自动控制课程设计
——直流电机PI控制器稳态误差分析
班级：11级电信班
学号：111102051
姓名：
指导教师：
日期：2013.12.20
摘要
扰动能够影响一个的反馈系统的正常运行，而且平时设计的自动控制系统有时难免会受到扰动的影响，这时就要能够很好的处理扰动这个外作用。只有处理好扰动对系统的影响，我们的系统才能像们所希望的那样很好的实现功能。本设计是一个直流电机控制系统，电机转速是系统的输出信号，负载转矩是系统的扰动信号，目的是为了探讨参考输入和扰动输入分别对系统的影响，当然这是完善系统的基本前奏。
在本设计中，通过一些原理、方案，使系统能够达到一定的要求。并用MATLAB软件验证自己的计算，从而进行校正、检验。可见，不仅要能够掌握自动控制原理的一些基本知识，还要有熟练运用MATLAB软件的能力，因此在做设计之前要查找充分的资料，并在设计中也勤查资料，只有这样才能全面的、准确的完成课程设计，并能运用MATLAB解决问题。作为学生，不要仅满足于运用MATLAB完成自己的任务，自己要利用这样的好机会，全面的掌握MATLAB的运用，为以后熟练运用MATLAB打下很好的基础。总之，不能仅满足于老师布置的任务，自己要想在课设中有很好的提高，就要勤查资料，严格要求自己，充分利用图书馆、同学一些资源。
关键字：扰动反馈系统 MATLAB
目录
1设计要求 (2)
2设计原理 (2)
3设计方案 (3)
4设计分析与计算 (3)
4.1系统微分方程 (3)
4.2 k
P 和k
i
的值 (4)
4.3稳态误差（以R为输入） (4)
4.4稳态误差（以W为输入） (5)
5仿真程序、波形及结果分析 (6)
5.1 MATLAB表示传递函数 (6)
5.2单位阶跃参考输入的系统响应曲线 (6)
5.3单位斜坡参考输入的系统响应曲线 (8)
5.4单位阶跃扰动输入的系统响应曲线 (9)
5.5单位斜坡扰动输入的系统响应曲线 (10)
6 心得体会 (11)
参考文献 (11)
直流电机PI 控制器稳态误差分析
1设计要求
已知一直流电机控制系统的方框图如图1-1所示，其中Y 为电机转速，a v 为电枢电
压，W 为负载转矩。令电枢电压由PI 控制定律求取，PI 表达式为：)(0
?+=t
I p a edt k e k v ，其中e=r-y 。
图1-1 直流电机控制系统的方框图
通过初始条件完成以下任务:
（1）写出以R 为输入的直流电机控制系统微分方程；
（2）试求kP 和kI 的值，使闭环系统的特征方程的根包括30j 30±-；
（3）计算在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入、单位阶跃扰动输入、单位斜坡扰动输入时系统的稳态误差；
（4）用Matlab 证明你的上述答案，并画出系统响应曲线；
（5）对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析的过程，附Matlab 源程序仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。
2设计原理
对于所给的系统得结构图，R(s)和
W(s)都是施加于系统的外作用。R(s)是有用输入
Y
作用，简称输入信号; W(s)是扰动信号；Y(s)是系统的输出信号。为了研究有用输入作用对系统的输出信号Y(s)的影响，需要求有用输入作用下的闭环传递函数Y(s)/ R(s)。同样为了研究扰动作用W(s)对系统输出信号Y(s)的影响，也需要求取扰动作用下的闭环传递函数Y(s)/ W(s)。此外，在控制系统的分析和设计中，还常用到在输入信号R(s)或扰动W(s)作用下，以误差信号E（s）作为输出量的闭环误差传递函数，即为E(s)/ R(s)或E(s)/ W(s)，以此用于研究系统的稳态误差。其中，以误差信号E（s）作为输出量的传递函数称为误差传递函数。
可以应用叠加原理，在W(s)=0的条件下，求得输入信号下闭环传递函数Y(s)/ R(s)；在R(s)=0条件下，求得扰动作用下的闭环传递函数Y(s)/ W(s)。
3设计方案
可以应用叠加原理，在W(s)=0条件下，求得输入信号下的闭环传递函数Y(s)/ R(s)；
/d替换S，可以得到系统的微分方程；由题中要由传递函数与微分函数的相同性，用dt
求的闭环系统的特征方程的根包括30j
-，写出一个方程，并由待定系数法，得出Kp、
30±
Ki的值。
再由叠加原理，求得R(s)=0、扰动作用下的闭环传递函数Y(s)/ W(s)。也可求得以误差信号E(s)作为输出量，W(s)作为输入的误差函数E(s)/W(s)。再对输入W(s)进行讨论，利用终值定理求出误差。
由闭环传递函数Y(s)/ R(s)和Y(s)/ W(s)，并通过编程在MATLAB中仿真，把仿真结果和计算结果进行对比并验证。
4设计分析与计算
4.1系统微分方程
图4-1 W(s)=0时的系统结构图
由PI 表达式为：)(0?+=t
I p a edt k e k v ，其中e=r-y 。可以得出相应的V （s ）=Kp+Ki/S 。 当负载转矩W(s)=0,有以R 错误！未指定书签。为输入的直流电机控制系统如上面图
4-1所示，有开环传递函数G(s)H(s)= 同时，有以W(s)=0，R 错误！未指定书签。为输入的直流电机控制系统闭环传递函数：
闭环传递函数可化为 [Ki s Kp s 300)30030(2+++]Y(s)=[300Kp*S+300Ki]R(s)
由上面所求等式、传递函数与微分函数的相同性，用d/dt 替换S ，可以得到系统微分方程： )(*300)(300)(*300)()30030)()2(t r Ki dt
t dr Kp t y Ki dt t dy Kp dt t y d +=+++（ 4.2 k P 和k i 的值
由上面所求出的闭环传递函数Y(s)/ R(s)，有直流电机控制系统闭环系统的特征方程：Ki s Kp s 300)30030(2+++=0 （1）
若使闭环系统的特征方程的根包括30j 30±-，由这两个根30j 30±-可得下面的方程： （S+30+30j ）(S+30-30j)=0，即01800602=++s s （2）
对比（1）、(2)两式并由待定系数法有30+300Kp=60，300Ki=1800。解得Kp=0.1, Ki=6
4.3稳态误差（以R 错误！未指定书签。为输入）
由上面知直流电机控制系统闭环传递函数： 。同时有开环传递函数G(s)H(s)= ，由开环传递函数知系统为1型系统，且有开环增益30
s 300Ki/s Kp ++）（Ki
s Kp s Ki S Kp s R s s 300)30030(300*300)()(Y )(2++++==Φ）（60s 30+180060180030)()(Y )(2+++==Φs s S s R s s
K=30*60/30=60。
在单位阶跃参考输入下，位置误差系数Kp=∞，对应的稳态误差为0.
在单位斜坡参考输入下，速度误差系数Kv=K=60，对应的稳态误差为1/K,而1/K=1/60=0.0167,所以稳态误差为0.167。
4.4稳态误差（以W 错误！未指定书签。为输入）
图4-2 控制系统的信号流图
由图4-2的控制系统信号流图，可以得出直流电机控制系统中R(s)=0，并以W(s)为
输入的传递函数为： ，而在4.2节中已经求出：Kp=0.1, Ki=6。所以有 。
以误差信号E(s)作为输出量，W(s)作为输入的误差函数可求得为：
，即有误差函数： 在单位阶跃扰动输入下，即W(s)=1/s,此时有， 所以有稳态误差0)(lim )(lim 0
=?==→∞→s E s t e e s t ss 。 在单位斜坡扰动输入下，即W(s)= s /12,有）（1800601200
2)(++=s s s s E ，所以有
稳态误差667.03/2)(lim )(lim 0
==?==→∞→s E s t e e s t ss )30/()/(3001)30/(1200)()(++++-=
s s Ki Kp s s W s Y 180060s 1200)()(2++-=s s W s Y s 180060s 1200)30/()/(3001)30/(1200)()(2++++++=
=s s s Ki Kp s s W s E s
)
(W )(E 180060s
12002s s s s ++=1800601200
2)(++=s s s E
5仿真程序、波形及结果分析
5.1 MATLAB 表示传递函数
当负载转矩W(s)=0,有以R 错误！未指定书签。为输入的直流电机控制系统闭环传递函数为
利用MATLAB 将上述模型表示出来，并将其建立在工作空间中有下面效果：
图5-1 闭环传递函数模型MATLAB 表示
5.2单位阶跃参考输入的系统响应曲线
负载转矩W(s)=0,输入为R(s)=1/s 的直流电机控制系统所对应的情况，此时系统所对
应的闭环传递函数为 。则在MATLAB 的Editor/Debugger 输入程序有：
1800
60180030)()(Y )(2+++==Φs s S s R s s 1800
60180030)()(Y )(2+++==Φs s S s R s s
图5-2 单位阶跃参考输入的系统响应曲线对应程序
输入好程序后，在TOOLS菜单中选择RUN得到结果：
图5-3 单位阶跃参考输入的系统响应曲线
结果分析：由上面的单位阶跃参考输入的系统响应曲线图看出，当负载转矩W(s)=0,输入为R(s)=1/s，直流电机控制系统的阶跃响应为衰减振荡过程，且最终稳定在1，此时输出减去输入等于0，即由MATLAB软件仿真得出此时的系统误差为0。而在4.3节求出在单位阶跃参考输入下，位置误差系数Kp= ，对应的稳态误差为0。可见MATLAB分析和自己所求结果一样。
5.3单位斜坡参考输入的系统响应曲线
负载转矩W(s)=0,输入为R(s)= s /12
的直流电机控制系统所对应的情况，此时系统所对应的闭环传递函数为180060180030)()(Y )(2+++==
Φs s S s R s s 。则在MATLAB 的Editor/Debugger 输入程序有：
图5-4 单位斜坡参考输入的系统响应曲线对应程序
输入好程序后，在TOOLS 菜单中选择RUN 得到结果：
图5-5 单位斜坡参考输入的系统响应曲线
结果分析：由上面单位斜坡参考输入的系统响应曲线看出，当负载转矩W(s)=0,输入为R(s)= s /12，直流电机控制系统的输出能够很好的跟踪输入，即误差接近于零。由图中所取数据看出稳态误差为0.299-0.282=0.017。而在4.3节求出，在单位斜坡参考输入下，速度误差系数Kv=K=60，对应稳态误差0.167。可见MATLAB 分析和自己所求结果一样。
5.4单位阶跃扰动输入的系统响应曲线
输入为R(s)=0，负载转矩W(s)=1/s 的直流电机控制系统所对应的情况, 此时系统所
对应的闭环传递函数为 。则在MATLAB 的Editor/Debugger
输入程序有：
图5-6 单位阶跃扰动输入的系统响应曲线对应的程序
输入好程序后，在TOOLS 菜单中选择RUN 得到结果
图5-7 单位阶跃扰动输入的系统响应曲线
180060s
1200)()(2++-=s s W s Y s
结果分析：由上面的单位阶跃扰动输入的系统响应曲线图看出，输入为R(s)=0，负载转矩W(s)=1/s 时，直流电机控制系统的输出最终稳定在零，即单位阶跃扰动输入时系统的稳态误差为0。而在4.4节求出，在单位阶跃扰动输入下，即负载转矩W(s)=1/s,此
时有 ，所以有稳态误差 。可见MATLAB 分析和自己所求结果一样。
5.5单位斜坡扰动输入的系统响应曲线
输入R(s)=0,负载转矩W(s)= s /12的直流电机控制系统所对应的情况, 此时系统所对应的闭环传递函数为180060s 1200)()
(2++-=s s W s Y s 。则在MATLAB 的Editor/Debugger 输入程序有：
图5-8 单位斜坡扰动输入的系统响应曲线对应的程序
输入好程序后，在TOOLS 菜单中选择RUN 得到结果
图5-9 单位斜坡扰动输入的系统响应曲线
0)(lim )(lim 0=?==→∞→s E s t e e s t ss 180********)(++=s s
s E
结果分析：由上面的单位斜坡扰动输入的系统响应曲线图看出，输入R(s)=0,负载转矩W(s)= s /12时，直流电机控制系统的输出最终稳定在-0.667，即单位斜坡扰动输入时系统的稳态误差为0.667。而在4.4节求出，在单位斜坡扰动输入下，即负载转矩W(s)= s /12,有）（180********)(++=
s s s s E ，所以由上面所的结论有稳态误差667.03/2)(lim )(lim 0==?==→∞
→s E s t e e s t ss 。可见MATLAB 分析和自己所求结果一样，从而验证了所求结果。
6 心得体会
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。
自动控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域。在工业方面，对于化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、相位等，都有相应的控制系统。在农业方面的应用包括水位自动控制系统、农业机械的自动操作系统等。此外，在办公室自动化、图书管理 、交通 管 理乃至日常家务方面，自动控制技术也都有着实际的应用。随着控制理论和控制技术的发展，自动控制系统的应用领域还在不断扩大，几乎涉及生物、医学、生态、经济、社会等所有领域。
自控涉及的只是很广，所需的知识较多。当然，由于本科阶段时间有限，我们不能很好的更深入的学习自动控制这门课。若想把它学好，在条件许可下，我们应该考上研究生，在研究生阶段更彻底的学习。
参考文献
［１］胡寿松. 自动控制原理(第五版).北京：科学出版社,2006.
［２］魏克新，王云亮编著. MATLAB 语言与自动控制系统设计.机械工业出版社,2000. ［３］王正林，王胜开编著. MATLAB/Simulink 与控制系统仿真.电子工业出版社.
一、馬達型號介紹 二、微型DC馬達之應用 一般地,微型DC馬達的使用範圍相當之廣泛.根據其使用用途,大致可分為以下幾方面: 三、成品編號系統 四、DC馬達性能曲線圖之理解方法 4.1 從DC馬達之性能曲線圖,可確定在不同工作點上之馬達性能,現簡述其專用符號: No:空載轉速(rpm) Ts:堵轉力矩(g.cm)
Io:空載電流(A) Is:堵轉電流(A)
輸出功率曲線理論上是 2 Ts 為功率最大,並中心對稱. 任意一點輸出功率方程為:97500 ) .()()(cm g T rpm N W P ?= 4.2.3效率曲線: 100%I(輸入功率/W) V P(輸出功率/W) η(%)??= 4.3 性能曲線圖判定其工作點性能方法 a) 當力矩已知時,在橫軸力矩點上劃作垂直線,在與N,I,η相交點取各數值. b) 當力矩為未知值時,先用電流表量出馬達動作時之工作電流,並將該值點上電流線上,以該點劃出垂直線和力矩刻度為其工作點力矩,其餘數值同a)方法找出. 五、直流馬達的性能調節 V →端子電壓;R →馬達電阻; 5.1 改變馬達端子電壓調節性能 5.2 改變馬達電阻調節性能 5.3 改變馬達磁力強度調節性能 下面就此三種方式對馬達性能的影響進行簡要的分析: 5.1 改變馬達端子電壓調節性能 5.1.1 如果供電電源是恆壓電源,那麼改變馬達端子電壓,則馬達機械特性曲線(即速度曲線)將平行移動.改變電壓前後的馬達空載轉速比,堵轉扭力比,堵轉電流比均與電壓比成正比,而空載電流可近視認為相等。 Io o I ≈' V V Is s I '? =' V V Ts s T '? =' 最高效率max max ηη?' 注以上電壓的改變量須在馬達性能的承受的範圍內. 5.1.2 No o N ='V V No o N '? ='V Io I ='
直流电机设计程序 3.1 主要指标 1. 额定电压 2. 额定功率 3. 额定转速 4. 额定效率 3.2 主要尺寸的确定 5. 结构型式的选择 6. 永磁材料的选择 选用烧结钕铁硼 7. 极弧系数 8. 电负荷 9. 长径比 10. 计算功率 11. 电枢直径 12. 极数 p=4 13. 极距 14. 电枢长度 cm D L a a 5.10157.0=?==λW P p N N N 76678.0378.021321'=??+=+=ηηcm D cm n B A p D a N i a 151.157.06006.0906.0766101.6'''101.63333==??????=??=取 λαδcm p D 89.54 21514.32=??==πτ
15. 气隙 δ=0.06cm 16. 电枢计算长度 3.3 绕组设计 17. 绕组形式 选用单叠绕组 18. 绕组并联支路对数 a=p=4 19. 槽数 20. 槽距 21. 预计气隙磁通 22. 电枢电动势 23. 预计导体总数 24. 每槽导体数 25. 每槽元件匝数 式中 每槽元件数 u=2 26. 实际每槽导体数 cm L L a ef 62.1006.025.102=?+=+=δ45 1533=?==a D Q cm Q D t a 05.145 1514.32=?==πwb B L ef i 34 4 1025.2106.062.1089.56.010''-?=????=?=ΦδταδV U E N N a 48.203 78 .021321=?+=+=η910 600 1025.2448 .20460'60'3=?????=Φ= -N a n p aE N δ2 .2045 910''===Q N N s 5 05.52 22.202''==?== s s W u N W 取20 5222=??==s s uW N
计算机控制系统报告 --计算机控制系统的稳态误差 在计算机控制系统中存在稳态误差。怎样计算稳态误差呢？ 在连续系统中，稳态误差的计算可以通过两种方法计算：一是建立在拉氏变换中值定理基础上的计算方法，可以求出系统的终值误差；另一种是从系统误差传递函数出发的动态误差系数法，可以求出系统动态误差的稳态分量。 在离散系统中，根据连续系统稳态误差的两种计算方法,在一定的条件下可以推广到离散系统。又由于离散系统没有唯一的典型结构形式，离散系统的稳态误差需要针对不同形式的离散系统来求取。 书上主要介绍了利用z 变换的终值定理方法，求取误差采样的离散系统在采样瞬时的终值误差。 设单位反馈误差采样系统如图4.12所示。 图4.12 单位反馈误差采样反馈系统 系统误差脉冲传递函数为 （4.1） 若离散系统是稳定的，则可用z 变换的终值定理求出采样瞬时的终值误差 （4.2） Φ==+e ()1()()1()E z z R z G z )](1[)()1(lim )()1(lim )(lim )(1111*z G z R z z E z t e e z z t +-=-==∞-→-→∞ →
（4.2）式表明，线性定常离散系统的稳态误差，不但与系统本身的结构和参数有关，而且与输入序列的形式及幅值有关。除此之外，离散系统的稳态误差与采样系统的周期的选取也有关。上式只是计算单位反馈误差采样离散系统的基本公式，当开环脉冲传递函数G(z)比较复杂时，计算e(∞)仍然有一定的计算量，因此希望把线性定常连续系统中系统型别及静态误差系数的概念推广到线性定常离散系统，以简化稳态误差的计算过程。 在离散系统中，把开环脉冲传递函数G(z)具有z=1的极点数v 作为划分离散系统型别的标准，与连续系统类似地把G(z)中 v=0,1,2,…的系统，称为0型，Ⅰ型和Ⅱ型离散系统等。下面讨论不同类别的离散系统在三种典型输入信号作用下的稳态误差，并建立离散系统静态误差系数的概念。 1．单位阶跃输入时的稳态误差 对于单位阶跃输入r(t)=1(t)，其z 变换函数为 （4.3） 得单位阶跃输入响应的稳态误差 （4.4） 上式代表离散系统在采样瞬时的终值位置误差。式中 （4.5） 称为静态位置误差系数。若G(z)没有z=1的极点，则Kp ≠∞，从而e(∞)≠0；若G(z)有一个或一个以上z=1的极点，则Kp= ∞，从1 11)(--=z z R →∞==+1p 11()lim 1()z e G z K →=+p 1lim[1()]z K G z
（1）直流电机选择 由于本次毕业设计采用的是飞思卡尔公司提供的伺服电机，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数），而且伺服电机一般是功率小,运行精确,能高速制动,惯量小,适合闭环控制,也就是能检测到实际位置和理论位置的误差,并消除。 （2）直流电机的控制 PWM控制 脉宽调制的全称为：Pulse Width Modulator，简称PWM。由于它的特殊性能，常被用作直流回路中灯具调光或直流电动机调速。这里将要介绍的就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达控制器。该装置可用于12v或24v直流电路中，两者间只需稍做变动。它主要是通过改变输出方波的占空比，使得负载上的平均接通时间从0-100％变化，以达到调整负载亮度/速度的目的。PWM信号一般可有微控制器产生。如图1
图1 微控制器产生的PWM控制信号 （3）直流电机的反馈与控制 旋转编码器 旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。编码器若以信号原理来分，有增量型编码器,绝对型编码器。增量型编码器(旋转型)由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z
3-6 线性系统的稳态误差计算 把在阶跃函数作用下没有原理性稳态误差的系统，称为无差系统；把具有原理性稳态误差的系统称为有差系统。 非线性因素引起的系统稳态误差称为附加稳态误差，或结构性稳态误差。 习惯上常把系统在阶跃输入作用下的稳态误差称为静差。因而，0型系统可称为有（静）差系统或零阶无差度系统，一型系统可称为一阶无差度系统，二型系统可称为二阶无差度系统。 4-3 广义根轨迹 2、附加开环零点的作用 增加开环零点也就是增加了闭环零点，闭环零点对系统性能的影响，相当于减小闭环系统的阻尼，从而使系统的过渡过程有出现超调的趋势，并且这种作用将随闭环零点接近坐标原点的强度而加强。 4-4 系统性能的分析 1、 闭环零极点与时间响应 经验指出，如果闭环零、极点之间的距离比它们本身的模值小一个数量级，则这一对闭环零、极点就构成了偶极子。 在略去偶极子和非主导零、极点的情况下，闭环系统的根轨迹增益常会发生改变，必须注意核算，否则将导致性能的估算错误。 闭环系统零、极点位置对时间响应性能的影响，可以归纳为以下几点： （1） 稳定性。如果闭环极点全部位于s 左半平面，则系统一定是稳定的，即稳定性只与 闭环极点位置有关，而与闭环零点位置无关。 （2） 运动形式。如果闭环系统无零点，且闭环极点均为实数极点，则时间响应一定是单 调的；果闭环极点均为复数极点，则时间响应一般是振荡的。 （3） 超调量。超调量主要取决于闭环复数主导极点的衰减率1//d σωξ= ，并 与其他闭环零、极点接近坐标原点的程度有关。 （4） 调节时间。调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值 1n σξω= ；如果实数极点距虚轴最近，并且它附近没有实数零点，则调节时间主要取决于该实数极点的模值。 （5） 实数零、极点影响。零点减小系统阻尼，使峰值时间提前，超调量增大；极点增大 系统阻尼，使峰值时间滞后，超调量减小。它们的作用，随着其本身接近坐标原点的程度而加强。 （6） 偶极子及其处理。如果零、极点之间的距离比它们本身的模值小一个数量级，则它 们就构成了偶极子。远离原点的偶极子，其影响可略；接近原点的偶极子，其影响必须考虑。 （7） 主导极点。在s 平面上，最靠近虚轴而附近又无闭环零点的一些闭环极点，对系统 性能影响最大，称为主导极点。凡比主导极点的实部大3~6倍以上的其他闭环零、极点，其影响均可忽略。 6-3 串联校正 1、 频率响应法校正设计 一般地说，开环频率特性的低频段表征了闭环系统的稳态性能；开环频率特性的中频段
直流电机控制系统设计
XX大学 课程设计 （论文） 题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师
沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 2012年7 月9 日至2012年7 月20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。 指导教师年月日 负责教师年月日
学生签字年月日 目录 0 前言 (1) 1 总体方案设计 (2) 1.1 系统方案 (2) 1.2 系统构成 (2) 1.3 电路工作原理 (2) 1.4 方案选择 (3) 2 硬件电路设计 (3) 2.1 系统分析与硬件设计 (3) 2.2 单片机AT89C52 (3) 2.3 复位电路和时钟电路 (4) 2.4 直流电机驱动电路设计 (4) 2.5 键盘电路设计 (4) 3软件设计 (5) 3.1 应用软件的编制和调试 (5) 3.2 程序总体设计 (5) 3.3 仿真图形 (7) 4 调试分析 (9) 5 结论及进一步设想 (9) 参考文献 (10) 课设体会 (11) 附录1 电路原理图 (12) 附录2 程序清单 (13)
直流电机控制电路 永磁式换向器直流电机，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号和简化等效电路。 工作原理 这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。 永磁式换流器电机的特点 ·当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。 ·当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。 ·加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。 ·当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。 ·转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。 ·体积小，重量轻。起动转矩大。 由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。 对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。 1、电机的起／停控制 电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。 现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损
4.3 控制器软件设计 软件设计是控制系统最重要的一个组成部分，软件设计的好坏直接关系着整个控制系统性能的优良，控制系统的软件设计一定要具备实时性、可靠性和易维护性，对此，选择一款简单、方便的开发环境对于系统软件的整体优化以及提高整个系统的开发效率有很大的影响。目前支持STM 32系列控制芯片且应用比较广泛的主要有IAR EWARM和KEIL MDK这两个集成开发环境，本文采用的开发环境是KEIL MDK，它是ARM 公司推出的嵌入式微控制器开发软件，集成了业界领先的Vision 4开发平台，具有良好的性能，是ARM开发工具中的最好的选择，适合于不同层次的开发人员使用，尤其是它与我们经常使用的51单片机开发环境Keil C51的整体布局和使用方法类似，只有一些地方不同，操作起来比较熟练，很容易上手，极大的减小了开发人员的使用难度，缩短了开发周期，提高了开发效率，因此这款KEIL MDK得到了很多人的认可。 STM 32的软件开发主要开发方式有2种，就是基于寄存器的开发和基于库函数的开发，其中基于寄存器的开发方式就更51单片机的开发差不多，它是通过直接操作芯片内部的各个寄存器来达到控制芯片的目地，这种方式较直观，程序运行占用的资源少，但对于STM 32这种寄存器数目非常多的芯片来说，采用寄存器的开发方式会减慢开发速度，还让程序可读性降低。而基于库函数的开发方式则是对寄存器的封装，它向下处理与寄存器直接相关的配置，向上为用户提供配置寄存器的接口，这种方式大大降低了使用STM 32的条件，不仅提高了开发效率，而且程序还具有很好的可读性和移植性，因此本文采用的是基于库函数的开发方式，编程语言全采用 C 语言。
小功率低成本的无刷直流电动机控制器研制 合肥工业大学自动化研究所肖本贤 摘要：针对电动助力车与压缩机电机的特点，对其驱动控制进行了研究，提出了一种高效低价的小型控制器的设计。主要介绍以专用控制芯片MCC33035、MC33039、IR2130为核心构成的永磁无刷直流电动机控制器结构，主要涉及核心控制电路的构成、功率开关元件的驱动以及必要的保护措施。 1 引言 永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构，现以广泛应用于各种调速驱动场合，其应用前景看好，尤其从当今的环保、能源、效率等综合因素出发，水磁无刷直流电机可望在未来的电动车及冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。 永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，有最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。 2 无刷直流电机的驱动控制电路 无刷直流电动机功率开关电路一般采用桥式或非桥式驱动，由于三相星形桥式驱动方式，其绕组利用率较高、力矩波动小，因而被大量采纳。图1 是其工作原理图，对压缩机类负载，其输入可采用220V／50HZ市电输入、二极管单相全桥整流、电容滤波后得到；而对电动车其直流电源一般均为蓄电池。图中主回路功率器件选用POWER-MOSFET，驱动电路采用IR公司生产的六输出高压MOS栅极驱动器IR2130。
项目八键盘控制电机方向和转速 【教学目标】 终极目标 能利用AT89S52单片机及独立键盘，通过C语言程序实现键盘控制步进电机和直流电机的速度和方向，完成单片机输入输出控制系统的设计、运行及调试。 促成目标 1. 了解单片机产品开发的流程； 2. 了解步进电机和直流电机结构和工作原理； 3. 掌握步进电机和直流电机速度、方向控制关键技术； 4. 掌握头文件的编写方法； 5. 掌握电机速度、方向控制的电路设计和编程的方法； 6. 会利用单片机I/O口实现电机速度、方向控制。 8.1 单片机产品开发 单片机产品开发是为完成某项任务而研制开发的单片机应用系统，是以单片机为核心，配以外围电路和软件，能实现确定任务、功能的实际应用系统。根据不同的用途和要求，单片机产品的系统配置及软件也有所不同，但它们的开发流程和方法大致相同。 8.1.1 单片机产品的结构 单片机产品是由硬件和软件组成。硬件是指单片机、扩展的存储器、输入输出设备等硬件部件组成的，软件是各种工作程序的总称。一个典型单片机产品结构如图8-1所示。 图8-1典型单片机产品结构
从图8-1不难看出单片机产品所需要的一般配置： （1）单片机。如AT89C51、AT89C52、AT89S51以及AT89S52等单片机。 （2）人机交流设备。输入设备有键盘和按键，输出设备有数码管、液晶显示模块和指示灯等。 （3）信号采集的输入通道。如出租车的测距、测速装置，温控系统的温度传感器、洗衣机的水位测量等设备。 （4）向操作对象发出各种控制信号的输出通道。如空调启动压缩机的开关电路，控制彩电的频道切换、颜色、音量等的接口电路。 （5）与其他计算机系统或智能设备实现信息交换，还需配置通信接口电路。如RS-232、RS-485等。 （6）有时还需扩展外部RAM、EEPROM用于存放数据。如彩电遥控系统中存放系统数据的存储器。 8.1.2 单片机产品开发流程 1．确定功能技术指标 单片机产品开发流程是以确定产品的功能和技术指标开始的。 首先要细致分析、研究实际问题，明确各项任务与要求，综合考虑系统的先进性、可靠性、可维护性以及成本、经济效益，拟订出合理可行的技术性能指标。 2．单片机产品总体设计 在对单片机产品进行总体设计时，应根据单片机产品提出的各项技术性能指标，拟订出性价比最高的一套方案。 首先，应根据任务的繁杂程度和技术指标要求选择机型。选定机型后，再选择产品中要用到的其它外围元器件，如传感器、执行器件等。 在总体方案设计过程中，对软件和硬件进行分工是一个首要的环节。原则上，能够由软件来完成的任务就尽可能用软件来实现，以降低硬件成本，简化硬件结构。同时，还要求大致规定各接口电路的地址、软件的结构和功能、上下位机的通信协议、程序的驻留区域及工作缓冲区等。总体方案一旦确定，系统的大致规模及软件的基本框架就确定了。 3．硬件设计 硬件设计是指应用系统的电路设计，包括主机、控制电路、存储器、I/O接口、A/D和D/A转换电路等。硬件设计时，应考虑留有充分余量，电路设计力求正确无误，因为在系统调试中不易修改硬件结构。硬件电路设计时应注意以下几个问题： （1）程序存储器 一般可选用容量较大的EPROM芯片，如27128（16 KB）、27256（32 KB）或27512（64 KB）等。尽量避免用小容量的芯片组合扩充成大容量的存储器，程序存储器容量大些，则编程空间宽裕些，价格相差也不会太多。 （2）数据存储器和I/O接口 根据系统功能的要求，如果需要扩展外部RAM或I/O口，那么RAM芯片可选用6116（2 KB）、6264（8 KB）或62256（32 KB），原则上应尽量减少芯片数量，使译码电路简单。 I/O接口芯片一般选用8155（带有256 KB静态RAM）或8255。这类芯片具有口线多、硬件逻辑简单等特点。若口线要求很少，且仅需要简单的输入或输出功能，则可用不可编程的TTL电路或CMOS电路。
专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械 能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构
如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所 示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定
自动控制原理知识点总结 第一章 1?什么是自动控制？（填空） 自动控制：是指在无人直接参与的情况下，利用控制装置操纵受控对象，是被控量等于给定值或按给定信号的变化规律去变化的过程。 2. 自动控制系统的两种常用控制方式是什么？（填空） 开环控制和闭环控制 3. 开环控制和闭环控制的概念？ 开环控制：控制装置与受控对象之间只有顺向作用而无反向联系 特点：开环控制实施起来简单，但抗扰动能力较差，控制精度也不高。 闭环控制：控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用，而且还有反向联系，既有被控量对被控过程的影响。 主要特点：抗扰动能力强，控制精度高，但存在能否正常工作，即稳定与否的问题。 掌握典型闭环控制系统的结构。开环控制和闭环控制各自的优缺点？ （分析题：对一个实际的控制系统，能够参照下图画出其闭环控制方框图。） 给定偵 反馈星 典型团环控制系统方框图 4. 控制系统的性能指标主要表现在哪三个方面？各自的定义？（填空或判断） （1）、稳定性：系统受到外作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力 （2）、快速性：通过动态过程时间长短来表征的 （3）、准确性：有输入给定值与输入响应的终值之间的差值e ss来表征的 第二章 1. 控制系统的数学模型有什么？（填空） 微分方程、传递函数、动态结构图、频率特性 2. 了解微分方程的建立？ （1）、确定系统的输入变量和输入变量 （2）、建立初始微分方程组。即根据各环节所遵循的基本物理规律，分别列写出相应的微分方程，并建立微分方程组 （3）、消除中间变量，将式子标准化。将与输入量有关的项写在方程式等号的右边，与输出量有关的项写在等号的左边 3. 传递函数定义和性质？认真理解。（填空或选择） 传递函数：在零初始条件下，线性定常系统输出量的拉普拉斯变换域系统输入量的拉普拉斯变
直流电机控制器: 直流电机控制器是一种对直流电机的运动过程进行综合控制的电气装置。行业上又名：直流电机调速控制器或直流调速器。 1：直流电机控制器基本描述：任何电机的运动，不管交流或直流，都由静态到动态再到静态的过程。这个过程在不同场合有的很简单，有的非常复杂。如：启动时的即时速度（速率）为零，有时候启动的速度是某一恒定的值，接着以某一速度运行n时间再快速提升或恒速，恒扭矩，恒功率运行；经过一段时间由外部信号给定反转可逆运行或停止运行等等多种物理运动方式。 2：直流电机控制器的工作原理及构造：目前市场上的直流电机控制器大多是以可控硅模块为核心部件，通过电子器件的组合使可控硅导通角产生变化从而使其输出的电压产生变化并整流后获得变化的直流电压，使直流电机的速度不断的随之变化。这是速度控制的一种非常重要的情况。另一重要的控制就是启动和停止，一般牵涉到低压电气的机械组合，如通过交流接触器来换相，如通过不同电位器的实际外联实现多台电机的同步运行，当然技术领先的直流调速器生产厂家：如上海任重仪表电器有限公司，上海百乐神自动化科技有限公司等它们的直流调速控制器的正反转控制是采用内部线路的精心设计，剔除了机械电路的复杂繁琐，其产品也显得精致，体积小。还有，直流电机控制器的核心部件采用更先进的功率器件IGBT为核心部件，行业上也把它叫做脉宽直流电机控制器。 3：直流电机控制器的外型：直流电机控制器的外形，外型很多。目前市场上最常规见得是面板式安装和壁挂式安装。如:市场上使用最广泛的上海任重仪表电器公司的ZKS-II,KSA-I 型，上海百乐神自动化科技公司的BLS-Z-II等，还有壁挂式的如英国欧陆的P590,SSD590+,上海任重仪表电器的JSC-601,BLS-611等等。当然还有导轨式，插座式等等。 4：直流电机控制器的参数区分：主要根据直流电机的功率，电压，额定电流，是否可逆运动来确定。还有一些指标如测速反馈，外部信号反馈等等都直接影响它的性能及使用状况
太原理工大学现代科技学院自动控制原理课程实验报告 专业班级信息13-1 学号201310 姓名 指导教师乔学工
实验三 控制系统的稳定性和稳态误差 一、实验目的 二、实验设备 三、 实验内容 （1）若系统的传递函数为 ) 523)(1() 66(4)(232++++++=s s s s s s s s G 利用MATLAB 求其分子和分母多项式表示传递函数。 >> clear >> num=4*[1,6,6]; >> den=conv([1,0],conv([1 1],[1,3,2,5])); >> printsys(num,den) num/den = 4 s^2 + 24 s + 24 --------------------------------- s^5 + 4 s^4 + 5 s^3 + 7 s^2 + 5 s （2）利用MA TLAB 实现数学模型间的转换。 设系统的零-极点模型为： ) 3)(2)(1() 3(6+ +++ = s s s s s G ）（ 用matlab 求出其用分子和分母多项式表示的传递函数。 >> clear >> K=6; >> Z=[-3]; >> P=[-1;-2;-5]; >> [num,den]=zp2tf(Z,P,K); >> printsys(num,den) num/den = …………………………………装……………………………………订………………………………………线……………………………………………
6 s + 18 ----------------------- s^3 + 8 s^2 + 1 7 s + 10 （3）若系统的传递函数为 5 234 )(2 3+++= s s s s G 试利用MA TLAB 表示。 >> clear >> num=4;den=[1,3,2,5]; >> printsys(num,den) num/den = 4 --------------------- s^3 + 3 s^2 + 2 s + 5 2．利用MATLAB 分析系统的稳定性 (1)已知系统的传递函数为 122532 423)()()(2345234B +++++++++= =s s s s s s s s s s R s Y s G 给出系统的零极点图，并判定系统的稳定性。 >> clear >> num=[3 2 1 4 2]; >> den=[3 5 1 2 2 1]; >> r=roots(den),pzmap(num,den) r = -1.6067 0.4103 + 0.6801i
直流电机控制系统 设计
XX大学 课程设计 （论文）题目直流电机控制系统设计 班级 学号 学生姓名 指导教师
沈阳航空航天大学 课程设计任务书 课程名称专业基础课程设计 院（系）自动化学院专业测控技术与仪器 班级学号姓名 课程设计题目直流电机控制系统设计 课程设计时间: 7 月 9 日至 7 月 20 日 课程设计的内容及要求： 1.内容 利用51单片机开发板设计并制作一个直流电机控制系统。系统能够实时控制电机的正转、反转、启动、停止、加速、减速等。 2.要求 （1）掌握直流电机的工作原理及编程方法。 （2）掌握直流电机驱动电路的设计方法。 （3）制定设计方案，绘制系统工作框图，给出系统电路原理图。 （4）用汇编或C语言进行程序设计与调试。 （5）完成系统硬件电路的设计。 （6）撰写一篇7000字左右的课程设计报告。
指导教师年月日 负责教师年月日 学生签字年月日 目录 0 前言...................................................................................... 错误!未定义书签。 1 总体方案设计 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.1 系统方案 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.2 系统构成 ...................................................................... 错误!未定义书签。 1.3 电路工作原理............................................................... 错误!未定义书签。 1.4 方案选择 ...................................................................... 错误!未定义书签。 2 硬件电路设计 ...................................................................... 错误!未定义书签。 2.1 系统分析与硬件设计................................................... 错误!未定义书签。 2.2 单片机AT89C52............................................................ 错误!未定义书签。 2.3 复位电路和时钟电路................................................... 错误!未定义书签。 2.4 直流电机驱动电路设计 ............................................... 错误!未定义书签。 2.5 键盘电路设计............................................................... 错误!未定义书签。 3 软件设计 ............................................................................ 错误!未定义书签。 3.1 应用软件的编制和调试 ............................................... 错误!未定义书签。 3.2 程序总体设计............................................................... 错误!未定义书签。 3.3 仿真图形 ...................................................................... 错误!未定义书签。 4 调试分析 .............................................................................. 错误!未定义书签。
直流电机控制器 （华侨大学信息学院08自动化） 摘要目前见到的许多关于直流电机的测速与控制类文献中，虽然能实现直流电机的无级调速，但还存在一些问题，如无法与计算机直接接口，许多较为复杂的控制算法无法在不增加硬件成本的情况下实现，控制器的人机界面不理想。总的来讲，控制器的智能化程度不高，可移植性差。虽然采用PWM芯片来实现电机无级调速的方案成本较低，但当控制器针对不同的应用场合增加多种附加功能时，其灵活性不够，而且反而增加硬件的成本。还有一些使用PLC控制器或高档处理器芯片（如DSP器件）的文献，它们虽然具有较高的控制性能，但由于这些高档处理器价格过高，需要更多的外围器件，因此也不具备在通常情况下大规模使用的条件。从发展趋势上看，总体的研究方向是提出质量更高的算法和调速方案，以及在考虑成本要求的前提下选择适合这种算法的核心控制器。 本设计采用MCU（AT89S52），完成了小型直流电机转速的采集、计算、显示、键盘设定，采用直流电机的PWM调速，实现了对电机转速的测量和控制，解决了通常低采样周期时系统的超调以及积分饱和问题。 关键词单片机；转速；调速；显示
一、设计任务与要求 1、设计任务 设计并制作一个直流电机控制器，控制电机的转速、转向和转速显示（用数码管动态显示）。 2、技术指标 a．基本要求 （1）具有转速显示功能（在同一CPU上，并留有测试点）。 （2）具有转向控制功能。 （3）可任意定义并控制转速。 （4）转速范围在60～600转/分钟之间连续可调。 （5）可显示任一时刻的占空比。 （6）任何时候控制信号无明显跳变。 b．发挥部分 （1）转速范围扩展至30～800转/分钟之间连续可调。 （2）可按步进.30转调整转速。 （3）用键盘输入任意占空比控制电机（大于60转/分），该状态下仍可按步进.10转调整转速。 3、题目评析 本题的重点是实现转速的可调可控；难点在于电机的驱动以及控制的算法；由于电机的广泛应用，实现电机的调速控制，实用价值很大。 二、方案比较与论证 根据设计任务，需要设计一个直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，使电机速度等于设定值，并且实时显示电机的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论证。 1、转速测量方案论证 方案一：使用红外对射管测速。硬件简单，只要使用两个电阻，一个红外对管，即可完成要求。 方案二：使用红外反射管测速。硬件需要电压比较器，使得硬件电路板比较繁琐。
综合设计报告 单位：自动化学院 学生姓名： 专业：测控技术与仪器 班级：0820801 学号： 指导老师： 成绩： 设计时间：2011 年12 月 重庆邮电大学自动化学院制
一、题目 直流电机调速与控制系统设计。 二、技术要求 设计直流电机调速与控制系统，要求如下： 1、学习直流电机调速与控制的基本原理； 2、了解直流电机速度脉冲检测原理； 3、利用51单片机和合适的电机驱动芯片设计控制器及速度检测电路； 4、使用C语言编写控制程序，通过实时串口能够完成和上位机的通信； 5、选择合适控制平台，绘制系统的组建结构图，给出完整的设计流程图。 6、要求电机能实现正反转控制； 7、系统具有实时显示电机速度功能； 8、电机的设定速度由电位器输入； 9、电机的速度调节误差应在允许的误差范围内。 三、给定条件 1、《直流电机驱动原理》，《单片机原理及接口技术》等参考资料； 2、电阻、电容等各种分离元件、IC、直流电机、电源等； 3、STC12C5A60S2单片机、LM298以及PC机； 四、设计 1. 确定总体方案； 2. 画出系统结构图； 3. 选择以电机控制芯片和单片机及速度检测电路，设计硬件电路； 4. 设计串口及通信程序，完成和上位机的通信； 5. 画出程序流程图并编写调试代码，完成报告；
直流电机调速与控制 摘要：当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 本电机控制系统基于51内核的单片机设计，采用LM298直流电机驱动器，利用PWM 脉宽调制控制电机，并通过光耦管测速，经单片机I/O口定时采样，最后通过闭环反馈控制系统实现电机转速的精确控制，其中电机的设定速度由电位器经A/D通过输入，系统的状显示与控制由上位机实现。经过设计和调试，本控制系统能实现电机转速较小误差的控制，系统具有上位机显示转速和控制电机开启、停止和正反转等功能。具有一定的实际应用意义。关键字：直流电机、反馈控制、51内核、PWM脉宽调制、LM298 一、系统原理及功能概述 1、系统设计原理 本电机控制系统采用基于51内核的单片机设计，主要用于电机的测速与转速控制，硬件方面设计有可调电源模块，串口电路模块、电机测速模块、速度脉冲信号调理电路模块、直流电机驱动模块等电路；软件方面采用基于C语言的编程语言，能实现系统与上位机的通信，并实时显示电机的转速和控制电机的运行状态，如开启、停止、正反转等。 单片机选用了51升级系列的STC12c5a60s2作为主控制器，该芯片完全兼容之前较低版本的所有51指令，同时它还自带2路PWM控制器、2个定时器、2个串行口支持独立的波特率发生器、3路可编程时钟输出、8路10位AD转换器、一个SPI接口等，
3.5 控制系统的稳态误差 3.5 控制系统的稳态误差 描述控制系统的微分方程 (3.73 ) 式（3.73）是一个高阶微分方程，方程的解可以表示为 (3.74) 式中，前两项是方程的通解，而是方程的一个特解。随时间的增大，方程 的通解逐渐减小，方程的解y(t)越来越接近特解。当时，方程的通 解趋于零 这时系统进入了稳定状态。特解是由输入量确定的，反映了控制的目标和要 求。系统进入稳态后，能否达到预期的控制目的，能否满足必要的控制精度，要解决这个问题，就必须对系统的稳态特性进行分析。稳态特性的性能指标就是稳态误差。 3.5.1 稳态误差 控制系统的误差可以表示为 (3.75) 式中是被控制变量的期望值，y(t)是被控制变量的实际值，即控制系统的 输出。 稳定的控制系统，在输入变量的作用下，动态过程结束后，进入稳定状态的误差，称为稳态误差
图3.23 单位反馈和非单位反馈系统 （a)单位反馈系统；（b)非单位反馈系统 在控制工程中，常用控制系统的偏差信号来表示误差。对图 3.23（a)所示的单位反馈系统，误差与偏差的含义是相同的，即 (3.76) 式中r(t)为系统的给定值，也就是输出y(t)的期望值。单位反馈系统的稳态误差为: (3.77) 对图3.23（b)所示的非单位反馈系统，因为反馈变量f(t)并不与输出变量y(t)完全相同，所以给定值与反馈变量之差，即偏差并不是（3.75）式意义上的误差。但如果反馈环节H(s)不含有积分环节，在时，由于暂态项的消失，反馈 量与输出量之间就只差一个比例系数我们认为反馈量可以代表输出 量，于是，定义非单位反馈系统的误差为 (3.78) 式中r(t)是非单位反馈系统的给定值，f(t)是反馈信号。根据图3.23（b)非单位反馈系统各环节间信号的关系，可得 (3.79)