直流电机地PWM电流速度双闭环调速系统课程设计

摘要本文主要研究了利用MCS-51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

文章中采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

此外，本文中还采用了芯片IR2112S作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块来完成了在主电路中对直流电机的控制。

另外，本系统中使用了光电编码器对直流电机的转速进行测量，经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入到单片机进行PI运算，从而实现了对直流电机速度的控制。

在软件方面，文章中详细介绍了PI运算程序，单片机产生PWM波形的程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序实现，M法数字测速及动态LED显示程序设计，A/D转换程序及动态扫描LED显示程序和故障检测程序及流程图。

关键词： PWM信号直流调速双闭环 PI调节前言本文主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

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。

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。

运动控制课程设计-不可逆直流PWM双闭环调速系统运动控制课程设计-不可逆直流PWM双闭环调速系统一、设计背景和目的随着工业自动化的快速发展，运动控制系统的应用越来越广泛。

其中，不可逆直流PWM双闭环调速系统在许多场合具有重要作用。

本设计旨在加深对运动控制理论的理解，通过实际操作，掌握不可逆直流PWM双闭环调速系统的设计方法。

二、系统概述不可逆直流PWM双闭环调速系统主要包括电流反馈环和速度反馈环。

电流反馈环主要用于控制电流，速度反馈环则主要用于控制转速。

通过两个环路的协同作用，实现对电机转速的精确控制。

三、系统设计1.硬件设计本系统主要由功率电路、控制电路、检测电路和驱动电路组成。

功率电路包括PWM逆变器和整流器，用于实现直流电转换为交流电，并根据控制信号调节输出电压。

控制电路主要包括控制器和算法，用于实现对电流和转速的反馈控制。

检测电路包括电流检测和速度检测，用于实时监测电流和转速。

驱动电路包括PWM驱动器和H桥驱动器，用于驱动电机旋转。

2.软件设计本系统的软件部分主要包括电流控制环和速度控制环的实现。

电流控制环通过比较实际电流与设定电流的差值，运用PI（比例积分）控制算法调节PWM逆变器的输出电压，以实现对电流的精确控制。

速度控制环则通过比较实际速度与设定速度的差值，运用PI控制算法调节PWM驱动器的占空比，以实现对转速的精确控制。

两个环路之间采用串联连接，电流控制环作为速度控制环的内环，以实现对电流和转速的高效控制。

四、测试与分析1.测试方法为验证本系统的性能，需要进行电流控制环测试和速度控制环测试。

在电流控制环测试中，设定电流值，观察实际电流是否能够快速、准确地跟踪设定值。

在速度控制环测试中，设定转速值，观察实际转速是否能够快速、准确地跟踪设定值。

2.结果分析通过测试，可以发现本系统在电流控制环和速度控制环方面均具有较好的性能。

在电流控制环测试中，实际电流能够快速、准确地跟踪设定值，跟踪误差较小。

双闭环直流电机调速系统设计嘿，大家好！今天咱们聊聊一个挺酷的话题：双闭环直流电机调速系统。

虽然听起来有点像外星人的科技，但是其实它就是咱们日常生活中的一些电机背后的“聪明脑袋”。

没错，电动工具、电动汽车，甚至是你家那台洗衣机，都可能用到这种技术。

别担心，我会用简单易懂的语言，把这个“高大上”的话题聊得通俗易懂，让你像喝水一样轻松明白。

1. 什么是双闭环系统？首先，咱们得搞清楚什么是双闭环系统。

你可以把它想象成一辆高科技的赛车。

车上有两个智能系统，一个负责控制车速，另一个负责检查车速是不是正好。

第一个环节，叫做“速度闭环”，就像是车里的加速器，它根据你给的油门信号来调整速度。

第二个环节，叫做“电流闭环”，就是车上的仪表盘，它会实时监控实际速度和预定速度的差异，确保车速始终如你所愿。

两个环节相互配合，就像是赛车手的左右手，协作得天衣无缝。

1.1 速度闭环的作用速度闭环系统，简单来说，就是确保电机转得刚刚好。

你可以把它想成是你的车速表，告诉你车速到底快不快。

当你设定了目标速度后，速度闭环就会一直“盯着”电机的实际速度，看是不是达到了你想要的。

要是电机转得快了或者慢了，速度闭环会发出“警报”，让电机调整到正确的速度。

就像你开车的时候，如果超速了，车上的警报器就会提醒你：“嘿，慢点！”1.2 电流闭环的作用而电流闭环呢，就是确保电机在运行时不会超负荷。

你可以把它想象成你的车载电脑，时刻监控电机的“健康状态”。

如果电机的电流过大，就像是车上的发动机超负荷一样，电流闭环会自动调整电流，防止电机“过劳”工作，保障电机的长寿命和稳定性。

这就像车上的“健康检查”，时刻关注电机的“身体状况”，让它保持在最佳状态。

2. 如何设计双闭环系统？说到设计双闭环系统，那可不是简单的“煮熟的鸭子嘴里跑”，而是要细心雕琢的“工艺品”。

设计时，你需要考虑到很多细节，就像调配一杯完美的鸡尾酒一样，必须把每个成分都搭配得恰到好处。

2.1 控制器的选择首先，你得挑选一个靠谱的控制器。

SHi-MAML；皿;TI hlHI 门JI iljCi g ^iJtKJ-h直流拖动控制系统课程设计报告目: 双闭环直流调速系统设计院: 沈阳工业大学工程学院业: 电气工程及其自动化级: 1101 班名: 孔令慧号: 120112724指导教师: 佟维妍起止日期：2014年6月16日〜2014年6月22日设计概述.2... 第一章系统总体设计 3...1.1 系统电路结构 3...1.2 两个调节器的作用.4..第二章整体电路分析 6...2.1 电流环设计 6...2.2 转速环设计 6...2.3 典型 I 型系统介绍2.4 典型n型系统介绍.8..2.5 转速调节器的实现.9..2.6 电流调节器的实现.9..2.7 校核转速超调量9...第三章参数计算 1..03.1 相关参数 1...03.2 主要参数计算.1..03.2.1 电流环参数计算 1...03.2.2 转速环参数的计算 1..2 MATLAB 仿真 1..5课程设计体会 1...9.双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点。

在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电力拖动领域中发挥着及其重要的作用。

由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本人就直流电机调速进行了比较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，再进行双闭环直流电机设计方案的研究，用实际系统进行工程设计，并用所学的MATLABS 行仿真，分析了双闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。

在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计需从动态校正的需要来解决，设计每个调节器是，都必须先求该闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，对于经常正反转运动的系统，尽量缩短启、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。

为此，在电机最大允许电流和转矩受到限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，是电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而装入稳态运行。

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计一、系统概述二、系统设计原理1.速度内环设计原理速度内环的目标是实现对电机转速的闭环控制。

通过测量电机输出轴速度和设定速度值之间的差异，根据PID控制算法计算出控制信号，通过控制器输出的脉宽PWM信号调节电机的输出转矩，从而实现对电机速度的控制。

2.电流外环设计原理电流外环的目标是实现对电机电流的闭环控制。

通过测量电机的电流和设定电流值之间的差异，根据PID控制算法计算出电流控制信号，通过控制器输出的脉宽PWM信号调节电机的电流，从而实现对电机电流的控制。

三、系统构建要素1.电机驱动模块：用于控制电机的转矩和速度，并提供脉宽PWM信号输出接口。

通常使用MOSFET或IGBT作为功率开关元件。

2.速度测量模块：用于测量电机输出轴的转速，通常采用霍尔元件或编码器。

3.电流测量模块：用于测量电机的电流。

通常通过电流传感器或全桥电流检测器实现。

4.控制器：对测量的速度和电流数据进行处理，根据PID控制算法计算出合适的脉宽PWM信号，控制电机的转速和电流。

5.信号调理模块：用于对控制信号进行滤波和放大，以保证信号的稳定性和合理性。

6.反馈回路：将测量得到的电机速度和电流数据反馈给控制器，以实现闭环控制。

7.电源模块：为整个系统提供稳定的电源。

四、系统工作流程1.控制器通过速度测量模块获取电机的实际速度，并与设定速度进行比较计算出速度误差。

2.控制器通过电流测量模块获取电机的实际电流，并与设定电流进行比较计算出电流误差。

3.将速度误差和电流误差作为输入，经过PID控制算法计算出合适的脉宽PWM信号。

4.控制器将计算得到的脉宽PWM信号通过信号调理模块进行滤波和放大，然后输出到电机驱动模块。

5.电机驱动模块根据脉宽PWM信号的占空比调节电机的输出转矩和电流。

6.通过反馈回路将电机的实际速度和电流信息返回给控制器。

7.根据反馈信息对速度误差和电流误差进行修正，进一步优化脉宽PWM信号的计算。

UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面称为内环，转速环在外面，称作外环。

这就形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图2.双闭环的稳态结构图和静特性图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。

对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。

3.双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示，图中分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图中必须把电枢电流Id 显露出来。

图3 双闭环直流调速系统的动态结构图4.双闭环直流调速系统的调速方法调节转速可以有三种方法： （1）调节电枢供电电压U ； （2） 减弱励磁磁通Φ； （3） 改变电枢回路电阻R 。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

5.电流环、速度环的设计初始条件某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =；额定转速n 1460rpm =,0.132min/e V r C =⋅，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=；转速反馈系数0.007min/V r α=⋅。

单片机原理及应用—— P W M直流电机调速控制系统概括直流电动机具有良好的启动性能和调速特性。

具有起动转矩大、调速平稳、经济大范围、调速容易、调速后效率高等特点。

本文设计的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、霍尔测速电路和独立按键组成的电子产品组成。

电源采用78系列芯片，采用PWM波方式实现电机+5V、+15V调速，PWM为脉宽调制，通过51单片机改变占空比实现。

通过独立的按键实现电机的启停、调速和转向的手动控制，LED实现测量数据（速度）的显示。

电机转速采用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机统计1秒内方波脉冲个数，计算电机转速，实现直流电机的反馈控制。

关键词：直流电机调速； H桥驱动电路； LED显示屏; 51单片机目录摘要2摘要错误!未定义书签。

目录3第 1 章引言41.1 概述41.2 国外发展现状41.3 要求51.4 设计目的及6第 2 章项目论证与选择72.1 电机调速模块72.2 PWM调速工作模式72.3 PWM脉宽调制方式错误!未定义书签。

2.4 PWM 软件实现错误!未定义书签。

第三章系统硬件电路设计83.1 信号输入电路83.2 电机PWM驱动模块电路9第 4 章系统的软件设计104.1 单片机选型104.2 系统软件设计分析10第 5 章 MCU 系统集成调试135.1 PROTEUS 设计与仿真平台错误!未定义书签。

18传统开发流程对比错误!未定义书签。

第一章简介1.1 概述现代工业的电驱动一般要求部分或全部自动化，因此必须与各种控制元件组成的自动控制系统相联动，而电驱动可视为自动电驱动系统的简称。

在这个系统中，生产机械可以自动控制。

随着现代电力电子技术和计算机技术的发展以及现代控制理论的应用，自动电驱动正朝着计算机控制的生产过程自动化方向发展。

以实现高速、高质量、高效率的生产。

在大多数集成自动化系统中，自动化电力牵引系统仍然是不可或缺的组成部分。

直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统课程设计LT一、设计目标与技术参数直流电机的PWM电流速度双闭环调速系统的设计目标如下：额定电压：U N=220V；额定电流：I N=136A；额定转速：n N：=1460r/min；电枢回路总电阻：R=0.45Ω；电磁时间常数：T l=0.076s；机电时间常数：T m=0.161s；电动势系数：C e=0.132V*min/r；转速过滤时间常数：T on=0.01s；转速反馈系数α=0.01 V*min/r；允许电流过载倍数：λ=1.5；电流反馈系数：β=0.07V/A；电流超调量：σi ≤5%；转速超调量：σi≤10%；运算放大器：R=4KΩ；晶体管PWM功率放大器：工作频率：2KHz；工作方式：H型双极性。

PWM变换器的放大系数：K S=20。

二、设计基本原理（一）调速系统的总体设计在电力拖动控制系统的理论课学习中已经知道，采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。

这主要是因为在单闭环调速系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。

如图2-1所示。

图2-1 直流调速系统启动过程的电流和转速波形用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。

在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。

直流双闭环调速系统的结构图如图2-2所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。

其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。

4•仿真实验95•仿真波形分析13三、心得体会14四、参考文献161•课题研究的意义从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。

双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。

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。

就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。

且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。

2•课题研究的背景电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。

从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件-IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。

每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。

同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。

正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。

(3-16) 取：(3-17) ◎i=4.3%<5%，满足课题所给要求。

3.3速度调节器设计电流环等效时间常数1/K。

取KT乙=0.5,贝IJ：1二2X0.0067二0.0134K(3-15)转速滤波时间常数T on。

摘要：在转速反馈单闭环控制的基础上，设计增加了电流负反馈，形成了转速、电流反馈控制的双闭环调速系统，并在该系统中设计了两个调节器分别调节转速和电流，提高了直流电机调速系统的调速性能、调速精度、系统稳定性等。

关键词：直流电机；调速系统；双闭环；PI调节0 引言在机械工程中，由于生产需要，电机频繁处于启动、制动、反转过程，因此电机的启动和制动时间在很大程度上决定了其生产效率。

为了缩短时间，采用转速负反馈的单闭环调速系统很难达到要求，而双闭环直流调速系统在单闭环控制的基础上增加了电流负反馈，获得了良好的性能。

1 他励直流电机的调速方法他励直流电机的机械特性是指在励磁电流、电枢电压和电枢回路总电阻一定的条件下，转速与电磁转矩的关系，即n=f（T）。

他励直流电动机的机械特性表达式为：式中，n0为理想空载转速；U N为电机额定电压；C E为直流电机的电动势常数；C T是电磁转矩常数；Ф是励磁磁通；R a是电枢电阻；T e m为电磁转矩；β为机械特性斜率，β越小，机械特性越硬。

他励直流电动机固有机械特性如图1所示。

图中n N为电机额定转速，T为额定电磁转矩。

N他励直流电动机的调速方法有降低电枢电压的调速、降低电枢回路串电阻的调速和减弱磁通的调速3种。

2 双闭环直流调速系统的设计电动机调速系统（V-M系统）是通过调节晶闸管的控制角改变电动机电枢电压进而实现调速的，转速受负载影响比较大，因难以保持转速的稳定而无法满足生产工艺要求。

所以，本文设计引入转速负反馈，根据转速的偏差自动调节整流电路的输出电压，从而保持转速稳定。

为缩短启动时间，又加入了电流负反馈电路，形成双闭环控制电路，如图2所示。

图2中的电流环ACR以跟随性能为主，采用PI型的电流调节器，其传递函数如下：式中，为电流调节器的比例系数；为电流调节器的超前时间常数，s是拉普拉斯变换参数。

环ASR也采用PI型的转速调节器，其传递函数如下：式中，为转速调节器的比例系数；为转速调节器的超前时间常数]，s是拉普拉斯变换参数。