题 目: 直流电机PI 控制器参数设计 初始条件：
一直流电机控制系统的方框图如图所示，其中Y 为电机转速，a v 为电枢电压，W 为负载转矩。令电枢电压由PI 控制定律求取，PI 表达式为：
)(0
?+=t
I p a edt k e k v ，其中e=r-y 。
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
（1） 写出以v a 和W 为输入的直流电机系统微分方程； （2） 计算W 到Y 的传递函数；
（3） 试求k P 和k I 的值，使闭环系统的特征方程的根包括50j 50±-； （4） 分析在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入时系统的跟踪性能； （5） 在Matlab 中画出上述系统响应，并以此来证明（4）的分析结论。
（6） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析的过程，附
Matlab 源程序或Simulink 仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。
时间安排：
1、 课程设计任务书的布置，讲解 （半天）
2、 根据任务书的要求进行设计构思。（半天）
3、 熟悉
MATLAB 中的相关工具（一天） 4、 系统设计与仿真分析。（三天）
G c (s)
500
50
1
+s R
Y
a v
e + -
+
1200
W
-
5、撰写说明书。（二天）
6、课程设计答辩（半天）
指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日
直流电机PI控制器参数设计
摘要: 控制理论经过数十年的发展,并伴随计算技术的快速发展,如今已经形成相当成熟的理论,并在各个行业和领域得到广泛的应用。本文所述的直流电机的PI控制就是其一方面的应用，文中将结合实例分析PI控制系统对单位阶跃和单位斜坡输入的响应，计算其动态和跟踪性能。完成上述工作需借助功能强大的数学计算软件ＭＡＴＬＡＢ，精确模拟系统的响应。
关键词：ＰＩ控制ＭＡＴＬＡＢ
目录
1系统结构分析 (5)
2数学模型 (6)
2.1PI模型建立 (6)
2.2写控制系统微分方程 (6)
2.3扰动下的非单位反馈闭环传递函数 (6)
2.4参数计算 (7)
3动态跟踪性能分析 (8)
3.1比例积分控制的分析方法 (8)
3.2单位阶跃参考输入 (8)
3.3单位斜坡参考输入 (9)
4数学仿真与验证 (11)
4.1MATLAB中连续系统模型表示方法 (11)
4.2单位阶跃输入时的动态性能 (11)
4.3单位斜坡输入时的动态性能 (12)
5心得体会 (16)
参考文献 (17)
直流电机PI 控制器参数设计
1系统结构分析
1.1系统结构如下图
图1-1 直流电机PI 控制结构图
系统组成为比例积分环节、比例环节、惯性环节和单位负反馈，在比例环节与惯性环节之间加入扰动信号比较点。其中，比例环节与惯性环节是系统部可变部分。扰动信号输入时也经过一个比例环节。
G c (s)
500
50
1
s R
Y
a v
e + -
+
1200
W
-
2数学模型
2.1PI 模型建立
由设计要求可以得出，
)(0
?+=t
I p a edt k e k v
其中e=r-y 。故做拉氏变换可得D 的表达式：
I P a K S
K S E S V 1
)()(Gc(s)+==
2.2写控制系统微分方程
令图1中的)(S W 输入为零，可以得到方程：
)(50
1
)
(500S Y S S Va =+ 两边同时乘以30+S 可得：)(50)()(500S Y S SY S Va += 最后进行拉式反变换得：)(500)(50)('t va t y t y =+ 令图1中的)(R S 输入为零,可以得到方程
)(50
1
)
(W 1200S Y S S =+ 两边同时乘以50+S 可得：
)(50)()(W 1200S Y S SY S +=
最后进行拉式反变换得：)(1200)(50)('t w t y t y =+
2.3扰动下的非单位反馈闭环传递函数
控制系统除了承受输入信号作用外，还经常处于各种扰动下。本系统的扰动信号为电机的负载转矩W 。设负载转矩W 的拉氏变换为()W s ,若令输入()0R s =则可计算得出扰动
的输出即W 到Y 的输出：
)(w )
(Gw 11
)
(Gw 1200S S S φ=+
其中
I
P K K S S S
K SKp S S S Y S G 500)50050(50015011501
)()(2
+++=?+?+++=ω 带入()w G s ，则：
I
P K S K S S
S 500)50015()(w 2
+++=
φ 2.4参数计算
由闭环传递函数得系统特征方程为：
I P K K S 500)50005(D(s)2+++=
根据设计需要，因单位反馈闭环传递函数特征根包括6060j -±，则根据特征根，可推断
0)5050)(5050(D(s)=-+++=j S j S
继而化简得
050001002=++S S
因此
10050500=+Kp 5001500=K
即
1.0=Kp ，101=K 。
从而闭环系统的传递函数为
5000
100100s 50)(2+++=S S S ）
（φ
3动态跟踪性能分析
3.1比例积分控制的分析方法
采用分析法研究比例积分控制系统的动态和跟踪性能。 PI 控制开环传递函数形如：
(1)1()(1)()2(2)p i i p i n n K K
T s T K
G s K T s s s s ξωξω+?
=+=
++
令
2
p n
i K K T ω=
则
(1)2()(
1)
2n
i n
T s G s s s ωξ
ξω+=
+
令
1i
z T =
，可得闭环传递函数为
222
()(
)2n
d n n s z
s z
s ωφξωω+=
?++
其中
2n
d z ωξξ=+
由上式可知，PI 控制系统不改变系统自然频率，但可以增大系统阻尼比。因ξ与n ω均
和
p i
K K
T 有关，所以适当选择开环增益和积分时间常数，既可以减小系统在斜坡输入时的稳
态误差，又可以使系统在阶跃输入时有满意的动态性能。
3.2单位阶跃参考输入
结合上述分析，当输入是阶跃函数时，本系统输出为：
2500
)50(50
S 1)5000100S(100s 50)(Y 2
2+++-=+++=
S S S S S ）（
因
0.7071
2n
d z
ωξξ=+
=≤，对上式进行拉氏反变换，得单位阶跃响应
t S t 50sin 1)(Y 50--=
由上式可以看出，系统为稳态分量()1ss y t =和瞬态分量t S t 50sin )(Y 50--= 组成。系统
阶跃时间响应为振荡衰减函数，稳态值趋于1。将阶跃响应对t 求导，有峰值时间
047.0)1arctan(501=-=p t 。
把峰值时间带入()y t 得
07.1)(=tp Y
根据超调量定义，可得
()()%100% 6.7%
()
p y t y y σ-∞=
?=∞。
令?表示实际响应与稳态输出之间的误差，由t S t 50sin )(Ytt 50--= 可以得不等式
t t t 505050sin --≤-=?
若取0.05?=，由上式可解出
s In 06.050
20
ts ==
3.3单位斜坡参考输入
当输入为单位斜坡函数时，系统输出为：
2500
)50(10050
2500)50(100501001S 1)5000100(S 100s 50)(Y 2
222++-++++-=+++=
S S S s S S S ）（ 因系统阻尼比为0.707ξ=，属于欠阻尼系统。以下为欠阻尼系统的单位斜坡响应分析。 对上式进行反拉氏变换，得斜坡输入的时间响应
)50sin 50(cos 100
11001)(Y 50t t t S t
-+-=-
由上式可知系统单位斜坡响应由稳态分量100
1
)(yss -=t S 和瞬态分量
)50sin 50(cos 100
1)(Ytt 50t t S t
-=-
组成。
系统误差响应为()()()e t r t y t =-。当时间t 趋于无穷时，误差响应()e t 的稳态值为稳态误差，以()ss e ∞标志。对于此处单位斜坡响应时，其稳态误差为
100
1
)()(=∞-=∞y t ess
误差响应为
)4
50cos(10021001)50sin 50(cos 10011001)(5050π+-=--=
--t t t t e t t 将上式对t 求导，的误差响应的峰值时间
0314.01000arccos 501tp ===π
将p t 带入误差响应函数可得最大误差
=+-=
-)450cos(10021001Mp 50πtp t 0.0121
4数学仿真与验证
4.1MATLAB 中连续系统模型表示方法
MATLAB 是数学计算领域非常强大的一个软件,在很多领域有着极其重要的作用,比如自动控制领域。在此将借用MATLAB 来对系统性能进行分析计算，验证理论结果。
MATLAB 为各种信号的建模提供了极其方便的表示方法，对于连续时间系统的时域分析的表示也很简单。
对于连续系统多项式模型
10111011()m m m m
n n n n b s b s b s b G s a s a s a s a ----++???++=
++???++
MATLAB 表示方法为： 分子多项式：
011[,,,,]m m num b b b b -= 分母多项式：
011[,,,,]n n den a a a a -=
建立传递函数模型：
(,)sys tf num den =
此外，可以使用MATLAB 中的LTI Viewer 求取系统的各项性能指标。
4.2单位阶跃输入时的动态性能
下面借助LTIViewer 计算本PI 控制系统单位阶跃响应时的性能指标和追踪性能。
在MATLAB 命令框中输入程序： num=[50,5000]; den=[1,100,5000]; step(num,den); sys=tf(num,den); ltiview;
敲击回车键后在弹出的LTIViewer 框中导入sys 函数，然后对绘制的曲线进行相应的
设置后可以得到阶跃响应的各项指标点，如上升时间r t 、峰值时间p t
和调节时间s t ,效果如下图所示：
图4-1 PI系统单位阶跃响应曲线
当光标移到对应点后，在浮出的文本框中可读出数据，列出如下：峰值时间：tp=0.047
峰值：
1.07
p
M=
超调量：% 6.7%
σ=
条件时间：
0.0497
s
t s
=（0.05
?=）
4.3单位斜坡输入时的动态性能
对于系统的单位斜坡输入响应，可以采用同样的方法。
首先在命令框中输入程序如下：
num=[50,5000]
den=[1,50,5000]
sys=tf(num,den)
t=[0:0.0001:0.5]
u=t
lsim(sys,u,t,0);grid
xlabel('t'); ylabel('y(t)');
title('ramp response')
输入程序并运行后，会自动弹出绘制的跟踪曲线，如下所示：
图4-2 PI 系统单位斜坡输入响应
由上图可以看出，在输入信号后，输出与输入的误差由零逐渐增大，然后趋于一个稳
定的值。为精确确定误差，下面单独对误差响应做分析。 已知系统单位斜坡误差响应为：
)
5000100(50
)2500)50(502500)50(501(1001e 222+++=
++++++-=
S S S s S S S s ss 反拉氏变换后得
)4
50cos(10021001e(t)50π
+-=
-t t 由
ss e 形式可知，欲求()e t ，可求)
5000100(50
)(2
+++=
S S s s E 的阶跃响应。
同样可以利用LTIViewer 求取误差函数的峰值、稳态值等。在命令框中输入程序：
num=[1,50];
den=[1,100,5000];
step(num,den);
sys=tf(num,den);
ltiview;
键入回车后在弹出的LTIViewer中导入sys函数，即得到误差响应的时域曲线：
图4-3 单位斜坡输入误差响应
由曲线可以看出，当单位斜坡输入后，误差先由零迅速增大至峰值，然后小幅度下降，并趋于一个稳态值。设置LTIViewer的响应属性后，可以读出误差响应的峰值、峰值时间和稳态值：
峰值时间：tp=0.0314
峰值：Mp=0.0121
综合前文计算与MATLAB计算数据可知，计算值与MATLAB仿真值相同，即理论分析正
确。同时确定，此PI控制系统单位斜坡响应调节时间较快，稳态误差值较小，动态性能与速度均较好。
驱动轮直流电机选择计算 The final edition was revised on December 14th, 2020.
驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行，包括AGV 的直行及差速转弯。在选择电机时，我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等[28]。而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确 AGV 的各项设计要求，如表3-1 所示。 3.1.1 电动机的选择 1. 驱动力与转矩关系 AGV 在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV 克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq 为小车提供驱动力。而Tq 经减速机减速后得到输出转矩Tt 输出至驱动轮，输出转矩Tt 为： 式中 g i ——减速机减速比； q T ——电机输出转矩； t T ——输出转矩； ——电机轴经减速机到驱动轮的效率。 驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为： 式中 q R ——驱动轮的驱动半径。 由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同，均为q R 。 2. 驱动力与阻力计算 小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力f F 、空气阻力w F 、坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此： (1) 滚动阻力f F 滚动阻力在 AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成，f F 大小为：
式中 F——车轮与轴承间阻力； fz F——车轮与道路的滚动摩擦阻力。 fg 其中，车轮轴承阻力 F为： fz 式中P——车轮与地面间的压力，AGV设计中，小车自重m为100kg，最大载重量 M为200kg，因此最大整车重量为300kg，一般情况下，AGV前行过程中，有三轮m ax 同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为P=1000N[30]； d——车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮，即d=48mm； D——车轮直径，查文献[40]可知，驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮，即D=200mm； μ——车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为—，μ =。 F为： 车轮与道路的滚动摩擦阻力 fg 式中Q——车轮承受载荷，Q=1000N； f——路面摩擦阻力系数，f=。 则： F： (2)空气阻力 w 空气阻力是 AGV 行驶过程当中，车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关，但由于AGV工作于室内，基本工作环境中无风，且速度不快，同时 AGV 前后方的投影面积均不大，因此认为空气阻力F[31]。 ≈ w F： (3)坡度阻力 r AGV 所实际行驶的路面并非理想化绝对平整，而是存在一定的坡度[32]，当 AGV行驶到该坡度处时，重力将产生一个沿着坡度方向的阻力，这个阻力就被称之为坡度阻F，表达式为： 力 r 式中G——AGV 满载总重量； α——最大坡度。 在 GB/T 20721-2006“自动导引小车国标”中表示：路面坡度（H/L）定义为在100mm 以上的长度范围内，路线水平高度差与长度的最大比值，路面坡度的最大比值需要小于（含），对于 AGV 精确定位的停车点，路面坡度需要小于（含）[33]。取坡度： 因此： F： （4）加速度阻力 j
目录 摘要............................................................................................................................................................... I I ABSTRACT ................................................................................................................................................. III 1系统论述 (5) 1.1设计思路 (5) 1.2基本原理 (5) 1.3总体设计框图 (5) 2直流电机单元电路设计与分析 (6) 2.1直流电机驱动模块 (6) 2.2直流电机的中断键盘控制模块 (11) 2．31602LCD液晶显示模块 (13) 3直流电机PWM控制系统的实现 (15) 3.1总电路图 (15) 3.2总电路功能介绍 (16) 3.3直流电机控制程序 (16) 4系统仿真 (23) 5结束语 (26) 参考文献资料 (27)
摘要 本文是对直流电机PWM调速器设计的研究，主要实现对电机的控制。本课程设计主要是实现PWM调速器的正转、反转、加速、减速、停止等操作。并实现电路的仿真。为实现系统的微机控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；由命令输入模块、光电隔离模块及H型驱动模块组成。采用带中断的独立式键盘作为命令的输入，单片机在程序控制下，不断给光电隔离电路发送PWM 波形，H型驱动电路完成电机正反转控制.在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。设计的整个控制系统，在硬件结构上采用了大量的集成电路模块，大大简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。 关键词：AT89C51单片机；PWM调速；正反转控制；仿真。
（1）直流电机选择 由于本次毕业设计采用的是飞思卡尔公司提供的伺服电机，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数），而且伺服电机一般是功率小,运行精确,能高速制动,惯量小,适合闭环控制,也就是能检测到实际位置和理论位置的误差,并消除。 （2）直流电机的控制 PWM控制 脉宽调制的全称为：Pulse Width Modulator，简称PWM。由于它的特殊性能，常被用作直流回路中灯具调光或直流电动机调速。这里将要介绍的就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达控制器。该装置可用于12v或24v直流电路中，两者间只需稍做变动。它主要是通过改变输出方波的占空比，使得负载上的平均接通时间从0-100％变化，以达到调整负载亮度/速度的目的。PWM信号一般可有微控制器产生。如图1
图1 微控制器产生的PWM控制信号 （3）直流电机的反馈与控制 旋转编码器 旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。编码器若以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。增量型编码器(旋转型)由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z
驱动轮电机用于驱动 AGV 的运行，包括AGV 的直行及差速转弯。在选择电机时，我们通常需要计算出电机的额定功率、额定转矩、额定转速等[28]。而在驱动电机的参数计算之前首先需要明确 AGV 的各项设计要求，如表3-1 所示。 3.1.1 电动机的选择 1. 驱动力与转矩关系 AGV 在地面行驶时，轮子与地面接触，AGV 克服摩擦力向前行驶，电机输出转矩Tq 为小车提供驱动力。而Tq 经减速机减速后得到输出转矩Tt 输出至驱动轮，输出转矩Tt 为： q t g T i T η= 式中 g i ——减速机减速比； q T ——电机输出转矩； t T ——输出转矩； η——电机轴经减速机到驱动轮的效率。 驱动轮在电机驱动下在地面转动，此时相对于地将形成一个圆周力，而地面对驱动轮也将产生一个等值、反向的力t F ，该力即为驱动轮的驱动力[29] 。驱动力为： q q q t g t R T i R T F η= = 式中 q R ——驱动轮的驱动半径。 由于驱动轮一般刚性较好，视其自由半径、静力半径、滚动半径三者相同，均为q R 。 2. 驱动力与阻力计算 小车在行驶过程中要克服各种阻碍力，这些力包括：滚动阻力f F 、空气阻力w F 、
坡度阻力r F 、加速度阻力j F 。这些阻力均由驱动力t F 来克服，因此： j r w f t F F F F F +++= (1) 滚动阻力f F 滚动阻力在 AGV 行驶过程中，主要由车轮轴承阻力以及车轮与道路的滚动摩擦阻力所组成，f F 大小为： fg fz f F F F += 式中 fz F ——车轮与轴承间阻力； fg F ——车轮与道路的滚动摩擦阻力。 其中，车轮轴承阻力fz F 为： N 6.3200 48 015.010002 /2 /fz =?? ===D d P D d P F μμ 式中 P ——车轮与地面间的压力，AGV 设计中，小车自重m 为100kg ，最大载 重量m ax M 为200kg ，因此最大整车重量为300kg ，一般情况下，AGV 前行过程中，有三轮同时着地，满足三点决定一平面的规则，各轮的压力为P =1000N [30]； d ——车轮轴直径，驱动轮在本次设计中选择8寸的工业车轮，即d=48mm ； D ——车轮直径，查文献[40]可知，驱动轮在本次设计中选择8 寸的工业车轮，即D =200mm ； μ——车轮轴承摩擦因数，良好的沥青或混凝土路面摩擦阻力系数为0.010—0.018，μ =0.015。 车轮与道路的滚动摩擦阻力fg F 为： N 15015.01000fg =?==Qf F 式中 Q ——车轮承受载荷，Q =1000N ； f ——路面摩擦阻力系数，f =0.015。 则： N 6.18fg fz f =+=F F F (2) 空气阻力w F ： 空气阻力是 AGV 行驶过程当中， 车身与空气间形成了相对运动而产生于车身上的阻力，该阻力主要由法向力以及侧向力两部分组成。空气阻力与AGV 沿行驶方向的投影面积以及车身与空气的相对运动速度有关， 但由于AGV 工作于
机器人直流无刷电机是一种应用在智能机器人驱动上的微型电机产品，具备驱动、减速、提升扭矩功能，主要由微型直流无刷电机、齿轮箱组装而成，也称为机器人电机；这种直流无刷电机属于非标电机齿轮箱，采用定制参数、性能特点、结构方式，定制参数范围，直径规格在3.4mm-38mm之间，额定电压在3V-24V，输出力矩范围：1gf.cm到50Kgf.cm之间，减速比范围：5-1500；输出转速范围：5-2000rpm； 机器人直流无刷电机产品参数： 产品名称：儿童智能陪护机器人电机齿轮箱 电压：3V-24V 空载转速：15000 空载电流：300MA 工作温度：-20 (85) 产品说明：儿童智能陪护机器人电机齿轮箱为特定客户开发设计，只作为儿童智能陪护机器人电机齿轮箱的方案展示。 标准直流无刷电机产品参数： 产品名称：5v直流减速电机 产品分类：直流减速电机 电压：5 VDC 材质：五金 旋转方向：cw&ccw 齿轮箱回程差：≤2°（可定制） 轴承：烧结轴承;滚动轴承 轴向窜动：≤0.1mm(烧结轴承);≤0.1mm(滚动轴承) 输出轴径向负载：≤20N(烧结轴承);≤30N(滚动轴承) 输入速度:≤15000rpm 工作温度：-30 (100)
产品名称：直流无刷减速电机（齿轮电机） 产品分类：无刷减速电机 产品规格：Φ20MM产品 电压：12V 空载电流：220 mA （可定制） 负载转速：2.4-1000 rpm（可定制） 减速比：5/25/125/625:1（可定制） 机器人直流无刷电机定制参数、规格范围： 尺寸规格系列：3.4mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、28mm、32mm、38mm； 电压范围：3V-24V 功率范围：0.1W-40W 输出力矩范围：1gf.cm到50Kgf.cm 减速比范围：5-1500； 输出转速范围：5-2000rpm； 生产厂家
直流电机控制系统设计
XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师
沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7 月9 日至2012年7 月20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。 指导教师年月日 负责教师年月日
学生签字年月日 目录 0 前言 (1) 1 总体方案设计 (2) 1.1 系统方案 (2) 1.2 系统构成 (2) 1.3 电路工作原理 (2) 1.4 方案选择 (3) 2 硬件电路设计 (3) 2.1 系统分析与硬件设计 (3) 2.2 单片机AT89C52 (3) 2.3 复位电路和时钟电路 (4) 2.4 直流电机驱动电路设计 (4) 2.5 键盘电路设计 (4) 3软件设计 (5) 3.1 应用软件的编制和调试 (5) 3.2 程序总体设计 (5) 3.3 仿真图形 (7) 4 调试分析 (9) 5 结论及进一步设想 (9) 参考文献 (10) 课设体会 (11) 附录1 电路原理图 (12) 附录2 程序清单 (13)
直流电机控制电路 永磁式换向器直流电机，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号和简化等效电路。 工作原理 这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。 永磁式换流器电机的特点 ·当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。 ·当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。 ·加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。 ·当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。 ·转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。 ·体积小，重量轻。起动转矩大。 由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。 对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。 1、电机的起／停控制 电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。 现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损
1、 Assigned power rating 。标称功率。或额定功率。只该电机系统设计设计 时的理想功率也是在推荐工作情况下的最大功率。 POWER RATING 为功率。 2、Nominal voltage 。额定电压 (或工作电压,推荐电压。由于一般电机可以工作在不同电压下, 但电压直接和转速有关, 其他参数也相应变化, 所以该电压只是一种建议电压。其他参数也是在这种推荐的电压下给出的。 NOMINAL 名义上的。 3、 No load speed。空转速,或空载转速。单位是 RPM 。 revolutions per minute 此处的 R 不是 RATE 速度的意思,是 REVOLUTION 旋转的意思。空载转速由于没有反向力矩,所以输出功率和堵转情况不一样,该参数只是提供一个电机在规定电压下最大转速的作用。一般外面给出的 6000转啊, 12000转啊,多指这个参数。 4、 Stall torque 堵转转矩。这个是很多要带负载的电机的重要参数。即在电机受反向外力使其停止转动时的力矩。如果电机堵转现象经常出现, 则会损坏电机,或烧坏驱动芯片。所以大家选电机时,这是除转速外要考虑的参数。堵转时间一长,电机温度上升的很快,这个值也会下降的很厉害。 5、 Speed / torque gradient 速度 /转矩斜率。这个参数在一般的电机介绍中很 少出现。如果将转速为 Y 轴,力矩为 X 轴,一般,电机先是有一个和 X 轴平行的线,随后有点像 E 的负指数形式那样下降。即转速和力矩的乘积,随力矩的上升而下降。电机制造商都推荐电机在那条和 X 轴平行的线范围内工作。在这个范围内,电机的电流不至于导致电机过热和烧机。 6、 No load current。空载电流 (或空转电流。前面说过,电流和转矩密切相关。空载电流肯定存在, 其和电压的乘积形成的能量, 主要分为势能和热能消耗。热能就是电机线圈的发热,越好的电机,在空载时,该值越小,而势能指克服摩擦力, 和转子自身惯性的能量还有转子自身的转动势能。而一般转速一定时, 转子的惯性能量增加几乎没有, 而这个势能主要还是克服摩擦力的问题, 而最终以热能形式耗散, 所以空载电流越小, 电机的性能越好, 特别是加上减速箱的电机,空载电流越小,说明减速箱做的越好,当然,减速比越大,同样的设计方式下,阻力越大。
小功率低成本的无刷直流电动机控制器研制 合肥工业大学自动化研究所肖本贤 摘要：针对电动助力车与压缩机电机的特点，对其驱动控制进行了研究，提出了一种高效低价的小型控制器的设计。主要介绍以专用控制芯片MCC33035、MC33039、IR2130为核心构成的永磁无刷直流电动机控制器结构，主要涉及核心控制电路的构成、功率开关元件的驱动以及必要的保护措施。 1 引言 永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构，现以广泛应用于各种调速驱动场合，其应用前景看好，尤其从当今的环保、能源、效率等综合因素出发，水磁无刷直流电机可望在未来的电动车及冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。 永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，有最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。 2 无刷直流电机的驱动控制电路 无刷直流电动机功率开关电路一般采用桥式或非桥式驱动，由于三相星形桥式驱动方式，其绕组利用率较高、力矩波动小，因而被大量采纳。图1 是其工作原理图，对压缩机类负载，其输入可采用220V／50HZ市电输入、二极管单相全桥整流、电容滤波后得到；而对电动车其直流电源一般均为蓄电池。图中主回路功率器件选用POWER-MOSFET，驱动电路采用IR公司生产的六输出高压MOS栅极驱动器IR2130。
主电机参数整定值 主电机z4-450-42 600kw 500/1000r/min 旧辊￠280/￠260×1200mm,新辊￠300/￠280×1250mm 传动比i1=34/34×42/18=2.3333, i2=49/20×42/18=5.7167 高速档线速度上限值v=360m/min(6m/s),低速档线速度上限值v=144m/min(2.4m/s) 电机转速: 高速档旧辊n=2.3333×360/∏(0.28~0.26)=955~1028r/min 高速档新辊n=2.3333×360/∏(0.30~0.28)=891~955r/min 低速档旧辊n=5.7167×144/∏(0.28~0.26)=936~1008r/min 低速档新辊n=5.7167×144/∏(0.30~0.28)=873~936r/min 线速度给定值10v对应360m/min 转速给定值10v对应1028r/min 设置辊径补偿，将线速度给定值换算成转速给定值 线速度给定值 辊径 转速 转速给定 (m/min) (m) (r/min) (v) 高 360 0.26 1028 10 速 360 0.28 955 9.27 档 360 0.30 891 8.67 低140 0.26 1008 9.81 速140 0.28 936 9.11 档140 0.30 873 8.49 辊径补偿环节同时将转速反馈量换算成形象速度显示信号 辊径 转速 转速反馈 显示值 （m）(r/min) (v) (m/min) 高 0.26 1028 10 360 速 0.28 955 9.29 360 档 0.30 891 8.67 360 低 0.26 1008 9.81 144 速 0.28 936 9.11 144 档 0.30 873 8.49 144 开卷、卷取在低速档时，碎边机工作时，轧机应置于低速档，如置于高速档应禁止运行或速度上限不允许超过144m/min。 轧制力矩计算 对应500/1000r/min的电机过载倍数为1.6/1.0对应不同转速的电机额定力矩 Me=975×600/500=1.17tm M750=0.878tm M1000=0.585tm额定轧制力矩Mz=(in/1.05)Me（从计算看主要是给动补和空补留有一定的空间） 不同转速的轧制力矩 低速档
概述 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 参数 无刷直流减速电机参数分为标准参数和定制电机参数； 标准小型电机参数如下： 直径尺寸：4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、18mm、20mm、22mm、28mm、32mm、38mm； 齿轮箱材质分为：金属、塑胶材质结构； 输出转速：5-2000rpm； 减速比：5-1500； 功率：3V-24V； 输出扭矩：1gf-cm到50KGf-cm； 定制参数，即可按照项目设备需求定制无刷直流减速电机参数、规格和性能需求。
用途 小型无刷直流减速电机广泛应用在医疗器械，智能家居，机器人，汽车驱动，自动化设备，光学设备，精密仪器，工控设备等领域；按照应用方式分为：持续负载应用、可变负载应用、定位应用；在智能家居、智慧城市、机器人自动化领域均有广泛应用，通常是定制参数，规格模式。 品牌介绍 深圳市兆威机电股份有限公司成立于2001年，是一家研发、生产精密传动系统及汽车精密注塑零组件的制造型企业，为客户提供传动方案设计,零件的生产与组装的定制化服务。
1引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备的重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速[1]。 1.1 无刷直流电机的发展概况 无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。 19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断的发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。 1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。 在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正的无刷直流电机的出现。 20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。 1987年，在北京举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了生产规模。 无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展，无刷直流电机发展的初期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一段时间内，都停
专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械 能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构
如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所 示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定
直流无刷低速电机是一种低转速驱动电机，主要传动结构由减速齿轮箱、驱动无刷电机组装而成，这种低转速设备也称为直流无刷减速电机，减速齿轮箱是采用定制参数的非标齿轮箱作为减速器，直径规格在3.4mm-38mm之间，额定电压在3V-24V，输出力矩范围：1gf.cm到50Kgf.cm之间，减速比范围：5-1500；输出转速范围：5-2000rpm； 直流无刷低速电机参数： 产品名称：直流无刷减速电机（齿轮电机） 产品分类：无刷减速电机 产品规格：Φ20MM产品 电压：12V 空载电流：220 mA （可定制） 负载转速：2.4-1000 rpm（可定制） 减速比：5/25/125/625:1（可定制） 产品名称：6V直流减速电机 产品分类：直流减速电机 外径：6mm 材质：塑料 旋转方向：cw&ccw 齿轮箱回程差：≤3° 轴承：烧结轴承;滚动轴承 轴向窜动：≤0.3mm(烧结轴承)；≤0.2mm(滚动轴承) 输出轴径向负载：≤0.3N(烧结轴承)；≤4N(滚动轴承)
产品名称：24v直流减速电机 外径：22mm 材质：塑料 旋转方向：cw&ccw 齿轮箱回程差：≤3°（可定制） 轴承：烧结轴承;滚动轴承 轴向窜动：≤0.1mm(烧结轴承);≤0.1mm(滚动轴承)输出轴径向负载：≤50N(烧结轴承);≤100N(滚动轴承)输入速度:≤15000rpm 工作温度：-20 (85)
定制直流无刷低速电机参数、规格范围： 尺寸规格系列：3.4mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、28mm、32mm、38mm； 电压范围：3V-24V 功率范围：0.1W-40W 输出力矩范围：1gf.cm到50Kgf.cm 减速比范围：5-1500； 输出转速范围：5-2000rpm； 产品特点：体积小、质量轻、减速范围广、扭矩大、噪音低、精度高、应用范围广。 产品应用： 直流无刷低速电机广泛应用在智能家居领域、智能汽车驱动、智能通讯设备、电子产品设备、智能医疗设备、智能机器人设备、智慧物流设备、工业自动化设备等。
湖南工程学院课程设计《DSP原理及应用》 题目：直流电机控制系统设计 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2015年5 月19 日
摘要 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，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中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自动控制，是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统体积小，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。 本篇论文介绍了基于单片机的直流电机PWN调速的基本办法，直流电机调速的相关知识以及PWM调速的基本原理和实现方法。重点介绍了基于TMS320LF2407单片机的用软件产生PWM信号以及信号占空比调节的方法。对于直流电机速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。 关键词：单片机最小系统；PWM ；直流电机调速，TMS320LF2407;
前言 电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。然而近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心—单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以
直流电机控制器: 直流电机控制器是一种对直流电机的运动过程进行综合控制的电气装置。行业上又名：直流电机调速控制器或直流调速器。 1：直流电机控制器基本描述：任何电机的运动，不管交流或直流，都由静态到动态再到静态的过程。这个过程在不同场合有的很简单，有的非常复杂。如：启动时的即时速度（速率）为零，有时候启动的速度是某一恒定的值，接着以某一速度运行n时间再快速提升或恒速，恒扭矩，恒功率运行；经过一段时间由外部信号给定反转可逆运行或停止运行等等多种物理运动方式。 2：直流电机控制器的工作原理及构造：目前市场上的直流电机控制器大多是以可控硅模块为核心部件，通过电子器件的组合使可控硅导通角产生变化从而使其输出的电压产生变化并整流后获得变化的直流电压，使直流电机的速度不断的随之变化。这是速度控制的一种非常重要的情况。另一重要的控制就是启动和停止，一般牵涉到低压电气的机械组合，如通过交流接触器来换相，如通过不同电位器的实际外联实现多台电机的同步运行，当然技术领先的直流调速器生产厂家：如上海任重仪表电器有限公司，上海百乐神自动化科技有限公司等它们的直流调速控制器的正反转控制是采用内部线路的精心设计，剔除了机械电路的复杂繁琐，其产品也显得精致，体积小。还有，直流电机控制器的核心部件采用更先进的功率器件IGBT为核心部件，行业上也把它叫做脉宽直流电机控制器。 3：直流电机控制器的外型：直流电机控制器的外形，外型很多。目前市场上最常规见得是面板式安装和壁挂式安装。如:市场上使用最广泛的上海任重仪表电器公司的ZKS-II,KSA-I 型，上海百乐神自动化科技公司的BLS-Z-II等，还有壁挂式的如英国欧陆的P590,SSD590+,上海任重仪表电器的JSC-601,BLS-611等等。当然还有导轨式，插座式等等。 4：直流电机控制器的参数区分：主要根据直流电机的功率，电压，额定电流，是否可逆运动来确定。还有一些指标如测速反馈，外部信号反馈等等都直接影响它的性能及使用状况
SPEED分析87SWS-1电磁性能 一、 分析计算说明： 1、转子的材料为TP—A27E，转子的充磁方式为正弦（通过测量电机反电动势 得出）。 根据厂家提供的退磁曲线得出 剩磁Br=0.286T， 内禀矫顽力Hcj=2.34×105A/m, 相对回复磁导率为1.05， 密度为3800kg/m3 2、定子材料为50DW470,其B-H曲线如图（1）所示 图（1） 3、转子和定子的参数设置后如图（2）所示： 此处简化成空气 图（2）
4、本次电机分析 1）电参数：绕组为星形联接，绕组的线径为Φ0.19mm，匝数为670匝，漆膜厚度为0.02mm,骨架厚度liner设为0.625mm,槽隙绝缘参数等都按理想默认值设置。绕组的具体绕法如图（3）所示： 图（3） 2）磁参数：通过修正XBrT参数把电机的反电动势调至于实际相符。经过调整XBrT=1.4，SPEED软件计算出的EFM与实际的反电动势如图所示： 电机500r/min时的反电动势波形 实际测量波形SPEED计算波形 3）控制参数： 额定电压为：310V，驱动方式：Drive为方波驱动，峰值限流ISP：0.6， 占空比DuCy：1，控制方式SW_CtL为：V120_Q1(上桥壁斩波)，斩波形式为Soft，斩波频率为20KHz。晶体管正向导通压降设为1V，二极管正向导通压降设为0.6V，其余均按理想的默认设置。 4）损耗：设置为1400r/min是的损耗功率为0.5W。
二、设置完成后用SPEED进行模拟计算分析得出下组曲线： 1、转矩——转速曲线 2、电流——转速曲线
3、输出功率——转速曲线 4、效率——转速曲线
XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师
航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7 月9 日至2012年7 月20 日 课程设计的容及要求： 1.容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。 指导教师年月日 负责教师年月日
学生签字年月日 目录 0 前言 (1) 1 总体方案设计 (2) 1.1 系统方案 (2) 1.2 系统构成 (2) 1.3 电路工作原理 (2) 1.4 方案选择 (3) 2 硬件电路设计 (3) 2.1 系统分析与硬件设计 (3) 2.2 单片机AT89C52 (3) 2.3 复位电路和时钟电路 (4) 2.4 直流电机驱动电路设计 (4) 2.5 键盘电路设计 (4) 3 软件设计 (5) 3.1 应用软件的编制和调试 (5) 3.2 程序总体设计 (5) 3.3 仿真图形 (7) 4 调试分析 (9) 5 结论及进一步设想 (9) 参考文献 (10) 课设体会 (11)
附录1 电路原理图 (12) 附录2 程序清单 (13)
目录 1.设计要求 (2) 2.设计原理 (2) 3.系统设计分析与计算 (3) 3.1 v a 为输入的直流电机控制系统微分方程计算 (3) 3.2计算W到Y的传递函数 (4) 3.3 k P 和k i 的值 (4) 3.4 PI控制环节对系统性能方面的议案相分析 (5) 3.5单位阶跃参考输入作用下系统的跟踪性能 (5) 3.6单位斜坡参考输入作用下系统的跟踪性能 (6) 4.数学仿真与验证 (7) 4.1MATLAB中连续系统模型表示方法 (7) 4.2系统在单位阶跃信号作用下输出响应仿真 (7) 4.3系统在单位阶跃信号作用下误差跟踪仿真 (9) 4.4系统在单位斜坡信号作用下输出响应仿真 (10) 4.5系统在单位斜坡信号作用下跟踪误差仿真 (10) 小结与体会.................................................... 错误!未定义书签。参考文献 (12)
直流电机PI 控制器参数设计 1.设计要求 要求对如下图所示的直流电机控制系统PI 控制环节的相关参数K p 和K I 的设计以达到闭环特征根满足包括60j 60±-的要求；并对直流电机控制系统在单位阶跃信号输入、单位斜坡信号输入以及扰动信号（单位阶跃信号、单位斜坡信号）输入下的动态性能、稳态性能等方面的分析， 并使用在Matlab 仿真软件中对系统的输出响应进行仿真，与理论计算的结果进行比较，修正做设计参数已达到正确结果。 2.设计原理 系统的结构图能较好地反应系统各方面信息，通过对系统结构图的分析，我们可以求出 Y
输入到输出的传递函数；通过系统结构图的变换可以求出扰动到输出的传递函数。通过相应的传递函数我们可以非常清楚的看出系统的型别，零极点大致分布等信息，可以初略估计系统的动态性能和稳态性能。 通过对v a 为输入到Y 输出的传递函数的拉普拉斯反变换可以求出相应的以v a 为输入的直流电机控制系统微分方程。从闭环传递函数中可以马上得到闭环特征方程，利用待定系数法可以求出所要求特定特征根情况下k P 和k I 的值。单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入时系统的跟踪性能都能通过相应传递函数拉普拉斯反变换得到其时域方程；对时域方程进行分析可以得到比较直观的系统动态性能和稳态性能指标。理论结果计算出来后，我们还可以利用Matlab 工具进行仿真计算，Matlab 能仿真出系统的输出响应曲线，能比较形象、直观的表现出系统的各方面性能，然后将通过Matlab 仿真软件对系统响应仿真结果与理论计算结果进行比较、修正。 3.系统设计分析与计算 3.1 v a 为输入的直流电机控制系统微分方程计算 首先应求出从v a 到Y 的传递函数，对传递函数进行拉普拉斯反变换就可得到相应的微分方程。 PI 表达式为：)(0 ?+=t I p a edt k e k v ，其中e=r-y 。可以得出相应的传递函数s K s K s D I P +*= )( W(s)=0,有以R 为输入的直流电机控制系统如上面图3-1所示，有开环传递函数为： ()() 60s s K s K 600)()(I p ++*= s H s G W(s)=0，R 错误!未指定书签。为输入的直流电机控制系统闭环传递函数为： Y
直流电机控制器 （华侨大学信息学院08自动化） 摘要目前见到的许多关于直流电机的测速与控制类文献中，虽然能实现直流电机的无级调速，但还存在一些问题，如无法与计算机直接接口，许多较为复杂的控制算法无法在不增加硬件成本的情况下实现，控制器的人机界面不理想。总的来讲，控制器的智能化程度不高，可移植性差。虽然采用PWM芯片来实现电机无级调速的方案成本较低，但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时，其灵活性不够，而且反而增加硬件的成本。还有一些使用PLC控制器或高档处理器芯片（如DSP器件）的文献，它们虽然具有较高的控制性能，但由于这些高档处理器价格过高，需要更多的外围器件，因此也不具备在通常情况下大规模使用的条件。从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更高的算法和调速方案，以及在考虑成本要求的前提下选择适合这种算法的核心控制器。 本设计采用MCU（AT89S52），完成了小型直流电机转速的采集、计算、显示、键盘设定，采用直流电机的PWM调速，实现了对电机转速的测量和控制，解决了通常低采样周期时系统的超调以及积分饱和问题。 关键词单片机；转速；调速；显示
一、设计任务与要求 1、设计任务 设计并制作一个直流电机控制器，控制电机的转速、转向和转速显示（用数码管动态显示）。 2、技术指标 a．基本要求 （1）具有转速显示功能（在同一CPU上，并留有测试点）。 （2）具有转向控制功能。 （3）可任意定义并控制转速。 （4）转速范围在60～600转/分钟之间连续可调。 （5）可显示任一时刻的占空比。 （6）任何时候控制信号无明显跳变。 b．发挥部分 （1）转速范围扩展至30～800转/分钟之间连续可调。 （2）可按步进.30转调整转速。 （3）用键盘输入任意占空比控制电机（大于60转/分），该状态下仍可按步进.10转调整转速。 3、题目评析 本题的重点是实现转速的可调可控；难点在于电机的驱动以及控制的算法；由于电机的广泛应用，实现电机的调速控制，实用价值很大。 二、方案比较与论证 根据设计任务，需要设计一个直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，使电机速度等于设定值，并且实时显示电机的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。 1、转速测量方案论证 方案一：使用红外对射管测速。硬件简单，只要使用两个电阻，一个红外对管，即可完成要求。 方案二：使用红外反射管测速。硬件需要电压比较器，使得硬件电路板比较繁琐。