东华理工学院长江学院毕业设计（论文）
题目：交流异步电动机的速度闭环控制及其硬件实现英文题目：Exchanges The Asynchronous Motor Speed
Closed-loop Control And The Hardware Realization
系别：电子与机械工程系
学生姓名：王沈阳
班级：02312114
指导教师：罗先喜
专业：自动化
二零零六年六月
摘要
本文主要介绍了用大规模集成电路HEF4725和C8051单片机控制的PWM变频调速系统，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速，整个过程可由单片机来控制，用到了专门用于产生SPWM波形的芯片HEF4752，自身带有过电流，过电压，过热，短路等保护设计的绝缘门极双极性晶体管IGBT模块的集成芯片IPM，使外围控制电路简单，调试方便，成本低，其输出波形良好，稳定可靠，实现起来非常方便，故具有广阔的应用前景和实用价值。
本系统采取了变频调速的方式，实现了转速闭环控制的目的，即采用速度检测装置，把检测到的速度送回到计算机，与实际要求的转速相比较，再用PID进行调节，使两个速度达到最接近的状态，在整个过程中由于采用了单片机系统硬、软件的设计和系统智能化控制，并对调速系统的应用作了抗干扰分析，主要包括硬件抗干扰措施和软件抗干扰措施了个方面，最终使系统达到精确控制的目的。
关键词
PWM; 变频调速; 闭环控制
ABSTRACT
This paper introduces PWM variable frequency drive system controlled by HEF4752IC chip and single chip microprocessor C8051,sets forth IGBT and its Integrated circuit IPM application ,PWM implement ,the design of hardware and software for control system with single chip microprocessor and intellectual control.
The paper has adopted the closed-loop control in the system, namely uses the speed detector set, the speed which examines returns to the computer, compares with the actual request rotational speed, again uses PID to carry on the adjustment, enables two speeds to achieve the closest condition, It also analyses energy conservation performance for the drive system . So it can compare good realization to the designing requirement of the system, the accurate one achieves the goal of adjusting speed in frequency conversion.
Keywords
PWM; variable frequency drive； closed-loop control
目录
摘要关键词
英文摘要与关键词
绪论 (1)
1. 系统的组成研究 (3)
1.1 系统的硬件框图 (3)
1.2 系统的各组成部分研究 (3)
1.2.1系统的主电路 (3)
1.2.2单片机系统 (4)
1.2.3 检测保护电路 (7)
2. 系统的工作原理介绍 (8)
2.1调速的工作原理介绍 (8)
2.2 交流调速的脉宽调制(PWM)控制技 (11)
3. 闭环调速的实现 (16)
3.1 系统的动态结构图 (16)
3.2 工作原理的介绍 (16)
3.2.1 PID应用的介绍 (16)
3.2.2 调速闭环控制介绍 (18)
3.3 闭环控制的优势 (20)
4. 系统所用到的芯片介绍 (21)
4.1 C8051芯片 (21)
4.2 PWM的专用芯片HEF4752 (22)
4.3 逆变电路IGBT集成芯片IPM (24)
4.4 键盘显示专用芯片Intel8279 (26)
4.5 编程和记数定时器芯片8253 (27)
4.6 74LS373; 74LS138; 2764; 6264; 74LS245；LTC1799 简介 (29)
5. 系统的抗干扰措施 (31)
结论 (33)
致谢 (35)
参考文献 (36)
附录1 系统软件设计 (37)
附录2 系统硬件原理图 (58)
绪论
随着社会的不断发展,我们面临着能源短缺,电机调速技术的不断更新等许多问题,尤其是闭环调速在交流电机上的应用以来,使得变频调速逐渐显示出很大的潜力。
现状：能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的大部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。
PWM技术：脉宽调制技术(简称PWM技术)是交流调速系统的控制核心，以其高效率，高功率因数，输出波形好，结构简单，可组成传动等优点而得到了越来越广泛的应用，而且任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PWM控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的PWM控制方案就不下十几种，关于PWM控制技术的文章在很多著名的电力电子国际会议上，如PESC，IECON，EPE年会上已形成专题。PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方兴未艾。其中，空间矢量PWM技术以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小等特点在交流调速系统中得到了越来越多的应用[8]。
研究内容：在本论文中主要研究的变频调速系统是以大规模专用集成电路芯片HEF4752为主要部分构成的，由HEF4752产生的三相SPWM信号经隔离、放大后，驱动由IGBT构成的三相逆变器，使之输出SPWM的波形，实现异步电动机变频调速，整个过程可由单片机来控制，用到了专门用于产生SPWM波形的芯片HEF4752，自身带有过电流，过电压，过热，短路等保护设计的IGBT的集成芯片IPM，专门用于键盘，显示电路的8279芯片，和C51，8253等芯片，使整个调速的过程变得简单了不少，由于采用了闭环控制，使得变频调速所达到的结果更加精确，转速检测部分采用了
M/T测速法，即采用了光电码盘测速，提高了系统的稳态控制精度。随着全球能源的不断的紧张和变频技术的不断的成熟，这种微机控制的变频调速将得到越来越多的关注。
交流调速的优点：(1)在传统的可调速电气传动系统中，直流电动机调速系统占绝对优势。但是直流电动机结构复杂，价格高，又有换向器和电刷，在运行中常出故障。与此相反，鼠笼式异步电动机具有结构简单，运行可靠，价格便宜等优点。但是交流电动机调速困难。自从上世纪80年代初交流变频技术出现以来，使用变频调速器和调节器来进行交流电动机无级调速成为可能。它具有调速范围宽，稳速精度高，
动态响应快，运行可靠等技术性能，已逐步取代直流电动机调速系统。所以，研究交流调速很有意义，这也是我们立体原因所在。
(2)交流调速技术的应用为工农业生产及节省电能方面带来了巨大的经济和社会效益，发展表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的飞速发展；现代控制理论的发展和应用，电力电子技术的发展和应用，微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的飞速发展创造了技术和物质条件，现在，交流调速系统正在逐步取代直流调速系统。交流调速在电气传动领域中占据了统治地位已是公认的事实。
单片机控制变频调速的优点：随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。例如由Intel公司1983年开发生产的MCS - 96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。其高档型：8×196KB、8×196KC、8×196MC等在通用开环交流调速系统中的应用较多。在交流调速的研究与制造过程中，速度的控制十分重要，能够达到准确无误的控制是十分关键的，这就需要对速度不断的检测和反馈，因此必须要建立闭环控制系统，让计算机对检测到的实际电动机的信号与用户所给定的信号不断的比较，最终达到以致的结果，这样控制，系统的精确性相比过去的开环调速得到很大的提高，也成为以后精确调速的一个发展的方向，有很大的发展市场。近十几年来，由于微机控制技术，特别是以单片机及数字信号处理器 DSP 为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用以及大规模集成电路的应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制转向数字控制。全数字化的交流调速系统已经得到普遍应用。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中的复杂坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都解决了。高性能的矢量控制系统如果没有微机的支持是不可能真正实现的。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。微机控制技术及大规模集成电路的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已经成为现代交流调速系统的主要特征之一。
展望：由于交流电机控制理论不断发展，各种总线也扮演了相当重要的角色,STD 总线、工业PC总线、现场总线以及CAN总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作用。尤其是计算机在调速过程中的比较控制方面（即闭环反馈方面）综观交流调速发展过程和现状，可以看出交流调速技术今后发展趋势和动向如下：
①以取代直流调速系统为目标的高性能交流调速系统的进一步研究与开发。
②新型拓扑结构功率变换器的研究与开发。③PWM 模式的改进和优化。
④中压变频装置（我国称为高压变频装置）的研究与技术开发
1. 系统的组成研究
在这部分中主要从系统的硬件设计上对我们所研究的的内容加以了详细的说明,系统的各个模块,各模块的作用,以及它们的一些优点,在这章都有说明。
1.1 系统的硬件框图
图1-1 系统的硬件框图
本系统主要由：主电路，单片机系统，检测保护电路，键盘显示电路组成，详细见附录2系统原理图[1]。
1.2 系统的各组成部分研究
在这一部分当中主要包括:系统主电路;单片机系统;检测保护电路。详细电路见附录原理图。
1.2.1系统的主电路
主电路采用了交—直—交变频器，工作原理即：先将工频交流电源通过整流器变换成直流电，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流电，由于这类变压变频器在
恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直溜环节”，所以又称间接式变频器。它又分为电压源型和电流源型两种，电压源型采用较大电容量的电容器进行滤波，直流电路电压波形平直，输出阻抗小，电压不易变化，相当于直流恒压源，它在当前中小功率变频调速系统中应用十分广泛。如下：图1-2
图1-2 交-直-交变频电源
整流部分原理图如图1-3，其中A，B，C是交流电输入端，接有熔丝，当出现电流过大时熔丝会自动熔断，起到保护整个电路的作用，在整流电路入口还接有电容和电阻，能够起到抗干扰的作用，使得系统的性能更加的稳定；逆变部分采用了IPM，专用的IGBT逆变集成芯片，因为它的优点比较多，而且用起来比较方便，所以得到广泛的应用（关于IPM具体的功能见它的芯片介绍）[7]。
图1-3 系统整流部分原理图
1.2.2单片机系统
这部分包括单片机的控制和键盘显示系统两个主要部分，以及以及中间用到的一些现在经常采用的一些比较先进的，可以代替大块的硬件电路的芯片的运用。
(1)单片机最小系统
本装置的单片机控制系统是整个变频调速系统的测控中枢，主要完成对整个变频调速系统的检测，控制，保护等工作。在启动前，单片机对系统进行启动前的检测，在保证电路电压，电流正常，且无电流冲击的情况下允许启动；正常运行时单片机控制集成触发芯片HEF4752V产生PWM信号的同时，还要完成对转速的检测，PID数字
调节的运算与处理，监视系统的运行等功能。若系统出现故障，则进行保护处理，并根据检测结果显示相应的故障状态。单片机控制系统还具备了必要的人机交互功能，通过键盘设置或修改系统运行及控制参数。为了实现上述功能，选用8051芯片[2]作为系统主机，如下图1-4所示。
图1-4 单片机最小系统
8051内部只有4K的ROM，因此利用8KB的EPROM 2764进行扩展。8051的P0口经地址锁存器74LS373与2764的A0--A7相连；P2口的低5位P2.0--P2.4接2764的A8--A12，P0口同时又接与2764的数据线D0--D7相连；EPROM的片选信号来自8051的PSEN。
6264为外部数据存储器，用于对8051的RAMA进行扩展。8051的P0口经地址锁存器74LS373与6264的A0--A7相连；P2口的低5位P2.0--P2.4接6264的A8--A12，P0口同时又直接于2764的数据线D0--D7相连；6264的片选信号来自译码器74LS138的Y1[2]。
(2)键盘显示电路
键盘/显示电路采用了Intel8279专用键盘/显示控制芯片，它具有显示器自动扫描，识别，闭合键的键号自动识别的功能，能自动向LED显示器输出显示字符的段选码和位选码，实现动态扫描，可代替CPU完成对键盘和显示器的控制，减轻CPU的负担，而且显示稳定，不会出现误动作，其最大的键盘配置可达64个，最多可接16位显示器，完全满足系统的要求。8279与8051接口也十分方便。这样既简化了电路设计，又提高了CPU的工作效率。具体应用电路如下：图1-5所示。
图1-5 键盘显示电路
本系统采用了16个按键的配置，即10个数字键和6个功能键。数字键为0--9，功能键为R--启动键，PID--PID参数设置，SPEED----电机转速设置键，ENTER--设置确认键，P/N--正反转控制键，S----停止键。SL0-SL2接译码器74LS138的输入端译码器的输出Y0，Y1作为键盘行扫描线，查询线则由反馈输入线RL0--RL7提供。
为了能够精确的显示PID 参数，电机转速等系统的运行的参数，以及能够详尽地描述系统的启动，控制等运行状态。本系统采用8位8段共阴极LED显示器，LED 的位选线由扫描线SL0--SL2经3--8译码器，驱动器提供，段选线OUTB0--OUTB3，OUTA0-OUTA3通过驱动器提供。
8279的中断请求信号IRQ经过反向器与8051的相连。ALE作为8279的时钟信号直接连到其CLK端，由8279设置适当的分频数，分频至100KKz。
P0口作为数据线，用于向8279写入显示字，控制字以及读回按键的键值。
，是读/写控制线，作为8279的片选信号。[3]
在本文中，主要用于用户的输入和输入值，及转速的显示等，具体的见程序流程。
(3)逆变器触发单元设计
逆变器触发单元以8051单片机为核心，由可编程记数/定时器8253[10]，PWM信号发生器HEF4752V等组成。8051主要完成控制工作，并向8253送时间常数和控制字；8253的3个计数器用以产生HEF4752V所需要的4个时钟输入
f VCT ,f
OCT
,f
FCT
,f
RCT
;HEF4752V是用以产生PWM逆变器的驱动信号。单元结构如下：图1-6
所示：
图1-6 逆变器触发单元设计
8253是可编程定时/计数器芯片，包含3个独立的16位计数器。8253可用6种
模式进行工作（详细见8253芯片介绍），全部功能都由软件来确定，图中8253的CLK0-2接10MHz时钟，GATE0-2为3个计数器的允许/禁止端，OUT0-2为3个计数通道的输出端，分别接HEF4752V的FCT，VCT，RCT和OCT。将8253的3个通道设定为方式3及计数分频模式，改变通道的分频数，即可改变对应的时钟输出，从而控制HEF4752V产生相应的PWM信号[1](其中HEF4752Z所需要的四路时钟信号
f VCT ,f
OCT
,f
FCT
,f
RCT
的具体的情况见附录1系统软件设计中关于它们的计算选择)。
1.2.3 检测保护电路[13]
图1-7 转速检测电路
本系统采用M/T测量电机的转速，脉冲发生器则采用红外线发射及接收器件
TLP947，在电机的转轴上应有黑白相间条纹的铝环，当铝环随电机转动时，由TLP947作为脉冲发生器可以产生一系列脉冲，单片机则可以进行M/T法测速，测速装置属于反馈环节，本系统用光电码盘测速，每转1024个脉冲作为转速传感器，和硬件8051相连接，记录码盘脉冲个数，其中关于测速的计算为：
因为码盘上有1024个脉冲传感器，就相当于1024个小孔，由发光二极管照在上面，当经过一个小孔就有一个高电平被送到了单片机当中，假设按秒计算，如果在1秒内收到了N个信号，则证明有N个高电平已经发出，既经过了N个小孔，所以转过的圈数就是N/1024，所以每分钟就时60N/1024圈每秒，得到的也就时电动机的实际的转速，用码盘测速在较宽的调速范围内可以获得较满意的效果。转速测量电路如上图1-7所示。
在本系统中通过上图转速检测电路检测到一个个的电频信号，并送到了C8051单片机中，进行记数，计算，最终得到的就是电动机的实际转速。
转速检测电路也是本系统的闭环控制部分，它首先是一个检测电路，通过M/T 测速得到了电动机的实际转速，其次，它把得到的转速送回了单片机，由单片机进行比较处理，既用户输入的电动机的转速与实际的转速相比较，即让两个值做差，看哪个值大，如果实际的大就让电动机进行减速处理，如果用户输入的值大就让电动机进行减速处理，也就是我们在后面说到的PID调节，就如上面它的动态结构图所示的那样，通过闭环控制使得调速更精确，系统的性能大大的得到了改善[8]。
2. 系统的工作原理介绍
本章主要介绍了电机调速的工作原理，以及交流调速的脉宽调制（PWM），祥见各节介绍。
2.1调速的工作原理介绍
由异步电动机的转速公式n = 60 f1(1-s)/ p 可知,当转差率变化不大时,ｎ基本上正比于 f1,所以改变供电电源频率 f1,即可调节异步电动机的转速。这种调速方法,可以获得很大的调速范围,很好的调速平滑性和相对稳定性[5]。
变频调速的基本控制方式在进行异步电机调速时，希望保持电机中每极磁通量Φm为额定量不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，也不能产生足够的电磁力矩，影响电机的加减速时的快速性；如果增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。三相异步电机定子每相电动势的有效值是Eg = 4.44 f1N1K NΦm 式中，
f1—定子频率； N1—定子每相绕组串联匝数；
K N—基波绕组系数；Φm—每极气隙磁通量。
由式Eg = 4.44 f1N1K NΦm 可知，N1、K
是常数，只要控制好Eg和 f1，便可达到
N
控制磁通Φm的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
(1)基频以下调速
由式Eg = 4.44 f1N1K NΦm 可知，要保持Φm不变，当频率 f1从额定值 f1 向下调节时，必须同时降低Eg,使：Eg /f1 = 常值 Eg = 4.44 f1N1K NΦm
即采用恒定的电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接测量的，当电动势的值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1 ≈ Eg,则得：U1/ f1 = 常值，这是恒压频比的控制方式。低频时，U1和Eg都较小，定子漏阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略，这时，可以人为的把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子漏阻抗压降。其控制特性如图2-1所示。
1--不带定子压降补偿； 2--带定子压降补偿
图2-1 恒压频比控制特性
(2)基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从 f1 向上增高，但电压U1却不能超过电机的额定电压U1 ，最多只能保持U1 =U1 。由式Eg = 4.44 f1N1K NΦm可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上的情况结合起来可得下图所示的异步电动机变压变频调速控制特性。
图2-2 异步电机变压变频调速控制特性
如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，即电机都能在温升允许情况下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。根据电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质；而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”[4]。
恒压恒频时异步电动机的机械特性：根据电机学原理，在下述假定条件下：(1)忽略空间和时间谐波，(2)忽略磁饱和，(3)忽略铁损，异步电动机的稳态等效电路如图2-3所示：
图2-3 异步电机稳态等效电路图
R1、 R2′—定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；
Ll1、 Ll′2—定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；
Lm —定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；
U1、ω1 —电动机定子相电压和供电角频率；
s—转差率；
Eg —气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；
Es —定子全磁通的感应电动势；
Er —转子全磁通的感应电动势（折合到定子边）。
当异步电动机定子电压U1和电源角频率ω1都是恒定值时，电机的机械特性方程
式为
(2-1) 当s 很小时，可忽略上式分母中含s 的各项，则：
(2-2)即s 很小时，转矩近似与s 成正比，机械特性Te = f (s)是一段直线
图2-4 恒压恒频时异步电动机的机械特性
当 s 接近于 1 时，可忽略式(2-1)分母中的R2′，则
(2-3)即 s 接近于 1 时转矩近似与 s 成反比，这时，Te = f (s)是对称于原点的一段双曲线。当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图2-4。
本文设计的PWM变频调速系统。它的工作原理是：采用三相二级管整流电路所示。将三相交流电变成直流电；整流后的电压波形是脉动的，脉动的直流电经过平波电抗器Ld,滤波电容C的滤波后变为电压恒定的直流电；通过改变IGBT的1，2；1，6；3，4；3，2；5，4；5，6；各组成交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率；在每组IGBT控制的周期内，改变他们通断的时间比，即通过改变脉冲宽度来改变逆
变器输出电压幅值的大小。如果使每组开关元件在其控制周期内反复通断，多次，并使每个输出矩形脉冲波形波电压下的面积接近于对应的正玄波。此时的三相正玄波就可以作为异步电动机的供电电源，从而实现电机的平滑启动，停车和宽范围调速[7]。
2.2 交流调速的脉宽调制(PWM)控制技
脉宽调制技术（Pulse Width Modulation—PWM）是指利用全控型电力电子器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，实现变压、变频控制并且消除谐波的技术，简称 PWM 技术。变频调速系统采用 PWM 技术不仅能够及时、准确地实现变压变频控制要求，而且更重要的是抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量，从而降低或消除了变频调速时电机的转矩脉动，提高了电机的工作效率和调速系统性能。
目前，实际工程中主要采用的 PWM 技术是正弦 PWM(SPWM)，使变频器输出电压或电流波形更接近于正弦波形。SPWM 方案多种多样，归纳起来可以分为电压正弦PWM、电流正弦 PWM 和磁通正弦 PWM 等三种基本类型，其中电压正弦 PWM 和电流正弦 PWM是从电源角度出发的 SPWM，磁通正弦 PWM(也称为电压空间矢量 PWM)是从电机角度出发的 SPWM。正弦波 PWM 调制原理为：调制信号为正弦波的脉宽调制叫做正弦波脉宽调制(SPWM)，产生的脉宽调制波是等幅而不等宽的脉冲列，脉宽调制的方法很多，从脉宽调制的极性上看，有单极性和双极性之分；从载波和调制波的频率之间的关系来看，又有同步调制、异步调制和分段同步调制。图2-5[12]为 PWM 逆变器的主电路[6]。
图2-5 PWM逆变器的主电路
图2-6所示为双极性脉宽调制波形，图中三角波U
C 为载波，正弦波U
M
为调制波，
当载波与调制波曲线相交时，在交点的时刻产生控制信号，用来控制功率开关器件的通断，就可以得到一组等幅而脉冲宽度正比于对应区间正弦波曲线函数值的矩形脉冲Ud 。
图2-6 双极性脉宽调制波形
SPWM 逆变器输出基波电压的大小和频率均由调制电压来控制。当改变调制电压的幅值时，脉宽随之改变，即可改变输出电压的大小；当改变调制电压的频率时，输出电压频率随之改变。但正弦调制波最大幅值必须小于三角波的幅值，否则输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。在实行 SPWM 脉宽调制时，同步调制和异步调制优缺点如下：
(1)同步调制在同步调制方式中，载波比 N 等于常数，变频时三角载波的频率与正弦调制波的频率同步改变，因而逆变器输出电压半波内的矩形脉冲数是固定不变的。如果取 N 为 3 的倍数，则同步调制能保证输出波形的正、负半波始终保持对称，并能严格保证三相输出波形间具有互差120o的对称关系。当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波会显著增加，使电机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。
(2)异步调制
异步调制是逆变器的整个变频范围内，载波比 N 不等于常数。一般在改变调制信号频率时保持三角载波频率不变，因而提高了低频时的载波比。这样输出电压半波内的矩形脉冲可随输出频率的降低而增加，相应的可减少电机的转矩脉动与噪声，改善了系统的低频工作性能。
异步调制方式的缺点是当载波比 N 随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是 3 的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电机工作不平稳。
(3)混合调制
混合调制综合了上面两种方法的优点，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持载波比 N 恒定，而对不同的频段取不同的 N 值，频率低时，N 取大些，一般大致按等比级数安排。
产生 SPWM 调制信号主要有三种方法：
(1)采用分立元件的模拟电路法，缺点是精度低、稳定性差、实现过程复杂以及调节不方便等，该方法目前基本不用。
(2)采用专用集成电路芯片产生 SPWM 信号，如常用的 HE4752 芯片等这些芯片的应用使变流器的控制系统得以简化，但由于这些芯片本身的功能存在不足之处，致使它们的应用受到限制[4]。
(3)单片机数字编程法，其中高档单片机将 SPWM 信号发生器集成在单片机内，使单片机和 SPWM 信号发生器容为一体，从而较好地解决了波形精度低、稳定性差、电路复杂、不易控制等问题，并且可以产生多种 SPWM 波形，实现各种控制算法和波形优化, Intel 公司推出的 16 位单片机 8XC196MC 就是这样一种具有高性能的特别适用于 PWM 控制技术的单片机。
其中SPWM 的数字控制有自然采样法和规则采样法两种，其中自然采样法计算比较复杂，不适合用计算机进行控制，一般采用规则采样法，具体的原理如下所述：图2-7所示为规则采样 I 法。它是在三角波每一周期的正峰值时找到正弦调制波上的对应点，即图中 D 点，求得电压值ucd 。用此电压值对三角波进行采样，得A、B 两点。就认为他们是 SPWM 波形中脉冲的生成时刻，A、B 之间就是脉宽时间t2。规则采样 I 法的计算显然比自然采样法简单，但从图中可以看出，所得的脉冲宽度将明显的偏小，从而造成较大的控制误差。这是由于采样电压水平线与三角载波的交点都处于正弦调制波的同一侧造成的。
为了减小误差，可对采样时刻作另外的选择，这就是图2-7所示的规则采样 II 法。图中仍在三角载波的固定时刻找到正弦调制波上的采样电压值，但所取的不是三角载波的正峰值，而是其负峰值，得图中 E 点，采样电压为uce。在三角载波上由uce水平线截得 A、B 两点，从而确定了脉宽时间。由于 A、B 两点坐落在正弦调制波的两侧，因此，减少了脉宽生成误差，所得的 SPWM 波形也就更准确了。
由图可以看出，规则采样法的实质是用阶梯波代替正弦波，从而简化了算法。只要载波比足够大，不同的阶梯波都很逼近正弦波，所造成的误差就可以忽略不计了。
在规则采样法中，三角载波每个周期的采样时刻都是确定的，都在正峰值或负峰值处，不必作图就可计算出相应时刻的正弦波值，因而脉宽时间和间歇时间可以很容易计算出来。由图可得规则采样法 II 的计算公式：
(2-4)
(2-5)若变频调速系统用于三相异步电动机调速还应形成三相的 SPWM 波形。即使三相正弦调制波在时间上互差2π /3，而三角载波是共用的，这样就可在同一个三角载波周期内获得图5 中所示的三相 SPWM 脉冲波形。在图2-8 中，每相的脉宽时间ta 、
tb 和tc 都可用公式计算：
图2-7 生成SPWM波形的规则采样法
图2-8 三相SPWM波形
即：
(2-6)
三相脉宽时间的总和为：
(2-7)
三相间歇时间总和为：
(2-8)在数字控制中用计算机实时产生SPWM 波形就是基于上述的采样原理和计算公式。
3. 闭环调速的实现
3.1 系统的动态结构图
图3-1 系统动态结构图
注释：系统的动态结构图所示的就示系统的闭环控制部分，这部分通过转速检测电路把实际的转速反馈回计算机，然后通过进行PID调节，再通过执行机构的执行，使得输出速度与用户输入速度相一致，完成速度闭环控制的目的。通过这部分可以使电动机的转速得到更精确的控制，在这部分当中具体涉及到的转速检测部分见第1
章的介绍，转速反馈见后面介绍[3]。
3.2 工作原理的介绍
闭环控制就是反馈控制，它是自动控制系统最基本的控制方式，也是应用最广泛的一种控制方式，它是按偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量离期望值出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致，在本文中这个反馈量就是速度，闭环控制中的差值就是e(k)=e(用户)-e(实际)，即进行反馈调节的就是这个偏差，使它尽量减小到0，即用户输入速度与实际速度相一致，在本文中实现这一部分功能的就是PID调节。
3.2.1 PID应用的介绍
PID控制算法介绍：在数字计算机中，PID控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续-时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。
(1)PID算法分为：位置式PID控制算法；增量式PID控制算法；速度式PID控制算法三种，这三种算法的选择，一方面要考虑执行器件的形式，另一方面要分析应用时的方便性。位置算法的输出除非用数字式控制阀可直接连接外，一般须经过D/A 转换为模拟量，并通过保持电路，把输出信号保持到下一个采样周期的输出信号到来
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
《控制系统设计》课程设计报告 学院：信息工程学院 姓名： 班级：11自动化 学号： 题目：三相异步电动机闭环调速系统设计与实践指导老师： 完成时间：2014年6月20日
目录 摘要............................................................... I 1概述.. (1) 1.1三相异步电动机的调速方法 (2) 1.2调压调速的简介 (3) 1.3课程设计的要求 (5) 2三相异步电动机调压调速系统的组成 (5) 3三相异步电动机调压调速系统的设计和实现 (8) 3.1三相异步电动机调压调速系统的电路 (8) 3.2闭环调速结构图 (10) 3.3 系统各部分参数的计算 (10) 4三相异步电动机调压调速系统的仿真 (13) 4.1MATLAB仿真的介绍 (13) 4.2电路的建模和参数设置........................ 错误！未定义书签。 4.3异步电机调压调速系统仿真模型................ 错误！未定义书签。 4.4仿真效果图 (17) 总结 (22) 参考文献 (23)
摘要 异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点，早期多用于不可拖动。随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在可拖动中逐渐得到广泛的应用。实现电机调速有不少方法。研究电机调速，找出符合实际的调速方法能最大限度的节约能源，所以研究调压调速就显得很有必要。异步电机调压调速控制系统是一种比较简单实用的调速系统，该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。 本课程设计介绍了异步电动机调压调速系统的几大组成部分，并着重讲述了三相异步电动机(M)、测速发电机(TG)、晶闸管交流调压器(TVC)的简单的工作原理。在了解异步电动机调压调速的基本原理的基础上，设计了异步电动机单闭环调压调速系统的结构原理图。还将调压调速与其他的调速方法相比，所具有的优点以及不足之处。 以转速单闭环调压调速系统为例，电机调速开环控制系统调速范围较小，采用速度作为负反馈的闭环控制系统解决了这个问题,使调速性能得到改善。 最后，经过理论分析建立模型后，基于Matlab语言开发仿真软件，并进行仿真实验，并且对仿真结果进行了一定的分析及改进。 关键词: 调压调速MATLAB三相异步电动机转速调节器
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、
直流双闭环调速系统设计 1设计任务说明书 某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路,基本数据为: 直流电动机：V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =,04.0=a R ，电枢电路 总电阻Ｒ=０.1Ω,电枢电路总电感mH L 0.3=,电流允许过载倍数5.1=λ,折算到电动机轴的飞轮惯量2 2 4.11094Nm GD =。 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ，滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数?? ? ??≈=N I V A V 5.11201.0β 电压反馈系数?? ? ??=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi == V U U U cm im nm 12===* *；调节器输入电阻Ω=K R O 40。 设计要求： 稳态指标：无静差 动态指标:电流超调量005≤i σ;空载起动到额定转速时的转速超调量 0010≤n σ。
目录 1设计任务与分析? 2调速系统总体设计...................................................................................................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计? 3.1晶闸管-电动机主电路的设计........................................................ 3.1．１主电路设计? 3.1.2主电路参数计算................................................................. 3.2转速、电流调节器的设计? 3.２．１电流调节器.................................................................. 3.2．1.1电流调节器设计? ３．2.1.２电流调节器参数选择........................................................ 3.2．2转速调节器.................................................................... 3．2.2.1转速调节器设计.............................................................. 3.2.2.２转速调节器参数选择.......................................................... 4计算机仿真.................................................................................................................................................. 4.1空载起动? ４.２突加负载........................................................................................................................................ 4．3突减负载 5设计小结与体会? ６参考文献.....................................................................................................................................................
用单片机控制直流电机的速度 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。 直流电机的调速方案一般有下列3种方式： ?1、改变电枢电压； ?2、改变激磁绕组电压； ?3、改变电枢回路电阻。 使用单片机来控制直流电机的变速，一般采用调节电枢电压的方式，通过单片机控制PWM1，PWM2,产生可变的脉冲，这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。根据公式 U=aVCC 其中：U为电枢电压；a为脉冲的占空比（0 电动机的电枢电压受单片机输出脉冲控制，实现了利用脉冲宽度调制技术（PWM）进行直流电机的变速。 因为在H桥电路中，只有PWM1与PWM2电平互为相反时电机才能驱动，也就是PWM1与PWM2同为高电平或同为低电平时，都不能工作，所以上图中的实际脉冲宽度为B， 我们把PWM波的周期定为1ms，占空比分100级可调（每级级差为10%），这样定时器T0每0.01ms产生一次定时中断，每100次后进入下一个PWM波的周期。上图中，占空比是60%，即输出脉冲的为0.6ms，断开脉冲为0.4ms，这样电枢电压为5*60%=3V。 我们讨论的是可以正转反转的，如果只按一个方向转，我们就只要把PWM1置为高电平或低电平，只改变另一个PWM2电平的脉冲变化即可，，如下图（Q4导通，Q3闭合，电机只能顺时针调整转动速度） 计算机控制技术课程设计 报告 设计课题：直流电机转速闭环控制 （采用单片机教学实验系统） 班级： 报告人： 指导教师： 完成日期：2011年9月22日 重庆大学本科学生《计算机控制技术基础》课程设计任务书课程设计题目直流电机转速闭环控制（采用单片机教学实验系统） 学院自动化学院专业自动化专业年级 （1）已知参数和设计要求 1）用单片机产生PWM方波调制直流电机以一定速率旋转，人为给一个速度漂移，霍尔元件测出速度并根据PID算法跟踪校正速度漂移。 2）要求用LED或LCD时实显示电机速度。 3）要求在10秒内PID算法纠正速率漂移。 （2）实现方法 采用单片机教学实验系统实现（限≤4人选做） 学生应完成的工作： 1）硬件设计：要求完成控制系统框图；绘制完整的控制系统电原理图；说明各功能模块的具体功能和参数；结合实验室现有的单片机教学实验系统进行系统组成，对整个系统的工作原理进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、优、缺点和使用场合。分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。 2）软件设计：要求合理分配系统资源，完成直流电机转速闭环控制的程序设计（如：系统初始化；主程序；A/D转换；D/A转换；标度变换；显示与键盘管理；控制算法处理；输出等）。 3）对设计控制系统进行系统联调。 4）编写课程设计报告：按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容（包括设计总体思路、设计步骤、原理分析和相关知识的引用等）、总结、各组员心得体会、参考书及附录（包括系统框图、程序流程图、电原理图和程序原代码）】进行编写，字数要求不少于4000字，要求设计报告论理正确，逻辑性强，文理通顺，层次分明，表达确切。 目前资料收集情况（含指定参考资料）： 《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社 《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社 《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社 课程设计的工作计划： （1）2011年9月19日熟悉设计任务和要求。 （2）2011年9月20日确定设计方案。 （3）2011年9月21日硬件调试。 （4）2011年9月22日软件及系统调试。 （5）2011年9月23日设计答辩。 任务下达日期 2011年 9月 19 日完成日期 2011年 9 月 24日 指导教师（签名） 学生（签名） 说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、2003。 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。 EDA课程设计报告 直流电机的PWM调速 一、概述 直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速起动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于CPLD/FPGA性能优越，具有较佳的性能价格比，所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点：由于PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好；同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。 二、PWM调速的原理 图（1） 图（1）是全桥型的电机驱动电路，利用的是三极管的电流放大来驱动电机。从图上我们可以看到当Q4和Q3导通时，电机正转；当Q1和Q2导通时，电机反转。 设电机速度从静止开始加速，如图（2）所示，首先Q3，Q4必须维持导通一段时间，此时电机所承受的电压约为供电电压U，称之为强加速。待速度接近目标速度时，加速可以减缓，此时Q3，Q4和Q1，Q2轮流导通，只是Q3，Q4在一个周期内所导通的时间t on比Q1，Q2导通的时间t off长一些，在此称为弱加速。任何时刻，电机所承受的平均电压U O，表示为U O = U×(t on-t off)( t on +t off)。如果速度已经达到目标，便可以调整t off 和t on的时间比例使之相等，此时平均电压为0，是定速控制。由此可知，平均电压若为正值时，是加速控制；负值时是减速控制；为零时即达到匀速。 图（2） 三、程序的设计 在整个程序设计中，我们可以把他分成几个部分 https://www.doczj.com/doc/5a2139857.html,/m/b/1411607.html 丹佛斯VLT2800系列变频器的闭环速度控制功能 一、概述： 丹佛斯VLT2800系列变频用具有响应时间快、速度控制精度高等特点，通过内部的滑差补偿功能，可以在开环速度控制中将转速误差控制在+/-23rpm之内（4极电机,90～3600rpm）。假如对转速精度有更高的要求，可以采用速度闭环的方式：通过速度传感器反馈信号与给定信号的比较进行PID运算，控制电机的实际转速。通过速度闭环控制，VLT2800系列变频器可将转速误差控制在+/-7.5rpm之内（4极电机,30～3600rpm）。 二、实施方法： 将速度传感器安装于电机轴上，通过对实际转速信号的采集达到精确控制转速的目的。速度传感器一般采用旋转编码器，而旋转编码器根据工作原理、分辨率、电源类型和输出形式的不同又分为很多不同类型，如下表所列。 在此，我们选用增量型、24V电源供电、集电极开路（PNP）输出、分辩率为1024的旋转编码器，按下表方式接线： 一般使用旋转编码器需要判定电机转向和定位控制时需要使用A/B/Z三相信号。在此，我们仅需要A 相信号传感实际转速。 需重新设定的参数见下表（以四极电动机为例，由电位器给定转速信号）： 基于S7-200 PLC USS协议通信的速度闭环定位控制系统设 计 时间：2013-11-20 来源：作者： 可以应用于多个自动化控制系统中，大大节约了项目的开发时间和成本，在实际应用中取得了良好的效果。 0 引言 随着电力电子技术以及控制技术的发展，交流变频调速在工业电机拖动领域得到了广泛应用;可编程控制器PLC作为替代继电器的新型控制装置，简单可靠，操作方便、通用灵活、体积小、使用寿命长且功能强大、容易使用、可靠性高，常常被用于现场数据采集和设备的控制;在此，本次设计就是基于S7-200PLC的USS通信方式的速度闭环定位控制。 将现在应用最广泛的PLC和变频器综合起来通过USS协议网络控制实现速度闭环定位控制。PLC根据输入端的控制信号及脉冲信号，经过程序运算后由通讯端口控制变频器运行设定的行程;电机运行到减速值后开始减速;电机运行到设定值后 停止运行并锁定。因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执行和反馈部分。控制运算主要由PLC和变频器来完成;执行元件为变频器和电机;反馈部分主要为速度反馈。 S7-200 PLC通过USS协议网络控制Micro-Master MM420变频器，控制电动机的启动、制动停和定位控制，并能够通过PLC读取变频器参数、设置变频器参数。 1.系统设计的总体思路 系统主要由三个部分构成，即可编程逻辑控制器件PLC、变频器和电机。首先通过设置给定输入给PLC,再通过PLC控制变频器，再经由变频器来控制电机，随后将电机的转速反馈给PLC,经比较后输出给变频器从而实现无静差调速。构成闭环系统就要把速度信息反馈给输入。速度的测量可以通过光电编码器和PLC来实现。 速度采集：S7-200具有高速脉冲采集功能，采集频率可以达到30KHz,共有6个高速计数器(HSC0~HSC5)工作模式有12种。在固定时间间隔内采集脉冲差值，通过计算既可以获得电动机的当前转速。 例如：设采样周期为100ms即是每隔100ms采集脉冲一次，光电开关每转发出8个脉冲，那么就可以得到速度为： 第 1 章前言 1.1 课题的研究意义 现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，尤其是在石油、化工、电力、冶金、轻工、核能等工业生产中对电动机的控制更是起着举足轻重的作用。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速，而且，当今控制系统已进入了计算机时代，在许多领域已实现了智能化控制。对传统的过程工业而言，利用先进的自动化硬件及软件组成工业过程自动化调速系统，大大提高了生产过程的安全性、可靠性、稳定性。提高了产品产量和质量、提高了劳动生产率，企业的综合经济效益，同时，也大大促进了综合国力的增强。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。 直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好、易于控制以及良好的起、制动性能等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。 本次设计是基于51 系列单片机对直流电动机单闭环调速系统进行设计，能实现对直流电动机转速控制的功能，实现控制目的同时还配有显示装置，能实时反映当下直流电机的转速值，以优化整个系统的完整性。 通过这次设计，可以使我对51 系列单片机的应用和直流电机闭环调节系统进行进一步的学习，增强知识的整合度使相关知识融汇贯通，为以后的工作奠定一定的知识基础。 1.2 直流电机调速的发展 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。 当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展 快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调 速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系 目录 摘要.................................................. II 第1章绪论. (1) 第2章系统论述 (3) 2.1 总体方案 (3) 2.2 基本原理 (3) 2.3 原理框图 (3) 第3章系统的硬件设计 (5) 3.1 单片机最小系统的设计 (5) 3.2 电源电路设计 (6) 3.3 直流电机驱动电路设计 (7) 3.4 显示模块设计 (8) 3.5 按钮电路设计 (8) 3.6 元件参数选择 (9) 第4章系统的软件设计 (11) 4.1 总体方案 (11) 4.2 相关软件介绍 (12) 4.3 应用软件的编制、调试 (13) 第5章仿真结果与分析 (14) 5.1仿真电路图 (14) 5.2 仿真结果 (14) 第6章总结 (17) 参考文献 (18) 附录A：系统整体硬件电路图 (19) 附录B：程序代码 (20) 摘要 当今，计算机控制系统已经在各行各业中得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电器传动的主流在现代化生产中起着主导作用。由于生产过程的不同要求，需要电动机进行不同转速的运转。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电动机控制系统有着十分重要的显示意义。 本设计主要运用AT89C51单片机为核心硬件，对直流电动机进行速度控制。并且辅助以硬件部分的驱动、复位、LED显示等电路，软件部分对AT89C51进行模块化程序的输入，通过按钮控制，实现对直流电动机的正转、反转、加速、减速和停止等控制功能。同时，由LED与电动机转速显示控制效果。利用AT89C51芯片进行低成本直流电动机控制系统设计，简化系统构成、提高系统性能，满足了生产要求。 关键词：计算机控制 AT89C51单片机直流电动机 . University of South China 电气传动技术 实验报告1 实验名称直流电动机闭环调速实验 学院名称电气工程学院 指导教师 班级电力 学号 学生姓名 文档Word . 一预习报告 目的：1了解并掌握典型环节模拟电路构成方法。 2 熟悉各典型线性环节阶跃响应曲线。 3 了解参数变化对典型环节动态性能影响。内容： 1比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型 2电流环调速系统的仿真模型 3转速环调速系统的仿真模型 文档Word . 二实验报告 直流电动机：额定电压U=220N,额定电流I=55A,额定转速 dNN n=1000r/min,电动机电动势系数C=0.192V·min/r。假定晶闸管整流eN装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44,滞后的时间常数 T=0.00167s。电枢回路总电阻R=1.0Ω,电枢回路电磁时间常数 s T=0.00167s,电力拖动系统机电时间常数T=0.075s。转速反馈系数ml*U。对应额定转速时的给定电压·α=0.01Vmin/r=10V。双闭环调速系统中Ks=40,T=0.0017s，T=0.18s，T=0.03s，T=0.002s,T=0.01s,R=0onlmsoi Ω,C=0.132V·min/r，α=0.00666V·min/r,β=0.05V·min/r。e一比例积分控制的无静差直流调速系统中PI调节器的值为： K=0.56，1/τ=11.34 P 文档Word . 无静差调速系统输出（Scope图像1） 输出波形比例部分（Scope1图像2） 对比图1和图2可以发现，只应用比例控制的话，系统响应速度快，但是静差率大，而添加积分环节后，系统既保留了比例环节的快速响应性，又具有了积分环节的无静差调速特性，使调速系统稳定性相对更高，动态响应速度也快。 文档Word . 直流电机的转速电流双闭环控制 直流电机的转速电流双闭环控制 摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI 调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。两个PI调节器都采用集成运放实现。其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。 关键词：电流环；转速环；PI调节器 The Rotate Speed and Current Double Closed Loop Feedback Control for DC Motor Abstract: The major tasks of this design is utilizing simulating circuits to produce the rectifiering power source ,current PI regulator and rotate speed PI regulator for the DC motor.The major object of this desigen is making the DC motor started rapidly,rotating stably.yields making the DC motor started rapidly with the largest load current.It is the same to starting rapidly with the largest accerelation.Simultaneous,The rotate speed PI regulator make the DC mortor retated stably to any the change of the load .Both of the PI regulators use the integrated amplifier operator to accomplish the task.The priority of this design are overcoming the defect of traditional single feedback loop. 直流电机速度控制 调节系统 调节系统是一类通常能提供稳定输出功率的系统。 例如，电机速度调节器要能在负载转矩变化时仍能保持电机速度为恒定值。即使负载转矩为零，电机也必须提供足够的转矩来克服轴承的粘滞摩檫影响。其它类型的调节器也提供输出功率，温度调节器必须保持炉内的温度恒定，也就是说，即使炉内的热量散失也必须保持炉温不变。一个电压调节器必须也保持负载电流值变化时输出电压恒定。对于任何一个提供一个输出，例如速度、温度、电压等的系统，在稳态下必定存在一个误差信号。 电气制动 在许多速度揑制系统中，例如轧钢机，矿坑卷扬机等这些负载要求频繁地停顿和反向运动的系统。随着减速要求，速度减小的比率取决于存储的能量和所使用的制动系统。一个小型速度控制系统（例如所知的伺服积分器）可以釆取机械制动，但这对大型速度控制器并不可行，因为散热很难并且很昂贵。 可行的各种电气制动方法有： 1.回馈制动。 2.涡流制动。 3.能耗制动。 4.反向（接）制动。 回馈制动虽然并不一定是最经济的方式，但却是做好的方式。负载中存储的能量通过工作电机（暂时以发电机模式运行）被转化成电能并被返回到电源系统中。这样电源就充当了一个收容不想要的能量的角色。假如电源系统具有足够的容量，在短时回馈过程中最终引起的端电压升高会很少。在直流电机速度控制沃特-勒奧那多法中，回馈制动是固有的，但可控硅传动装置必须被排布的可以反馈。如果轴转速快于旋转磁场的速度，感应电机传动装置可以反馈。有晶闸管换流器而来的廉价变频电源的出现在变速装置感应电机应用中引起了巨大的变化。 涡流制动可用于任何机器，只要在轴上安装一个铜条或铝盘并在磁场中旋转它即可。在大型系统中，散热问题很重要的，因为如果长时间制动，轴、轴承和电机的温度就会升高。 在能耗制动中，存储的能量消粍在回路电阻器上。用在小型直流电机上时，电枢供电被断开，接入一个电阻器（通常是一个继电器、接触器或晶闸管）。保持磁场电压，施加制动降到最低速。感应电机要求稍微复杂一点的排布，定子绕组被从交流电源上断开，接到直流电源上。产生的电能继而消粍在转子回路中。能耗制动应用在许多大型交流升降系统中，制动的职责是反向和延长。 目录 第1章概述 (1) 转速单闭环调速系统设计意义 (1) 转速单闭环调速系统的设计要求 (1) 第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2) 原系统的工作原理 (2) 原系统的动态结构图 (3) 闭环系统的开环放大系数的判断 (3) 相角稳定裕度γ的判断 (4) 第3章调节器的设计及仿真 (5) 调节器的选择 (5) PI调节器的设计 (5) 校正后系统的动态结构图 (8) 系统的仿真结构图及测试结果 (8) 第4章课程设计总结 (9) 参考文献 (1) 转速单闭环调速系统设计 1、概述 转速单闭环调速系统设计意义 为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器. 反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该 量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想 提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受 到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是 采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。 转速单闭环调速系统的设计要求 电动机参数：PN=3KW, n=1500rpm,UN=220V,IN=,Ra=Ω。主回路总电阻R=Ω， N 电磁时间常数Tl=,机电时间常数Tm=。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数α=。调速指标：D=30，S=10%。 设计要求： （1）闭环系统稳定 计算机控制课程设计报告(直流电机转速闭 环控制) 计算机控制技术课程设计 设计课题：班级：报告人：指导教师：报告 直流电机转速闭环控制 倪晓 完成日期： 20XX 年 9 月 22 日 李景峰，董勇，范涛，刘翰林：直流电机转速闭环控制重庆大学本科学生《计算机控制技术基础》课程设计任务书 课程设计题目直流电机转速闭环控制学院自动化学院专业自动化专业年级 20XX 已知参数和设计要求 1）用单片机产生PWM方波调制直流电机以一定速率旋转，人为给一个速度漂移，霍尔元件测出速度并根据PID算法跟踪校正速度漂移。 2）要求用LED或LCD时实显示电机速度。 3）要求在10秒内PID算法纠正速率漂移。实现方法采用单片机教学实验系统实现学生应完成的工作： 1）硬件设计：要求完成控制系统框图；绘制完整的控制系统电原理图；说明各功能模块的具体功能和参数；结合实验室现有的单片机 教学实验系统进行系统组成，对整个系统的工作原理进行全面分析，论述其结构特点、工作原理、优、缺点和使用场合。分析和论述系统采用的主要单元的工作原理和特性。 2）软件设计：要求合理分配系统资源，完成直流电机转速闭环控制的程序设计。 3）对设计控制系统进行系统联调。 4）编写课程设计报告：按统一论文格式、统一报告纸和报告的各要素【封面、任务书、目录、摘要、序言、主要内容、总结、各组员心得体会、参考书及附录】进行编写，字数要求不少于4000字，要求设计报告论理正确，逻辑性强，文理通顺，层次分明，表达确切。目前资料收集情况：《计算机硬件技术基础实验教程》黄勤等编著重庆大学出版社《单片微型计算机机与接口技术》李群芳等编著电子工业出版社《计算机控制技术》王建华等编著高等教育出版社课程设计的工作计划： 20XX年9月19日熟悉设计任务和要求。20XX年9月20日确定设计方案。 20XX年9月21日硬件调试。 20XX年9月22日软件及系统调试。 20XX年9月23日设计答辩。任务下达日期 20XX年 9月 19 日指导教师完成日期 20XX年 9 月 24日学生说明：1、学院、专业、年级均填全称，如：光电工程学院、测控技术、20XX。 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。直流电机转速闭环控制课程设计
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