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直流电机调速控制器的设计说明

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第 1 页 共 3 页 成绩 理工大学 电气与电子工程学院

课程设计说明书

设计题目： 直流电机调速控制器的设计 专业班级： 电气 班 学生： 学 号： 指导教师： 孟繁玉 起止日期： 2010.6.21-2010.7.4 第 1 页 共 3 页

直流电机调速控制的设计 摘要：本课程设计介绍了直流电机的调速原理，在此基础上，以MCS-51单片机

为控制核心，设计了直流电机调速控制系统的外围电路：用8255A芯片进行I/O口扩展，用DAC0832芯片进行D/A转换，经DAC外围放大电路改变输出电压，从而对直流电机进行转速控制，利用霍尔元件对直流电机的转速进行采集，并送到单片机。此外，还有对速度给定的矩阵式键盘和速度显示电路。利用以上各个部分实现了对直流电动机速度设定、显示、采集及快速平滑控制的功能。软件的实现上采用P I（比例--积分）控制算法，使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差调速。最后，给出系统程序流程图。 利用MCS-51单片机进行直流电机调速具有简化系统结构，降低成本，提高系统可靠性和实用性具有重要意义。 关键字：直流电机 MSC-51单片机 PI控制

Abstract：This course introduces the design principle of DC motor speed

control，on this basis, to MCS-51 microcontroller as the control center designed DC motor speed control system of the external circuit: The 8255A chip I / O port expansion, with the DAC0832 chip D / A converter, the external amplifier to change by the DAC output voltage, thus DC motor speed control, use of the Hall element of the DC motor speed were collected and sent to the microcontroller. In addition, given the speed and the speed of the keyboard matrix display circuit. Using the above realization of the various parts of DC motor speed setting, display, acquisition and control functions quickly and smoothly. Software implementations using PI (proportional - integral) control algorithm, so that the motor speed to static non-poor to achieve the speed difference between the static-free. Finally, system program flow chart is given. MCS-51 microcontroller using DC Motor with simplified system structure, reduce costs, increase system reliability and availability is important.

Keywords: DC motor MCS-51 Microcontroller PI Control 第 1 页 共 3 页

目录 1.前言……………………………………………………………… (03) 2系统总体设计原理……………………………………………… (03) 3转速采集电路设计……………………………………………… (05) 4单片机小系统设计……………………………………………… (07) 5键盘与显示电路设计…………………………………………… (08) 6 D/A转换电路及DAC外围电路设计…………………………… (10) 7转速PI控制设计……………………………………………… (12) 8软件流程图……………………………………………………… (13) 9结论……………………………………………………………… (16) 10致……………………………………………………………… (16) 11参考文献…………………………………………………………(16) 第 1 页 共 3 页

1、前言 当今，自动化控制系统在各行各业得到了广泛应用和发展。而直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大围平滑调速，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。 本设计是研究对直流电机调速的自动控制装置，是直流电机实现平滑准确调节速度达到预设值。本课题主要是利用单片机来构成控制系统。主要包括：单片机、霍尔元件速度采集电路、直流电机、DAC0832、键盘、显示器等几部分组成。首先对预定速度进行设置，并通过数码管显示出来。利用霍尔元件对直流电机的转速进行实时测量采集，送入单片机利用软件技术与给定的转速进行比较控制。软件的实现上采用P I（比例--积分）控制算法，使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。把校正后的结果经过DAC0832进行模数转换，把控制系统的数字量变为电压值输出，再经过驱动放大电路对直流电机进行调速控制。并将转速显示出来。从而实现快速的调节电机转速。 2、系统总体设计原理

2.1调速原理 由直流电机的速度公式n=(Ua-IaRa)/CeΦ,其中n是电机转速，Ua是电枢电压，Ia是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电极常数，Φ是电机的励磁磁通。对于极对数是p，匝数是n，电枢支路数为a的电机来说Ca是常数。由于Ra为电枢回路电阻故其值很小，通过调节电阻改变转速的效果不明显。如果通过调节磁通量，对于它励电机其有外接的电源电压决定。故一般通过改变电枢电压来达到调节转速的目的。直流电机原理图如下： 第 1 页 共 3 页

IaRa

MUa

+

-r

图2.1 直流电机原理图 2.2系统总体组成原理框图 系统的原理框图如下图所示，主要包括：单片机、霍尔元件速度采集电路、直流电机、DAC0832、键盘、显示器等几部分组成。

显示器

键盘单片机（速

度的输入设定、测量计算，PI运算控制）

霍尔元件速度采集电路

直流电机D/A转换电路、DAC外围放大电路

图2.2 直流电机调速系统的总体设计框图 2.2.1 单片机 这里利用的是MSC-51单片机，实现速度测量计算、输入设定机系统控制、PI运算控制。 速度测量利用T1作为计数来计有霍尔元件送来的脉冲数，T0作为定时器。则定时T0产生50ms定时中断，在T0的中断程序中也采用软件计数器对中断次数计数。当软件计数器值为20时（即中断20次为1s），读出读出此脉冲计数值计算出转速并送显示器显示，用此转速与设定的转速值进行比较。所得到的误差经过PI调节，若实际速度大于设定值则输出电压值下降，反之则增加输出电压 第 1 页 共 3 页

值，实现对电机的调速。 2.2.2 键盘 此处键盘使用的是矩阵式键盘，用扩展的8255的PC0、PC1、PC2、PC3作为其行输入口，PC4、PC5、PC6作为其列输出口。由于只显示0~9十个数字故只需用3×4的矩阵式键盘即可。 2.2.3显示器 在此选用四个共阴极数码管显示转速，将其连接到I/O口芯片8255A，其中PA口为段口，PB口的前四个作为位选。采用动态扫描显示。当有键盘输入中断产生时，显示键盘输入的给定转速，其余情况下显示电机实际转速。 2.2.4 D/A转换、DAC外围放大电路 采用DAC0832作为D/A转换、DAC外围放大电路，DAC0832是一个八位并行的D/A转换器。其作用是将单片机输出的数字信号转换为模拟量输出，并将电流信号转化为电压信号输出，实现对电机的电枢电压的控制。为了实现直流电机的正反转采用双极性输出电路。 DAC0832直接与单片机相连，其部没有运算放大器使用时需要外接运算放大器，但这也提供了设计的灵活性，并在此时将输出的电流信号变为双极性电压信号输出。 2.2.5 霍尔元件速度采集电路 霍尔元件是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小耐高温等特性。 将一块永久磁钢固定在直流电机转轴上的转盘边沿，转盘随转轴旋转，磁钢也跟着同步旋转。在转盘附近安装一个霍尔开关传感器，当转盘随转轴同步旋转时，受磁钢产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，器脉冲信号的频率和转速成正比。这样只要测出脉冲信号的频率或者周期即可求出直流电机的转速。 3 转速采集电路设计

3.1 转速测量原理 -- 测频法

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双闭环直流调速系统设计

双闭环直流调速系统设计

一、课程设计目的在《电机与拖动》、《电力电子技术》、《伺服系统》和《电力拖动自动控制系统》课程知识的基础上，完成课程的综合性设计。

通过课程设计环节的训练，包括设计方案的论证、参数计算、系统仿真和设计报告的撰写，掌握系统综合应用项目的设计流程和方法，加深对完整项目开发的的理解和掌握，培养应用系统的设计能力，初步积累双闭环直流调速系统的设计方法，以及分析问题和解决问题的能力，并进一步拓宽专业知识面，培养实践应用技能和创新意识。

电力系统综合课程课程设计是电气工程及其自动化专业的一门专业课程，它是一次综合性的理论与实践相结合的训练，也是本专业的一次基本技能训练，其主要目的是：1、理论联系实际，掌握根据实际工艺要求设计电力拖动自动控制系统的基本方法。

2、对一种典型的双闭环调速自动控制系统进行综合性分析设计，掌握各部件和整个系统的设计调试步骤、方法及操作实际系统的方法。

加强基本技能训练。

3、掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力。

4、培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理能力及编写设计说明书和技术总结报告的能力。

为下学期毕业设计作准备。

5、通过设计熟练地查阅有关资料和手册。

二、课程设计内容与要求1、本课程设计的对象直流伺服电机：学生自行查找电机型号直流测速机：学生根据设计任务选择2、本课程设计的内容要求设计一个直流双闭环调速系统。

其主要内容为：1、测定综合实验中所用控制对象的参数（在实验室完成）。

2、根据给定指标设计电流调节器和转速调节器，并选择调节器参数和具体实现电路。

3、按设计结果组成系统，以满足给定指标。

4、研究参数变化对系统性能的影响。

5、在时间允许的情况下进行调试。

3、本课程设计的设计要求a.调速范围D＝5～10，静差率S≤5％。

b.空载启动时电流超调σi≤5%,转速超调σn≤10%(在额定转速时)。

c.动态速降小于10％。

d.振荡次数小于2次。

直流电机调速电路

直流电机调速电路

1 绪论1.1 直流调速的优点直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。

它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试的过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难，将SIMULINK 用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。

同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK，它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。

它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。

1.2 本人的主要工作本文采用工程设计方法对转速、电流双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择适当的调节器结构，进行参数计算和近似校验，并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。

2 方案选择及系统工作原理2.1 电动机参数及设计要求1、输入三相交流电压：380 V2、电机额定功率和转速：自定3、要求电动机转速在（30%~100%）n N 范围内可调。

设参数如下：直流电机额定电压220V N U =，额定电枢电流136A N I =，额定转速1460rpm N n =，电枢回路总电阻0.5Ωa R =，电感0.012H a L =，励磁电阻240f R =Ω，励磁电感120H f L =，互感 1.8H af L =，0.132Vmin r e C =，允许过载倍数 1.5λ=。

交直流调速-谭唯

交直流调速-谭唯

《交直流调速系统》课程设计说明书双闭环晶闸管直流调速系统设计院、部：电气与信息工程学院学生姓名：谭唯指导教师：李建军专业：自动化班级：自动化1304班完成时间：2016年4月30日《交直流调速系统》课程设计课题任务书学院：电气与信息工程学院专业：自动化摘要本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。

但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，电流调节器可以起到限制电流作用，转速调节器可以稳定转速作用，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器ASR 的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。

本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。

关键词：双闭环直流调速系统，ACR，ASR，晶闸管，直流电动机，MATLABABSTRACTThis thesis accomplishes the design of revved circle system about the direct current. According to the outcome of this experiment, we get a direct and accurate observation of the process of revving and the operation of the current system, therefore we can easily obtain the convenience to design out a variety of regulating parameters, monitoring strategies, and we indeed acquire efficient results after careful analyses about the multi-systematic function of the regulator. However, how should we tackle and relation between the control of revving and current controlling? That remains a problem.After repeated investigation and practice , it’s discovered that current regulator is able to refrain current running, rev up and stabilizethe speeding. If we inset two regulators in the system, in which one is set for the speed and the other for the current, and then link them in series to establish the output of ASR revving regulator as the input of ACR current regulator. Next, if making the output of current regulator as a trigger device of the thyristor, we could coordinate, mutualize and supplement each other function.This thesis makes use of the simulink component to emulate the running mode of direct current system, which is embodied in the MATLAB software. As is shown in the result, it is fairy convenient, highly efficient and reliable to apply MATLAB system to emulate the real situation.Key words：revved circle system about the direct current；ACR；ASR；thyristor；direct current electromotor；MATLAB目录1 绪论 (3)2 转速电流双闭环直流调速系统的组成及原理 (4)2.1 系统的组成 (4)2.1.1 系统组成框图 (4)2.2 系统的原理 (5)2.3 系统稳态结构框图 (5)2.4 系统动态结构框图 (6)3 电动机供电方案的选择 (6)3.1 整流器主电路结构形式的选择方案 (7)4 相关装置选择与参数计算 (7)4.1 三相全控桥式整流电路相关参数 (7)4.2 整流变压器二次相电压的计算 (8)4.2.1 整流变压器的选择 (8)4.2.2 整流变压器的参数计算应考虑因素 (8)的计算 (8)4.2.3 二次相电压U24.3 整流变压器二次相电流的计算 (8)4.3.1 二次相电流I2的计算 (8)4.4 变压器的容量计算 (9)4.5 整流器的计算 (9)4.5.1 晶闸管选择 (9)4.6 平波和均衡电抗器 (9)4.6.1 平博和均衡电抗器在主回路中的作用和布置 (9)4.6.2 平波和均衡电抗器选择 (10)4.7 晶闸管保护 (11)4.7.1 提出问题 (11)4.7.2 解决措施 (11)4.8 触发装置的选择 (12)5 调节器的设计 (12)5.1 设计调节器的原则 (12)5.2 电流调节器ACR的设计 (14)5.2.1 确定时间常数 (14)5.2.2 选择电流调节器的结构 (14)5.2.3 计算选择电流调节器的参数 (14)5.2.4 校验近似条件 (15)5.2.5 计算电流调节器的电阻与电容参数 (15)5.3 转速调节器ASR的设计 (16)5.3.1 电流环的等效闭环传递函数 (16)5.3.2 确定时间常数 (16)5.3.3 选择转速调节器结构 (17)5.3.4 计算转速调节器的参数 (17)5.3.5 校验近似条件 (17)5.3.6 计算转速调节器的电路参数 (18)6 电气原理总图及MATLAB仿真图 (18)7 工程上应注意的问题 (21)7.1 转速的退出饱和超调量和稳态转速有关 (21)7.2 反电动势对转速和转速退出饱和超调量的影响 (21)7.3 磁通对转速的影响 (21)心得体会 (22)参考文献 (23)致谢............................................... 错误！未定义书签。

直流伺服电机控制系统设计

直流伺服电机控制系统设计

电子信息与电气工程系课程设计报告设计题目：直流伺服电机控制系统设计系别：电子信息与电气工程系年级专业：学号：学生姓名：2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书摘要随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。

数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。

单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。

本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。

对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。

同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。

关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB目录1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。

2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。

微控制器................................................ 错误!未定义书签。

DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。

运算放大器............................................... 错误!未定义书签。

按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。