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课程设计--直流电机调速控制系统设计指导教师评定成绩：审定成绩：**********课程设计报告设计题目：直流电机调速控制系统设计学校：********************学生姓名：**********专业：********************班级：***********学号：**************指导教师：*****************8设计时间：2013 年12 月目录引言 (3)一、直流电动机的工作原理 (4)二、直流电动机的结构 (5)三、直流电动机的分类 (6)四、电动机的机械特性 (7)五、他励直流电动机起动 (10)六、他励直流电动机的调速方法 (11)七、PWM调制电路 (14)八、H桥驱动电路 (14)九、直流电动机调速控制系统设计 (15)十、心得体会 (22)附录参考文献 (23)课程设计任务书 (23)引言现代工业生产中，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。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。
一、总体设计概述本设计基于8051单片机为主控芯片，霍尔元件为测速元件， L298N为直流伺服电机的驱动芯片，利用 PWM调速方式控制直流电机转动的速度，同时可通过矩阵键盘控制电机的启动、加速、减速、反转、制动等操作，并由LCD显示速度的变化值。
二、直流电机调速原理根据直流电动机根据励磁方式不同，分为自励和它励两种类型，其机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速，总满足下式：式中U——电压；Ra——励磁绕组本身的内阻；——每极磁通（wb ）;Ce——电势常数；Ct——转矩常数。
由上式可知，直流电机的速度控制既可以采用电枢控制法也可以采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但是低速时受到磁场和磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
电枢控制法在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。
传统的改变电压方法是在电枢回路中串连一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低，平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。
随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制法。
如：由交流电源供电，使用晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制（PWM）调压等。
调压调速法具有平滑度高、能耗低、精度高等优点，在工业生产中广泛使用，其中PWM应用更广泛。
脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电．压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如果电机始终接通电源是，电机转速最大为Vmax，占空比为D=t1/t，则电机的平均转速：Vd=Vmax*D，可见只要改变占空比D，就可以调整电机的速度。
平均转速Vd与占空比的函数曲线近似为直线。
序号（学号〉： 161240303长春大学 毕业设计（论文）直流电机速度PID 控制系统设计李一丹国际教育学院自动化1612403曹福成2016 年 5 月 30 0姓 名 学 院 专 业 班 级 指导教师直流电机速度PID控制系统设计摘要：针对现有的直流电机控速难的问题，本文设计了一种基于ATmegal6L单片机的直流电机速度控制系统。
本系统以ATinegal6L单片机为主控制器，搭载了L298n为电机驱动，通过霍尔元件进行测速，通过按键控制电机的转动方向和转动速度，并配以温度传感器DS18B20对温度进行监测，通过PID算法调节PW\1 进行对速度控制。
该系统包括的模块主要有单片机为主体的控制模块、电机的驱动模块、对电机速度进行监测的模块、由LCD1602构成的显示ky r模块、电源模块和按键控制模块等。
本系统可以通过PID算法实现可编程脉宽波形对直流电机的速度进行控制，并且可以显示出当前电机的转速。
关键词：单片机；PID算法；直流电机The design of DC motor speed control system with PID Abstract: According to the existing DC motor speed control problem, this paper describes the design of a DC motor speed control system based on ATmegal6L MCU. To ATMEGA16L microcontroller as the main controller for the system, equipped with a L298n for motor drive, through the hall element of speed, through the buttons to control the motor rotation direction and the rotation speed, and the temperature sensor DS18B20 the temperature monitoring, PID algorithm is used to adjust the PWM control of the speed. The system includes the following modules display microprocessor control module, as the main body of the motor drive module, monitoring module, the speed of motor is composed of LCD1602 module, power supply module and key control module.This system can realize through PID algorithm to control the speed of the programming pulse waveforms of DC motor, and can display the current motor speed.Keywords: single chip microcomputer, PID algorithm, DC motor ky r戈ml ml ——II —In —In | * 11—I 1111 ml 1111目录Bit (1)l.i选题背景及意义 (1)1.2国内外研宄现状 (2)1.3木文主要研究的内容 (3)第2章总体方案论述 (4)ky r2.1系统主要传感器介绍 (4)2.1.1温度传感器 (4)2.1.2转速检测模块 (5)2.2系统总体功能及方案选择 (6)2.2.1系统所需模块及功能 (6)2.2.2主控制器选择 (8)第3章系统总体硬件设计 (10)3.1单片机最小系统 (10)3.1.1ATmegal6L单片机的引脚分布 (10)3.1.2最小系统的硬件电路 (13)3.2电机驱动电路 (14)3.3温度检测电路 (15)3.4光电管提示电路和按键控制电路 (15)3.5LCD1602 显示电路 (16)3.6电源电路 (17)3.7本章小节 (18)第4章系统软件设计 (19)4.1系统总体流程图 (19)4.2 PID算法简介 (19)4.2.1PID算法介绍 (20)4.2.2HD算法结果 (21)4.3系统调试步骤 (21)4.4误差分析即改进方法 (22)给论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)隱 (26)附录I系统总体硬件电路图 (26)附录II系统中部分程序 (27)ky r In—ml ml ml ml | , I af—.第1章绪论1.1选题背景及意义电动机简称电机，俗称马达，在现实生活中，我们处处都可以见到电机的身影，小到小学生玩的电动四驱车，大到炼钢厂用的滚动罐，这些都是电机家族的成员。
并励直流电动机电压调速设计引言并励直流电动机是一种常见的电动机类型，广泛应用于工业和交通领域。
在实际应用中，为了满足不同的工作要求，需要对电机的速度进行调节。
电压调速是一种常用的调速方式，通过改变电机的电压来控制电机的转速。
本文将介绍并励直流电动机电压调速的设计方法和相关技术。
电压调速原理电压调速是通过改变电压来改变电动机的励磁电流和电机的转矩，从而实现对电机转速的调控。
在并励直流电动机中，电压调节的主要作用是改变电机的励磁电压，进而改变电机的励磁电流。
电机的转矩与励磁电流成正比，而转速与转矩成反比，因此通过调节电压可以实现电机转速的调节。
电压调速设计步骤步骤一：确定负载要求在进行电压调速设计之前，首先需要确定电机所需的转速范围和转矩要求。
根据负载特性曲线和工作过程来确定电机转速和转矩的变化范围。
步骤二：确定电源电压根据电机的额定电压和负载要求，确定电源电压的范围。
通常情况下，电源电压要略高于电机的额定电压，以保证电机能够在负载变化时正常运行。
步骤三：电机参数计算根据电机的额定电压、功率和负载要求，计算出电机的励磁电流和励磁电压。
根据电机的励磁特性曲线和转速-转矩特性曲线，选择合适的励磁电流和励磁电压。
步骤四：选择电压调节器根据电机的额定电压和负载要求，选择合适的电压调节器。
常用的电压调节器有直流稳压电源、可逆变器和直流-直流变换器等。
需要根据实际情况选择合适的电压调节器。
步骤五：设计电路和控制系统根据电机和电源的参数，设计电路和控制系统。
电路设计包括电源电压调节电路、电机励磁电路和电机控制电路。
控制系统设计包括转速反馈和电压调节。
步骤六：进行仿真和实验验证通过仿真和实验验证来验证设计的电压调速系统的性能和稳定性。
通过调整电压调节器和控制系统的参数，使电机能够在不同负载下稳定工作，并满足转速和转矩的变化要求。
结论电压调速是一种常用的并励直流电动机调速方法，通过改变电机的电压来控制电机的转速。
在电压调速设计中，需要确定负载要求、电源电压和电机参数，并选择合适的电压调节器进行电路和控制系统的设计。
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。
改变晶闸管触发电路的移相控制电压U，就可改变触发脉冲的控制角。
1 绪论1.1 课题的研究背景和意义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。
长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。
由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。
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 (PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。
这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。
五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。
首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。
再到脉宽调制 (PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。
另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。
随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。
以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。
由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。
技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。
目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。
姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。
该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。
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
(2-4)
消去中间变量,,后得到
(2-5)
整理后
(2-6)
式中：称为直流电动机的电气时间常数；称为直流电动机的机电时间常数；
,为比例系数。
直流电动机电枢绕组的电感比较小，一般情况下可以忽略不计，式（2-6）可简化为
(2-7)
图2.1 直流电动机
忽略Mr扰动后，则直流电动机微分方程为
经拉斯变后得:
1
1
)(+=
S T K G m s
所以直流电动机就等效为以个惯性环节，即：
2.2测速发电机数学模型
测速发电机的输出电压i u 和转速ω成正比，即有
i u = K t ω
式中K t 是测速发电机比例系数，经拉斯变换为一比例环节：
2.3功率放大器数学模型
常用的直流功率放大器有集成功率放大器、PWM 功率放大器、晶闸管功率放大器三种。
其中PWM 是一个电压脉冲变换装置，其PWM 波形信号经功率放大输出以驱动直流电机，实现调速控制。
在采用PWM 控制的系统中，由于开关频率远大于电机频率，靠电枢的滤波作用，脉冲交流并不会对直流电机造成影像。
PWM 还有独特的“动力润滑作用”使电机的低速平滑换向性好。
当使用PWM 功放时候，它可以等效为一个惯性环节，即：
2.4系统传递函数
两个比例放大器均可等效为比例环节，因此此控制系统经等效后结构框图为：
由此可得此系统的闭环传递函数为
()1
321323321)(++++=
m m m m
s K K K K S T T S T T K K K K G
经忽略和简化后可得
K
S TS K
G s ++=
2
)( 其中m m T T T T T +=
33 ， 3
321T T K
K K K K m m +=
第三章：系统性能分析
经过对一般电机和控制系统的研究取K=2,T=0.6s. 系统的单位阶跃响应表达式及动态性能指标
及。
系统的闭环传递函数为
上式中
83.1==
T
K
n ω
456.021==
TK
ξ
63.112=-=ξωωn d
834.0==n ξωσ
︒-==63cos 1ξβ
3.1系统稳定性分析
系统的特征方程为：2s +1.67s+3.35=0 列劳斯表如下：
2s 1 3.35
1s 1.67 0
0s 3.35
由劳斯表可得此系统稳定。
3.2动态性能
系统的单位阶跃响应为
= 1-1.12)6363.1sin(834.0︒
+-t t e
s t d
r 17.1=-=
ωβ
π s t d
p 93.1==
ωπ
s t n
d 72.07.01=+=
ωξ
2.45
.3==
σs t s(5%的误差)
4.55
.4==
σ
s t s(2%的误差)
%23%100%2
1=⨯=--ξπξ
σe
3.3稳态误差
系统误差传递函数为：
图3-1
二、斜坡输入作用下的稳态误差与静态速度误差系数
2)(1S
R s =
21
)()(0
lim
lim ===-→→νS K
H SG K s s s s v 2
1
1)()(0
lim ==
→s s s ss H G e
通常把此稳态误差称为速度误差。
但是必须注意，速度误差的含义并不是指系统稳态
输出和输入之间存在速度上的误差，而是指系统在速度输入作用下，系统稳态输出和输入之间存在位置上的误差。
对于本系统来说，稳态输出速度恰好和输入速度相同，但存在一个稳态位置误差。
三、加速度输入作用下的稳态误差与静态加速度误差系数
2
2
)(t r t =
结论
通过本次设计，对直流电动机和反馈控制有了更深的了解和掌握。
本此设计的重点之一就是抽象数学模型，求出传递函数，求出系统的传递函数以后，关于系统各种性能的分析就相对简单一些，但是系统的各项指标是判断系统控制好坏的重要标准，因此性能分析不能小视！通过对系统性能的分析以后，根据对系统性能的要求，在原系统的基础之上进行校正。
通过各种分析和适当的校正，系统满足了对其提出的要求，就能平稳的工作，很好地执行电机的各种功能。
设计体会
在本次的设计中，感受最深的就是理论和实际的区别，本以为自控学的还可以，设计就不会太难，但是设计开始之后，就感到了知识的肤浅，要想做一个好设计必须对知识有深刻的理解和准确的把握。
虽然完成了课程设计，但我认为存在许多不足。
我觉得在以后的学习中应注意理论和实际的联系。
在以后的学习中要做到：
1.认真阅读与钻研参考资料。
2．系统学习和重点深入相结合。
在全面系统学习教材的基础上，对重点知识点进行深入的学习，掌握重要原理和概念，以便更好地把握本课程的全部内。
3. 重视理论联系实际，提高分析问题、解决问题的能力。
4. 保证必要的学习时间。
根据本课程特点和自身的实际情况，合理设计内容和自学
时间。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理. 科学出版社2001 2
[2]易继锴，现代控制系统设计，北京工业大学出版社1992 3
[3]李友善.自动控制原理. 国防工业出版社2003
[4]刘修文.实用电子电路图解中国电力出版社2006。
