毕业设计（论文）
外文翻译
题目直流电动机电流、转速双
闭环控制系统设计
专业电气工程与自动化
班级2011级1班
学生夏于洋
指导教师杜军
重庆交通大学
2015
无刷直流电动机调速的鲁棒控制策略
摘要：无刷直流电机（BLDCM）的速度伺服系统是多变量,具有非线性和强耦合性。齿槽转矩和负荷的参数变化，扰动容易影响其无刷直流电机的性能。因此它是难以使用常规的PID控制来实现优异的控制。为了解决执行时所出现的不足之处，本文采用基于能够自抗扰的控制BP神经网络活性算法来对无刷直流电机进行控制。自抗干扰控制不依赖于精确的系统和它的扩展。状态观测器可以准确地估计该系统的扰动。然而，非线性反馈的自抗扰的参数是很难获得的.因此在这本文中，这些自抗扰的参数是通过BP神经网络在线自整定。仿真和实验结果表明，基于BP神经网络的自抗扰控制器可以提高在迅速伺服系统的性能，控制精度，适应性和鲁棒性。
关键字：无刷直流电机; BP神经网络;自抗扰控制器;参数自整。
1 引言
由于无刷直流电机的性能具有时变非线性，强耦合等特点，因此调速的高性能方法一直是一个重要的研究方向。PID 是一种常见的控制方法。然而，它不能获得预期的结果，以非线性对象的复杂任务和准确的目标这些利用PID 控制就不能够达到良好的控制目的。近年来，有关许多调速新的控制方法已经出现在这些领域。比如：自适应控制.卡尔曼过滤变结构控制。模糊控制，神经网络控制等等。
自从自抗扰控制理论（ ADRC ）被曾经担任中国院士韩教授提出来的这些年里面，它是一个简单而实用的方法。这种方法不依赖于控制目标。它精确的数学模型可以估算和补偿所有内部和外部干扰的影响。当系统建立起来以后.其控制的实时算法简单，鲁棒性强，具有快速的系统响应和高抗干扰能力.到目前为止，这种方法仍然具有效率高，抗干扰能力强的优势，已被应用到一些前沿科学和技术上。这些领域包括机器人，卫星姿态控制，导弹飞行控制，坦克的火控和惯性导航等。不过，自抗扰控制器的参数需要在参数自整这些场合下才能进行，因此这项研究设置在海内外只处于探索阶段。
神经网络具有接近任何非线性函数的能力，还具备其结构和学习算法是简单明了，因此神经网络是不依赖于控制对象的模式 。
在本文中，通过自我学习的神经网络，自抗扰控制非线性反馈的参数可以在一个特定的最优控制律里找到。仿真结果表明，基于BP 神经网络的自抗扰控制器可以提高伺服系统的性能，在响应速度，控制精度，适应性和鲁棒性这些方面的性能都能够得到显著的提高。
2 无刷直流电动机的数学模型
无刷直流电机产生的梯形反电动势和施加的电流波形都是矩形波.其中自感为L ，互感为M 。因此，三相定子电压平衡方程可以由以下状态方程来表示：
????
? ??+????? ???????? ??---+????? ??????? ??=????? ??c b a c b a c b a c b a e e e i i i p M L M L M L i i i R R R u u u 0000
00000000 式中，a u ,b u ,c u 分别代表三相绕组a,b,c 的相电压. a i ,b i ,c i 分别代表三相绕组a,b,c 的相电流；a e ,b e ,c e 代表a,b,c 三相相位的反电动势；p 代表微分算子。
无刷直流电机的电磁转矩由在定子绕组的电流和磁场在转子磁铁的相互作用下产生。该电磁转矩方程：
()n
N
P i e i e i e T m c c b b a a e πω41
=++=
式中，P代表极数；N代表总导体数; 代表电机的机械角速度。
3 控制方案
如图1所示，一个双闭环控制与级联连接相结合的控制系统中，内环是电流环路，达到限制电流并确保伺服系统的电流。外环被设计来提高无刷直流电机的伺服系统的静态和动态性能的稳定性。速度环的输出输送给首端作为电流回路的设定电流信号。
在本文中，速度环采用基于BP神经网络算法的自抗扰控制器，基于神经网络的自抗干扰控制系统的结构如图2所示。
3.1有源抗扰控制
自抗扰控制器主要由三个部分组成：“转型过程安排” 。“非线性反馈”和“扩展状态观察”。
图1无刷直流电动机调速系统的原理图
图2基于BP 神经网络的自抗扰控制器的原理图
（1 ）转型过程安排
????????+=?===-=fh
h v v v h v v h r v e fhan fh v v e 222110221),,,( 式中，0v 为控制目标；1v 为0v 的轨道信号；)(?fhan 是一个时间最优集成功能，其详细方程表达式如方程（1）所示：
()()()??????
????????????≤?>?-=?????≤+>-+=?+=?=d a d a r d a a sign r fhan d y h y x d y y sign d a x a y r d a h r d ,),(,1,2100200220 （2）扩展状态观察
()()()?????+?-?+=-?+=-=u b e fal h z z e z h z z y z e 0222
12111,5.0,δββ 式中， h 代表控制周期。
（3）非线性反馈.
()()
()??????+?+?=-=-=?δαβδαβδαβ,,,,,,3232121110222111e fal dt e fal e fal u z u e z u e o o o 式中的参数可以在文献中其他地方找到。
3.2 BP 神经网络的参数设定
自抗扰控制器的自整参数可以使用BP 神经网络建立,其中 1o β，2o β,3o β三个参数是由非线性反馈所产生的。
神经网络,根据系统运行状态,调整控制器参数达到一定的最佳化性能.神经网络的输出对应于控制器的三个可调参数1o β，2o β,3o β,对系统的内部扰动,通过自主学习的神经网络,与调整的权衡系数匹配,使一些神经网络输出对应于最优控制下的参数。 三层BP 神经网络的结构设计,如图3所示
图3 BP 神经网络结构图
图中的rin(k)和yout(k)分别代表速度指令和速度反馈。
输入层的输入公式：
M j b j x y j j ,,2,1,)()1(
=+=
式中，M 取决于输入的数字，本文中它被设置为2 。它们是速度指令和速度反馈。 输入与输出的公式
)2()1(02)
2()(i j M
j ij i
b y k u +=∑=ω ),,2,1()),(()()2()2(Q i k u f k y i i ==
式中，w 代表隐含层，上级数的加权系数是与输入，输出和隐藏层相关。在论文中，隐藏层的节点被设置为3 。
隐藏层神经元的激活函数使用具有正和负特性的对称S 形函数。
)
exp()exp()exp()exp()tanh()(x x x x x x f -+--== 输入层与输出层的关系
????
?????=====∑=3)3(2)3(1)3()3()3()3(0)3()3()()()())(()()
()(o i o i o i i i i Q i ij j k y k y k y k net g k y k y k u βββω 输出层的输出节点是三个可调参数1o β，2o β,3o β，输出层神经元的激活函数使用具有正特性的S 形函数。
)
exp()exp()exp())tanh(1(21)(x x x x x g -+=+= 性能指标函数
2))()((21)(k yout k rin k E -=
按照梯度下降法修正权函数的网络功能。通过加权梯度方向搜索函数的负系数，并添加一个使惯性项全球最低的搜索快速收敛。
)1()()()3(1)3(1)3(1-?+??-=?k k E k i i
i ωαωηω 其中η是学习速率，本文中设置为0.3 ，α系数设定到0.8。
输出层的学习算法
)1()()()2(1)1(
)2()3(1-?+=?k k y k i j i i ωαηδω
Q i k k u f i i i i
i ,,2,1),())((3
031)3()
2()
2( ==∑=ωδδ 4 仿真和实验结果
在本文中，无刷直流电机伺服系统的仿真模型建立在Matlab / Simulink 环境下。用于无刷直流电动机的实际参数可采取参考用于仿真的数据，如表1中所示
表1电机参数
4.1 系统的速度仿真 当系统没有负载，给定的速度是3000转/分（额定运行状态）。利用3种控制方法进行模拟，该仿真结果示于图4 。结果表明，基于BP 神经网络系统的自抗扰控制器具有最快的性能，并且系统没有超调。
图4 在额定运行情况下仿真曲线统计图
4.2 针对负载扰动系统的稳定性模拟
当负载在时间0.07秒突然改变至0.25牛顿?米，速度曲线如图5所示。仿真结果表明，基于BP 神经网络系统的自抗扰控制器具有最高的稳定性。
（a）采用三中方法对宏观转速曲线仿真图
（b）对微观外部干扰的动态速度曲线图
图5负荷变化的速度响应曲线图
4.3 实验结果
基于DSP和FPGA的新型硬件结构如图6所示。该控制器的硬件架构是基于TMS320VC33 DSP和CYCLONE II FPCA 。 TMS320VC33是一种高性能的DSP与32一位浮点， 17 ns指令周期时间和每秒1.2亿次浮点运算。 TMS320VC33既支持C语言，有支持汇编语言编程。它可以容易的进行复杂计算。 CYCLONEII FPGA是基于V.90的1.2nm SRAM过程与密度超过64 K的逻辑元件，最高可以达到嵌入式RAM 1.1兆比特和嵌入式18乘法器。因为有了这个功能，它可以支持高性能DSP应用。
图6实验平台
在实验中，一个恒定的速度3000r/min（额定运行状态），从开始到10ms的这段时间中。该实验的结果如图7所示，实验结果表明，基于神经网络系统中的自抗扰控制器具有最快的性能时，系统没有过冲。
霍尔传感器获得的无电刷直流电动机，其控制系统的速度信号是由两个环决定的：速度环和电流环。位置速度控制系统作为外回路，并且电流环充当的内环控制系统。控制方案在速度环实现。
图7实验结果
5 总结
本文提出了一种直流电机的动力学模型，提出了一种新的控制方案，根据这一模型运算法则中可实用性。直流电动机应用到该系统，具有很强的鲁棒性。同时，一种新的基于现场可编程门阵列电机控制系统的硬件结构（FPGA）和数字信号处理器（DSP）实现了所提出的算法。仿真和实验结果验证所提出的控制方案可以减轻干扰的影响，使系统的不确定性急剧下降。此外，对于静态和动态性能的干扰控制具有较强的鲁棒性，使系统的鲁棒性大大的提高。
来源：Zhi Liu ,Bai Fen Liu.Robust Control Strategy for the Speed Control of Brushless DC Motor,2013
Robust Control Strategy for the Speed Control of Brushless DC
Motor
Abstract：Brushless DC motor(BLDCM)speed servo system is multivariable．nonlinear and strong coupling．The parameter variation．the cogging torque and the load disturbance easily influence its performance．Therefore it is difficult to achieve superior perform ance by using the conventional PID controller．To solve the deficiency，the paper represents the algorithm of active-disturbance rejection control(ADRC)based on back．Propagation (BP) neural network．The ADRC is independent on accurate system and its extended．state observer can estimate the disturbance of the system accurately.However，the parameters of Nonlinear Feedback(NF)in ADRC are difficult to obtain．So in this paper．these parameters are self-turned by the BP neural network．The simulation and experiment results indicate that the ADRC based on BP neural network can improve the performances of the servo system in rapidity，control accuracy，adaptability and robustness．Keywords：brushless DC motor(BLDCM)；BP(back propagation algorithms)；
ADRC(active Disturbance rejection contro1)；parameters self—turning
1 Introduction
According to the properties of BLDCM ．Time-variation nonlinear and strong couple，the high performance method of speed regulation has been an essential research direction．PID is a common method．However．it cannot gain the expected result to nonlinear object with the complicated mission and accurate goals daily．In recent years，many novel controlling methods of speed regulation have appeared in these fields：adaptive control . Kalman filter variable structure control ．fuzzy control,neural network control,etc．The theory of auto-disturbance rejection control(ADRC)proposed these years is an easy and practical scheme．It was invented by Prof．Han who once served in Chinese Academy of Sciences．This method does not rely on a precise mathematical model of controlled object．It can estimate and compensate the influences of all internal and external disturbances inreal time when the system is activated．The control has the advantage of simple algorithm, strong robustness，fast system response and high anti-interference ability ．At present．this method has been applied to a number of fields of frontier science and technology．such as robotics，satellite attitude contro1．missile flight control，the fire control of tank and the inertia navigation．However，the parameters of ADRC need to be set in these occasions．The study of the parameters self-turning is only at an exploratory stage at home and abroad．BP neural network has the capability of approaching to any nonlinear function，and its structure and learning algorithm is simple and clear ，which is not dependent on the controlled object mode1．
In this paper，through self-learning network，the nonlinear Feedback (NF) parameters in ADRC under a particular optimal control law can be found．The simulation results indicate that the ADRC based on BP neural network can improve the performances of the servo system in response speed，control accuracy，adaptability and robustness．
2 Mathematical Model of the BLDCM
The BLDCM produces a trapezoidal back electro motive force (EMF)．and the applied current waveform is rectangular—shaped．The self-inductance is L．and the mutual inductance is M. Hence the three-phase stator voltage balance equation can be expressed by
the following state equation ：
????? ??+????? ???????? ??---+????? ??????? ??=????? ??c b a c b a c b a c b a e e e i i i p M L M L M L i i i R R R u u u 0000
0000000
where a u ,b u ,c u are the phase voltage of three-phase windings. a i ,b i ,c i are the phase current of three —phase windings ；a e ,b e ,c e are the phase back EMF ；p is differential operator ．
The electromagnetic torque of BLDCM is generated by the interaction of the current in stator windings and the magnetic field in rotor magnet ． The electromagnetic torque equation is
()n
N P i e i e i e T m c c b b a a e πω41=++= where P is pole numbers ； N is total conductor numbers;ω is mechanical angular velocity of motor ．
3 Proposed Control Scheme
As is shown in Fig ．1，a double looped control with cascade connection has been
adopted in the system ． The inner loop is current loop which limits theultimate current and ensures the stability of the servo system ．The outer loop is designed to improve the static and dynamic performances of the BLDCM servo system ． The output of speed loop is given as the set current signal of the current loop ．
In this paper ，the speed loop uses the algorithm of ADRC based on BP neural network (ADRC*in Fig.1)． The structure of ADRC based on BP neural network control system is shown in Fig ．2．
3．1 Active-Disturbance Rejection Control
ADRC controller consists of three main parts ：“ Transition Process Arranged ”．
“ Nonlinear Feedback”and“Extended—State Observer”
Fig ．
1 Schematic of BLDCM speed control system
Fig ．2 Schematic of ADRC based on BP neural network 1)Transition Process Arranged ．
????????+=?===-=fh
h v v v h v v h r v e fhan fh v v e 222
110221),,,( where 0v is the control objective ；
1v is the track signal of 0v ；)(?fhan is a time optimal integrated function ，whose detailed expression is described as Eq ．(1)．
()()()??????
????????????≤?>?-=?????≤+>-+=?+=?=d a d a r d a a sign r fhan d y h y x d y y sign d a x a y r d a h r d ,),(,1,2100200220 2)Extended —State Observer(ESO)
()()()?????+?-?+=-?+=-=u b e fal h z z e z h z z y z e 0222
12111,5.0,δββ where h is the control cycle.
3)Output of Nonlinear Feedback(NF)
()()
()??????+?+?=-=-=?δαβδαβδαβ,,,,,,3232121110
222111e fal dt e fal e fal u z u e z u e o o o where the parameters can be found in Ref.
3．2 Parameters Turned by BP Neural Network
The parameters self-turning ADRC can be established using the BP neural network.
Three parameters 1o β，2o β,3o βin NF are made on —line ． Neural network ，according to the system running status,adjusts the controller
parameters to achieve a certain performance optimization.It glows the output of neural network corresponds to auto-disturbance rejection controller in the three adjustable
parameters 1o β，2o β,3o βThrough self-learning neural networks ，
with the weighed coefficient of adjustment ，it makes some kind of neural network output correspond to the parameters under the optimal control rate ．
Three·layer BP neural network ’s st ructure is designed in this paper ，as shown in Fig ．3．
Fig ．3 Structure of BP neural network
where rin(k)and yout(k)are speed command and the speed feedback ．
The inputs of the input layer are
M j b j x y j j ,,2,1,)()1(
=+=
where M depends on the numbers of the input which is set to 2 in this paper ． They are the speed command and the speed feedback ．
The inputs and the outputs are
)2()1(02)
2()(i j M
j ij i
b y k u +=∑=ω ),,2,1()),(()()2()2(Q i k u f k y i i ==
where w are the weighted coefficients of the hidden layer ．Upper numbers are the
input ，output ，and the hidden layer ． In the paper ，the node of the hidden layer is set to 3．
The activation function of the hidden layer neuron uses the symmetric sigmoid function with positive and negative feature ．
)
exp()exp()exp()exp()tanh()(x x x x x x f -+--== The input and the output of the output layer are
????
?????=====∑=3)3(2)3(1)3()3()3()3(0)3()3()()()())(()()
()(o i o i o i i i i Q i ij j k y k y k y k net g k y k y k u βββω The output nodes of the output layer are three adjustable parameters 1o β，2o β,3o β．
The activation function of the output layer neuron uses the sigmoid function with positive feature ．
)
exp()exp()exp())tanh(1(21)(x x x x x g -+=+= The performance index function is
2))()((2
1)(k yout k rin k E -= In accordance with the gradient descent method to amend the network function of the weight function ．The negative coefficient of the function by a weighted gradient direction search ， and add one to make the search fast convergence of the global minimum of the inertia term ．
)1()()()3(1)3(1)3(1-?+??-=?k k E k i i
i ωαωηω where ηis the learning rate and set to 0．3，and αis the coefficient and set to 0．8． The learning algorithm of the output layer is
)1()()()2(1)1(
)2()3(1-?+=?k k y k i j i i ωαηδω
Q i k k u f i i i i
i ,,2,1),())((3
031)3()
2()
2( ==∑=ωδδ 4 Simulation and Experimental Results
In this paper ， the simulation model of servo system for brushless DC motor has been established in Matlab ／Simulink ． The actual parameters used for brushless DC motor can be taken reference for simulation ones ，as shown in Table 1
Table 1 Motor parameters
4．1 Rapidity of the System Due to the Simulation
When the system has no load．the simulation of three controlling methods is used. The given speed is 3000 r／min(the rated running state)．The simulation results are shown in Fig．4．The results show that the ADRC based on BP neural network system has the fastest performance when the system has no overshoot.
Fig．4 Simulation curves in the rated running stat
4．2 Stability of the System Against Load Disturbance Due to the Simulation When the load suddenly changes to 0．25 N ·m at time 0．07 s，the velocity curves are shown in Fig．5．The simulation results show that the ADRC based on BP neural network system has the highest stability．
(a)Rotate speed curve when adopt three method on macroscopic view
(b)Dynamic speed curve due to external disturbance on microscopic view
Fig．5 Speed response curve due to variable loads
4．3 Experimental Results
A novel hardware structure based on DSP and FPGA is given in Fig．6．Hardware architecture of this controller is based on TMS320VC33 DSP and CYCL0NE II
FPCA.TMS320VC33 is a high performance DSP with 32一bit floating—point，17 ns instruction cycle time and 120 million floating-point operations per second．TMS320VC33
supports programming with both C language and assembly language．And it can carry out complex calculation easily. CYCL0NEII FPGA is based on a 1．2 V．90 nm SRAM process with densities over 64 K logic elements,up to 1．1 Mbits of embedded RAM and embedded 18 multipliers. With this features, it supports high performance DSP applications.
Fig．6 Experimental platform
In the experiment，a constant given speed 3000 r／rain(the rated running state)is started at the time of 10 ms．The experimental results are shown in Fig．7．The results show that the ADRC based on BP neural network system has the fastest performance when the system has no overshoot．
A hall sensor obtains the speed signal of the brushless DC motor．The control system is composed of two loops：speed and current loops．The position speed is the outer loop of the control system, and the current loop serve as the inner loop of the control system．The proposed control scheme is implemented on the speed loop．
Fig．7 Experimental results
5 Conclusions
This paper has proposed a dynamic model of BLDC and has put forward a novel control scheme according to this mode1．In the algorithm．ADRC is applied to the system，which has strong robustness．Simultaneously，a novel hardware structure of motor control system based on field programmable gate array (FPGA) and digital signal processor(DSP) are implemented to realize the proposed algorithm．The simulation and experiment results validate the scheme proposed can attenuate the influences by the uncertainties of the model sharply．In addition，the static and dynamic performances of the control system have been improved greatly with strong robustness to disturbances．
7.1 晶闸管—直流电动机调速系统 采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。可以图7-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。 直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。 8.1.1 电流连续时 如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图7-2所示。图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值 （7-1） 式中U为电源相压有效值，为移相触发角。
电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。再考虑交流电源（整流变压器）的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。 电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra 串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。 这样，根据图7-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为 （7-2） 式中，Ce为直流电机电势常数，φ为直流电机每极磁通。求出电机转速为 （7-3） 可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随 负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。 但是在一定的平波电抗器电感Ld下，当电流减小到一定程度时，Ld中储能将不足以维持电流连续，电流将出现断续现象，此时直流电动机机械特性会发生很大变化，不再是直线，图7-3中以虚线表示。这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。 二、电流断续时
《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月
前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。
创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计
目录 目录 (1) 1 引言 (2) 1.1 设计背景 (2) 1.2 系统可实现的功能 (2) 2 总体方案设计 (3) 2.1 单片机选型方案 (3) 2.2 转速测量方案选择 (4) 2.3直流电机驱动电路介绍 (5) 2.4 PWM调宽方式的选择 (6) 2.5键盘的选择 (6) 2.6整体方案设计框图 (6) 3 硬件电路设计 (7) 3.1 系统的整体硬件框图 (7) 3.2 按键模块电路设计 (7) 3.3数码管显示模块电路设计 (8) 4系统软件设计 (10) 4.1 PWM输出程序设计 (10) 4.2 数字PID算法程序设计 (11) 4.3速度采集模块程序设计 (12) 4.4 按键设定程序设计 (13) 4.5 速度显示模块程序设计 (15) 5 总结 (16) 6参考文献 (17) 附录A系统原理图 (18)
1 引言 1.1 设计背景 现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 1.2 系统可实现的功能 设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。
目录 1．直流电动机简介 (1) 2．直流电动机的相关内容 (1) 3．直流电动机调速简介 (4) 4．他厉直流电动机的调速方法 (6) 5．设计内容 (10) 6．结论 (12) 7．参考文献 (13) 8．致谢 (14) 9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计 一. 直流电动机 直流电动机是人类最早发明和应用的电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。它是实现了电能转换成机械能的电机。 二.有关内容： 〈一〉直流电动机的分类 1、他励直流电动机 2、并励直流电动机 3、串励直流电动机 4、复励直流电动机 〈二〉直流电动机用途 直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。 直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。但目前仍有不少场合使用直流电动机。
〈三〉直流电动机的结构 图1 直流电机装配结构图 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心 直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。 （1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。（3）换向器。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。
一概述 随着电力电子器件的发展，大功率变流技术前进到一个以弱电为控制，强电为输出的新时代。直流电机调速系统由于它在技术性能与经济指标上具有优越性，实施技术上也比较成熟，因此在冶金、机械、矿山、铁道、纺织、化工、造纸及发电设备等行业都得到了广泛的应用，已成为工业自动控制领域一个及其重要的组成部分。一般工业生产中大量应用各种交直流电动机。直流电动机有良好的调速性能，三相交流桥式全控整流是目前在各种整流电路中应用最为广泛的电力电子电路，在运用到在直流电机调速时可以采用这种电路。 三相交流桥式全空整流最初用途是传动控制，但目前应用的新领域是各种直流电源设计。前者是三相交流桥式全控整流电路的传统领域，后者则是它当前和未来发展的新领域。而高频、大功率、高可靠性开关电源是当今电源变换技术发展的重要方向之一。 从我国的实际情况来看很好地采用三相桥式全控整流给直流电机调速仍然有很广泛的应用市场。这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用，所以研究三相桥是全控整流直流调速系统有着深远的意义，它不仅能够大大改善各种机车的调速系统，为其提高安全、快速、低损耗的调速装置，在解决目前国际各国所面临的能源无谓的消耗起到立竿见影的效果。
二设计的总体思路 2.1 直流电动机的调速方法 采用改变电动机端电压调速的方法。当额定励磁保持不变，理想空载转速 n随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实 现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。变电压调速要有可调的直流电源，根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，在具有恒定直流供电电源的地方，实现脉冲调压调速由于工矿企业中大多为交流电源，因此前一种情况应用最广。 晶闸管变流装置输出的直流脉动电压 U加在电抗器L和电动 d 机电枢两端，L起滤波作用以及保持电流连续。改变晶闸管触发电 U，就可改变触发脉冲的控制角。，从而改变输路的移相控制电压 g U的大小，实现平滑的调压调速。 出平均电压 d 2.2 调速系统的确定 双闭环调速
课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)
综述 直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。 直流电动机主要分为四类:1他励直流电动机，2并励直流电动机，3串励直流电动机，4复励直流电动机。本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。
1 直流电动机调速原理 1.1直流电动机的定义 输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。 1.2直流电动机的基本结构 直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。 图1-1直流电动机的基本结构 1—直流电机总图；2—后端盖；3—通风器；4—定子总图；5—转子（电枢）总图；6—电刷装置；7—前端盖。 1.3直流电动机的工作原理 直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转
第一部分并励直流电动机的工作原理 并励直流电机的励磁绕组和电枢绕组相并联，作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组和电枢共用同一电源，从性能上讲和他励直流电动机相同。 导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。 当电枢转了180°后，导体 cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出。这时导体cd 受力方向变为从右向左，导体ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。 因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的工作原理。 转速电流双闭环原理 转速、电流双闭环直流调速系统的组成，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 限幅的作用： 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im －－电流给定电压的最大值，即限制了最大电流； τ电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm －－Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。 第二部分 PID算法的基本原理 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。 下面对控制点所采用的PID控制算法进行说明。
概述 (2) 1 设计任务与分析 (3) 1.1 任务要求 (3) 1.2 任务分析 (3) 2方案选择及论证 (4) 2.1 三相可控整流电路的选择 (4) 2.2 触发电路的选择 (4) 2.3 电力电子器件的缓冲电路 (5) 2.4 电力电子器件的保护电路 (5) 3主电路设计 (7) 3.1 整流变压器计算 (7) 3.1.1 U2的计算 (7) 3.1.2一次侧和二次侧相电流I1和I2的计算 (8) 3.1.3变压器的容量计算 (8) 3.2 晶闸管元件的参数计算 (9) 3.2.1晶闸管的额定电压 (9) 3.2.2晶闸管的额定电流 (9) 3.3 电力电子电路保护环节 (10) 3.3.1交流侧过电压保护 (10) 3.3.2直流侧过电压保护 (11) 3.3.3晶闸管两端的过电压保护 (11) 3.3.4过电流保护 (11) 4触发电路设计 (11) 4.1 触发电路主电路设计 (11) 4.2 触发电路的直流电源 (13) 5电气原理图 (14) 小结与体会 (15) 参考文献 (16) 附录 (16)
直流电动机具有良好的起动和制动性能，广泛应用于机械、纺织、冶金、化工、轻工等工业系统。随着电力电子技术的发展，晶闸管在直流电动机的调速系统中得到广泛应用。晶闸管直流电动机调速系统，可实现电动机的无级调速，具有调节范围宽，控制精度高，使用寿命长、成本低等优点。正确掌握晶闸管直流电动机调速系统的设计方法，对系统的可靠运行及应用有重大意义。 本设计以晶闸管直流电动机调速装置为主，介绍了系统的各个部件的组成及主要器件的参数计算。调速装置以可控整流电路作为直流电源，把交流电变换成大小可调的单一方向直流电。通过改变触发电路所提供的触发脉冲送出的早晚来改变直流电压的平均值。 关键词：可控整流晶闸管触发电路保护电路
东北石油大学MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日
MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 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[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日
目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)
1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始
[直流电动机和异步电动机 的调速原理及特性分析] 姓名： 学号：26 院系：11级机械系三班 通讯： 导师：
一．直流电动机的调速原理及特性分析 直流电动机具有良好的起动制动性能，宜于在较大范围内平滑调速"长期以来，在电动机调速领域中，直流调速方法一直占主要地位"与交流电动机相比，直流电动机有良好的调速性能，它的调速范围较广；调速连续平滑；经济性好，设备投资较少，调速损耗较小，经济指标高；调速方法简便，工作可靠. 流伺服电动机是满足伺服系统要求的直流电动机，分为有刷DC伺服和无刷DC伺服。在传统有刷DC伺服中，整流子和电刷一起起着回转开关的作用，随着功率半导体器件技术的发展，霍尔元件和大功率晶体管代替了整流子和碳刷的作用，就产生了无刷DC伺服。与普通电动机相比，DC伺服具有工作精度高，调速性能好，带负载能力强，响应速度快，稳定可靠等特点。虽然其工作原理与普通直流电动机基本相同，但为了减小体积和提高散热，DC伺服电动机通常采用永久磁铁励磁。 直流伺服电动机主要有如下基本特点： U保持不变时，电动机的转速n随电磁转矩M变1、机械特性：在输入的电枢电压α 化而线形变化的规律，称直流电动机的机械特性。机械特性的关系可用下式表示； U——电枢电压 式中：α R——电枢电阻 α φ——磁通 M—电动机输出的电磁转矩 机械特性曲线如图1-1所示。 M称为堵转转矩。斜率K表示电磁转矩变化引起图中，0n为理想空载转速，d 转速变化的程度。K越大，电磁转矩变化引起转速变化越大，电动机的机械特性越软；K越小，电磁转矩变化引起转速变化越小，电动机的机械特性越硬。
图1-1直流伺服电机机械特性曲线 在直流伺服系统中，希望电动机的机械特性硬一些。当负载发生变化时引起的转速变化小，有利于提高直流电机的速度稳定性和运动精度。且由式（1.1）可知，K 与电枢电阻αR 成正比，电枢回路中串入的电阻或功率放大器的输出电阻增大，会使直流电机特性变软，功耗增大。 2、调节特性：直流电机在一定的电磁转矩M （或负载转矩）下，电机的稳定转速n 随电枢的控制电压 α U 变化而线性变化的规律为直流电机的调节特性。调节特性 的关系可用下式表示： )()(102ααα αααφ φφφU U K C MR U C M C C R C U n m e m e e -=-=-= （1.2） 式中：αU ——电枢电压 αR ——电枢电阻 e C ——电势系数， α 60NP C e = （ 电枢绕组支路数磁极对数 电枢绕组系数??= 60e C ） φ——磁通 m C ——力矩系数， πα 2NP C e = M —电动机输出的电磁转矩 调节特性曲线如图1-2所示。 图中，0αU 为启动电压，为电动机处于待转动而没转动的临界状态的控制电压。 0αU 与电磁转矩(负载转矩)成正比。M 越大，0αU 越大。电动机启动时，在0～0 αU 范围内，电动机不转，该区域称为电动机的死区。斜率K 表示转速n 随电枢的控制电压 α U 变化而变化的快慢程度。其值与负载无关，仅决定于电动机本身的结构
直流电动机的电气调速方法 直流电动机的电气调速方法下的调速性能及其应用。关键卸电机调违方法性能化较基本调速方法电机的电磁转炬和转速是表征电机运斤状态的主要物理量直流他励电机的电磁转矩和转速。 在恒负载转矩始下，若改变电枢回路所串联电阻化，改变电枢两端电压，或改变磁通，都可改变直流电机的机械特性，达到调速的目的。 因此，人为的改变电机的运行参数而实现的调速方法有：电枢回路串联电阻调速；改变电枢电压调速；减弱通调速这种人为的改变电机的运斤参数而得到的机械特性称人工机械特化电枢回路串联电阻调速持电源电压和磁通H为额定值不变，控制触点。 接通或断开可得到定负载转矩下电机的不同转速，电枢回路串接不同电阻下的空载转速。保持不变，而负载时的转速降将随电枢串联电阻的增加而大，电机的转速随电枢回路串联电阻的加而减小。 由于电枢电阻为恒值旧而电机的转速只能在额定转速下调整，电机的机械特性变软，在负载转炬变化时，转速降落较大，保持磁通为额定值，电枢回路不串入电阻，通过改变调压装置改变电枢电压，使其在额定电压凹下变化，其调速特性改变电枢电压的人工机械特性为条平行于自然机械特性的直线。随着电枢电压下降电机的空载转速降低，负载时的转速降保持不变，电机转速随电枢电压降低而下降。由
于电枢电压只能在额定电压化判下变化，因此改变电枢电压调速只能在额定转速下调整，电机的机械特性硬，在负载转矩变化时，转速降落较小。 以上两种调速方法在拖动恒转矩负载，稳定在不同转速下运行时，在采用电枢回路串入电阻调速或改变电枢电调速时，力辉电动机的负载能力具有恒转矩特化改变域通调速于额定磁通下，磁路系统已接近饱和，因此改变磁通只能在额定磁通巧下减小。在某负载转矩化下，保持电枢电压为额定电压化，电枢回路不串入电阻，调整励磁电阻况使励磁电流减小，从而减小磁通。随着磁通的减小，电机的空载转速将加内，电机的转速将随着磁通的减弱而增加内内减弱磁通调速只能得到高于额定转速的转速，且电机的机械特性变软，在负载转矩变化时，转速降落较大采用弱磁调速方法时，若拖动恒转炬负载，电动机运行于不同转速下的电枢电流。 调速的相对稳定性调速的相对稳定性亦称静差率，是衡量调速精度的指示它是指负载转矩变化时，转速变化的程度，其定义为：电动机由理想空载到额定负载时转速降落n.与理想空载转速《之比的百分数，常用来表示式中心电动机的额定转速。越小调速的相对稳定性越好，越大调速的相对稳定性就越差。电动机受负载变化所引起的转速降。系统的相对稳定性就越好，调速的精度就越高；电动机的理想空载转速。越低，义就越大，系统的相对稳定性就越差，调速的精度就越低。
摘要 随着工业的不断发展，电动机的需求会越来越大，电动机的应用越来越广泛，电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业、家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台，而且能提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大幅度的提高，摆脱了人力劳作的模式。而电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中电动机调速方法的应用过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向，为工业生产提供理论依据和实践指导。 关键词：他励直流电动机；调速；机械特性
目录 1 引言 (1) 2 直流电动机 (1) 2.1 直流电动机的介绍 (1) 2.2 直流电动机的分类 (1) 3 他励直流电动机 (2) 3.1 他励直流电动机的基本工作原理 (2) 3.2 他励直流电动机的机械特性 (3) 4 他励直流电动机的调速 (5) 4.1 调速的基本概念 (5) 4.2 调速的指标 (5) 4.3 调速的方式 (7) 4.3.1 电枢串电阻调速 (7) 4.3.2 改变电枢电源电压调速 (7) 4.3.3改变励磁电流调速 (8) 5实例分析 (9) 6结论 (11) 参考文献 (12) 致谢 (13)
1 引言 现代工业中，有大量的生产机械，要求能改变工作速度。例如金属切削机床，由于加工工件的材料和精度要求不同，速度也就不同。又如轧钢机，当轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须采用不同的最佳速度。所谓调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。所以直流电动机的调速在生产工作中起着至关重要的作用。 2 直流电动机 2.1 直流电动机的介绍 直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电动机以其结构复杂、价格较贵、体积较大、维护较难而使得其应用受到了影响。随着交流电动机变频调速系统的发展，在不少应用领域中已为交流电动所取代。但是直流电动机又以起动转矩大、转速性能好、自动控制方便而著称，因此，在工业等应用领域中仍占有一席之地。在四种直流电动机中，他励直流电动机应用最广泛。 2.2 直流电动机的分类 根据直流电动机的励磁方式，可以将其分为以下几种类型。 1、他励直流电动机 励磁绕组与电枢绕组采用两个电源供电，各有了各的电源开关，没有直接的电源联系，如图2-1（a）所示，电枢电流Ia由电枢端电压U决定，而励磁电流I f由励磁绕组端电压 U1决定。 2、并励直流电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，采用同一个电源U供电，由一个开关控制，如图2-1（b）所示。其特点是励磁绕组的电压即为电枢电压，电源电流为电枢电流Ia与励磁电流I f之和。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为电枢电流的5%；为保证足够的磁通，励磁绕组一般导线较细，匝数多，电阻大。 3、串励直流电动机 励磁绕组与电枢绕组串联之后，外接一个直流电源，由一个开关控制，如图2-1（c）所示。其特点是励磁电流I f与电枢电流Ia相同，这个电流一般较大，所以串励直流电动机的励磁绕组导线较粗，匝数少，电阻小。 4、复励直流电动机 这种电动机中既有串励又有并励，一部分励磁绕组与电枢绕组串联，另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，如图2-1（d）所示。其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共
题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工
摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚
2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。
显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图
单片机原理及应用课程设计报告设计题目： 学院： 专业： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 年月日 目录
设计题目：PWM直流电机调速系统 本文设计的PWM直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED 液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。 关键词：直流电机调速；定时中断；电动机；波形；LED显示器；51单片机 1 设计要求及主要技术指标： 基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。 设计要求 （1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。 （2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。 （3）设计一个4个按键的键盘。 K1:“启动/停止”。 K2：“正转/反转”。 K3：“加速”。 K4:“减速”。 （4）手动控制。在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。在
手动状态下，每按一次键，电动机的转速按照约定的速率改变。 （5）*测量并在LED显示器上显示电动机转速（rpm）. （6）实现数字PID调速功能。 主要技术指标 (1）参考L298说明书，在系统中扩展直流电动机控制驱动电路。 (2)使用定时器产生可控PWM波，定时时间建议为250us。 (3）编写键盘控制程序，实现转向控制，并通过调整PWM波占空比，实现调速； (4）参考Protuse仿真效果图：图（1） 图（1） 2 设计过程 本文设计的直流PWM调速系统采用的是调压调速。系统主电路采用大功率GTR为开关器件、H桥单极式电路为功率放大电路的结构。PWM调制部分是在单片机开发平台之上，运用汇编语言编程控制。由定时器来产生宽度可调的矩形波。通过调节波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，以达到调节电机速度的目的。增加了系统的灵活性和精确性，使整个PWM脉冲的产生过程得到了大大的简化。 本设计以控制驱动电路L298为核心，L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。 本设计以AT89C52单片机为核心，如下图（2），AT89C52是一个低电压，高性能 8位，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（），器件采用的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 图（2） 对直流电机转速的控制即可采用开环控制,也可采用闭环控制。与开环控制相比,速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性：闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比,其性能大大提高;理想空载转速相同时,闭环系统的静差（额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比）要小得多;当要求的静差率相同时, 闭环调速系统的调速范
目录 1、引言 (2) 二、初始条件： (2) 三、设计要求： (2) 四、设计基本思路 (3) 五、系统原理框图 (3) 六、双闭环调速系统的动态结构图 (3) 七、参数计算 (4) 1. 有关参数的计算 (4) 2. 电流环的设计 (5) 3. 转速环的设计 (6) 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (8) 1.系统主电路图 (8) 2.触发电路 (9) 3.控制电路 (13) 4. 转速调节器ASR设计 (13) 5. 电流调节器ACR设计 (14) 6. 限幅电路的设计 (14) 八、系统仿真 (15) 1. 使用普通限幅器进行仿真 (15) 2. 积分输出加限幅环节仿真 (16) 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (17) 九、总结 (20)
一、设计目的 1.联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学 《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题 的能力。 4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌 握工程设计的方法。 5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 二、初始条件： 1．技术数据 （1）直流电机铭牌参数：P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N=1500r/min，电枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5； （2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。 （3）系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4）电磁时间常数：T1=0.012s （5）机电时间常数：Tm =0.1s （6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7）额定转速时的给定电压：Unm =10V （8）调节器饱和输出电压：10V 2．技术指标 （1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作错误！未指定书签。； （2）系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）； （3）动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s； （4）调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求： （1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图； （2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 （3）动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR 调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳 定，并满足动态性能指标的要求； （4）绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控
摘要 本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的计算。 关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。
目录 1. 设计概述 (1) 1.1 设计意义及要求 (1) 1.2 方案分析 (1) 1.2.1 可逆调速方案 (1) 1.2.2 控制方案的选择 (2) 2.系统组成及原理 (4) 3.1设计主电路图 (7) 3.2系统主电路设计 (8) 3.3 保护电路设计 (8) 3.3.1 过电压保护设计 (8) 3.3.2 过电流保护设计 (9) 3.4 转速、电流调节器的设计 (9) 3.4.1电流调节器 (10) 3.4.2 转速调节器 (10) 3.5 检测电路设计 (11) 3.5.1 电流检测电路 (11) 3.5.2 转速检测电路 (11) 3.6 触发电路设计 (12) 4. 主要参数计算 (14) 4.1 变压器参数计算 (14) 4.2 电抗器参数计算 (14) 4.3 晶闸管参数 (14) 5设计心得 (15) 6参考文献 (16)
直流电动机可逆调速系统设计 1.设计概述 1.1设计意义及要求 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能够对电机进行调速，通过一定的设计，对整个电路的各个器件参数进行一定的计算，由此得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2.1 可逆调速方案 使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。 电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。 电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。 电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。 图1-1 两组晶闸管反并联示意图