基于PID控制的直流电机调速系统

基于PID控制的直流电机调速系统基于PID控制的直流电机调速系统1引言1.1本课程的选题背景PID控制器(闭环系统误差的比例、积分和微分控制的调节器)自30年代末出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。 其结构简单，参数调整方便，在长期应用中积累了丰富的经验。 尤其是在工业过程的控制中，由于难以构建受控对象的精密数学模型，系统参数始终发生变化，采用控制理论进行综合分析不仅花费大量成本，而且难以得到所期待的控制效果。 在使用计算机实现控制的系统中，PID通过计算机语言可以容易地实现。 对于软件系统灵活性，可以修改并完整PID算法，使得数字PID具有很大的灵活性和适用性。 数字PID控制器通过软件编程在计算机内部实现。PWM控制的基本原理早已提出，但受电力电子器件发展水平的限制，直到20世纪80年代才能实现。 直到20世纪80年代，随着全控制电力电子元件的出现和快速发展，PWM控制技术才得到了真正的应用。 随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术取得了前所未有的发展。 迄今为止，出现了各种PWM控制技术。PWM控制技术具有其控制简单、灵活、动态响应良好的优点，成为电力电子技术应用最广泛的控制方式，也是研究的热点。 由于当今科技的发展没有了学科之间的界限，结合现代的控制理论思想，实现无谐振软开关技术成为PWM控制技术发展的主要方向之一。电机控制系统的开发大多消耗各种硬件资源，系统构建时间长，调试时难以修正硬件系统，开发时间长。 随着计算机仿真技术的出现和发展，在计算机上仿真电机控制系统，减少系统开发费用和周期。 计算机仿真分为整体仿真和实时仿真。 整体仿真是一种典型的实时仿真软件，其能够通过在系统中逐个时间段地计算和分析个体对象来直观地、整体地理解个体对象的变化情况，以及正确地预测系统。 实时仿真是随着时间的经过，动态仿真当时的系统状态的动态仿真。 Proteus是一种实时模拟软件，用于模拟各种嵌入式系统。 可以模拟各种微控制器，作为本系统的Proteus模拟直流电机控制系统。采用该控制方式改变电压占空比，实现直流电机速度的控制。 本文采用专用芯片组作为PWM信号发生系统，通过放大驱动电机。 用直流测速发电机测量电机速度，通过滤波电路得到直流电压信号，将电压信号输入A/D转换芯片，最后反馈给单片机，在内部进行PI运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制。1.2直流电机介绍1.2.1直流电机的发展历史据说马达原理最先提出的是英国科学家法拉第，他首先证明电力是旋转动力，然后德国杰克比首先实践，制造了第一台马达。 马达最初的样子是在两个u型磁铁之间安装六镯，在各臂上安装两个棒型磁铁，通电后磁铁的吸引力和排斥力使车轴旋转。马达比杰克发展得更快。 他制作了给小型艇提供动力的大型装置，在伊诺斯河试航。 当时的时速只达到了2.2公里，但对马达实验的成功没有影响。 作为马达的另一个发展者，美国达文波特几乎同时成功地制造了电动印刷机，但遗憾的是这种印刷机成本太高，几乎没有商业价值。电机的广泛应用推动力来源于直流电机的诞生，1870年比利时工程师发明了这种实用的机器，大量制造，不断提高电机的效率。 马达的另一个研究机构德国西门子也在努力研究，几乎在克成功的同一时间西门子发动马达车，这辆不燃车在柏林工业展览会上赢得了喝彩。1.2.2直流电机的特点直流励磁的磁路在电气电子设备中的应用，除了直流磁铁(直流继电器、直流接触器等)之外，在直流旋转电机中的应用也是最重要的。 在发电厂，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机锅炉给粉机的动机是直流电机。 另外，在很多工业部门，例如大型轧制设备、大型精密机床、矿山卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格的线速一致的场所等，通常以直流电动机为原动机来拖动机床。 直流发电机通常作为直流电源向负载输出电力的直流电机作为原动机驱动各种生产机械，向负载输出机械能。 在控制系统中，直流电机还有速度电机、伺服电机等用途。 直流发电机和直流电机的用途各不相同，但它们的结构基本相同，利用电和磁的相互作用实现了机械能和电能的相互转换。直流电机的最大弱点是电流流动问题，消耗大量有色金属，成本高，运行中的维修检查也很麻烦。 因此，在电机制造业中，大多改善了交流电机的调速性能，取代了直流电机。 但是，近年来，利用晶闸管整流装置代替直流发电机取得了重大进展。 包括直流电机在内的所有旋转电机实际上都是基于我们所知道的两个基本原则制作出来的。 一个是导线的切断磁通产生感应电动势，另一个是通电导体在磁场中受到电磁力的作用。 因此，从结构上看，任何电机都包括磁场部和电路部。 根据上述原理，任何电动机都体现了电与磁的相互作用，是电与磁的相反对立面的统一。 我们在本章探讨直流电机的结构和工作原理。 研究直流电机的“磁”和“电”如何相互作用、相互制约、表现两者相互关系的物理量和现象(电枢电动势、电磁转矩、电磁电力、电枢反应等)。1.2.3直流电机的分类一般电机多采用电流励磁。 激励的方式分为他的激励和自我激励两种。l其他励磁直流电机从独立的电源向电机励磁线圈供给必要的励磁电流。 例如，通过独立的直流电源从向直流发电机的励磁线圈供给电力的交流电源向异步电机的电枢线圈供给电力，产生旋转磁场等。 前者是直流励磁，后者是交流励磁。 在同步电动机不同于电网的情况下，可以对转子的励磁绕组进行直流励磁，也可以从电网向定子供给交流励磁，一般以直流励磁为主。 如果直流励磁不足，则从电网输入延迟的无效电流，向电机补充励磁的直流励磁过强，则电机向电网输出延迟的无效电流，削弱电机内部的磁场。 采用直流励磁时，励磁电路只有电阻引起的电压下降，所需励磁电压低，励磁电源的容量小。 采用交流励磁时，励磁线圈有较大的感应电抗，因此所需励磁电压非常高，励磁电源的容量也非常大。他的励磁电源，原本经常使用直流励磁机。 随着电力电子技术的发展，交流励磁机经过半导体整流向励磁线圈供电的方式被励磁的情况较多。 励磁调节可以通过调节交流励磁机的励磁电流来实现，同时使交流励磁机的输出电压基本保持恒定，同时通过可控整流来进行调节。 后者调节较快，利用可控整流桥逆变器的工作状态实现快速减磁和减磁，取消常用减磁开关也很容易。 在前一种方式中，整流元件是二极管，如果与交流励磁机的电枢绕组、同步电动机的励磁绕组一起安装在转子上，则励磁电流能够从交流励磁机经由整流桥直接输入励磁绕组，不需要集电环或电刷，能够构成无刷励磁系统，对电动机的运转、维护带来很多便利当然整流元件、快速保险丝等元件在运转中处于高速旋转状态，受到相当大的离心力，结构设计时必须加以考虑。l自励磁直流电机利用电机自身发电的一部分电力供应自身的励磁需求。 电机采用自励磁时，无需外部单独的励磁电源，设备简单。 但是，如果电机内部原本就没有磁场，就不能产生电动势，也不能自励磁。 因此，实现自激的条件是电机内部需要剩馀磁通。自激系统还分为并励和复励两类。 另外，励磁是指仅通过同步电机的电压获得能量的自励磁系统，复合励磁是指通过同步电机的电压和电流两者获得能量的自励磁系统。 并联发电机自激的条件和启动过程如图1和图2所示。 图1是并联励磁直流发电机的原理接线图。 图2是其激发过程。 其中曲线1是发电机的磁化曲线=f(If )。 由于在一定转速下电动机的感应电动势与磁通成比例，因此曲线1同时成为电动机的无负载特性曲线E 0=f(If )、即电动机的感应电动势与励磁电流If的关系。 曲线2为励磁电路的电阻特性U=IfR，表示励磁电流与电机电压的关系。 这实际上是斜率r的直线。 其中r是励磁电路的总电阻，包含励磁绕组的电阻和施加的调节电阻Rr。1.2.4直流电机的结构和基本工作原理l直流电机的结构分为定子和转子。定子包括主磁极、机台、转极、电刷装置等。转子有电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴和风扇等。(1)定子定子是发动机中不动的部分，由主磁极、床和刷子装置构成。 主磁极由主磁极铁心(极心和极掌)和励磁绕组构成，其作用时产生磁场。 极心放置励磁绕组，极掌的作用是在电机气隙中最合理地分配磁感应强度，切断励磁绕组。 主磁极由硅钢板制成，固定在床上。 床也是磁路的一部分，经常由铸钢制成。 电刷是吸入电流的装置，其位置是固定的。 与旋转开关滑动连接，将施加的直流电流导入电枢绕组，转换为交流电流。直流电机的磁场是一定不变的磁场，由励磁绕组中的直流电流形成的磁场方向与励磁电流没有关系，是由法则决定的。微型直流电机还使用永磁铁作为磁极。(2)转子转子是电机的旋转部分，主要由电枢和换向器构成。 电枢是电枢产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁心和点数搭接。 电枢铁芯呈圆柱形，由硅钢板制成，表面有槽，槽中有电枢绕组。 电流流过的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，旋转驱动转子，发挥能量转换的中枢作用，因此被称为“电枢”。换向器又称换向器，是直流电机的特殊装置。 楔形铜片制成，片间用云母隔板绝缘。 换向器片嵌合在套筒中，用压圈固定成换向器后再进行冲压，旋转轴上的电枢绕组的导线以一定的规则焊接在换向器片突出的切口上。用弹簧压住固定在换向器表面的电刷，将旋转的电枢绕组与外部电路连接，将外部直流电流转换为电枢绕组内的交流电流。l直流电机的基本工作原理导体受力的方向由左手定律决定。 这一对电磁力形成作用于电枢的转矩，该转矩在旋转电机中被称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针旋转，要使电枢逆时针旋转。 如果该电磁转矩能够克服电枢的电阻转矩(例如摩擦产生的电阻转矩或其他负载转矩)，则电枢逆时针旋转。图1-1直流电机原理模型在电子旋转180度后，导体cd旋转到n极下，导体ab旋转到s极下时，由于直流电源供给的电流的方向不变，因此从电刷a流出，经由导体cd、ab从电刷b流出。 此时，导体cd受到力的方向从右变为左，导体ab受到力的方向从左变为右，电磁转矩的产生方向保持逆时针方向。因此，电子旋转时，整流子配合电刷的电流转换作用，直流电流从导体ab和cd交替流过，只要线圈边在n极下，其中通过电流的方向总是从电刷a流过的方向，在s极下总是从电刷b流过的方向。 由此，保证各极下线圈边的电流始终为一个方向，形成一定方向的转矩，电动机能够连续旋转。 这就是直流电机的工作原理。l直流电机的机械特性直流电机根据励磁方式分为其他励磁、并励磁、直励磁、复励磁4种。 以下以一般的他励和并励电机为例介绍其机械特性、启动、逆转和调速，他励和并励电机只是连接方式的不同，两者的特性相同。图1-2直流电机的接线图图1-2是他励磁直流电机进行励磁的配线图。 其他励磁电动机的励磁绕组和电枢分离，从励磁电源电压Uf和电枢电源电压u这两个直流供电，另一方面，在并联励磁电动机中，两者并联连接，从相同的电压u供给电力。并联励磁电机的励磁线圈与电枢并联连接，其电压与电流的关系如下所示u=erai:ia=(ra为电枢电压)I=Ia IfIa在电源电压u和励磁电路的电阻Rf不变化的情况下，励磁电流If和由此产生的磁通也不变化，=常数。 电机的旋转距离也与电枢电流成正比，T=KTIa=KIa是并励电机的特征。电机的电磁旋转距离t必须与机械负荷旋转距离T2及无负荷损失旋转距离T0平衡时，电机等速旋转的轴上的机械负荷发生变化时，电机的旋转速度、电流、电磁旋转距离等会发生变化。 的双曲馀弦值nTN型t.tnNn0n图1-3并联励磁电机的机械特性曲线式中并联励磁电机的启动和反转：另外，电机稳定运行时，电枢电流位如下所示由于电枢电阻Ra较小，因此在电机正常运转时，电源电压u和反电动势e大致相等。启动时，n=0，因此E=kEn=0。 此时电枢电流及起动电流由于Ra较小，起动电流Iast可以达到额定电流IN的1020倍，这种情况下是不允许的。 同时励磁电机的旋转距离与电子电流Ia成正比，这样大的启动电流会引起大的启动旋转距离，给生产机械的传动机构带来冲击和破坏。限制启动电流的方法是在启动时的电子电路上串联连接启动电阻Rst的方法，请参照图。 此时起动电枢中的起动电流的初始值启动电阻为一般： Iast=(1.52.5)IN启动时，将启动电阻Rst设为最大值，启动后，随着电机转速的上升，可以阶段性地切除。注意：直流电机启动或动作时，励磁电路请务必保持on状态，不要off (全励磁启动)。 通常，由于磁路中剩馀磁通少，因此有可能发生如下情况为了改变电动机的旋转方向，必须改变电磁旋转距离t的方向，通过改变磁通(励磁电流)和电枢电流Ia的方向就能够实现。1 .调整电机的调速电机调速是指在相同负载下得到不同的转速，满足不同的要