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基于单片机的直流电机调速控制系统设计毕业设计.docx
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基于单片机的直流电机调速控制系统设计毕业设计.docx
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第 1 章 绪论
1.1 直流调速系统的发展概况
1.2 数字式直流调速系统的研究现状
1.2.1 调速系统国内外研究现状
随着各种处理器的出现和发展,国外对直流电机数字控制调速系统的研究也在不
断的发展和完善,尤其在 80 年代在这方面的研究达到空前的繁荣。大型直流电机的
调速系统一般采用晶闸管触发脉冲来实现,研究人员对控制算法作了大量的研究:有
的提出内模控制的算法、有的提出了 I-P 控制器取代 PI 调节器的方法、有的提出了自
适应 PID 算法和模糊 PID 算法等。目前,国外主要电气公司,如瑞典的 ABB、德国
的西门子、AEG、日本的三菱、东芝、美国的 GE、西屋等,均已开发出数字装置,
有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品供选择。例如西门子公司生产的
SIMOREG-6RA70 全数字直流驱动装置,用于直流电机电枢和励磁供电,完成调速任
务。根据不同的应用场合,可选择单象限或四象限运行的装置,装置本身带有参数设
定单元,不需要其他任何附加设备便可完成参数的设定。
1.2.2 控制策略概况
在现代控制理论和智能控制策略应用方面,一些新的控制方式如模糊控制、自适
应控制、神经网络控制、滑模变结构控制,专家系统控制等也逐步进入了电力电子控
制领域,使控制性能更稳定,制造成本更低。在系统的数字控制方案中,目前有以下
几种:
1. PID 控制
在工业控制过程中,目前采用最多的控制方式仍然是 PID 方式。PID 有几个重要
的功能:提供反馈控制,通过积分作用可以消除稳态误差,通过微分作用预测将来。
发达国家对于 PID 控制算法利用率都很高,这一方面是由于 PID 控制器具有简单而
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固定的形式,在很宽的操作条件范围内,都能保持较好的鲁棒性;另一方面是因为 PID
控制器允许工程技术人员以一种简单而直接的方式来调节系统。但是工业生产过程中,
被控对象随着负荷变化或者受干扰因素影响,对象特性参数或者结构发生变化,PID
参数不变将影响校正效果;然而 PID 参数复杂而繁琐的整定过程一直困扰着工程技术
人员,其参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成,既耗时又耗力,加之
实际系统千差万别,又有滞后、非线性等因素,使 PID 参数的整定有一定的难度,致
使许多 PID 控制器没能整定的很好,这样的系统自然无法工作在令人满意的状态,为
此人们提出了自整定 PID 控制器,在线辨识对象特征参数,实时改变控制策略,使控
制品质保持最佳。
2. 滑模变结构控制
滑模变结构控制利用不连续的开关控制方法来强迫系统的状态变量沿着相平面
中某一滑动模态轨迹运动。变结构系统的滑动模态具有完全自适应性,这成为变结构
系统的最突出的优点,成为它得到重视的主要原因。任何实际系统中都有一些不确定
参数或变化参数,数学描述也总具有不准确性,还受到外部环境的扰动。滑模控制有
着明显的优点:快速性和强鲁棒性,但也存在控制系统稳态效果不佳、理想滑模切换
面难于选取、控制效果受采样率的影响等弱点。如今直流调速的滑模控制的研究方兴
未艾,特别是滑模控制和其它智能控制策略相结合构成新的集成控制策略备受关注。
3. 模糊控制和神经网络
传统的自动控制,包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点,即控制器
的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上,但是有时建立精确的数学
模型特别困难。这种情况下,模糊控制的诞生就显得意义重大。因为模糊控制不用建
立数学模型,根据实际系统的输入输出结果数据,参考现场操作人员的运行经验,就
可对系统进行实时控制。模糊控制器有着以下优点: 1 模糊控制是一种基于规则的
控制,它直接采用语言型控制规则,其依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的
知识。模糊控制器的设计过程中不需要被控对象的精确数学模型,模糊控制器有着较
强的鲁棒性和自适应性;2 查找模糊控制表只需要占用处理器的时间很少,因而可以
采用较高采样率来补偿模糊控制规则和实际经验的偏差。此外,随着神经网络控制芯
片的出现,一些学者正在研究其在直流调速中的应用,如用神经网络控制器替代闭环
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电流控制器等。综上所述,每一种控制方案都有其特长,但都在某些方面存在些问题。
因此,一种必然的发展趋势是各种控制方案相互渗透,取长补短,互济优势,结合成
复合的控制方案。
1.3 论文研究的背景和意义
在当今电气传动领域,由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性,因此在
要求高起动、制动转矩,快速响应和宽速度调节范围的电气传动中,仍广泛采用直流
电动机作为执行电机的直流调速系统。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑,
方便,易于在大范围内平滑调速,过载能力大,能受频繁的冲击负载,可实现频繁的
无级快速起制动和正反转,能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求,
所以直流调速系统至今仍然被广泛地用于自动控制要求较高的各种生产部门,是调速
系统的主要形式。
在工程实践中,有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节,并且
要求有良好的静,动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性,在我
国许多工业部门,如轧钢,矿山采掘,海洋钻探,金属加工,纺织等场合仍然占有重
要地位。而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟,从控制技术的角度来看,
它又是交流调速系统的基础。因此,直流调速系统的应用研究具有实际意义。
电气传动是现代最主要的机电能量变化形式之一。在当今社会中广泛使用着各式
各样的电气传动系统,其中许多系统有调速的要求:如车辆、电梯、机床、造纸机械
等等。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行
控制;为了减少运行损耗、节约电能也需要对电机进行调速。和交流调速系统相比,
直流调速系统的变流方式及控制方法简单,调速性能好,长期以来在调速传动中占统
治地位。在交流调速系统大力发展的今天,直流调速系统也有了很大的进步。数字化
集成电路尤其是微处理器的广泛应用,使调速系统的参数调整由硬件变成了软件,调
整 PID 参数甚至自寻最优都变得非常方便,实现了模拟控制中无法实现的各种复杂控
制要求以及故障监视、保护功能、自诊断功能。
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1.4 本文所做的主要工作
本文在选定直流电机控制模块、51 系列单片机、霍尔测速模块等硬件的基础上,
完成了系统整体方案的设计,并实现了以 51 系列单片机为核心的直流电机调速控制
系统的设计,主要工作内容有:
(1) 调速控制系统总体方案设计
(2) 调速控制系统硬件设计
(3) 调速控制系统软件设计,包括绘制程序流程图、编写源程序、KEIL 软件
编译
(4) 部分设计的 Proteus 仿真
(5) 调速控制系统的组装与调试
(6) PID 参数的实验整定
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第 2 章 直流调速控制系统概况及理论基础
本章主要介绍直流电机的调速方法及原理,阐述了直流电机的 PWM 调速原理和
调速系统的各个性能指标,最后,介绍了模拟 PID 控制的原理和数字 PID 的控制算
法。
2.1 直流电机调速方法及原理
根据直流电动机的转速公式,可见,其调速方式有电枢串电阻调速、电枢电源电
压调速和弱磁调速三种。
直流电机转速
𝑛
的表达式为:
𝑛
=
[
𝑈
―
𝐼
𝑎
(
𝑅
𝑎
+
𝑅
)
]
/
𝐶
𝑒
Φ
(2.1)
𝑈
:电枢电压;
a
I
:电枢电流;
𝑅
𝑎
+
𝑅
:电枢电路总电阻;
F
:每极磁通
(1) 电枢串电阻调速
他励、并励直流电动机拖动负载运行时,保持电源电压及励磁电流为额定值,在
电枢回路串入不同的电阻值,电动机运行在不同的转速,电动机的机械特性斜率随电
枢回路串入电阻 R 变化,调速范围只能在基速(运行于固有机械特性上的转速)与
零转速之间调节。
这种调速方法的特点是设备简单、调节方便;缺点为调速范围限于在基速与零速
之间调节,调速效率较低,电枢回路串入电阻后使得电动机机械特性变软,负载变化
引起电动机产生较大的转速变化,转速稳定性差。
(2) 电枢电源电压调速
直流电动机电枢回路不串接电阻,单独由一个可调节的直流电源供电,最高电压
不超过额定电压;励磁绕组由另一电源供电,一般保持励磁磁通为额定值。图 2.1 为
驱动恒转矩负载,改变电枢电源电压调速机械特性曲线,可见,电枢电源电压越低,
转速就越低;通过改变电枢电源电压,调速范围限于基速与零转速之间。
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