課程設(shè)計(jì)

課程名稱計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

題目名稱 PID 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

學(xué)生學(xué)院

專業(yè)班級(jí)

學(xué)號(hào)

學(xué)生姓名

指導(dǎo)教師

2013 年 06 月17日

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目錄

一、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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二、 硬件設(shè)計(jì) ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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三、 軟件設(shè)計(jì) ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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四、結(jié)果分析 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)及體會(huì) ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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六、附錄 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的選取

對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制有一般有兩種方式，一種是開(kāi)環(huán)控制，一種是閉環(huán)控制。開(kāi)環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠。若組成系統(tǒng)的元件特性和參數(shù)值比較穩(wěn)定，且外界干擾較小，開(kāi)環(huán)控制能夠保持一定的精度。缺點(diǎn)是精度通常較低，無(wú)自動(dòng)糾偏能力；閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制的精度可以達(dá)到很高，而且對(duì)外界的干擾和系統(tǒng)的參數(shù)變化有很好的抑制作用，且可以通過(guò)輸出反饋控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。缺點(diǎn)是存在穩(wěn)定性，振蕩，超調(diào)等一系列問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比開(kāi)環(huán)控制麻煩。

經(jīng)過(guò)利弊的取舍，本次試驗(yàn)選擇的是閉環(huán)控制，因?yàn)闇?zhǔn)備應(yīng)用 PID 算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，故而需要有實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋與給定的轉(zhuǎn)速形成對(duì)比，進(jìn)而通過(guò)算法輸出 PWM波形來(lái)控制直流電機(jī)。

既然選擇了直流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，可根據(jù)反饋機(jī)制大概做出其控制模型。

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R(t) +e(t)c(t)

PID算法輸出直流電機(jī)

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測(cè)速裝置

1.2 直流電機(jī)調(diào)速方式的選取

直流無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、 轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測(cè)并提供信號(hào)去觸發(fā)開(kāi)關(guān)線路中的功率開(kāi)關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用

霍爾傳感器。 3600 范圍內(nèi)，兩兩相差1200 安裝，共安裝三個(gè)。

為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工

作方式。開(kāi)關(guān)電路采用三相橋式接線方式。

基于直流電機(jī)的特性 ,本次試驗(yàn)使用的是 PWM 脈寬調(diào)制方法。脈寬調(diào)制 (PWM)是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。 PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷 :模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)

生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而在用了 PWM 技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來(lái)控制模擬信

號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。PWM 對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)， 系統(tǒng)

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的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好 ;電樞電流的脈動(dòng)量小， 容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作 ;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬 ;使用元件少、線路簡(jiǎn)單。

PWM 的原理：

理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上

時(shí)，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)

節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N 等

分，看成 N 個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖

代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積(沖量)相等，寬度按正弦規(guī)

律變化。脈沖寬度調(diào)制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構(gòu)成，其

占空比與信號(hào)的瞬時(shí)采樣值成比例。圖 1 所示為脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)的

原理框圖和波形圖。該系統(tǒng)有一個(gè)比較器和一個(gè)周期為Ts 的鋸齒波

發(fā)生器組成。語(yǔ)音信號(hào)如果大于鋸齒波信號(hào)，比較器輸出正常數(shù)A，

否則輸出 0。因此，從圖 1 中可以看出，比較器輸出一列下降沿調(diào)制的脈沖寬度調(diào)制波。

1.3

直流電機(jī)測(cè)速裝置的選取

經(jīng)過(guò)查閱了大量資料，發(fā)現(xiàn)目前常用的測(cè)速裝置有三種。

1.3.1

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速

直流測(cè)速發(fā)電機(jī)可分為勵(lì)磁式和永磁式兩種。勵(lì)磁式由勵(lì)磁繞組接成他勵(lì)，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。由于永磁式不需另加勵(lì)磁電源，也不因勵(lì)磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應(yīng)用較廣。

根據(jù)已學(xué)過(guò)的直流發(fā)電機(jī)的工作原理知，電刷兩端的感應(yīng)電勢(shì) ：

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Ea = Ceфn=Ke n 可知

電刷兩端的感應(yīng)電勢(shì)與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。

直流發(fā)電機(jī)能夠把轉(zhuǎn)速信號(hào)換成電勢(shì)信號(hào)，從而用來(lái)測(cè)

速。

自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)的要求為： 1. 輸出電壓與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線為線性。 2. 輸出特性的斜率要大。 3. 溫度變化對(duì)輸出特性的影響要小。 4. 輸

總結(jié)

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