基于单片机的直流电机调速控制系统设计_毕业设计(论文)(2)

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1 绪 论

1.1 直流调速系统的发展概况

五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用已久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管一电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制(Pulse Width Modulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。80年代随着计算机技术和通信技术的发展，8-32位单片机相继出现并应用于控制系统，控制电路已实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。早期，直流传动的控制系统采用模拟分立器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着单片机广泛应用于直流传动系统，实现了调速系统的数字化控制。数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点: 1提高了调速性能。测速的数字化能够在很宽的范围内高精度测速，扩大了调速范围，提高了速度控制的精度。另一方面，模拟电路难以实现的控制方法，如自适应控制、复合控制等都能容易的实现;2提高了运行的可靠性。硬件高度集成化使得零部件数量和触点大大减少，很多功能都是由软件完成的，所以数字化直流调速系统的故障率比模拟系统小。另外，数字电路的抗干扰性能强，不易受温度等外界条件变化的影响，运行的可靠性高;3易维修。由于单片机可以与计算机相连，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生的故障进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。 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

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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。

国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字装置。张井岗等人提出直流电动机调速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能。由于单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。而且通过系统总线，数字控制系统能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行信息交换，实现生产过程的分级自动化控制。所以，直流传动控制采用单片机实现数字化，使系统进入一个崭新阶段。

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 （1） PID算法概述

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

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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） PID算法的软件实现方法

模拟PID调节器的传递函数为：

D(s)?U(s)1?Kp(1??Td?s)E(s)Ti?s （1.1）

由此可得数字PID的增量型控制算法表达式为：

?u(k)?u(k)?u(k?1)?Kp[e(k)?e(k?1)]?Ki?e(k)?Kd?[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)] （1.2）

可以看出增量型算法优点是不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关，对计算的精度影响较小。而位置型算法要用到过去的误差的累加，容易产生大的误差。

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。任一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

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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滞环电流控制器等。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、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

本文在选定凌阳电机控制模组、STC单片机、光栅转盘等硬件的基础上，完成了系统整体方案的设计，并实现了以STC单片机为核心的直流电机调速控制系统，主要工作内容有：

（1） 器件选型和控制系统总体方案设计 （2） 控制系统硬件设计

（3） 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） 控制系统的组装与调试 （6） PID参数的实验整定

（7） 提出基于模糊控制算法的系统控制策略改进方案

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