基于单片机的直流电机调速控制系统设计_毕业设计(论文)(3)

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2 直流调速控制系统概况及理论基础

2.1 直流电机调速方法及原理

直流电机转速n的表达式为:

n?Ua?Ia?Ra(r/min) Ce? （2.1）

由该式可知，直流电机转速n的控制方法有三种：

(1)调节电枢电压Ua。改变电枢电压从而改变转速，属恒转矩调速方法，动态响应快，适用于要求大范围无级平滑调速的系统;

(2)改变电机主磁通。只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，属恒功率调速方法，动态响应较慢，虽能无级平滑调速，但调速范围小;

(3)改变电枢电路电阻∑Ra。在电动机电枢外串电阻进行调速，只能有级调速，平滑性差、机械特性软、效率低。

改变电枢电路电阻的方法缺点很多，目前很少采用:弱磁调速范围不大，往往与调压调速配合使用;因此，自动调速系统以调压调速为主。 2.2 直流电动机的PWM调速原理

为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。

脉宽调制（Pulse Width Modulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。 通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的。

PWM变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等

为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的

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闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。 2.3 调速系统的性能指标 2.3.1 调速系统的稳态指标

任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求，如在一定的最高转速和最低转速范围内，有级或无级地调节转速;以一定的精度在需要转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。对于频繁起/制动的设备要求加减速尽量快，以提高生产率，不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起制动尽量平稳。为了进行定量分析，可以针对前两项要求提出两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”，这两个指标合称为调速系统的稳态性能指标。

调速范围

生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围。

D?静差率

当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落

?N与理想转速n0之比称作静差率,即

nmax （2.2） nmin s??n （2.3） n0静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度。它和机械特性的硬度 有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。

图2.1 不同转速下的静差率

调速范围和静差率这两项指标不是彼此孤立的。在调速过程中，若额定转速相同，

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则转速越低，则静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求。因此静差率的指标应以最低速时能达到的数值为准。 2.3.2 调速系统的动态指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。

图2.2 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标

在给定信号或参考输入r(t)的作用下，系统输出量c(t)变化情况可用跟随性能指标来描述。如图2.2所示。常用的阶跃响应性能跟随指标有上升时间，超调量和调节时间。

上升时间tr

输出量从零开始第一次上升到稳态值C时所经过的时间，它表示了动态响应的快速性。

②超调量?和峰值时间tP

输出量到达最大值Cmax时的时间即为峰值时间。最大值超过稳态值的百分数叫超调量,即

??Cmax?C? （2.4）

C? 超调量反映系统的相对稳定性，超调量越小，相对稳定性越好。 ③调节时间ts

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输出量达到并不再超出稳态值的5%(或2%)的范围所需的时间称为调节时间。它衡量输出量整个调节过程的快慢。它反应了系统的快速性和稳定性。

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3 调速系统硬件部分设计

3.1 调速控制系统实现的功能

A 包含检测环节、调节器环节、控制输出环节的单闭环控制系统。 B 转速给定值设置范围0-110

C 八位数码管显示转速给定值、测量值及占空比。 D 正反转控制和启制动控制。

E 软件实现的数字PID调节器作为本控制系统的控制器。 3.2 系统总体设计框图及其工作原理

电机驱动芯片 八位显示数码管 直流电机 单片机 测速环节 矩阵键盘 图3.1 系统总体框图

系统以单片机为控制核心，通过矩阵键盘设置电机转速给定值。和直流电机同轴的光栅转盘和红外对管可将速度信号转换为脉冲信号，并送给单片机，单片机通过对脉冲计数计算实际转速。通过设定转速值和测量值比较，根据误差利用软件PID调节器进行计算，给出控制量。单片机输出二进制控制量直接送到电机驱动芯片输入端，驱动芯片通过输入端电平不同逻辑组合形式控制输出不同占空比的PWM波形，从而控制直流电机的转速。数码管显示部分可显示给定转速值、实际转速值和占空比。综上，单片机主要完成参数设置、转速测量、参数显示和控制输出等功能。 3.3 器件选型

1.单片机选型：

直流电机调速系统仅需要完成转速计算、控制器实现、输出PWM波形等任务，系

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