等优点。
PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理:
1.PWM的工作原理
图1-1PWM的控制电路
上图所示为SG3525为核心的控制电路,SG3525是美国Silicon General公司生产的专用。
PWM控制集成芯片,其内部电路结构及各引脚如图1-2所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小,在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波<即PWM信号)。它适用于各开关电源、斩波器的控制。
2.功放电路
直流电机PWM输出的信号一般比较小,不能直接去驱动直流电机,它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。
3.反馈接口
在直流电机控制系统中,在直流电机的轴上贴有一块小磁钢,电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件,当磁钢转到时霍尔元件感应输出。
4.直流电机控制系统如图1-3所示,由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号,经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较,所得的差值按照一定的规律<通常为PID)运算,然后经数据采集卡输出控制量,供执行器来控制电机的转速和方向。
图1-2 SG3525内部结构
图1-3 直流电机控制系统
5.PID原理
过程控制的基本概念
过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。
1.模拟控制系统
图1-4 基本模拟反馈控制回路
被控量的值由传感器或变送器来检测,这个值与给定值进行比较,得到偏差,模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化,以使偏差趋近于零,其输出通过执行器作用于过程。
控制规律用对应的模拟硬件来实现,控制规律的修改需要更换模拟硬件。
2.微机过程控制系统
图1-5 微机过程控制系统基本框图
以微型计算机作为控制器。控制规律的实现,是通过软件来完成的。改变控制规律,只要改变相应的程序即可。
3.数字控制系统DDC
图1-6 DDC系统构成框图
DDC(Direct Digital Congtrol>系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测,并根据确定的控制规律(算法>进行计算,通过输出通道直接去控制执行机构,使各被控量达到预定的要求。由于计算机的决策直接作用于过程,故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。
模拟PID调节器
1.模拟PID控制系统组成
图5-1-4 模拟PID控制系统原理框图
2.模拟PID调节器的微分方程和传输函数
PID调节器是一种线性调节器,它将给定值r(t>与实际输出值c(t>的偏差的比例
(P>、积分(I>、微分(D>通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制。
1、PID调节器的微分方程
???
???++=?t D I P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -=
2、PID 调节器的传输函数
??
????++==
S T S T K S E S U S D D I P 1
1)()()(
3.PID 调节器各校正环节的作用
1、比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t>,偏差一旦产生,调节器立即产生控制作用以减小偏差。
2、积分环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ,TI 越大,积分作用越弱,反之则越强。
3、微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率>,并能在偏差信号的值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减小调节时间。
数字PID 控制器
1.模拟PID 控制规律的离散化
模拟形式 离散化形式
)()()(n c n r n e -= dT t de )
(
?t dt t e 0
)(
∑∑===n i n
i i e T T i e 0
)
()(
2.数字PID 控制器的差分方程
[]0
0)()()()1()()()()(u n u n u n u u n e n e T T i e T T n e K n u D I P n
i D I P +++=+?
?????--++=∑=
式中 )()(n e K n u P P = 称为比例项
∑==n
i I P
I i e T T
K n u 0
)
()( 称为积分项
[])1()()(--=n e n e T T K n u D
P
D 称为微分项
3.常用的控制方式 1、P 控制 0)()(u n u n u P += 2、PI 控制 0)()()(u n u n u n u I P ++=
3、PD 控制
0)()()(u n u n u n u D P ++= 4.PID 控制0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++=
PID 算法的程序流程
1.增量型PID 算法的程序流程
)()()(t c t r t e -=T
n e n e )
1()(--
1.增量型PID 算法的算式
)2()1()()(210-+-+=?n e a n e a n e a n u
式中
)1(0T T T T K a D
I P ++
=,)21(1T T K a D P +-=,T T K a D P -=2
2、增量型PID 算法的程序流程
2.位置型PID 算法的程序流程
1、位置型的递推形式
)2()1()()1()()1()(210-+-++-=?+-=n e a n e a n e a n u n u n u n u
2、位置型PID 算法的程序流程――图5-1-9
只需在增量型PID 算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu(n>+u(n-1>=u(n>
和
更新u(n-1>即可。
3.对控制量的限制
1、控制算法总是受到一定运算字长的限制
2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下>极限
二.实验拉线图
三.实验参考程序及程序流程图
1.参考程序
dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op
sub Initialize(arg> '初始化函数
WriteData 0 ,1
mx=0
pvx=0
end sub
sub TakeOneStep (arg> '算法运行函数
pv = GetFS '电机的控制的转速,该转速在20~35左右TTTRACE "转速=%f",pv
sv=35
K=2
Ti=2
Ts=0.05 '采集周期50ms
ei=(sv-pv >/20
TTRACE "ei=%f", ei
q0=K*ei '比例项
if Ti=0 then
mx=0
q1=0
else
mx=K*Ts*ei/Ti '当前积分项
end if
q2=K*Td*(pvx-pv>/Ts '微分项
q1=q1+mx
if q1>3.5 then
q1=3.5
end if
if q1<-3.5 then '当前积分限幅,以防积分饱和q1=-3.5
end if
pvx=pv
op=q0+q1+q2 '当前输出值
if op<=1 then '输出值限幅
op=1
end if
if op>=3.5 then
op=3.5
WriteData op ,1
TTRACE "op=%f", op
end sub
sub Finalize (arg> '退出函数WriteData 0 ,1
end sub
2.流程图
四.实验结果
河南科技大学 课程设计说明书 课程名称现代电子系统课程设计题目_直流电机控制设计 学院__电子信息工程学院____班级_________ 学生姓名__________ 指导教师__________
日期_______ 课程设计任务书 (指导教师填写) 课程设计名称现代电子系统课程设计学生姓名专业班级 设计题目直流电机控制设计 一、课程设计目的 学习直流电机PWM的FPGA控制; 掌握PWM控制的工作原理; 掌握GW48_SOPC实验箱的使用方法; 了解基于FPGA的电子系统的设计方法。 二、设计内容、技术条件和要求 利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制。 (1)基本要求: a.速度调节:4档,数字显示其档位。 b.能控制电机的旋转方向。 c.通过红外光电电路测得电机的转速,设计频率计用4位10进制显示电机的转速。 (2)发挥部分 a.设计“去抖动”电路,实现直流电机转速的精确测量。 b.修改设计,实现直流电机的闭环控制,旋转速度可设置。 c.其它。 三、时间进度安排 布置课题和讲解:1天 查阅资料、设计:4天 实验:3天 撰写报告:2天 四、主要参考文献 何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社2008.1 潘松黄继业《EDA技术实用教程》科学出版社2006.10 齐晶晶《现代电子系统设计》实验指导书电工电子实验教学中心2009.8
指导教师签字:2010年12月30日 摘要 利用FPGA可编程芯片及VHDL语言实现了对直编程实现流电机PWM控制器的设计,对直流电机速度进行控制。介绍了用VHDL语言编程实现直流电机PWM控制器的PWM的产生模块、转向调节模块、转速控制模块、去抖动电路模块、电机转速显示等模块功能。 采用CPU控制产生PWM信号,一般的PWM信号是通过模拟比较器产生的,比较器的一端按给定的参考电压,另一端接周期性线性增加的锯齿波电压。当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平,当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。若用单片机产生PWM信号波形,需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压,通过外接模拟比较器输出PWM波形,因此外围电路比较复杂。 FPGA中的数字PWM控制与一般的模拟PWM控制不同,用FPGA产生PWM波形,只需FPGA 内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器,数字比较器的一端接设定值计数器输出,另一端接线性递增计数器输出。当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平,当计数值大于设定值时输出高电平。与模拟控制相比,省去了外接的D/A转换器和模拟比较器,FPGA外部连线很少,电路更加简单,便于控制。脉宽调制式细粉驱动电路的关键是脉宽调制,转速的波动随着PWM脉宽细分数的增大而减小。 直流电机控制电路主要由三部分组成: (1)FPGA中PWM脉宽调制信号产生电路。 (2)FPGA中的工作/停止控制和正/反转方向控制电路。 (3)由功率放大电路和H桥组成的正反转功率驱动电路 关键词
实验五直流电机闭环调速控制 2011级测控一班王婷婷 2011134128 一、实验目的 1.掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法; 2.了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。 二、实验设备 计算机控制技术(二)、PCI数据采集卡(含上位机软件) 三、实验原理 直流电机在应用中有多种控制方式,在直流电机的调速控制系统中,主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。 功率放大器是电机调速系统中的重要部件,它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅(晶闸管)。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比,有功耗低、效率高,有利于克服直流电机的静摩擦等优点。 PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理: 1.PWM的工作原理 图5-1 PWM的控制电路 图5-1所示为SG3525为核心的控制电路,SG3525是美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成芯片,其内部电路结构及各引脚如图5-2所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小,在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波(即PWM信号)。它适用于各开关电源、斩波器的控制。 2.功放电路 直流电机PWM输出的信号一般比较小,不能直接去驱动直流电机,它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。 3.反馈接口 在直流电机控制系统中,在直流电机的轴上贴有一块小磁钢,电机转动带动磁钢转动。 磁钢的下面中有一个霍尔元件,当磁钢转到时霍尔元件感应输出。 4.直流电机控制系统如图13-3所示,由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号,经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较,所得的差值按照一定的规律(通常为PID)运算,然后经数据采集卡输出控制量,供执行器来控制电机的转速和方向。
十二、直流电动机速度控制模型建立 如图所示,a R 和a L 分别为电枢回路电阻和电感,a J 为机械旋转部分的转动惯量,f 为旋转部分的粘性摩擦系统,)(t u a 为电枢电压,)(t n 为电动机转动速度,)(t i a 为电枢回路电流。 通过调节电枢电压)(t u a ,控制电动机的转动速度)(t n 。电动机负载变化为电动机转动速度的干扰因素,用负载力矩)(t M d 表示。 根据直流电动机的工作原理及基尔霍夫定律,直流电动机有四大平衡方程: (1)电枢回路电压平衡方程 )()()(t u E t i R dt t di L a a a a a a =++ 式中,a E 为电动机的反电势。 (2)电磁转矩方程 )()(t ia K t M a w = 式中,)(t M w 为电枢电流产生的电磁转矩,a K 为电动机转矩系数。 (3)转矩平衡方程 )()()()(t M t M t fn dt t dn J d w a +=+ 式中,a J 为机械旋转部分的转动惯量,f 为旋转部分的粘性摩擦系数。 (4)由磁感应关系,得 )(t n K E b a = 根据上述的四个平衡方程式,可建立起系统的输出量、干扰量与输入量之间的传递函数 b a a a a a a a a a K K f R s J R f L s L J K s U s N ++++=)()()(2 a a a a d R s L K s U s M +-=)()( 建立起直流电动机的结构图为
直流电动机参数为 Ω =0.2a R , 015.0,015.0,5.0===b a a K K H L ,Nms f 2.0=,202.0m kg J a ?=。 得到系统的阶跃响应曲线为
第一章:概述 直流电动机是人类发明最早和应用的一种电机。与交流电机相比,直流电机因结构复、维护苦难,价格昂贵等缺点制约了它的发展,应用不及交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的启动、调速和制动性能,因此在工业领域中仍占有一席之地。 转速调节的主要技术指标是:调速范围D和负载变化时对转速的影响即静差率,以及调速时的允许负载性质等(静差率就是表示在负载变化时拖动装置转速降落的程度。静差率越小,表示转速稳定性越好,对生产机械,如机床加工的零件,其加工的精度及表面光洁度就越高)。而直流电动机的突出优点是恰好是能在很大的范围内具有平滑,平稳的调速性能,过载能力较强,热动和制动转矩较大。 因此,从可靠性来看,直流电动机仍有一定的优势。 调节直流电动机转速的方法有三种: (1)电枢回路串电阻; (2)改变励磁电流; (3)改变电枢回路的电源电压; 而本文从另一个角度来阐述直流电机的速度控制,即利用自动控制中的反馈来调节电机的平稳运行以达到各项性能指标。
第二章:系统数学模型 本系统的简化方框图为: 其对应的原理图为: 控制系统的被控对象为电动机(带负载),系统的输出量是转速w ,参数亮是Ui 。控制系统由给定电位器、运算放大器1(含比较作用)、运算放大器2(含RC 校正网络)、功率放大器、测速发电机、减速器等部分组成。 工作原理为:当负载角速度ω和电动机角速度m ω一致的时候,反馈电压为0,电机处于平衡状态即电动机运行稳定。当负载的角速度收到干扰的作用时,ω和m ω失谐,控制系 统通过反馈电压的作用来改变m ω直到达到新的一致使系统恢复稳定,电机稳定运行。
2.1直流电动机的数学模型: 直流电动机的数学模型。直流电动机可以在较宽的速度范围和负载范围内得到连续和准确地控制,因此在控制工程中应用非常广泛。直流电动机产生的力矩与磁通和电枢电流成正比,通过改变电枢电流或改变激磁电流都可以对电流电机的力矩和转速进行控制。图2.2是一个电枢控制式直流电动机的原理图。在这种控制方式中,激磁电流恒定,控制电压加在电枢上,这是一种普遍采用的控制方式。 设为输入的控制电压 电枢电流 为电机产生的主动力矩 为电机轴的角速度 为电机的电感 为电枢导数的电阻 为电枢转动中产生的反电势 为电机和负载的转动惯量 根据电路的克希霍夫定理 (2-1) 电机的主动转矩 (2-2) 其中为电机的力矩常数。 反电势 (2-3) 式中为电机反电势比例系数 力矩平衡方程
滨江学院 专业综合设计 题目直流电机闭环调速系统控制 院系自动控制 专业自动化 组别第二组 组长周未政 指导教师周旺平 二0 一0 年十二月二十八日基于单片机的直流电机闭环调速控制系统
摘要:设计以AT89C51单片机控制模块为核心,由单片机控制、红外线光电检测装置、直流电机转速为被测量组成的控制系统。原理是利用红外线光电传感器接收直流电机转速所产生的红外信号转换成电信号传输给单片机,并调节转速的闭环调速控制系统。 1.AT80C51单片机介绍 1.1主电源引脚 V ss—(20脚):电路地电平 V cc—(40脚):正常运行和编程校检(8051/8751)时为+5V电源。 1.2外接晶振或外部振荡器引脚 XTAL1—(19脚):接外部晶振的一个引脚. 在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器. 当采用外部振荡器时,此引脚应该接地. XTAL2—(18脚):接外部晶振的另一个引脚. 在片内接至振荡器的反相放大器的输出和内部时钟发生器的输入端. 当采用外部振荡器时,则此引脚接外部振荡信号的输入。 1.3控制、选通或电源复用引脚 RST/V pd—(9引脚): RST即Reset(复位)信号输入端。 ALE/PROG—(30引脚): ALE,允许地址索存信号输出。 PSEN—(29脚):访问外部程序存储器选通信号,低电平有效。. V pp/EA—(31引脚): EA为访问内部或外部程序存储器选择信号。 1.4多功能I/O口引脚 P0口—(32-39脚):8位漏极开路双向并行I/O接口. P1口—(1-8脚): 8位准双向并行I/O接口. P2口—(21-28脚):8位准双向并行I/O接口. P3口—(10-17脚):具有内部上拉电路的8位准双向并行I/O端口。它还提供第二特殊功能,具体含义为: P3.0—(10脚)RXD:串行数据接收端。 P3.1—(10脚)TXD:串行数据发送端。 P3.2—(10脚)INT0:外部中断0请求端,低电平有效。 P3.3—(10脚)INT1:外部中断1请求端,低电平有效。. P3.4—(10脚)T0:定时器/计数器0外部事件计数输入端。.
直流电机转速控制 课程设计 姓名: 学号: 班级:
目录 1.直流电机转速控制方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2设计框图 (2) 2.直流电机转速控制硬件设计 (3) 2.1主要器件功能 (3) 2.2硬件原理图 (6) 3.直流电机转速控制软件设计 (7) 4.调试 (8) 4.1硬件测试 (8) 4.2软件调试……………………………………………………………(11
1.直流电机转速控制方案设计 1.1设计要求 通过设计了解如何运用电子技术来实现直流电机转速控制,完成直流电机转向和转速的控制,提高分析电路设计、调试方面问题和解决问题的能力。 1、用按键1控制旋转方向,实现正转和反转。 2、电机的设定转速与电机的实际转速在数码管上显示。 3、旋转速度可实时改变。 1.2设计框图 本课题中测量控制电路组成框图如下所示: 图1
2.直流电机转速控制硬件设计 2.1主要器件功能 1、L298N 是专用驱动集成电路,属于H 桥集成电路,与L293D 的差别是其输出电流增大,功率增强。其输出电流为2A,最高电流4A,最高工作电压50V,可以驱动感性负载,如大功率直流电机,步进电机,电磁阀等,特别是其输入端可以与单片机直接相联,从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时,可以直接控制步进电机,并可以实现电机正转与反转,实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。此外可能通过使能端的高低电平的变换,从而使电机通断,来控制电机的转速。 图2 板上的EN1 与EN2 为高电平时有效,这里的电平指的是TTL 电平。EN1 为IN1 和IN2 的使能端,EN2为IN3 和IN4 的使能端。POWER 接直流电源,注意正负,电源正端为VCC,电源地为GND。 2、ZLG7290的核心是一块ZLG7290B芯片,它采用I2C接口,能直接驱动8位共阴式数码管,同时可扫描管理多达64只按键,实现人机对话的功能资源十分丰富。除具有自动消除抖动功能外,它还具有段闪烁、段点亮、段熄灭、