电机控制系统中的电机速度闭环控制

几种典型的步进电机闭环控制系统

默认分类 2010-08-15 13:46:09 阅读122 评论0

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步进电机的闭环控制系统

郭 宏（哈尔滨工业大学）

【摘要】 系统阐述了步进电动机闭环控制系统的优点，给出了几种典型的闭环控制系统，并提出了步进电动机高精度定位系统的设计思想。

【叙 词】步进电机闭环系统／高精度定位

l概述

步进电机是机电一体化产品中的关键元件之一，是一种性能良好的数字化执行元件。它能够将电的脉冲信号转换成相应的角位移，是一种离散型自动化执行元件。随着计算机控制系统的发展，步进电动机广泛应用于同步系统、直线及角位系统、点位系统、连续轨迹控制系统以及其它自动化系统中，是高科技发展的一个重要环节。

2步进电动机闭环系统与开环系统比较[1-5]

步进电机的主要优点之一是适于开环控制。在开环控制下，步进电动机受具有予定时间间隔的脉冲序列所控制，控制系统中无需反馈传感器和相应的电子线路。这种线路具有简单、费用低的特点，使步进电动机的开环控制系统得以广泛的应用。

但是，步进电机的开环控制无法避免步进电动机本身所固有的缺点，即共振、振荡、失步和难以实现高速。另一方面，开环控制的步进电动机系统的精度要高于分级是很困难的，其定位精度比较低。因此，在精度和稳定性标准要求比较高的系统中，就必须果用闭环控制系统。

步进电动机的闭环控制是采用位置反馈和（或）速度反馈来确定与转子位置相适应的相位转换，可大大改进步进电动机的性能。

在闭环控制的步进电机系统中，或可在具有给定精确度下跟踪和反馈时，扩大工作速度范围，或可在给定速度下提高跟踪和定位精度，或可得到极限速度指标和极限精度指标。步进电动机的闭环控制性能与开环控制性能相比，具有如下优点：

a．随着输出转矩的增加，二者的速度均以非线性形式下降，但是，闭环控制提高了矩频特性。

华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书

实验三十三 电机速度开环控制和闭环控制

（自动控制理论—检测技术综合实验）

一、 实验原理

1．直流电机速度的控制

直流电机的速度控制可以采用电枢回路电压控制、励磁回路电流控制和电枢回路串

电阻控制三种基本方法。三种控制方式中，电枢电压控制方法应用最广，它用于额定转

速以下的调速，而且效率较高。

本实验采用电枢控制方式，如图

33-1所示。本实验装置为一套小功率直

流电机机组装置。连接于被控制电机的

输出轴的是一台发电机，发电机输出端

接电阻负载，调节电阻负载即可调节被

控制电机的输出负载。发电机输出电压

兼作被控电机速度反馈电压。

2． 开环控制和闭环控制

由自动控制理论分析可知，负载的存在相当于在控制系统中加入了扰动。扰动会导

致输出（电机速度）偏离希望值。闭环控制能有效地抑制扰动，稳定控制系统的输出。

闭环控制原理方框图如图33-2。当积分环节串联在扰动作用的反馈通道（即扰动作用点

之前）时，即成为针对阶跃扰动时的I型系统，能消除阶跃信号扰动。

采用积分环节虽然能一定程度上消除系统的稳态误差，但是却对系统的动态性能

（超调量、响应时间）和稳定性产生不利影响。因此需要配合进行控制器的设计和校正

（采用根轨迹设计方法或频域设计方法）。

E

图33-1直流电机速度的电枢控制方式

图33-2 直流电机速度的闭环控制原理方框图

集学科优势 - - 求改革创新 11华中科技大学电气与电子工程学院实验教学中心 信号与控制综合实验指导书

此外，在扰动可以测量的情况下，采用顺馈控制也能有效地对扰动引起的跟踪误差

进行补偿，减轻反馈系统的负担，见图33-3。

CED

1GcG

2GR

图33-3 反馈＋顺馈控制方式消除扰动引起的误差

式中： 为控制器传递函数，也是扰动输入时的反馈通道传递函数； )(11sGG=

)(22sGG= 为被控对象（本实验中即被控直流电机）的传递函数； )(sGGcc= 为顺馈控制通道传递函数； R为指令输入，即希望的电机速度； C为输出被控量，即被控电机的输出速度； E为系统的稳态误差； D为系统的扰动输入，即电机的负载。

三相异步电动机(7.5KW电机）变频调速带PG闭环失量控制系统参数的设置与

应用（616G5）

学 校：华北电力大学

院 系：

专 业：电气工程及其自动化

指导教师:

姓 名：

学 号:

内蒙古农业大学电力拖动课程设计

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引 言

由于电力电子技术的不断发展和进步，伴随着新的控制理论的提出与完善，使交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速的发展。近年来，变频器的售价不断下降，而其使用功能却不断提升和扩大变频器的大量推广使用，在节能、省力化、自动化及提高生产率、提高质量、减少维修和提高舒适性等多方面都取得了令世人瞩目的应用效果。

内蒙古农业大学电力拖动课程设计

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目 录

一、交流调速系统概述 .................................................................................................... 3

二、变频调速系统............................................................................................................ 4

三、变频器的原理............................................................................................................ 6

四、电机选择及参数 ........................................................................................................ 9

速度闭环控制的作用

1. 什么是速度闭环控制

在控制系统中，速度闭环控制是一种基于反馈的控制方法，用于实现对系统运动速度的精确控制。速度闭环控制通过实时测量系统的速度，并与设定的目标速度进行比较，根据误差来调整控制器输出，从而控制系统的速度达到期望值。

速度闭环控制通常由三部分组成：传感器、控制器和执行器。传感器用于测量系统的速度，控制器用于计算误差并生成控制信号，执行器则根据控制信号来调整系统的速度。

2. 速度闭环控制的作用

速度闭环控制在许多领域中都有广泛的应用，其作用主要体现在以下几个方面：

2.1 精确控制系统速度

速度闭环控制可以实现对系统速度的精确控制。通过实时测量系统的速度并与设定的目标速度进行比较，控制器可以根据误差来调整控制信号，从而使系统的速度达到期望值。这对于一些对速度要求较高的系统非常重要，例如机械加工、自动化生产线等。

2.2 提高系统的响应速度

速度闭环控制可以提高系统的响应速度。通过实时测量系统的速度并与设定的目标速度进行比较，控制器可以快速调整控制信号，使系统能够更快地响应外部变化。这对于一些需要快速动态响应的系统非常重要，例如机器人、飞行器等。

2.3 抑制系统的振荡和波动

速度闭环控制可以抑制系统的振荡和波动。通过实时测量系统的速度并与设定的目标速度进行比较，控制器可以根据误差来调整控制信号，使系统能够更稳定地运行。这对于一些对稳定性要求较高的系统非常重要，例如电机驱动、风力发电机组等。

2.4 提高系统的负载能力

速度闭环控制可以提高系统的负载能力。通过实时测量系统的速度并与设定的目标速度进行比较，控制器可以根据误差来调整控制信号，使系统能够更好地适应外部负载的变化。这对于一些需要承载大负载的系统非常重要，例如起重机、电梯等。

3. 速度闭环控制的实现方法

速度闭环控制可以通过多种方法实现，其中常用的方法有以下几种： 3.1 PID控制器

PID控制器是一种常用的速度闭环控制方法。PID控制器通过比较实际速度和设定的目标速度来计算误差，并根据误差的大小来调整控制信号。PID控制器具有简单、易于实现和调节的特点，广泛应用于各个领域。