密级：
科学技术学院
NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF
SCIENCE AND TECHNOLOGY
学士学位论文
THESIS OF BACHELOR
（2012 —2016 年）
题目基于MATLAB的直流电机速度控制仿真学科部：信息学科部
专业：电气工程及其自动化
班级：电气122班
学号：7022812072
学生姓名：谢磊
指导教师：万旻
起讫日期：2015年12月至2016年5月31日
目录
目录 (1)
摘要： ........................................................................................................................................................... I Abstract：............................................................................................................................................................ II 第一章绪论 (1)
1.1 课题来源及意义 (1)
1.2 国内外发展现状 (1)
1.3研究目标及内容 (1)
1.3.1研究目标 (1)
1.3.2研究内容 (1)
第二章MATLAB介绍 (2)
2.1 MATLAB简介 (2)
2.2 MATLAB所蜕变的历史经过 (2)
2.3 MATLAB的特点 (2)
2.4 控制系统仿真中常用的函数介绍 (2)
2.5 Simulink的基本介绍 (3)
第三章直流电机速度控制系统的建模和仿真 (4)
3.1 直流电机的工作原理 (4)
3.3直流电机速度控制仿真研究原理 (5)
第四章直流电机速度控制仿真介绍 (6)
4.1 直流电机H桥关于H桥的驱动的设计 (6)
4.1.1、H桥驱动电路 (6)
4.1.2 使能控制和方向逻辑 (7)
4.2直流电机速度控制仿真图 (9)
4.3仿真的模拟 (9)
4.4 仿真的分析 (12)
第五章总结与展望 (13)
参考文献 (14)
致谢 (15)
基于MATLAB的直流电动机速度控制的仿真
专业：电气工程及其自动化学号：7022812072 学生姓名：谢磊指导老师：万旻
摘要：仿真对于控制系统的分析，验证，设计具有重大的意义，我们可以利用MATLAB编程和SIMULIN 工具箱进行仿真，H桥驱动电路是为了直流电机的调速控制而设想的一种常见电路，它可以对直流电机的正反向驱动实现控制。本文通过对H桥的波形比较分析研究，可以得到MATLAB的直流电机速度的变化
关键词：直流电机，调速，H桥，MATLAB仿真
Dc motor speed control based on MATALB simulation Abstract：Simulation for the analysis of the control system, validation, the design is of great significance, we
can make use of MA TLAB programming and simulation SIMULIN toolbox, H bridge driving circuit for dc motor speed control and assume a common circuit, it can be to drive control of a dc motor. This article through to the H bridge waveform comparison analysis research, you can get the speed of dc motor in the MATLAB Key words：dc motor，Speed control，H bridge，The MATLAB simulation
第一章绪论
1.1 课题来源及意义
控制理论的研究对象是系统，从系统控制理论的角度，系统即为由彼此关联和互相制约各个"部分”所构成的具备一定功效的一个"团体”。体系存在于自然界和人类社会的各个领域中。
直流调速意思是人工的或主动的转变z直流电机在工作是所旋转的效率，从而达到我们所需要的要求，经过转换电动机的参数或外加工电压，改变电机工作所需的要求，从而使电机在工作时运行的机械效率达到更高。
直流调速体系含备优秀的速率迅速的特质，平稳的运转速度，规模大，容易超过负荷，运行方式便于掌控，和优秀地起动和制动功能等，从而使直流调速系统更加的达到全自动化的要求，所以可以达到电力传输的要求，被电力传输系统大面积的引用，为了加强直流速度控制系统，一般为一个闭环调控系统的动态和静机能目标。调速目标要达到不高的局面，行使一个简单的闭环体系，多闭环体系。可以变成有差别的控制方法，根据反应速率和反应电流表现出电压的反应。在双闭环系统，转速 - 电流双闭环使用较多。普遍的表达于机器，炼金，金属切除机床等各种规模的自动化调速系统。
1.2 国内外发展现状
在现在，这个广泛运用电气控制的时代，能源传输，电机含备当今的出产和我们生涯中施展这非常重要地公用。在工业制造中，出门运行，探索外太空，生活疗养，贸易和在我们日常上班所用的设备，或在生活中实用的电器，普遍的运用用着各类的电机。根据专业人士统计得出，我国使用电机的人数达到了60%.可想而知，电机在我们的日常生活中，扮演这不可忽视的重要作用。速率的控制系统是我们这个时代的电机的工作系统中的自主调度体系的利用最大的。伴着如今的发展趋势，我们所需要的东西功能的要求越来越高，所以必须使生产的物品能够自己变化速率，在这个智能化系统控制的今天，电气系统已经进入了全自动化的时代。在以前的生产过程中，太浪费体力和时间了，现在通过人机一体化，我们可以轻轻松松的完成生产，还提高了生产的可靠的地方，而且稳定。这样既节约了时间，还提高了劳动的生产率，还提高了综合国力
因为这个体系的布局比较庞大，控制器可控数据比较的大，所以这个体系的计划和矫正比较复杂，必须要有一个效力广泛、剖析简易的仿真设计地点。在MATLAB的Simulink发行以来，动态体系的仿真就变得十分简单了。因为Simulink具备非常充足的专门给控制工程与系统计算的函数，含备丰富地数学估计功用，而且含有简便的图形的画制效用，只要在Simulink中画出体系的动态图形图模型，制作很单一的流程，便可以对该系统做仿真，效率很好，情况友善，进而提供这个体系的策划和纠正带来很大的便利。Matlab在学术和很多现实规模都得到普遍利用，已经变成了全世界控制界应用最流行的语言和用具。
1.3研究目标及内容
1.3.1研究目标
使用matlab软件操控直流电机调速，而且可以利用仿真更直观的研究直流调速体系的机能
1.3.2研究内容：设计一个直流电机控制系统，并对其进行仿真
1.3.3基本要求：使用双极结晶体管（BJT）H桥对直流电机控制其转速。DC电动机采用预置模型（5马力24V 1750转），其中负载转矩与速度的平方成正比。H桥由四个BJT /二极管对组成，两个晶体管同时切换：Q1和Q4或Q2和Q3。
第二章MATLAB介绍
2.1 MATLAB简介
MATLAB是一种计算机编程语言，命名为从实验室矩阵，初衷是处理矩阵方法的计算机所反映的参数，它可以处理数值的计算和比较，已经可以把他所反映的情况结合起来，使人看起来一目了然，还可以给大家提供许许多多的参数，所以其受到了大家的喜爱，适用范围也越来普及泛。
2.2 MATLAB所蜕变的历史经过
MATLAB是美国的Clever Moler博士开发的一套集命令、科学计算于一身的交互式软件,在1984发行。 MATLAB提供了数据处理、图形绘制、图象处理以及方便的Wind ows编程等工具,所以它广泛应用在图像信号处理、自动控制、电力、生物医学工程、语音处理信号分析、雷达工程、振动理论、时序分析与建模、化学统计学、优化设计等领域,所以是深受广大科研和工程人员所欢迎的工具软件。
在70年代末，美国的CLERER博士,在开讲座时，想教他的门生利用EISPACK和LINPACK程序库，可是他察觉他的学生用FORTRAN制作接口程序用了很多的不必要的额时间，他聪明的给接口程序命名为MATLAB，更名为矩和实验）两个英文单词的前几个字母的结合，在这之后的之多年里，MATLAB得到了大家的广泛应用，尤其是在大学里，其更是作为教学的辅助工具供大家参考和使用
2.3 MATLAB的特点
MATLAB向使用者展现出最直观，最简便的流程开发环境。其主要特性有：1、语言简洁，容易理解，使用简便，库函数以及运算方法种类多；2、MATLAB含备结构化的掌控语句（如While循环，when 结构，if语句），另有面对目标编程的特点；3流程可变性强，限制不固定，自由想象结构很多，且可变动性很好；4、MATLAB图形功能以及工具箱功能很强大，而且源程序开放性好。。
2.4 控制系统仿真中常用的函数介绍
这些传递函数，下面列出的是经常使用的编程方法的控制系统仿真的一些MATLAB函数。
G=t(NVM,den)
设立一个以前的函数量。Nvm是分子项，DEG是分木量
[NVM,den]=serceies(numc1,den1,num2,den2)
表示两个单输入单输出系统的传递函数G（s）和G2（s），串联。
[num,den]=feedback(den1，den2，den3num1,num2,sign)
表示利用系统将2个反馈链接起来从一般的方式看来，系统1四个反馈量，而系统2是1个反馈的模型器具。
表明，这2个系统是连接在一个反馈的方式，一般而言，系统1是一个对象，系统2是一个反馈控制器。
Sign使用请示体系2输出到系统1输入的衔接标记，sign一般为负值，就是sign=-1。
[Nvmcr,denc]=clooep(NFfjm,deng,sign)
闭环体统所有的连接方式一般与符号和系统意义相同。它一般是作为一个单位量存在。
sysd=c2d(sryer sc,Ts,’method’)
连续时间LTI系统模型转化为一个离散时间系统模型，和TS是采样周期。sysc=d2c(sysd,’method’)
第5,6两个函数中的’method’表示转换是选用的变换方法，如其值为‘zoh’，表示对输入信号加零阶保持器；5,6两功能在“方法”表示转换转换方法的选择。如果值是“普遍”，表示输入信号与零阶保持器；如为’foh’，表达对输入信号插入一阶保持器；例如’tustin’，可以采用双线性变换方式；等等。
2.5 Simulink的基本介绍
Simulink是MATLAB中一个极其重要的组件之一，它可以为客户提供一个仿真综合分析的集成和、动态系统仿真建模的环境，并且能准确地分析和控制系统的复杂模型。它具有两个十分明显的功能：仿真和链接。换而言之，它可以直接使用鼠标在窗口中手动画出自己所需要的系统控制模型，紧接着再利用MATLAB自带功能来对该控制系统进行仿真模拟。这项创新是的原本十分复杂难懂的系统变得更容易输入。Simulink的出现可以说是在MATLAB的系统仿真中开创了里程碑，它可以针对任何能够使用数学表达的系统进行仿真建模，比如汽车动力学系统、风力发电系统、通信系统等多领域应用。
图2-4 Simulink的应用界面
Simulink的模块库可以分为两大类：标准模块库和专业模块库。Simulink是MA TLAB中的一种可视化仿真工具，它主要被广泛应用于非线性系统、线性系统、数字信号的处理和数字控制的仿真与模拟。在建立一个模型方块图的用户接口，Simulink提供一种既简单又高效的方法，整个过程中只需要移动鼠标和单击就可以完成，最后客户可以直接看到仿真结果。Simulink具有丰富的可扩充的自定义模块库，可以用设计功能的层次来分割模型，以便来实现复杂设计的管理。
第三章直流电机速度控制系统的建模和仿真 3.1 直流电机的工作原理
在我们的生活学习中，可以发现根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度l ，导体所在地方的磁密度为B,而在导体中留过的电流的大小为I ，那末导体受到的电磁力的值为式）F=BIL
如下图所示，当N,S 级收到不同方向的磁作用力时，电磁所产生的作用了会使转子发生旋转，尽管转子发生了旋转，但是其电流的方向是恒定的，所以当这个转子代这负载运行时，便做到电能和机械能的相互转换
直流电动机的变化方向是可以改变的，当外界作用力发生变化时，它便可以将我们所需要的机械能转换成电能进行工作，当电动机有电压的额施加时，它便又可以将机械能转换成电能供大家使用
N
S
F
F
图1 直流电动机工作原理图
3.2直流电机的调速原理
根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机所发生的参数的旋转是所运行的方式结合得出的公式为Φ
-=C R I U n e a
N N
(2-2)
(2-2)式中：UN 是电枢电压，IN 是电枢电流，Ra 是电枢回路总电阻，Ce 是电势常数，Φ是励磁磁通。
a
PN C e 60=
(2-3)式中：p-磁极对数，N 是导体数，a 是电枢支路数。
K C e =Φ
(2-4)式中：当电机型号确定后，Ce Φ为常数，故式式(2-1)改为
K
R a I U n N N -=
在功率很小的直流电机中，回路有着非常小的电枢，所以它里面所包含的RNI 都非常小，我们可以将其不记录进数值计算中，而当我们转变电枢的电压时，转速肯定也相应的发生变化，这样，我们就可
以实现电极的速度控制
3.3直流电机速度控制仿真研究原理
驱动信号在经TL494的脉宽调制后,经常使H桥作为驱动电路的动作功率在直流电路中.这种驱动电路可方便地实现直流电机的四象限运行,分别对应正转、正转制动、反转、反转制动.由于功率MOSFET 是压控元件,具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点,满足高速开关动作需求,因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂.H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型,而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机.
H桥是利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET构成的,其控制电路简单、成本低.但由于加工工艺的原因,P沟道功率MOS??FET的性能要比N沟道功率MOSFET差,且驱动电流小,因此多用于功率较小的驱动电路中.而N沟道功率MOSFET,载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大;且能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本,减小面积.因此我们经常利用他在大功率的优点对其进行操作和利用
escription
双极结晶体管(是)当用于经营作为一个IGBT功率切换应用程序。进行时(是机器操作饱和地区)集电极和发射极之间的正向电压Vf开发(在1 V)。因此,IGBT块可用于模型是机器设备。
IGBT块不模拟栅电流控制是机器或IGBT。由仿真软件控制开关信号(1/0)。直流电机使用预设模式(5 HP 24 v 1750 rpm)。它模拟风机类型负载(负载转矩正比于速度的平方)。电枢是电压可以从0到240 V时,不同的工作周期脉冲发生器中指定(块)是不同的从0到100%。
第四章直流电机速度控制仿真介绍
4.1 直流电机H桥关于H桥的驱动的设计
4.1.1、H桥驱动电路
下图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：下图及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。
如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如下图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
H桥电路驱动电机顺时针转动
下图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
H桥驱动电机逆时针转动
4.1.2 使能控制和方向逻辑
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
下图所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通
过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR －L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如下图所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
使能信号与方向信号的使用
实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。
4.2直流电机速度控制仿真图
【
直流电机的速度控制仿真图
本仿真的主要有240V的理想电源，三极管，电阻，示波器，直流电机等
Q1,Q2,Q3,Q4为IGBT驱动电路
4.3仿真的模拟
这个例子是与所有状态初始化，以便模拟开始在稳态。240V的电流流出候经过了Q1，Q2，Q3和Q4，当Q1和Q4导通时，电机正转；当Q2和Q3导通时，电机反转，可以根据电机的正反转速度来得到我们所研究的电机的速率。用于功率转换应用程序时，双极结晶体管（BJT）作为一个IGBT。当它被导通（BJT在饱和区工作）Vf的集电极和发射极之间产生一个正向电压（在1伏的范围内）。因此 IGBT 的块可用于双极结型晶体管器件进行建模。
该IGBT模块不模拟栅极电流控制BJT或IGBT。该开关由一个Simulink的信号（1/0）控制。 DC 电动机采用预置模型（5马力24V 1750转）。它模拟了一个风扇类型的负载（如负载转矩与速度成正
比的平方）。电枢平均电压可以从0到240伏时的占空比（在脉冲发生器块指定）是从0到100％变化时，可以改变。
H桥由四个BJT /二极管对（BJT由IGBT模型模拟的）。两个晶体管同时切换：Q1和Q4或Q2和Q3。当Q1和Q4发射，一个正电压施加到电动机和二极管时Q1和Q3被关闭D2-D3操作为续流二极管。当Q2和Q3被解雇，负电压被施加到马达和二极管时Q2和Q3被关闭D1-D4操作为续流二极管。
示范
电机中以75％的占空比的正方向开始（平均180V的直流电压）。在t = 0.5秒。电枢电压突然反转和电动机在负方向运行。
Scope1表示电机转速，电枢电流和负载转矩和Scope2示出了BJT Q3和二极管D3中流动的电流。
运行时所产出的数值
4.4 仿真的分析
电机所产生的波形的分析，我们可以从仿真图得到电机速率运行的波形图
电机的运行速率波形图
此图从上到下分别为电机转速，电枢电流和负载转矩的波形图。
第一段波形为电机转速波形，当T=0开始时电机以平均180V电压开始运行，Q1和Q4导通，从而使电机向正方向开始旋转，到转速达到1000时达到最大转速。当T=0.5秒时，电枢电压开始反转。Q1和Q4断开，Q2和Q3接通，从而电机转速开始下降在0.55秒左右电机转速降为0并开始反向运转，当转速达到1000时达到最大反向转速。
第二段波形为电枢电流波形，当T=0时电机以平均180V电压开始运行，Q1和Q4导通，从而给电机一个正方向的电流，当电流达到40A左右时达到最大电流然后逐渐下降在10A左右达到稳定。当T=0.5时电枢电压开始反向运转。Q1和Q4断开，Q2和Q3接通，，电流逐渐减小，直至变为反向电流在达到最大反向电流后开始逐渐稳定
第三段为负载转矩波形，当T=0开始时电机以平均180V电压开始运行，Q1和Q4导通，从而使电机向正方向开始旋转，转速逐渐增加，负载转矩也逐渐增加，当达到最大转速后，负载转矩也达到最大，并且稳定在5左右。当T=0.5秒时，电枢电压开始反转。Q1和Q4断开，Q2和Q3接通，从而电机转速开始下降在0.55秒左右电机转速降为0并开始反向运转，负载转矩也是如此，当此时达到最大电流后电流开始变小，所以，负载转矩反向运转的速率减小的幅度略微变慢，也慢慢达到最大反向负载转矩。
由图可知当调节电机的电压大小和方向，从而可以控制直流电机的速度
第五章总结与展望
本次设计通过用MA TLAB编写程序与SIMULINK建立数学模型相对应，不仅让我更加熟练的掌握了MA TLAB/SIMULINK软件，同时也基本完成了设计要求和试验目的即：通过仿真图形实现了H桥直流电机的调速。在试验过程中也遇到了不少困难，例如传递函数化简错误、数据选择的错误、设置问题等等，在老师和同学的帮助下，问题最后都被解决了。由于软件和个人的专业知识水平有限，只实现了较为简单的调速系统，因此，我还需在今后工作学习中做深入研究，达到更高要求和更深层次的设计。
在多媒体技术迅速发展的今天，直流电机调速系统将得到更好地发展，随着应用领域的扩展，直流电机调速系统也将得到更深层次的应用，因为它的简单实用、方便快捷的优点，必然会使这项技术的未来一片光明。
参考文献
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[11} 勾青远。基于TMS320F2812的小型无人机控制系统设置，2013：05~01
[12] 姚洪江.基于全数字直流调速系统地研究.http：//59.77.139.83/kns50/d
[13] 三项异步电机VF调速http：//https://www.doczj.com/doc/0d12225602.html,/view
致谢
通过这几个月队毕业设计的比较分析，比较和研究。终于完成了队毕业论文的撰写，作为电气工程及其自动化的学生，这次所研究的课题还存在很多不懂之处，但是经过老师的帮助和各种资料的查阅，我才能完成这篇论文。
首先，我要感谢毕业设计的指导老师万老师，他给与了我非常大的信任和帮助。尽管老师平时工作比较的多，但是还是给了我很多关键性的建议很多的困惑的地方都是老师悉心指导下完成的。在这几个月做毕业设计的过程了我了解到许多困惑的知识，而且我从他身上学习到应该如何去处理困难，收货知识。
同时我也非常感谢大学几年来所有的老师，他们不但教会了我专业知识，而且指导我们学习和生活，他们兢兢业业、在工作中在生活中都给我做出了榜样，时刻鞭策着我向他们学习。
毕业设计只是人生中一个短暂的结束，老师、同学给于我的知识、启发、教诲和友谊是我在步入社会后最为重要的财富。
最后，感谢母校对我的培养，向所有帮助过我的人致以最诚挚的谢意。
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
密级： 科学技术学院 NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 学士学位论文 THESIS OF BACHELOR （2012 —2016 年） 题目基于MATLAB的直流电机速度控制仿真学科部：信息学科部 专业：电气工程及其自动化 班级：电气122班 学号：7022812072 学生姓名：谢磊 指导教师：万旻 起讫日期：2015年12月至2016年5月31日
目录 目录 (1) 摘要： ........................................................................................................................................................... I Abstract：............................................................................................................................................................ II 第一章绪论 (1) 1.1 课题来源及意义 (1) 1.2 国内外发展现状 (1) 1.3研究目标及内容 (1) 1.3.1研究目标 (1) 1.3.2研究内容 (1) 第二章MATLAB介绍 (2) 2.1 MATLAB简介 (2) 2.2 MATLAB所蜕变的历史经过 (2) 2.3 MATLAB的特点 (2) 2.4 控制系统仿真中常用的函数介绍 (2) 2.5 Simulink的基本介绍 (3) 第三章直流电机速度控制系统的建模和仿真 (4) 3.1 直流电机的工作原理 (4) 3.3直流电机速度控制仿真研究原理 (5) 第四章直流电机速度控制仿真介绍 (6) 4.1 直流电机H桥关于H桥的驱动的设计 (6) 4.1.1、H桥驱动电路 (6) 4.1.2 使能控制和方向逻辑 (7) 4.2直流电机速度控制仿真图 (9) 4.3仿真的模拟 (9) 4.4 仿真的分析 (12) 第五章总结与展望 (13) 参考文献 (14) 致谢 (15)
. 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
实训题目: 温度控制直流电动机转速 学生姓名：崔敬通 学号： 201223160126 专业：电子信息工程 2013年11月27日
1 引言 直流电机具有良好的线性调速特性和控制性能，使其调速控制占主流地位。尽管交流变频电机、步进电机等在控制调速领域的应用比较广泛，但直流电机调速仍是大多数调速控制电机的最佳选择。89C55单片机支持C语言编程，可移植性好，速度快，已被广泛应用于机电一体化、工业控制、智能仪器仪表等领域。现应用89C51单片机对直流电机速度进行有效测试和控制，通过对直流电机转速脉冲和中断次数的计数，可实现根据输入值控制直流电机的转速。 2 设计任务与要求 根据设计需要，通过测量原件把检测到的直流电机转速读入到89C55单片机中，再通过编程使读入的数值在显示器上显示出来。若检测到的电机转速等于设定值，则对直流电机的转速进行记录；若检测到的电机转速没有达到设定值，则通过加大数值或模数转换芯片使电机速度提升至设定值；若检测到电机转速超过设定值则通过模数转换芯片把电机速度降至设定值。通过这种实时检测和在线控制的方式使单片机能够对直流电机 2.1系统的设计要求及主要技术指标 本论文要求使用单片机进行电路设计，同时单片机部分应带有显示功能。单片机对某个位置进行温度监控，当外部温度≥45℃时，电动机加速正转，当温度≥75℃时，电动机全速正转；当外部温度≤10℃时，电动机加速反转，当温度≤0℃时，电动机全速反转；当温度回到10℃～45℃之间时电动机逐渐停止转动。 2.2系统总体方案 系统总体方案设计，如下图2.1
图2.1 系统总体方案图 2.3总体方案论述 该系统采用AT89C55单片机为核心，通过DS18B20进行温度采集，送入单片机，经过软件编程进行温度的比较和范围划定，然后通过程序控制由单片机产生不同的PWM（脉冲宽度调制）信号，送给电机驱动芯片L298的使能端口，通过L298驱动芯片来控制直流电机的启动、速度、方向的变化；单片机将温度数据传送给LM016L显示温度。整个电路设计包括温度采集模块，单片机控制模块，温度显示模块，和电机及电机驱动模块。 3硬件电路设计 MCS-51系列单片机 Intel公司推出的8位单片机： 1976年推出的MCS-48系列：8039，8048等。
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
基于Matlab的直流电机速度控制
系统仿真 课程设计报告 设计题目：基于Matlab的直流电机速度控制 专业：自动化 学生姓名： 班级学号： 指导教师： 开课日期2013年 7 月 1 日至2013年 7 月 13 日南京邮电大学自动化学院
一、课程设计题目 控制系统的执行机构常用直流电机来驱动，电路和原理示意图如下所示 其开环传递函 数 为 ()()0001 .0)15.0)(1.001.0(01 .02+++= +++= s s K R Ls b Js K V θ ，请用时域分析方法设计PID 控制器，使系统满足下列性能指标要求：当仿真输入是单位阶跃信号时，电机输出转速调整时间小于2秒，超调小于5％，稳态误差小于1％。 要求给出详细的设计步骤，matlab 源码及仿真曲线。 二、实验原理 本报告首先介绍了直流电动机的物理模型，并测量计算了它的具体参数。然后根据牛顿第二定律和回路电压法分别列写运动平衡方程式和电机电枢回路方程式，从而通过一些数学变换抽象出了以电压为输入、转速为输出、电流和转速为状态变量的数学模型。借助MATLAB 设计simulink 模块调整PID 模块的各项系数，使系统的阶跃响应达到了设计指标。 1、建立该系统的时域数学模型 由克希霍夫定律得： V=R*i+L +e 直流电机转矩和电枢电流关系为 T=Kt*I 电枢旋转产生反电动势与旋转运动角速度的关系为 e=
由牛顿定律，转子力矩平衡关系为 其中，T：负载转矩，：负载电流 V(s)=R*I(s)+L*sI(s)+E(s) 拉式变换：E=Ke(s) 划去中间变量得： 开环传递函数为： 2、PID控制器的功能 比例环节：Kp增大等价于系统的开环增益增加，会引起系统响应速度加快，稳态误差减少，超调量增加。当Kp过大时，会使闭环系 统不稳定； 积分环节：相当于增加系统积分环节个数，主要作用是消除系统的稳态误差。积分环节作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti增大， 系统超调量变小，响应速度变慢； 微分环节：主要作用是提高系统的响应速度，同时减少系统超调量，抵消系统惯性环节的相位滞后不良作用，使系统稳定性明显改善。 Td偏大或偏小，都会使超调量增大，调整时间加长。由于该环节所产 生的控制量与信号变化速率有关，故对于信号无变化或变化缓慢的系 统微分环节不起作用。 三、设计步骤 方法1： 搭建simulink模块，利用经验调节法整定PID参数，使整个系统满足调节时间小于2秒，超调小于5%，稳态误差小于1%。 1、搭建的simulink模块图如下：
一、 直流无刷电机转速控制 1. 模拟PID 控制 1.1 模拟PID 控制原理 在模拟控制系统中，最常用的控制器就是模拟PID 控制器。以下图所示直流电机 控制系统为例，说明PID 控制器控制电机转速的原理。图中)(0t n 为转速设定值，)(t n 为转速反馈值，)()()(0t n t n t e -=为偏差信号，偏差信号通过PID 控制器后产生控制作用作用于直流电机从而控制电机转速到设定值。 常见的模拟PID 控制系统如下图所示。PID 控制器由比例、积分、微分的线性组合构成。控制规律如下： ]) ()(1)([)(0?++=t d i p dt t de T d e T t e K t u ττ * 其中： p K ——控制器的比例系数 i T ——控制器的积分系数 d T ——控制器的微分系数 1) 比例部分 比例部分的数学表达式：)(t e K p 。 比例部分的作用是对偏差信号做出快速反应，一旦控制器检测到偏差，比例部分就 能迅速产生控制作用，且偏差越大，控制作用越强。但仅存在比例控制的系统存在稳态偏差。比例系数越大，响应越快，过渡越快，稳态偏差也越小，但系统也越不稳定，因此比例系数必须选择恰当。 2) 积分部分 积分部分的数学表达式： ?t i p d e T K 0 )(ττ。
从积分部分表达式可以看出，只要系统输出与设定值存在偏差，积分作用就会不断增加，知道偏差为零，因此积分部分可以消除稳态偏差。但积分作用会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越小，积分作用越强，过渡过程容易产生震荡，但回复时间减小；积分常数越大，积分作用越弱，过渡过程不产生震荡，但回复时间增长。因此应根据具体情况选取积分常数。 3) 微分部分 微分部分的数学表达式： dt t de T K d p ) (。 微分作用能阻值偏差的变化。它根据偏差的变化趋势进行控制。偏差变化越快，微分作用越强，能在偏差变化之前就行控制。微分作用的引入有助于减小超调量，克服振荡；但微分作用对噪声很敏感，导致系统的错误响应，使系统不稳定。 为实现PID 控制器的软件实现，将式*进行适当离散化，即离散PID 。 2. 数字PID 控制 2.1 位置式PID 算法 离散化处理的方法是，以T 为采样周期，对模拟信号进行采样，以k 为采样序列号，进行以下近似： T e e dt t de e T d e kT t k k k j j t 1 )()(-=-≈≈≈∑?ττ 将上式带入式*，得到如下式所示的位置式离散PID 控制规律。 ][1 T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k -=-++ =∑ ** 由于位置式PID 要对t 时刻之前的所有输出进行记录，工作量大，对计算机硬件要求高。增量式PID 可避免这些。 2.2 增量式PID 算法 由式**得到 ][2 11 11T e e T e T T e K u k k d k j j i k p k ---=---++ =∑ 将式**与上式相减，得到增量式PID 控制规律如下 211)21()1(---++-++ =-=?k d p k d p k d i p k k k e T T K e T T K e T T T T K u u u *** 一旦得出控制作用的增量，就可递推得出当前控制作用的输出。 2.3 控制器参数整定 1) 离线整定法 步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。 步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K , T ,τ。
目录 一、设计目的及要求 (2) 1.1 设计目的 (2) 1.2 设计要求 (3) 二、设计方案及论证之硬件电路设计 (3) 2.1芯片简介 (3) 2.2 电路原理图 (4) 2.21 电机测速即驱动部分： (4) 2.22电路供电系部分 (5) 2.23显示部分 (5) 三、设计方案及论证之软件设计 (6) 3.1 程序设计思路 (6) 四、器件清单 (13) 五、器件识别与检测 (14) 六、仿真结果： (15) 七、软件简述 (15) 7.1 keil 简介 (15) 7.2 keil与proteus联调与仿真实现 (16) 九、参考文献 (17) 课程设计任务书
一、设计目的及要求 1.1 设计目的 本设计主要是应用proteus软件和嵌入式C语言编程工具，结合单片机原理及应用。危机原理与接口技术等专业课程，强化和巩固专业理论基础，掌握
Proteus仿真的技巧和嵌入式C语言编程工具，提高单片机开发能力，并为嵌入式开发打下基础。 1.2 设计要求 (1) 使用 AT89C51单片机为核心,使用 4 位集成式数码管显示当前温度,温度传感器使用 DS18B20,使用 L298 驱动直流电动机。 (2)用 4 位集成式数码管显示当前温度, , 当温度在≥ 45 C 时, 直流电动机在 L298 0 0 驱动下加速正转,温度在≥ 75 C 全速正转;当温度≤ 10 C 时,直流电动机加速反转,温度≤ 0 C 时,直流电动机全速反转;温度 10 C ~ 45 C 之间时,直流电动机停止转动。 (3)控制程序在 Keil 软件中编写,编译,整个控制电路在 Proteus 仿真软件中连接调示。 二、设计方案及论证之硬件电路设计 2.1芯片简介 本设计选择采用AT89C51单片机为核心。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
第一章课程设计内容及要求 1. 直流电动机的机械特性仿真； 2. 直流电动机的直接起动仿真； 3. 直流电动机电枢串联电阻启动仿真； 4. 直流电动机能耗制动仿真； 5．直流电动机反接制动仿真； 6. 直流电动机改变电枢电压调速仿真； 7. 直流电动机改变励磁电流调速仿真。 要求：编写M文件，在Simulink环境画仿真模型原理图，用二维画图命令画仿真结果图或用示波器观察仿真结果，并加以分析
第二章直流电动机的电力拖动仿真绘制 1）直流电动机的机械特性仿真 clear; U_N=220;P_N=22;I_N=115; n_N=1500;R_a=;R_f=628; Ia_N=I_N-U_N/R_f; C_EPhi_N=(U_N-R_a*Ia_N)/n_N; C_TPhi_N=*C_EPhi_N; Ia=0;Ia_N; n=U_N/C_EPhi_N-R_a/(C_EPhi_N)*Ia; Te=C_TPhi_N*Ia; P1=U_N*Ia+U_N*U_N/R_f; T2_N=9550*P_N/n_N; figure(1); plot(Te,n,'.-'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm'); ylim([0,1800]); figure(2); plot(Te,n,'rs'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm');
hold on; R_c=0; for coef=1:;; U=U_N*coef; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('U=',num2str(U),'V'); s_y=1650*coef; text(50,s_y,str); end figure(3); n=U_N/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'rs'); xlabel('电磁转矩Te/'); ylabel('转矩n/rpm'); hold on; U=U_N;R_c=; for R_c=0::; n=U/C_EPhi_N-(R_a+R_c)/(C_EPhi_N*C_TPhi_N)*Te; plot(Te,n,'k-'); str=strcat('R=',num2str(R_c+R_a),'\Omega'); s_y=400*(4-R_c*; text(120,s_y,str);
长春大学 课程设计说明书 题目名称直流电机速度PID控制与仿真 院（系）电子信息工程学院 专业（班级）自动化13403 学生姓名张华挺 指导教师曹福成 起止日期2016.10.24——2016.11.04
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 直流电机速度PID控制与仿真 摘要：在本次课程设计中重点研究直流电机的工作原理以及直流电机的各种调速方法。在调速控制中，我们包含两个大的部分，一个是直流电机的开环控制，另一个是直流电机的闭环控制，在直流电机的闭环控制中，又分别介绍转速闭环控制和PID闭环控制，并且对直流电机的每个模型进行建模并仿真，观察其动态性能，分析研究直流电机的各个控制的优缺点。 关键词：直流电动机；转速控制；PID控制；Matlab仿真
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ DC Motor Speed PID Control and Simulation Abstract: In this curriculum design, the work principle of DC motor and DC motor speed control methods are studied. In speed control, we include two parts, one is the open loop control of DC motor, the other is a closed loop DC motor control in DC motor closed-loop control, and introduces the speed closed-loop control and PID control, and each model of the DC motor for modeling and simulation to observe the dynamic performance analysis of DC motor control and the advantages and disadvantages of each. Keywords: DC motor; speed control; PID control; Matlab simulation
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、
温度控制直流电机转速 设计报告 院系：物电学院 专业：电子信息工程 学号：201000920146 姓名：赵婧
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。单片机在程序控制下，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。
The Design of Direct Current Motor speed Regulation System Based on SCM Chenli School of Information and Engineering Abstract This article mainly introduces the method to generate the PWM signal by using MCS-51 single-chip computer to control the speed of a D.C. motor. It also clarifies the principles of PWM and the way to adjust the duty cycle of PWM signal. In addition, IR2110 has been used as an actuating device of the power amplifier circuit which controls the speed of rotation of D.C. motor. What’s more, tachogenerator is used in this system to measure the speed of D.C. motor. The result of the measurement is sent to A/D converter after passing the filtering circuit, and finally the feedback single is stored in the single-chip computer and participates in a PI calculation. As for the software, this article introduces in detail the idea of the programming and how to make it. Key words:PWM signal，tachogenerator，PI calculation
物理与电子工程学院 《电力拖动自动控制系统》课程设计报告书 设计题目：直流电机起动设计与仿真 专业：自动化xxx 班级： 2014xxxxx本1班 学生姓名: xxxxxxxx 学号: 20140343121 指导教师： xxxxxxxxxx 2015年10月25 日
物理与电子工程学院课程设计任务书 专业：自动化班级：14xxxx1班
摘要 直流电动机具有调速范围广、调速平稳、过载能力强以及启动和制动转矩大等优点，在工农业生产中得到了广泛的应用。文章研究了直流电动机串电阻起动方法，在直流电动机电枢绕组中串入电阻来降低起动电流和起动转矩。相比于电机直接起动，串入电阻起动起动电流和起动转矩显著减低，而且成本又增加不多，在实际工农业生产中有广泛的应用，在课程设计中总共设了3级电阻，第一级电阻R1=0.518,第二季电阻R2=0.32,第三级电阻R3=0.162。 关键词：直流电动机；直接启动；串电阻启动；仿真；
目录 1 任务提出与方案论证 (1) 1.1提出任务 (1) 1.2方案论证 (1) 2 总体设计 (1) 2.1系统总体原理框图 (1) 2.2直流电动机直接起动真模型仿真的建立 (2) 2.3直流电动机串电阻起动真模型仿真的建立 (5) 2.4直流电动机串电阻起动时电阻值计算以及仿真结果分析 (5) 3 心得体会 (13)
1 任务提出与方案论证 1.1提出任务 直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。一般情况下，在额定电压下直接起动时，起动电流可达电枢电流额定值的10～20倍，起动转矩也能达到额定转矩的10～20倍，这样的起动电流是换向所不允许的，而且过大的起动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机械和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动以外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。 1.2方案论证 方案一：直流电动机直接启动 直流电动机直接启动适用于额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻大以及转动惯量又比较小，可以直接起动，但是现在工业中绝大数机械都是大功率。 方案二：直流电动机串电阻启动 直流电动机串电阻起动方法，在直流电动机电枢绕组中串入电阻来降低起动电流和起动转矩。相比于电机直接起动，串电阻起动起动电流和起动转矩显著减低，而且成本又增加不多，在实际工农业生产中有广泛的应用。 最终选择： 经过比较本设计选择方案二直流电动机串电阻启动能更好的达到设计要求。 2 总体设计 2.1系统总体原理框图 直流电动机启动的设计，我们首先对电路原理进行分析，通过分析，结合具体的性能指标求出相应的参数，然后在Matlab仿真软件中建立仿真模型，仿真模型采用交流输入电源，使用晶闸管和二极管作为整流器件，通过不断仿真、调
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
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
实验课题：直流电机调速控制 实验内容： 本实验完成的是一个实现对直流电机转速调节的应用。 编写实验程序，用ADC0809完成模拟信号到数字信号的转换。输入模拟信号有A/D转换单元可调电位器提供的0~5V，将其转换后的数字信号读入累加器，做为控制电机的给定转速。用8255的B口作为直流电机的控制信号输出口，通过对电机转速反馈量的运算，调节控制信号，达到控制电机匀速转动的的作用。并将累加器中给定的转速和当前测量转速显示在屏幕上。再通过LED灯显示出转速的大小变化。 实验目的： （1）学习掌握模/数信号转换的基本原理。 （2）掌握的ADC0809、8255芯片的使用方法。 （3）学习PC系统中扩展简单I/O接口的方法。 （4）了解实现直流电机转速调节的基本方法。 实验要求： 利用微机接口实验系统的硬件资源，运用汇编语言设计实现直流电机的调速控制功能。 基本功能要求：1、利用A/D转换方式实现模拟量给定信号的采样；2、实现PWM方式直流电机速度调节；3、LED灯显示当前直流电机速度状态。 实验设备： （1）硬件要求： PC微机一台、TD-PIT实验系统一套 （2）软件要求：唐都编程软件，tdpit编程软件，“轻松编程”软件 实验原理： 各芯片的功能简介： （1）8255的基本输出接口电路： 并行接口是以数据的字节为单位与I/O设备或被控制对象之间传递信息，CPU 和接口之间的数据传递总是并行的，即可以同时进行传递8位，16位，32位等。8255可编程外围接口芯片是具有A、B、C三个并行接口，+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作：方式0—基本输入/出方式、方式1—选通输入/出方式、方式2—双向选通工作方式。
双闭环直流电机调速系统的设计与MATLAB 仿真 双闭环调速系统的工作原理 转速控制的要求和调速指标 生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标 调速范围D 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即 m in m ax n n D = （1-1） 静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 %1000 ??= n n s nom （1-2） 静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。 跟随性能指标 在给定信号R （t ）的作用下，系统输出量C (t )的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间r t ，超调量σ，调节时间s t . 抗扰性能指标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落%max C ?，恢复时间v t . 调速系统的两个基本方面 在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标，即
1) 动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求； 2) 起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求。 采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个问题。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流和转矩。 在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流I dcr 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1a 所示。 a) b) 图1-1 调速系统启动过程的电流和转速波形 a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 b) 理想快速启动过程 当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖 I d t 0 I 0 t
直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。
各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：