目录
第1章绪论 (2)
1.1 概述 (2)
1.2 目的及意义 (2)
1.3 电机控制系统实现所包括的内容： (3)
第2章系统总体设计 (3)
2.1 系统的组成 (3)
2.2 DSP芯片的选择 (4)
2.3 TMS320F2812 DSP 控制器介绍 (4)
2.4 硬件方面的选取 (6)
2.4.1测速传感器的选择 (6)
2.4.2 功率驱动单元 (6)
2.4.3 键盘显示方案 (6)
2.4.4 PWM实现方案 (6)
第3章系统硬件设计 (7)
3.1 电源电路的设计 (7)
3.2 功率驱动单元的设计 (7)
3.2.1 PWM调速原理 (8)
3.2.2 电机驱动电路 (9)
3.3 速度检测单元的设计 (10)
3.3.1 速度检测的方法 (10)
3.3.2 速度检测电路设计 (10)
3.4 按键控制单元的设计 (11)
第4章系统软件设计 (12)
4.1 主程序的设计 (13)
4.2. PWM波发生程序 (13)
4.3 PID控制算法 (15)
4.3.1 PID控制原理 (15)
4.3.2 系统PID控制 (16)
第5章系统总体调试 (17)
5.1 调试准备 (17)
5.2 系统调试 (17)
结论 (19)
第六章参考文献 (20)
第1章绪论
1.1 概述
电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统。根据电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类。
纵观电气传动的发展过程，交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但它们始终随着工业技术而发展的。特别是随着电力电子技术和微电子学的发展，在相互竞争中完善着自身，发生着变更。由于直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因此在工业场合应用广泛。近代，随着生产技术的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容。
直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制技术产生了新的变化。电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。用计算机技术实现直流调速控制系统，计算机的选型很多。经过选择，选取DSP芯片作为控制器。直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统；有单闭环控制系统，有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统，有不可逆调速系统等[9]。
开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬件和软件发展的最新成果，对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。
目前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理论，但实现控制的方法和手段随着技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。这个过程经历了从分立元件控制，集成电路控制和单片计算机控制等过程。每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能。
电机控制是DSP应用的主要领域，随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高，DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用。
1.2 目的及意义
长期以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高质高效的平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍无其它电动机可比。
在控制系统的构成上，本课题对硬件电路进行了设计，而这个硬件系统具有一定的通用性，也即可以将它作为一个硬件平台，在其它过程控制中应用。另外，由DSP的特点量身订做，可以在其
它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计，进而来构成硬件系统，这样既便于设计思想的物化，又使得设计系统更加紧凑，不浪费资源。
本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法，在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述。
1.3 电机控制系统实现所包括的内容：
主要研究基于DSP的直流电机控制系统，通过控制算法和调速方法的分析，利用电机调速、DSP 芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识，实现对电机的速度控制。整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压，改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩，实现电动机的转速调节。研究内容包括如下：
（1）电机控制系统功能实现的分析；
（2）控制算法与调速方法的分析与设计；
（3）电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；
（4）系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；
（5）电机控制系统整机测试与实现；
第2章系统总体设计
2.1 系统的组成
由图2-1可知，该设计包含DSP控制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分。
DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理，输出相应的PWM波，经过光电隔离部分，送给功率驱动单元；
功率驱动单元：对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端，驱动电机与负载；
速度检测单元：采集电机的速度信息，并送给主控制器；
显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；
通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换。
图2-1 系统总体框图
2.2 DSP芯片的选择
直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器，其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工NTEL196MX系列单片微控制器，精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器，哈佛结构DSP处理器如TI公司T145320F24X系列DSP。一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：
（1）指令执行速度；
（2）片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；
（3）乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；
（4）中断功能和中断通道的数目；
（5）用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；
（6）用于输入模拟信号的A/D转换器；
（7）价格及开发环境。
DSP一般采用哈佛或者改进的哈佛结构，程序空间和数据空间分离，程序的数据总线和地址总线分离，数据的数据总线和地址总线分离。这种结构允许同时访问程序指令和数据，在同一机器周期里完成读和写，并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作，极大地提高了执行速度，并且电机控制专用DSP具备丰富的设备和接口资源。
TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器，其产品销量一直处于国际领先地位，是公认的世界DSP霸主。本论文选择了TI公司的TMS320F2812DSP作为直流电机控制系统的微处理器。
2.3 TMS320F2812 DSP 控制器介绍
TMS320F2812 DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的。是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片。不但有高性能的C2XX CPU内核，配置有高速数字信号处理的结构，且有控制电机的外设。它将数字信号处理的高速运算功能，与面向电机的强大控制功能结合在一起，成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品[12]。
TMS320F2812的片内外设模块包括：事件管理模块（EV）、数字输入/输出模块（I/O）、模数转换模块（ADC）、串行外设模块（SPI）、串行通信模块（SCI）、局域网控制器模块（CAN）。
（1）事件管理器EVA和EVB
TMS320F2812提供两个事件管理器EVA和EVB模块，每个模块包含两个通用（GP）定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕获单元和一个正交编码脉冲电路。事件管理器位用户提供了众多的功能和特点，在运动控制和电机控制中特别有用。
通用定时器：LF2407共有4个通用定时器，每个定时器包括：一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT；一个16位的定时器比较寄存器TxCMPR；一个16位的定时器周期寄存器TxPR；一个16位的定时器控制寄存器TxCON；可选择的内部或外部输入时钟。各个GP定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作。与其有关的比较寄存器可用作比较功能或PWM波形发生。每个GP定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标，它还向事件管理器的子模块提供时毕。每个通用定时器有4种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、逢续增/减计数模式。当计数器值和比较寄存器值相等时，比较匹配发生，从而在定时器的PWM输出引脚TxPWM/TxCMP上产生CMP/PWM脉冲，可设置控制寄存器GPTCON中的相应位，选择下溢、比较匹配或
周期匹配时自动启动片内A/D转换器。
比较单元：LF2407有6个比较单元，每个EV模块有3个。每个比较单元又有两个相关的PWM 输出，比较单元的时基由通用定时器1 （EVA模块）和通用定时器3 （EVB模块）提供。每个比较单元和通用定时器1或通用定时器3，死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的PWM输出。在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚，这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机。
捕获单元：捕获单元被用于高速I/O的自动管理器，它监视输入引脚上信号的变化，记录输入事件发生时的计数器值，即记录下所发生事件的时刻。该部件的工作由内部定时器同步，不用CPU 干预。LF2407共有6个捕获单元，CAP1，CAP2，CAP3可选择通用定时器1或2作为它们的时基，但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为它们的时基。CAP4，CAP5，CAP6可选择通用定时器3或4作为它们的时基，同样CAP4和CAP5也一定要选择相同的定时器作为它们的时基。每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向CPU发中断请求；若中断标志己被置位，捕获单元还将启动片内A/D转换器。
正交编码脉冲（QEP）单元：常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺，它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，其输出一般有相位差为90°的A、B两路信号和同步脉冲信号C。A、B两路脉冲可直接作为LF2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚的输入。正交编码脉冲电路的时基由通用定时器2或通用定时器4提供，但通用定时器必须设置成定向增/减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源。
（2）数字输入/输出模块（I/O）
DSP器件的数子输入/输出引脚均为功能复用引脚。即这些引脚既可作为通用I/O功能（双向数据输入/输出）引脚，也可作特殊功能（PWM输出、捕获输入、串行输入输出等）引脚。数子I/O模块负责对这些引脚进行控制和设置。两种功能的选择由I/O复用控制寄存器（MCRx，x=A，B，C）来控制。当引脚作为通用I/O时，由数据和方向控制寄存器（PxDATDIR，x=A，B，C，D，E，F）指出各I/O引脚的数据方向（输入还是输出）和当前引脚对应的电平（高或低）。读通用I/O引脚的电平或向引脚输出电平，实际上是对相应的寄存器（PxDATDIR）进行读写操作。
（3）模数转换器（ADC）模块
在自动控制系统中，被控制或被检测的对象，如温度、压力、流量、速度等都是连续变化的物理量，通过适当的传感器（如温度传感器、压力传感器、光电传感器等）将他们转换为连续变化的电压或电流（即模拟量）。模数转换器ADC就是用来讲这些模拟电压或电流转换成计算机能够识别的数字量的模块。
TMS320F2812期间内部有一个10为的模数转换器ADC。该模块能够对16个模拟输入信号进行采样/保持和A/D转换，通道的转换顺序可以编程选择。
（4）串行通信接口（SCI）模块
2407器件的串行通信接口（SCI）模块是一个标准的通信异步接收/发送（UART）可编程串行通信接口。SCI支持CPU与其他异步串口采用标准不返回零（NRZ）模块进行异步串行数字通信。SCI 有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入/输出引脚：SCIRXD（SCI接收数据引脚）和SCITXD（SCI发送数据引脚）；SCI通过一个16位的波特率选择寄存器，可编程选择64K种不同速率的波特率。SCI支持半双工和全双工操作，发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成。
（5）串行外设接口（SPI）模块
串行外设接口（SPI）模块是一个高速同步串行输入/输出（I/O）口，它能使可编程长度（1—16位）的串行位流以可编程的位传输速率输入或输出器件。
SPI可作为一种串行总线标准，以同步方式实现两个设备之间的信息交换，即两个设备在同一时钟下工作。
SPI通常用于DSP控制器与外部设备或其他控制器之间的通信，用SPI可以构成多机通信系统，SPI还可以作为移位寄存器、显示驱动器和模数转换器ADC等器件的外设扩展口。
（6）CAN控制器模块
LF24xx系列DSP控制器作为第一个具有片上CAN控制模块的DSP芯片，给用户提供一个设计分布式或网络化运动控制系统的无限可能。
CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1 Mbps，通信距离可达10km。
CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，使网络内的节点个数在理论上不受限制。由于CAN总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。
2407的CAN控制器模块是一个16位的外设模块，支持CAN2. 0B协议。CAN模块有6个邮箱（MBOX0—MBOX5）；有用于0，1,2和3号的邮箱的本地屏蔽寄存器和15个控制/状态寄存器。CAN模块既有可编程的位速率、中断方式和CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；自动再发送功能（在发送时出错或仲裁是丢失数据的情况下）；总线出错诊断和自测模式。
2.4 硬件方面的选取
2.4.1测速传感器的选择
在电机的转轴上套一码盘，利用光电对管测脉冲，每转一圈OUT端输出若干个脉冲。（本设计中码盘每转一圈，输出4个脉冲）
可以采用定时的方法：是通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：M=60/4T=15/T。0也可以采用记数的方法：具体是通过DSP记单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速：M=N/S ×15。
2.4.2 功率驱动单元
采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。
2.4.3 键盘显示方案
使用3个按键，进行逐位设置。一个按键控制正转，一个反转，一个停止。优点是美观大方，一目了然；缺点是抗干扰能力较差。
2.4.4 PWM实现方案
基于DSP由软件来实现PWM（定频调宽法）。
U不变的情况下，电枢两端电压的在PWM调速系统中占空比α是一个重要参数。在电源电压d
平均值取决于占空比α的大小，改变α的值可以改变电枢两端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比α的值有三种方法：
A、定宽调频法：保持t1不变，只改变 t2，这样使周期(或频率)也随之改变。
B、调宽调频法：保持t2不变，只改变t1，这样使周期(或频率)也随之改变。
C、定频调宽法：保持周期T(或频率)不变，同时改变t1和t2。
图2-2 电枢电压占空比图
第3章系统硬件设计
3.1 电源电路的设计
TMS320F2812采用高性能静态CMOS，供电电压为低电压+3. 3V，而系统中还有其他一些TTL芯片，需要+5V电压，为此，系统为一个多电源的系统。电源转换电路的功能是用来产生稳定可靠的3.3V直流电源，提供给TMS320F2812以及整个数字电路工作[10]。
电源插孔J1标识为内正外负，+5V稳压直流电源输入。TPS7333 电源转换芯片作为5V 转3.3V 的高性能稳压芯片。并可提供上电复位信号,该信号接到DSP 的复位引脚上。7333 输出后的10uF 和0.1uF 的电容起稳压作用，得到稳定的3.3V 电压。
3.2 功率驱动单元的设计
功率驱动单元是对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端，驱动电机与负载。
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。近年来，直流电动机的结构
和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（Puts Width Modulation ，简称PWM ）控制方式已成为绝对主流。
PWM （Pulse Width Modulation ）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM 控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM 型，PWM 控制技术正是
有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位[6]。
3.2.1 PWM 调速原理
直流电动机转速n 的表达式为： ΦK IR U n -=
（3-1） 公式（3-1）中，U 为电枢端电压；I 为电枢电流；R 为电枢电路总电阻；Φ中为每极磁通
量；K 为电动机结构参数。
所以直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导
体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速[2]。
图3-2 PWM 调速控制原理图和电压波形
图3-2是利用开关管对直流电动机进行PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形。图中，当开关管MOSFET 的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压S U 。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图中所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值O U 为：
S S S O U T
U t t t U t U α==++=12110 （3-2） 公式（3-2）中α为占空比，α=T t /1。占空比α表示了在一个周期T 里，开关管导通的时间与周期的比值。如，一个PWM 的频率是1000Hz ，那么它的时钟周期就是1ms ，就是1000us ，如果高电平出现的时间是200us ，那么低电平的时间肯定是800us ，那么占空比就是200：1000，也就是说PWM 的占空比就是1：5。占空比的变化范围为0≤α≤l 。由此式可知，当电源电压S U 不变的情况下，电枢的端电压的平均值O U 取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM 调速原理。
3.2.2 电机驱动电路
本设计的功率驱动电路采用的是基于双极型H 桥型脉宽调制方式（PWM ）的集成电路L298N [14]
。L298N 是SGS 公司的产品，内部包含二个H 桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑电平信号，可驱动46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从零下25°到130°。表3-1是其使能引脚，输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系。EnA 是控制使能端，控制OUT1和OUT2之间电机的停转， IN1、IN2脚接入控制电平，控制OUT1和OUT2之间电机的转向。当使能端EnA 为高，IN1为高电平IN2为低电平时，电机正转；反之电机则反转。当IN1和IN2电平相同时，电机停转。
表3-1 L298N 功能逻辑表
图中的EnA （PWM ）输入对应LF2407上的IOPA6引脚，IN1和IN2分别对应LF2407上的IOPF3和IOPF4引脚。接口电路如图3-3所示。图中二极管的作用是消除电机的反向电动势，保护电路，因此采用整流二极管比较合适。
需要注意的是，三个引脚信号都应通过光电隔离的变换后再作用于L298N ，目的是为了防止因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲对主控制器的影响。本设计中的光电隔离采用的是高速光耦6N137，信号经过6N137的隔离后不改变逻辑状态。
当电机要求正转时，IOPF3给出高电平信号，IOPF4给出低电平信号，此时IOPA6的逻辑信号就决定了电机正转的速度，也就是说DSP 产生的PWM 信号的占空比决定了电机两端电枢电压的大小，从而实现电机调速。
同样，当电机要求反转时，IOPF3给出低电平信号，IOPF4给出高电平信号。
图3-3 L298N 接口电路
3.3 速度检测单元的设计
速度检测单元通过传感器采集电机转速信息，并传送给主控制器，同时与主控制器构成一个闭
环回路[7]。
转速的测量主要是借助光电或磁电传感器来实现，其具体做法是：与电机同轴连接一均匀分布的码盘或直接利用电机来带动码盘旋转，使该码盘与电机轴同步旋转。光电或磁电传感器发出信号，经过光敏电阻后形成电脉冲，将脉冲送入计数器，通过计算即可得出电机的转速。
3.3.1 速度检测的方法
根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有：M 法（测频法），T 法（测周期法）和M/T 法[7]。 本设计中采用M 法来完成对电机转速的检测。M 法基本原理是，在一定的测量时间g T 内，测速脉冲发生器产生的脉冲数为1m 。则电机转速应为：g
MT m n 160 （3-3） 公式（3-3）中n （r/min ）为电机转速，M 为电机转一周脉冲发生器产生的脉冲数，即码盘的齿轮数。
3.3.2 速度检测电路设计
电机测速模型如图3-4，将栅格圆盘变化通过光电发射器和接收器以及外围转换电路的作用送
给DSP 通过数学运算得到电机的转速[11]。
图3-4 电机测速模型
光电对管产生的脉冲在经过施密特触发器SN74LS14后送入LF2407的捕获单元，捕获单元可以记录在某个时间段内捕获到的脉冲数，从而计算出电机的转速。具体的接口电路如图3-5所示。
图3-5 速度检测电路
需要注意的是，光电对管出来的信号一般为+5V的方波信号，为此需要经过一个电平转换芯片SN74LVC245隔离才能与LF2407的CAP电路进行相连。电路如图3-6所示。
图3-6 电平转换电路
3.4 按键控制单元的设计
键盘用于实现DSP应用系统中的数据和控制命令的输入，键盘输入也是单片机应用系统中使用最广泛的一种输入方式。键盘可分为编码键盘和非编码键盘。非编码键盘通常是键排列成行列矩阵，按键的作用只是相应的接触点接通或断开，通过软件编程产生按键的键码[15]。
本设计中的按键模块是电机控制的关键，通过按键的输入可以实现改变电机的正反转和调速功能。DSP在每个周期内对键盘进行一次扫描，即定时扫描方式，若有按键引起的中断，则程序执行相应的指令。
键盘模块由三个按键组成。按键K1控制电机正转，当第一次按下按键K1，系统进入正转模式；再次按下按键K1，系统正转加速；第三次按下按键K1，系统正转减速。按键K3控制电机反转，当第一次按下按键K3，系统进入反转模式；再次按下按键K3，系统反转加速；第三次按下按键K3，系统反转减速。按键K2控制电机停止，无论电机处于任何模式下工作，只要按下按键K2，电机就停止转动。按键接口电路如图3-7所示。
图3-7 按键电路
控制电机的正反转是直接通过按键中断来实现的，实现电机正反转加减速则是通过程序实现的，按键的具体功能模块如表3-2所示。
按键电路同样需要注意，给出的电平信号不能直接与LF2407相连，也需要经过电平转换芯片才能与主控制器相连。接口电路如图3-8所示。
图3-8 按键电平转换电路
第4章系统软件设计
本系统的控制器在采用TMS320F2812芯片作为其核心控制单元后，简化了控制电路，增大了控制策略的灵活性，能够在线计算出各种控制参数，提高控制精度，便于实现控制器的通用化、标准化和智能化。而且许多功能的实现以及将来一些功能的扩展可以在硬件电路完全不动的情况下，编制出相应的软件就能得以实现。由此可见，与DSP系统硬件相结合的控制软件的编制是控制器中很重要的一环。
直流电机控制软件的设计采用模块化的设计思想[2]，主要包括主程序和中断服务程序两大模块。
其中主程序包括初始化子程序、启动和软启动子程序和显示程序等；中断服务程序包括PWM波生成子程序、捕获中断子程序、通信子程序等。
4.1 主程序的设计
主程序主要完成系统和各子程序的初始化，并启动系统定时器，进入循环体，并定时进行按键中断扫描和调用显示子程序[16]。主程序流程图如图4-1所示。
图4-1 主程序流程图
4.2. PWM波发生程序
本系统中，PWM的设计应以尽量少的占用CPU资源，同时减少功率器件的开关损耗，并满足电流控制的要求为最终目的。PWM信号由DSP事件管理器A的全比较单元产生。与PWM波形发生相联系的外设控制寄存器有COMCONA, ACTRA, T1PR, DBTCONA, CMPR1等组成。
通用定时器T1的计数器不断与比较寄存器的值相比较，当两个值发生匹配时，比较单元的两个输出将根据方式控制寄存器ACTRA中的位进行跳变。ACTRA寄存器中的位可以分别确定在比较匹配时输出为高有效触发或低有效触发。当两个值之间的第二个匹配产生或一个定时器周期结束时，相应的输出上会产生又一个转换（由低到高或由高到低）。通过这种方式，所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。在每个定时器周期中，这个过程都会出现，但是每次比较寄存器中的调制值是不同的，这样在相应的输出引脚上就会产生一个占空比不同的PWM信号输出[13]。整个PWM单元的初始化步骤如下：
（1）设置比较方式控制寄存器ACTRA，确定输出方式；
（2）设置和装载定时器周期寄存器T1PR，确定PWM波周期；
（3）初始化比较寄存器CMPR1，确定PWM占空比；
（4）设置COMCONA，使能PWM模式，禁止比较模式；
（5）设置和装载T1CON，用来设置计数模式和启动比较操作；
（6）更新CMPR1寄存器值，以改变PWM的占空比。
PWM结构框图如图4-2所示。
图4-2 PWM结构框图
该部分的程序如下所示[16]：
MCRA=MCRA | 0x00C0；//PA6为PWM口；
EVAIFRA=0xFFFF；//清除中断标志；
ACTRA=0x0006； //PWM1高有效；
DBTCONA=0x0530；//使能死区定时器1；
T1PR=25000； //定时器1周期值,定时0.4us*25000=10ms；
CMPR1=XPWM； //比较值；
COMCONA=0xA600； //比较控制寄存器；
T1CNT=0；
EVAIMRA=0x0080；//定时器1周期中断使能；
T1CON=0x144E； //增模式, TPS系数40M/16=2.5M,T1使能；
对于CMPR1的设置，采用的是按键跳转的方式。当按键动作的时候，程序就跳转到响应的循环体。如当K1按下的时候，我们定义的全局变量numkey=1，a=1，程序就跳转到固定转速正转模式；如果再次触发K1，全局标量a=2，此时电机正转加速；如果按下K1第三次，那么a=3，此时电机正转减速。具体流程如图4-3所示。
4.3 PID控制算法
在绝大多数工业控制中，例如过程控制、运动控制、速度伺服控制以及位置伺服控制，使用最多的控制方法一般是PID控制。虽然当前控制理论和控制技术在信急技术、集成电路制造技术高速发展的推动下有了很大的发展，例如自适应控制、神经网络和模糊控制以及最优控制等很多现代控制方法都得到广泛的应用，但是数字PID控制仍然是一种稳定的、可靠的、实现简单的、使用广泛的控制方法[9]。
PID控制是技术最成熟的一种控制方法，特别是在控制对象的模型未知或难以建立时，常常采用PID控制方法。PID控制原理简单、实现方便，并且适应性广，其控制品质对被控对象特性的变化不是很敏感，因此在工业的各个领域中应用广泛。
4.3.1 PID控制原理
PID控制即比例（Proportional）、积分（Integrating）、微分（Differentiation）控制。在PID控制系统中，完成PID控制规律的部分称为PID控制器[9]。它是一种线形控制器，用输出y(t)和给定量r(t)之间的误差的时间函数e(t)=r(t)-y(t)。PID控制器框图如图4-5所示。
图4-5 PID控制算法框图
比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 P K ， P K 越大，控制越强，但过大的 P K 会导致系统震荡，破坏系统的稳定性。
积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。直到偏差 e(t)=0，输出的 u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值 r(t)不变的条件下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数 IT 越大，积分的积累作用越弱。增大积分常数 IT 会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际控制的具体要求来确定 IT 。
微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变化得越快，微分控制器的输出越大，并能在偏差值鞭打之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服震荡，使系统趋于稳定。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。适当地选择微分常数 D T ，可以使微分的作用达到最优。
实际应用中，可以根据受控对象的特性和控制的性能要求，灵活地采用不同的控制组合，如：比例（P）控制器：
)(*)(t e K t u p = （4-1）
比例＋积分（PI ）控制器：
])(1)([)(0dt t e T t e K t u t
i
p ?+= （4-2） 比例+积分+微分（PID ）控制器： =)(t u ])()(1)([0
dt t de T dt t e T t e K d t
i p ++? （4-3） 公式中，Kp 为比例运算放大系数，Ti 为积分时间，Td 为微分时间。
4.3.2 系统PID 控制
任何电动机的调速系统都以转速为定量，并使电动机的转速跟随给定值进行控制。为了使系统
具有良好的调速性能，通常要构建一个闭环系统[12]。
本设计是一个对电机进行PID 的控制系统，采用经典的数字增量式PID 控制算法。
所谓增量式PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID 控制算法进行控制。
增量式PID 控制算法可以由公式推导出，得到控制器的第k-1个采样时刻的输出值为：
（4-4）
并由（4-4）得到增量式PID 控制算法公式为：
（4-5）
由（4-5）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T ，一旦确定A 、B 、C ，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由（4-5）求出控制量。
增量式PID 控制算法与位置式PID 算法相比，计算量小得多，因此在实际中得到广泛的应用。 本设计中基于L F2407的PID 控制器的实现框图如图4-6所示。
从图中可以看出被控电机的速度设定量由DSP给出，经过DSP计算出控制量u (k)，对信号进行D/ A 转换，产生模拟控制量u(t)，从而实现对被控电机速度的控制，而电机实际转速c(t)通过A/ D转换器送入DSP，使整个系统构成一个闭环系统。
第5章系统总体调试
5.1 调试准备
在进行DSP系统的调试之前需要做一系列的准备工作，包括硬件准备和软件准备工作。
硬件主要包括DSP-2407 开发板、DSP 仿真器和一台调试仿真用的PC机。开发板使用的是明伟公司提供的TMS320F2812，当然需要外设的一些显示电路、捕获电路等；仿真器是TDS510 Ver3.1 DSP 仿真器。外设电路通过自己一段时间的精心研究，基本搭建完毕，在大多是情况下满足了各大模块的硬件设计。
软件调试使用的CCS2.2 for C2000的软件开发环境[17]。CCS是TI公司DSP软件的集成开发环境，在Windows下工作，类似于VC++的集成开发环境；采用图形接口界面，有编辑工具和工程管理工具；它将汇编器、链接器、C/C++编译器、建库工具等集成在一个统一的开发平台中；CCS所集成的代码调试工具具有各种调试功能，能对TMS320系列DSP进行指令级的仿真和可视化的实时数据分析；同事具有丰富的输入/出库函数和信号处理库函数。
C2000在安装成功之后，还需要进行一系列的配置。这就需要按照芯片的类型和仿真器的种类进行相应的选择。
5.2 系统调试
在硬件和软件都准备充足的前提下，就可以进行系统的总体调试了。
首先按照自己事先设计好的电路图进行连接，由于该系统较为复杂，模块部分较多，排线的连接应格外小心，对于每根排线的接头我都是用绝缘的橡胶层包裹起来。线路连接好之后，将DSP与PC机通过仿真器连接起来，然后再给芯片上电。将已经写好的程序在CCS2.2开发环境下进行编译，编译成功之后系统会生成一个out文件，该文件就相当于单片机仿真的hex文件，只需要将此文件导入芯片中，程序就可以在DSP上运转起来了。在导入文件之前必须确保DSP与PC机的连接已经被系统识别，这就需要准确无误的将TDS510 Ver3.1 DSP仿真器的驱动软件安装成功。我在最初进行
硬件调试的时候就是把仿真器的驱动软件安装错误，导致系统无法进行调试仿真，最后在老师的指导下才解决了这个问题。所以对于驱动软件的安装是系统进行硬件调试的前提。
将out文件成功导入DSP后，运行系统。此时，观察到的唯一现象是LED1不断闪烁。我在进行调试的时候为了便于观察程序是否跳转到中断服务程序，特别在中服里面加了一个LED灯闪烁功能，这个现象说明系统的定时器中断、中断服务程序完全符合设计要求。随后我要进行的操作就是控制电机的转动了，当按下K1开关后，电机转动起来，正转模式指示灯亮，同时，电机的转速信息也在第一时间反馈到1602液晶显示屏上；当再次按下K1开关，电机开始加速，然后逐渐趋于稳定，液晶显示电机转速加快；第三次按下K1开关，电机开始减速，然后逐渐趋于稳定，液晶显示电机转速减慢。如果按下的是K3开关，则电机反转，反转指示灯亮，其现象和正转模式没有区别。如果在电机开始转动之后，无论正转还是反转，只要按下K2开关，电机就停止转动。其实开关控制电机转速的原理很简单，每次跳转仅仅是改变了全比较寄存器CMPR1中的值，正转和反转模式则还要使IN1和IN2置位。电机的转速出了使用按键中断控制外，还可以用上位机界面控制，上位机界面的控制原理也是改变全比较寄存器的值。相对于按键调速，上位机界面可以实现电机的无级调速，使电机可以在额定电压内的任何转速状态下工作。系统调试数据如表5-1所示。
最后的总体调试之后，本系统基本完成了课题研究的内容，达到了预期的目标。
结论
直流电机具有良好的机械特性，能在大范围内实现平滑调速、制动、起动和正反转等共呢，目前在各大领域中占据主要地位。随着自动控制水平的不断提高，采用新的控制方法，使得整个系统结构更加简单，功能更加完善。与此同时，DSP技术的不断发展为电机控制提供了一个良好的平台。
采用TI公司推出的TMS320F2812芯片作为直流电机控制系统的控制核心，依据该芯片特点、PWM调压调速原理，搭建了基于DSP的直流电机调速系统的实验平台，并在此基础上完成了系统的软、硬件设计，实现了电机测速、调速、显示等功能。由于整个电机控制所需的各种功能都是由DSP 来实现的，因此，大幅度地减小了目标系统的体积，减少了外部元器件的个数，使得整个系统结构更加简单，功能更强，可靠性更高。本系统主要完成以下成果：
（1）在DSP硬件平台的基础上，完成了电机控制电路、功率驱动电路、检测电路和显示电路的硬件设计。
（2）完成了基于速度控制的闭环系统的方案设计。
（3）在硬件设计的基础上，充分考虑软件的可靠性问题，完成了系统的软件设计。
（4）以C2000为基础进行嵌入式的软件开发，完成相关任务的软件编程。
通过一系列的软硬件设计，最终实现了对电机转速的成功控制。但由于时间和各方面条件的制约，本设计还存在一些不足之处，有待进一步的改进和完善。具体如下：
（1）系统在对电机进行调速时，存在一定的干扰，程序容易跑飞。
（2）电机的调速级别有限，只能满足电机在设定的几个档位调速。
（3）各种限制保护功能（如限流、过压保护）需要做进一步的研究。
随着DSP在电机控制领域更加广泛的应用，相信在未来的电子行业里，DSP控制技术将会取得飞速的发展。
第六章参考文献
【1】《TMS320C5000DSP系统设计与开发实例》（“十五”国家重点图书出版规划项目），汪春梅等编，电子工业出版社，2004。
【2】方勇，数字信号处理――原理与实践，清华大学出版社，2006.3第1版。
【3】张延华，姚林泉，郭玮，数字信号处理――基础与应用，机械工业出版社，2005.2第1版。
【4】张延华，姚林泉，郭玮，数字信号处理――基础与应用，机械工业出版社，2005.2第1版。
【5】陈桂明等，应用MATLAB语言处理数字信号与数字图像,科学出版社，2000,【6】程佩青，数字信号处理教程,清华大学，2001
【7】王世一, 数字信号处理, 北京理工大学出版社,1997.第2版
1 设计任务 1、了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速原理及组成。 2、学习 SIMULINK，熟悉相关的模块功能。 3、进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 2 设计要求 1、利用SIMULINK建立闭环调速系统仿真模型。 2、调试完成调压模块仿真、开环系统仿真、闭环系统仿真。 3 设计设备 1、计算机一台 2、MATLAB仿真软件 4 设计原理 调压调速即通过调节通入异步电动机的三相交流电压大小来调节转子转速的方法。理论依据来自异步电动机的机械特性方程式： 其中，p为电机的极对数； 为定子电源角速度； w 1 为定子电源相电压； U 1 R ’为折算到定子侧的每相转子电阻； 2 为每相定子电阻； R 1 L 为每相定子漏感； 11 L 为折算到定子侧的每相转子漏感； 12 S为转差率。 图1 异步电动机在不同电压的机械特性
由电机原理可知，当转差率s 基本保持不变时，电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此，改变定子电压就可以得到不同的人为机械特性，从而达到调节电动机转速的目的。 4.1 调压电路 改变加在定子上的电压是通过交流调压器实现的。目前广泛采用的交流调压器由晶闸管等器件组成。它是将三个双向晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端电压。这里采用三相全波星型联接的调压电路。 图2 调压电路原理图 4.2 开环调压调速 开环系统的主电路由触发电路、调压电路、电机组成。原理图如下： Ua Ub Uc T2 T3 T5 T4 T6 R R R N T1
图3 开环调压系统原理图 AT为触发装置，用于调节控制角的大小来控制晶闸管的导通角，控制晶闸管输出电压来调节加在定子绕组上的电压大小。
成绩 电气控制与PLC 课程设计说明书 直流电机调速控制系统设计 . Translate DC motor speed Control system design 学生姓名王杰 学号20130503213 学院班级信电工程学院13自动化 专业名称电气工程及其自动化 指导教师肖理庆 2016年6月14日
目录 1 直流电机调速控制系统模型 0 1.1 直流调速系统的主导调速方法 0 因此，降压调速是直流电机调速系统的主导调速方法。 0 1.2 直流电机调速控制的传递函数 0 1.2.1 电流与电压的传递函数 (1) 1.2.2 电动势与电流的传递函数 (1) 由已学可知，单轴系统的运用方程为: (1) 1.3 直流调速系统的控制方法选择 (2) 1.3.1 开环直流调速系统 (3) 1.3.2 单闭环直流调速系统 (3) 由前述分析可知，开环系统不能满足较高的调速指标要求，因此必须采取闭环控制系统。图1-4所示的是，转速反馈单闭环调速系统，其是一种结构相对复杂的反馈控制系统。转速控制是动态性能的控制，相比开环系统，速度闭环控制的控制精度及控制稳定性要好得多，但缺乏对于静态电流I的有效控制，故这类系统被称之为“有静差”调速系统。 (3) 1.3.3 双闭环直流调速系统 (4) 图1-4 双闭环控制直流调速控制系统 (4) 1.3.3.1 转速调节器（ASR） (4) 1.3.3.1 电流调节器（ACR） (4) 1.4 直流电机的可逆运行 (5) 1.2 ×××××× (7) 1.2.1 电流与电压的传递函数 (7) .. 7 3 PLC在直流调速系统中的应用 (8) 2 ××××× (9) 2.1 ×××××× (9) 2.1.1 ×××× (9) 3 ××××× (11) 3.1 ×××××× (11) 3.1.1 ×××× (11) 参考文献 (12) 附录 (13) 附录1 (13) 附录2 (13)
交流电动机调速系统的分类 1.同步电动机调速系统 同步电动机只能依靠改变频率来进行调速，而根据频率控制方式的不同，可把同步电动机调速系统分为他控式和自控式两种类型。 如果用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源进行调速，则称之为他控式同步电动机调速系统，大多用于类似永磁同步电动机的小容量场合。 采用频率闭环方式的同步电动机调速系统称为自控式同步电动机调速系统，它是用电动机轴上安装的位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统又可细分为负载换向自控式同步电动机调速系统和交一交变频供电的自控式同步电动机调速系统。 负载换向自控式同步电动机调速系统叉称为x换向器电机，它的主电路采用交一直-交电流型变流器，利用同步电动机电流超前电压的特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换向状态。这种系统又被称为LCI(Load Commutated Inve11er)，它的容量已达到数万千伏安，电压达万伏以上。 交一交变频同步电动机调速系统的逆变器由晶闸管组成，采用交一交循环变流结构和矢量控制技术，具有优良的动态性能，广泛地用于轧钢机主传动系统中。交一交变频同步电动机调速系统的容量很大，但调频范围只能限制在工频的三分之一左右。 2.异步电动机调速系统 在异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率可以分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率成正比，它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的处理方式的不同，异步电动机调速系统可分成三大类。 (1)转差功率消耗型调速系统。这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，因而效率也随之降低。降电压调速、电磁转差离合器调速及绕线异步电动机转子串电阻调速这三种方法都属于这一类。 (2)转差功率回馈型调速系统。这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线异步电动机转子双馈调速即属于这一类。 (3)转差功率不变型调速系统。在这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但小论转速高低，转差功率基本不变。如变极对数调速、变频调速两种调速方法即属于这一类。 2.异步电动机转差回馈型调速系统 双馈调速足指将电能分别馈入异步电动机的定子绕组和转子绕组，通常将定子绕组接入工频电源，将转子绕组接到频率、幅值、相位和相序都可以调节的变频电源。如果改变转子绕组电源的频率、幅值、相位和相序，就可以调节异步电机的转矩、转速、转向及和定子侧的无功功率。这种双馈调速的异步电动机可以超同步或亚同步运行，不但可以工作在电动状态，而且可以工作在发电状态。 因为交一交变流器采用晶闸管自然换向方式，结构简单，可靠性高，而且交，交变流器能够直接进行能量转换，效率高，所以，在双馈调速方式中采用交．交变流器作为转子绕组的变频电源是比较合适的。 绕线式异步电动机串级调速系统是从定子侧馈入电能，从转子侧馈出电能的系统。从广义上说，它也是双馈调速系统的一种。 在双馈调速中，所用变频器的功率仅占电动机总功率的一小部分，可以大大降低变频器的容量，从而降低了调速系统的成本，此外，双馈电机还可以调节功率因数，由于具有这些优点，双馈电机特别适合应用于大功率的风机、水泵类负载的调速场合；双馈调速方式在风力、
实验报告 课程名称：数字调速 实验项目：三相异步电机恒压频比调速系统仿真专业班级：自动化1303班 姓名：任永健学号：130302307 实验室号：实验组号： 实验时间：批阅时间： 指导教师：成绩：
沈阳工业大学实验报告 （适用计算机程序设计类） 专业班级：自动化1303班学号：130302307 姓名：任永健 实验名称：三相异步电机恒压频比调速系统仿真 1.实验目的： 熟悉SIMULINK环境。 建立三相异步电机恒压频比调速系统模型并仿真分析。 2.实验内容： 设计并在simulinnk下搭建三相异步电机恒压频比环调速系统 3. 实验方案（程序设计说明） 异步电机的调速有多种方法，转速开环恒压频比控制是交流电动机变频调速最基本的一种控制转速方式，在一般的变频调速装置里面都嵌入有这项功能，工作方式为恒压频比的调速方式能满足大多数场合交流电动机调速控制的要求，使用起来也相对方便，是通用变频器的基本模式。但在低压时候需要一定的补偿电压，采用恒压频比控制，在基频以下的调速过程中的转差率会保持不变，电动机的所以会机械特性会相对较硬，电动机有较好的调速性能。 正选脉冲宽度调制三相逆变电路，是一种以三角波做载波的应用冲量等效原理而获得理想交流电源的电路装置，在调制比与载波比一定的条件下，通过调节外加直流电源的大小就可以获得在额定频率下产生额定电压的正选电压波，通过调节正弦波的频率就可以得到理想的电压频率波，而且调节输入正弦波的频率能得到线性的输出电压幅值。MATLAB在电气领域中的运用随处可见，在这里可以运用MATLAB里的Simulink仿真出具体的模型，通过示波器来观察具体的波形，从而进行进一步的分析。 4. 实验原理（系统的实现方案分析） 首先采用三相双极性SPWM逆变电路产生三相交流电源，全控型器件可以选用IGBT，这样通过调节外加直流电源的大小便可获的理想的输出交流电压源幅值，然后通过改变给定的频率信号来改变异步电机的转速，基本模型如下图所示
一、问题描述 针对电机调速控制系统，设计计算机可实现的PID 控制器，利用simulink 平台实验研究，确定最佳的离散周期并给出实验结果分析和与连续PID 控制器的比较。离散控制器输出连续的受控过程时加零阶保持器。 有余力的同学可尝试设计最小拍无波纹控制器。 二、理论方法分析 离散控制系统所特有的一个参数就是采样周期。可以说离散控制系统的采样周期的选择的基本原则是活的最高的体统性能性价比。 由于采样周期的选择是众多因素的折中考虑，所以一般中有一些近似的计算公式和经验数值可以利用。 在PID 整定完的系统中，对于输入阶跃响应信号可以用两种方法计算出采样周期； ⑴考虑系统阶跃响应的上升时间r t ，则有采样周期24 r s r t T t ≤≤；r t 表示系统的反映速度。 ⑵知道系统是有自平衡的过程，采用过程时间常数 95T ，95T 定义为阶跃响应)(t y 从0变到95%)(∞y 的时间，它综合反映了过程的自平衡能力，其经验公式为 95 9517.007.0T T T s ≤≤。 三、实验设计与实现 搭建Simulink 图后，观测输出波形，发现，上升至95%所需时间约为0.268s
因为959517.007.0T T T s ≤≤。故取Ts 为0.02. 再搭建离散控制系统Simulink 图 四、实验结果与分析 PID 控制器与离散控制比较。见下图：
比较后发现：利用离散控制系统设计的系统性能指标能够达到PID所要求的水平。 五、结论与讨论 利用离散控制系统设计方法设计的离散控制系统与PID整定法设计的连续控制系统性能基本接近。 但在某些场合，特别是现代的工业过程控制中，利用数字电子元件设计的系统有诸多优势：例如方便与计算机相连，便于历史、实时数据存储和传输等 事后感： 由于这部分理论知识学习的不扎实，实验过程中似有“云里雾里”之感…… 参考文献： [1] 杨平等编著，自动控制原理实验与实践. 北京：中国电力出版社，2005 [2] 杨平等编著，自动控制原理理论篇. 北京：中国电力出版社，2009
在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。下面首先叙述异步电动机的变压变频调速原理。 交流异步电动机变频调速原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。 现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。 交-直部分 整流电路：由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。（二）变频器元件作用 电容C1： 是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波， 变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。 压敏电阻： 有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要. 热敏电阻：过热保护 霍尔: 安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。 充电电阻： 作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。充电电阻的选择范围一般为：10-300Ω。 储能电容： 又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在430VDC～700VDC 之间，而一般的高压电容都在400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。容量选择≥60uf/A 均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。
摘要：提出一个基于PWM控制的直流电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面进行系统设计，介绍了调速系统的整体设计思路、硬件电路和控制算法。下位机采用MPC82G516实现硬件PWM的输出，从而控制电机的电枢电压，并显示电机调速结果。上位机采用LABVIEW软件，实现实时跟踪与显示。最后对控制系统进行实验，并对数据进行分析，结果表明该系统调速时间短，稳定性能好，具有较好的控制效果。 随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。电机采用微处理器控制的电压、电流、转矩、转速、转角等，实现全数字直流调速，控制精度、可靠性、稳定性、电机的性能得到提高。目前，PWM 调速成为电机调速的新方式，并凭借开关频率高、低速运行稳定、动态 [1-6][5-6]性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。但很多文献提到的 PWM 信号，多采用软件 PWM调速，即通过单片机的中断实现，缺点是占系统资源，易受系统中断影响和干扰，造成系统不稳定。本文将针对这一点，设计一种基于硬件 PWM 控制，调速时间更短的电机调速系统，并具有较好的稳定性能。 一、电机控制系统的整体设计 1.1 系统整体设计原理图 系统整体设计如图1所示，主要原理框图包括：LCD显示、按盘输入、测速模块、PWM调速模块四部分。电路原理图如图2所示： 图 1
图2 1.2 PWM信号 PWM信号的产生采用硬件PWM信号，即不采用中断实现PWM信号，而是利用单片机MPC82G516的PCA模式，PCA设置成PWM模式直接产生PWM信号。频率取决于PCA定时器的时钟源，占空比取决于模块捕获寄存器CCAPNL与扩展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比较，输出占空比可以真正实现0%到100%可调，占空比计算公式为: 占空比=1-{ ECAPnH，[CCAPnH]}/256 在电源电压 Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比η 的大小。通过改变η 的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。 1.3 测速模块 测速模块采用自带霍尔传感器并具有整形功能的直流电机调速板 J1，该模块能实现电机正反转、测速、调速功能，并自带整形芯片，调试效果较好。通过霍尔传感器把测速脉冲信号送单片机 P3.2，由单片机 P1.0送到测速模块第 5 脚，控制电机正反转。PWM 信号由 P1.2 送到测速模块第 3 脚，实现电机的调速。 1.4 I/O接口电路 输入模块采用 4 个按键 S1、S2、S3、S4，接在单片机 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分别实现启动、加速、扩展功能、减速功能。电机正反转控制由 P1.0 送到测速模块第 1 脚。输出显示模块采用 LCD1602，是一种内置 8192 个 16*16
第一节 交流异步电动机变频调速原理 根据电机学原理，交流异步电动机的转速可表示为： )1(**60s p f n -= （2-1-1） 式中： n 一 电动机转速/分钟，单位：r/min ； p 一 电动机磁极对数； f 一 电源频率，单位：Hz ； s 一 转差率，10<
I 一 定子绕组的相电流； r 一 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和。 交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定于绕组切割旋转磁场磁力线的结果， 其 有效值计算如下： E = K * f * Φ （2-1-3） 式中：Ｋ 一 与电动机结构有关的常数； ｆ 一 电源频率； Φ 一 磁通量 。 由式（2-1-2）知，加在电机绕组端的电源电压Ｕ，一部分产生感应电动势Ｅ，另一部 分消耗在电阻 r （ 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 ）上 。其中定 子绕组的相电流 I 由两部分构成： 21I I I += （2-1-4） 电机的定子电流有一小部分1I 用于建立磁场的主磁通，其余大部分2I 用于产生拖动负 载的电磁力。 由式 （2-1-1）知，调整电源频率f 时，可以调节速度n 。 当电源频率f 下降时，由 式 （2-1-3）知，感应电动势随之比例减小；在相电压U 保持不变的情况下，由式（2-1-2） 知，定子绕组的相电流I 相应增大。在很多情况下，电机的负载是基本恒定的，因此用于产 生电磁力的电流2I 是基本不变的，于是1I 将增大；1I 的增大将直接导致主磁通的增大。由 式 （2-1-3），主磁通的增大，将引起感应电动势Ｅ比例增大；由式（2-1-2），感应电动势 Ｅ的增大将使定子电流I 减小。不难理解，通过这样的负反馈，电机将最终稳定在一个新的 工作点。 这样的控制方法看起来似乎没有问题。但实际情况是主磁通容量上限与电机的铁芯有 关。电机的铁芯受制于重量、体积、成本等因素的考虑，不可能做的很大。对于电机设计来 说，设计目标之一就是：当电机处于额定工作状态下时，主磁通接近容量上限。上述的变频 调速方法工作在额定频率以下时，将会导致铁心磁饱和，引起电流波形畸变，有效力矩下降； 严重时，将导致电机发热过快，振动和噪音加大；工作在额定频率以上时，铁心处于弱磁状 态，电磁力矩不足，电机的机械特性变软（转差率s 变大），带载能力下降。 结论：通过只调节电源频率来调节速度的方法不可取。
《自动控制元件及线路》 课程实习报告 异步电动机变频调速系统 1.4.1 系统原理框图及各部分简介 本文设计的交直交变频器由以下几部分组成，如图1.1所示。
图1.1 系统原理框图 系统各组成部分简介： 供电电源：电源部分因变频器输出功率的大小不同而异，小功率的多用单相220V，中大功率的采用三相380V电源。因为本设计中采用中等容量的电动机，所以采用三相380V电源。 整流电路：整流部分将交流电变为脉动的直流电，必须加以滤波。在本设计中采用三相不可控整流。它可以使电网的功率因数接近1。 滤波电路：因在本设计中采用电压型变频器，所以采用电容滤波，中间的电容除了起滤波作用外，还在整流电路与逆变电路间起到去耦作用，消除干扰。 逆变电路：逆变部分将直流电逆变成我们需要的交流电。在设计中采用三相桥逆变，开关器件选用全控型开关管IGBT。 电流电压检测：一般在中间直流端采集信号，作为过压，欠压，过流保护信号。控制电路：采用8051单片机和SPWM波生成芯片SA4828，控制电路的主要功能是接受各种设定信息和指令，根据这些指令和设定信息形成驱动逆变器工作的信号。这些信号经过光电隔离后去驱动开关管的关断。 1.4.2 变频器主电路方案的选定 变频器最早的形式是用旋转发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机。随着电力半导体器件的发展，静止式的变频电源成为了变频器的主要形式。静止式变频器从变换环节分为两大类：交-直-交变频器和交-交变频器。 1.交-交型变频器：它的功能是把一种频率的交流电直接变换成另一种频率可调电压的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器。由于中间不经过直流环节，不需换流，故效率很高。因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。但这种控制方式决定了最高输出频率只能达到电源频率的1/3～1/2,所以不能高速运行。 2.交-直-交型变频器：交-直-交变频器是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再直流变换成频率电压可调的交流，又称间接变频器，交-直-交变频器是目前广泛应用的通用变频器。它根据直流部分电流、电压的不同形式，又可分为电压型和电流型两种：（1）电流型变频器 电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感器作为储能环节来缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压波形接近正弦波，由于该直流环节内阻较大，故称电流源型变频器。 （2）电压型变频器 电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容器作为储能环节来缓冲无功功率，直流环节电压比较平稳，直流环节内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器。 由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以其主要优点是
机电传动与控制课程综合训练三 一、综合训练项目任务书 综合训练项目：交流电机变频调速系统 目的和要求：加强对交流变频调速系统及变频器的理解；应用交流变频调速系统及变频器解决交流电机变频调速问题。提高分析和解决实际工程问题的能力。促成“富于探索精神，具有较强的自学能力、开拓创新意识和敏锐的观察事物以及分析处理事物的能力”的目标实现。 成果形式：交流电机变频调速系统设计说明书。 相关参数：参看《机电传动控制》（第五版），冯清秀等编著，华中科技大学出版社，P291~316。 一、综合训练项目设计内容 1.变频调速系统 1.1 三相交流异步电动机的结构和工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。三相交流异步电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。 1.2 变频调速原理 变频器可以分为四个部分，如图1.1所示。 通用变频器由主电路和控制回路组成。给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。
图1.1 变频器简化结构图 ⑴整流器。它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ⑵平波回路（中间直流环节）。由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。无论电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。 ⑶逆变器。与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。 ⑷控制回路。控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。 2.系统的控制模型 本系统的结构如图1.2所示。
控制系统课程设计 项目名称：以西门子S7-200为核心的电机速度监控 系统 学生姓名 / 学号： 卢泽涛 1307300108 吴钟森 1307300105 夏杰东 1307300107 指导老师：黄峥 班级电气133 专业名称电气工程及其自动化 提交日期 2016 年 12月 15 日 答辩日期 2016 年 12月 15日
一、系统整体功能说明及软硬件选型 1、通过PLC控制变频器，实现远程方式控制控制鼠笼式异步电动机的正反转及速度。 2、将编码器中与转速相对应的输出电压采集到PLC中。 3、通过PLC编写PID控制程序，控制电机的转速。 4、应用触摸屏组态软件设计控制系统的界面，与PLC进行动态连接，可在界面中控制电机的转速，显示变频器的频率、电机的正反转状态、实际转速等。 5、设置电机的正常转速范围（上、下限），当电机转速超出正常范围时，停机并报警，并可复位报警信号。 6、软硬件选型说明表如下： 二、 I/O点与输入输出设备对应关系表 PLC与变频器对应接线表
组态软件与PLC通信关系表 另外，变频器U、V、W端口分别接电机A、B、C三相，如图： 三、系统的原理图，包括主电路和控制电路。
四、软硬件相关设置的说明 1、软件相关设置：MCGS组态软件与西门子s7-200PLC连接相关设置如下： 2、欧姆龙变频器参数设置：n01=08；n02=01；n03=02；n32=0.4
五、程序功能的详细说明 1、MCGS组态设计，设计的界面以及功能如下： （1）电机运转前必须先输入转速（例如800 r/min）然后点击正转或反转按钮，为了安全，在电机转向切换时，先按停止，待电机停下再进行转向变换。 （2）该组态设置了电机转速报警，大于上限值（例如|1200| r/min）时停机报警。 （3）该组态可精准转换编码器转速对应频率。 （4）PID控制参数于PLC程序中编好，采用效果最好的一组。 （5）各参数设置详见上文第四硬件设置部分。 2、西门子s7-200PLC原程序详细说明如下：（见下页）
Anhui Vocactional & Technical College of Industry & Trade 毕业论文 三相异步电动机调速系统设计 Three-phase asynchronous motor drive system design 所在系院：电气与信息工程系 专业班级：、 机电一体技术 学生学号：43 学生姓名：叶海英 指导教师：王琳 ； 2013年3月23日 安徽工贸职业技术学院
毕业设计（论文）任务书系（院）专业班级 学生姓名学号 一、题目： 二、内容与要求： 》 三、设计（论文）起止日期： 任务下达日期：年月日 完成日期：年月日 指导教师签名： 年月日 四、教研室审查意见： 教研室负责人签名： 年月日 ~ 摘要
本文所讨论的是三相异步电动机的串级调速的基本原理与实现方法。对于一般交流电动机的调速，我们都是从电动机的定子侧引入控制变量（改变定子供电电压、频率）来实现的，这对于转子处于短路状态的三相笼型异步电动机是唯一的途径。但是，对于绕线式异步电动机来说，其转子绕组能够通过变量以实现调速。绕线式异步电动机转子侧的控制变量有电流、电动势、电阻等。通常转子电流随负载的大小决定，不能任意调节；而转子回路阻抗的调节属于耗能型调速，缺点较多，所以转子侧的控制变量只能是电动势。在发挥绕线式异步电动机转子的可控性优势的基础上，提高调速性能需要从两方面着手： 1从节能角度考虑，应将损耗在转子附加电阻上的能量吸收，转化成别的有用的能量或反馈到电网，以提高传动系统的效率 2从高性能调速要求考虑，应用控制理论，将其组成闭环调速控制系统，满足调速精度、动态响应等指标的要求。 综合所述，利用串级调速系统，是使绕线式异步电动机实现高性能调速的有效办法。用转子串反电动势来代替电阻，吸收转差功率；用双闭环控制提高系统的静、动态性能。把这种用附加电动势的方法将转差功率回收利用的调速称为双闭环串级调速。
三相异步电动机的几种调速方式 本文介绍了三相异步电动机的七种调速方式及其特点,指明其适用的场合、情况。 三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s) 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电 动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：①高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。 ②有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中； ③电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中； ④液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。
一、变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 1、具有较硬的机械特性，稳定性良好； 2、无转差损耗，效率高； 3、接线简单、控制方便、价格低； 4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 二、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点： 1、效率高，调速过程中没有附加损耗； 2、应用范围广，可用于笼型异步电动机； 3、调速范围大，特性硬，精度高； 4、技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。
天津职业技术师范大学 课程设计说明书题目：三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 指导老师： 班级：机检1112班 组员
天津工程师范学院 课程设计任务书 机械工程学院机检1112 班学生 课程设计课题： 三相异步电动机变频调速系统设计及仿真 一、课程设计工作日自 2015 年 1 月 12 日至 2015 年 1 月 23 日 二、同组学生： 三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时 间、主要参考资料等）： 1、目的和意义 交流调速是一门重要的专业必修课，它具有很强的实践性。为了加深对所学课程（模拟电子技术、数字电子技术、电机与拖动、电力电子变流技术等）的理解以及灵活应用所学知识去解决实际问题，培养学生设计实际系统的能力，特开设为期一周的课程设计。 2、具体内容 写出设计说明书，内容包括： （1）各主要环节的工作原理； （2）整个系统的工作原理（包括启动、制动以及逻辑切换过程）； （3）调节器参数的计算过程。 2．画出一张详细的电气原理图； 3．采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节 器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。 4、考核方式 1．周五采用口试方式进行考核（以小组为单位），成绩按百分制评定。其中小组分数占60%，个人成绩占40%（包括口试情况和上交材料内容）； 2．每天上午8:30--11:30在综合楼226房间答疑。 五、参考文献 1、陈伯时．电力拖动自动控制系统----运动控制系统（第3版）．机械工业出版社，2003 指导教师签字：教研室主任签字：
系统设计专题之电机调速控制设计 学院：自动化与电气工程学院 班级：******** 姓名：***** 学号：******* 日期：*******
1CPLD系统简介 1.1CPLD简介 CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL 和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 1.2CPLD系统的基本构架 主要包括有处理器、外围电路及接口和外部设备三大部分其中外围电路一般包括有时钟、复位电路、。程序存储器、数据存储器和电源模块等部件组成。外部设备一般应配有USB、显示器、键盘和其他等设备及接口电路。在一片CPLD 微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个CPLD核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。 1.3CPLD系统的特点 采用32位EPM3032A微处理器和实时操作系统组成的CPLD控制系统，与传统基于单片机的控制系统和基于PC的控制方式相比，具有以下突出优点：性能方面：采用32位RISC结构微处理器，主频从30MHz到1200MHz以上，接近PC机的水平，但体积更小，能够真正地“嵌入”到设备中。 实时性方面：CPLD机控制器内嵌实时操作系统（RTOS），能够完全保证控制系统的强实时性。 人机交互方面：CPLD控制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的图形用户界面，这些方面的性能也接近于PC，优于单片机。 系统升级方面：CPLD控制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较低，而且开放的用户程序接口（API）保证了系统能够快速升级和更新。 1.4CPLD技术的应用领域 CPLD技术可应用在：工业控制；交通管理；信息家电；家庭智能管理；网络及电子商务；环境监测；机器人等领域。 在工业和服务领域中，大量CPLD技术也已经应用于工业控制、数控机床、智能工具、工业机器人、服务机器人等各个行业，正在逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用CPLD系统来实现。
交流电动机调速及变频原理 一、交流异步电动机调速的基本类型 交流调速系统的主要类型 交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类，每类电机又 有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。 1、交流异步电动机调速的基本类型 由异步电动机的转速公式：min)/)(1(60r s p f n -= 可知，异步电动机有下列三种基本调速方法： （1）改变定子极对数p 调速。 （2）改变电源频率1f 调速。 （3）改变转差率s 调速。 异步电动机的调速方式： 1.1 变频调速 交流变频调速技术的原理是把工频50Hz 的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。
它与直流调速系统相比具有以下显著优点： （1）变频调速装置的大容量化。 （2）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。 （3）变频调速系统可以直接在线起动，起动转矩大，起动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软起动装置。 （4）变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC 联机，便于实现自动控制。 （5）变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%～60％。 1.2变极调速 磁极对数 p 的改变，取决于电动机定子绕组的结构和接线。通过改变定子绕组的接线，就可以改变电动机的磁极对数。 1.3 变转差率调速 1.3.1、改变定子电压调速 ??交流调压调速 异步电动机的机械特性方程式: ])()/[(/32'21212' 211' 221l l e L L s R R s R pU T +++=ωω
直流电机PWM调速控制系统
摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。 关键词：无刷直流电机模型仿真 1、引言 随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。 2、无刷直流电机的数学模型 以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。为简化数学模型的建立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设[2]：
(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)； (2)定子齿槽的影响忽略不计； (3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗； (5)三相绕组完全对称。 无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。 对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3] 式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为 式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： 式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。 无刷直流电动机的运动方程为：（4） 式中：为负载转矩；f为粘滞阻尼系数；j为转子与负载的转动惯量。
摘要：采用电力电子装置实现电压-宾律协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行而不能调速的面貌，使它和异步电机一样成为了可调速电机家族中的一员。起动费时、重载时震荡或失步等问题已经不再是同步电机广泛应用的障碍，同步电动机调速系统的应用正在飞速发展着。本文首先概括同步电机变压变频调速的特点及其基本类型，然后介绍了几种应用较广的系统，阐明了同步电机的多变量数学模型，最后讨论了自控变频同步电动机调速系统。 关键词：同步电机，变频调速，
目录 1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型 (3) 1.1概述 (3) 1.2同步调速系统的特点 (4) 2 他控变频同步电动机调速系统 (5) 2.1转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统 (5) 2.2由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统 (6) 2.3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 (7) 2.4按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统 (8) 3 自控变频同步电动机调速系统 (11) 3.1梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统 (12) 3.2正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统 (14) 参考文献 (15)
1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型 历史上最早出现的是直流电动机19世纪末，出现了交流电和交流电动机为了改善功率因数，同步电动机应运而生。同步电动机也是一种交流电机。既可以做发电机用，也可做电动机用，过去一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机等。 最初的同步电动机只用于拖动恒速负载或用于改善功率因数的场合。在恒定频率下运行的大型同步电动机又存在着容易发生失步和振荡的危险，以及起动困难等问题。因此，在没有变频电源的情况下，很难对同步电动机的转速进行控制。 1.1概述 同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。 采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍。 同步电机的特点与问题：优点： （1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前。 存在的问题： （1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。 问题的根源：供电电源频率固定不变 解决办法： 采用电压-频率协调控制，例如：对于起动问题而言，可以通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。对于振荡和失步问题而言，