直流电机速度闭环控制系统设计报告

1、目录一、课题简介2二、方案设计2系统整体设计2电机的传递函数3集成H桥驱动器4发电机传递函数5信号整形电路5显示电路6D/A转换电路7851 单片机最小系统8三、电机实验模型的建立8四、控制系统仿真分析11电机的开环特性仿真分析11闭环控制器的设计12离散域对控制系统的仿真分析14PI调节器的离散化15零阶保持器与电机传函的离散化15离散域仿真分析15五、系统实际效果与理论分析的比较16电机的开环特性16电机系统的闭环特性17闭环系统消除稳态误差17正阶跃响应特性18正、负阶跃响应特性19闭环系统抗扰动能力19六、控制算法的实现20七、总结211.实验过程中存在.21电机模型的测量不够精确21

2、电机模型的降阶处理21电机转速的测量21微处理器的选择222.实验收获与体会22附录一23附录二23附录三(离散域仿真补充).331直流电速度闭环控制系统设计（华技大学电气学院430074）一、课题简介现代化生产和生活中，电的作用十分重要，无论是交通、国防、航空航天、医疗卫生、农业生产、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用各种各样的电。据有关资料介绍，现有 90%以上的动力源来自于电，我国生产的电能大约有60%消耗于电目前电（1）。因此，研究电的控制系统是有较大的现实意义的。的主流控制都是由微机完成的。电机微机控制系统主要用于一下两个方面：发电机励磁系统的控制用于保证正常工作

3、时发电机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定运行，达到最优化控制的目的。（2）电调速及伺服控制用于鼓风机、水泵的调速以及数控机床、机器人、计算机磁盘驱动器等位置控制系统。目前，直流电机调速控制策略有很多，如控制，伪未分反馈控制(PDF)和伪微分反变量控制(PDFSV)等。其中传统的控制的直流电调速系统仍然是工业应用中大多数调速控制系统的首选。本文将采用 51 单片机对直流电本设计主要包含一下几个方面的内容：的转速进行数字控制。（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）直流电的建模。硬件系统的设计。在 S 域对闭环系统进行仿真分析。在 Z 域对闭环系统进行仿真分析。在 Z 域分析的基础上得到

4、数字控制算法，并用微处理器实现。实测波形的分析，以及与理论仿真分析波形的对比。设计总结。程序代码附录二、方案设计1. 系统整体设计框图系统整体设计框图如图 21 所示：2D/A 实时将速度信号转为电压信号设定速度、实测速度实时显示直流电M键盘速度设定电机驱动模微控制器(外设接口、运算、数字块(集成H 桥)取单相信号分压、加直流偏置交流测速发电机G迟滞比较三相交流输出图 21由于所选的微控制器功能有限，上图中虚线框所示的键盘速度设定未做，速度指令值直接由程序给出。2. 电机的传递函数设直流电各参数如下：输入电压为U，电枢电流Ia，电枢电阻r，输出转矩T，转速n，电枢感应电势E，电势时间常数Ce，

5、转矩时间常数Ct，电枢电感L，负载转矩TL，则直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：dIadtU RI LEd 0adaGD2 dnT TL 375 dtdIa )整理得：U E R(I Td 0aaedt Tm dEaI IaLR dt式中：电枢回路电磁时间常数(s)；GD2R375C C Tm电力拖组的机电时间常数(s)。e T将以上两式作拉氏变换，得：Ud 0 (s) Ea (s) Ia (s)R(1 Te s)3测周期I (s) I (s) Tm sE (s)aaLaR：综合Ea=Cen，1/ CeU (s) I (s)R(T s 1)n(s) T T s2 T s 1Lem em

6、实际的电机通常满足TeTm,，因此，上式可以简化为下面的一阶系统：1/ CeU (s) I (s)Rn(s) LT s 1m后面用实验的方法建立的电机模型便是基于此式的。3集成 H 桥驱动器(DC/DC 降压电路及其传递函数)L298 是专门为小型直流电机设计的驱动，它单片集成 2 路 H 桥，可驱动 2 路直流电机四象限运行。工作电压可达 46V，输出总电流可达 4A，比较适合小型直流电机的驱动用。考虑到电机回路的大信号可能会对逻辑控制系统造成干扰而出线逻辑错误，驱动系统中使用了光电耦合TLP521 将控制回路和电机回路开来。主电路电路图如图 22 所示：图 224其中 H 桥的电路如图 2

7、3 所示:图23其基本工作原理为：In1、In2 配合可以控制电机的转向，EnA 为使能端当设定好电机转向后，对 EnA 进行高频调制输入，在电枢电感滤波的作用下，电机就可以得到低于电源电压的实际工作电压。当 EnA=1 时，电机端电压 U=Vs，当 EnA=0 时，电机通过主开关管的反并联二极管(图中未示出)续流，实际相当于电机反接在电源两端，电机端电压 U=Vs，因此，可以推出，当 EnA 的占空比为 D 时，电机实际获得的端电压值为：U=(2D1)*Vs。（而实际上由于电机是消耗电能，因此 D0.5 时是不能工作的）即 DC/DC 降压电路的传函为:U(s)=Vs*(2D(s)1)；4.

8、 发电机传递函数本系统测速发电机是采用的三相永磁同步交流发电机，其输出交流电压频率与转速格的线性关系，因此测出交流发电机的输出电压频率就得到了机组的运行转速。交流发电机有 8 对极，由 n=60f/p 可以知道：n(s)=7.5f(s)。5. 信号整形电路交流测速发电机输出的电压信号为正弦波，而实际的频率测量电路中希望使用单电源。因此，采用了如图 24 所示的电路：5图 24由于测速发电机的输出电压较高，需要经 R1 分压后才方便后面的整形电路使用，R2 为分压后的信号提供直流偏置，这样，就可以使用单电源的迟滞比较器 74HC14 将正弦信号变换成 TTL 电平的正 。实测波形如下：图 25图

9、 26图 25 所示的波形是加上直流偏置后的分压后的正弦波，图 26 所示的波形为经过迟滞比较器后所得到的信号，对其进行周期测量，从而可以换算出机组的转速。6. 显示电路为方便直接看出电机的转速，有必要在系统中加入显示电路，我使用的 51 开发板上有现成的液晶显示器可用，因此没有专门设计另外的显示电路。液晶显示器型号为 SMC1602，是一款 16*2 的字符型液晶显示器。在本设计中，该液晶显示器被用来显示速度的指令值和实时速度。显示器的接口电路如图 27 所示：6图 277.D/A 转换电路显示器只能显示瞬时速度，而不能看出电机速度的变化趋势，也无法观测电机的动态性能(如调节时间、超调量等)

10、。鉴于此，我设计使用了 D/A 转换电路，将测得的速度信号转化成电压信号，从而可以在示波器上方便地观测速度信息的变化，从而可以较为准确地得到控制系统的动态响应指标(后面所测得的调节时间、超调量、稳态误差、抗扰动性能等指标均是在 D/A 变换的基础上观察和测量的)。实际运行过程中电机的速度不会超过 5000r/min，因此，设定电机的转速为 6144r/min 时对应 D/A 输出最大值 5V(向 D/A 变换器写入 255)，则写入 D/A 的值与速度的关系为 x=n/(6144/256)=n/24；反过来，当观察到 D/A 的输出电压为 u 时，可以推算出机组的转速 n=u*6144/5=u

11、*1229。采用的 D/A 的型号为 TLC5620，这是一款 8 位的 D/A 转换器，具体的接口电路如图 28所示：图 287851 单片机最小系统本设计中我使用的是一块 51 开饭板，上面带有一些常用的外设，这为实验带来了一些方便之处；然而，由于 51 功能略显弱小，因此在开发程序的时候资源显得比较紧张，最终不得不省去一些其他的功能模块，如键盘输入等。51 单片机的最小系统如图 29 所示：图 29三、电机实验模型的建立按照电机的理论模型，可以去测量电机的实际物理参数，但实际参数不易测量，如摩擦系数，转动惯量，气隙磁通等，且测量的精度也不高。因此，我采用了测量电机开环响应，从而根据理论模

12、型建立电机的实验模型，实验表明所建立的模型是合理的。具体实现方法如下：图 318图 31 所示为直流电带负载的示意图（图中为画出励磁磁极），其理论模型为：1/ CeU (s) I (s)R(T s 1)n(s) T T s2 T s 1Lem em经过近似处理以后，电机模型可以简化为一阶系统：1/ CeU (s) I (s)Rn(s) LT s 1m即直流电 机模型为 一个近似 的一阶惯 性系统， 不计负载 影响时 ：n(s)KGP (s) U (s) Ts 1 ，因此，只需要用实验的方法测出电机的近似一阶模型即可。用实验的方法测出电机的时间常数 T 和开环增益 K 即可。实验方法为，电机空载

13、时，用可调电源对电机电枢供电，测量不枢端电压时的电机的空载转速(由于实测时直流电机带上了交流测速发电机作为负载因此，并非严格意义上的空载)。实验数据如表 31 所示：表 31根据该实验数据如下电机开环特性曲线，如图 32 所示：图 32由该开环特性曲线可以得到如下结论：（1）由于直流电机带了交流测速发电机做为负载，以及摩擦阻力等并不过零点。，开环特性曲线（2）在 U10.0V，n10.0V 以后，出线明显的非线性特性，这对电机的建模与控制是不利的。（3）鉴于电机的开环特性，拟按照 U10.0V,n2500r/min 时的特性，拟合出电机的开环9UN/(V)3.54.04.55.05.56.06

14、.57.07.5n/(r/min)53767180392810371198132514501528UN/(V)8.08.59.09.510.010.511.011.512.0n/(r/min)172519152038222524903040352039204500特性方程：n=281u520 (r/min)，可见，电机的开环增益为 K=281。根据电机的开环阶跃响应曲线，可以计算出电机的时间常数 T。在做开环阶跃响应实验时，考虑到电机在较低速度运转时不平稳，测量确，因此阶跃响应的速度指令并不从零开始，而是从 1300r/min 左右上升到 2000r/min 左右。电机的开环阶跃响应曲线如图

15、33 所示：图 33由该开环阶跃响应曲线可以得到如下结论：（1）直流电机开环的正阶跃响应与负阶跃响应的特性不同，即电机加、时的时间常数不同，由图中阶跃响应曲线可知，正阶跃响应时稳态建立时间 Ts=300ms，而负阶跃响应的建立时间 Ts=700ms。这一点对电机的闭环控制是不利的，从后面的闭环阶跃响应也可以看出，正、负阶跃的响应是不一样的。的实验主要是以正阶跃指令为主，因此电机的时间常数按正阶跃响应来计算。从发出阶跃命令起，电机的转速上升量达到阶跃指令值的 63.2%所需要的时间即为电机的时间常数，从图中的波形可以读出，当n=no+63.2%(nSno)时，所对应的时间 Tr100ms，因此，

16、 取电机的时间常数为T=100ms。电机的时间常数取 T=100ms，则按照工程经验，控制系统的采样周期应取为Ts=0.1T=10ms。（2）（3）至此，已经建立了一个比较实用的实验电机模型，即：n(s)K281G (s) PU (s)Ts 10.1s 1在实际仿真和实验时，应考虑负载（即扰动）的影响，另作分析。10四、控制系统仿真分析1.电机的开环特性仿真分析仿真框图如图 41 所示。10Step1Gain1T o WorkspaceSubtractScopeT ransfer FcnStep图41开环阶跃响应曲线如图 42 所示：图42由该开环阶跃响应曲线可以得到如下结论：开环系统的响应速

17、度慢，由仿真曲线可以看出，达到稳态的时间 Ts500ms。存在稳态误差。给定一个阶跃指令时，电机不能达到指令转速；当有扰动（加负载）时，电机的速度不能自动恢复。由以上分析可知，直接采用开环的电机系统，存在种种问题，因此，有必要对其进行闭环控制，以改善电机系统的性能。112810.1s+1n2. 闭环控制器的设计由上述电机系统的开环特性分析可知，电机系统存在稳态误差，为消除稳态误差，控制器中应包含积分项。要求电机系统的超调量小，即要求有较大的相角，设计要求超调量PO65o，考虑到建立模型的近似，以及实际情况中所没有考虑到的种种 ，因此，应对PM提出更高的要求。控制器拟采用 PI控制器，在S域进行

18、控制系统的设计。系统仿真框图如图 43 所示：10T o WorkspaceScopen*图 431 eTsT注：图 43 中的Zho为零阶保持器的一阶近似表达式。零阶保持器 Zho ，Ts1 s2其中T为采样周期(控制系统的采样周期选择为T=0.01s)。图中的 PI 控制器参数的确定是通过频域分析的方法得到的。控制器(PI)、被控对象(直流电机)、以及开环传函的波特图如图 44 所示：12erruptR0 007Gain21sumSubtractDC m otor ZhosPI controllerScope12810.1s+10.010.005s+1n图 44从上面的波特图可以得到一下结

19、论：（1） 从被控对象(直流电机)的波特图可以看出，穿越频率较大(1000rad/s)，相角也较大(约为 75o)，因此如果直接进行速度闭环而不加控制器进行校正，则电机系统将会有较好的动态性能(超调量小，调节时间短)，但一个不能接受的缺陷是存在稳态误差，因此，必须加入带有积分环节的控制器进行校正。（2） 零阶保持器的存在会使得系统的相角变小，因此，在设计控制器时应能克服零阶保持器所带来的缺陷，保证系统有较大的相角。1（3） 在所设计的PI调节器 Gc(s) 0.007 的校正下，系统获得了较大的相角，sPM=75o，从而使系统能够获得较小的超调量。闭环系统的阶跃响应曲线与抗扰动曲线如图 45

20、所示：132500200015001000500000.511.522.5t/(sec)33.544.55图 45从上面的仿真曲线可以得出如下结论：（1）系统的稳态误差消除了，阶跃指令值为n*=2000r/min，系统的稳态输出值为ns=2000r/min，稳态误差 0。系统的响应较快，从图中的仿真波形可以看出，调节时间ts3ms)，这是不能接受的，因此，也不采用这种方法；另一种思路是测量脉冲的周期，在每个脉冲的下降沿出发中断，开定时器，从而可以计出两个相邻脉冲下降沿的时间间隔，即周期，从而可以精确地计数出频率。鉴于此，实验中我采用的是后法。然而这中方法也存在器局限性：当机组转速较低时，周期比

21、较大，这将导致速度测量所花的时间变长，速度信息刷新慢，相当于反馈环节有延迟，这对系统的控制是不利的。1.4 微处理器的选择。由于控制系统的实时型要求较高，而且要求功能要强大，选用 DSP 是比较合适的。然而由于我没有 DSP 开发板，而且对 DSP 程序的开发也不太熟悉，而且开发程序最好能够有连续的时间，去不太方便，因此没有选择 DSP。而是选用了一款 51 开发板，51 功能较弱，然而基本上还是可以完成本系统的，但是省去了键盘部分(输入指令值用)，而是直接在程序里头修改指令值观测机组的响应。另一方面，由于 51 开发板上面有较多外设可供直接使用(如液晶显示器、D/A 等)。2.实验收获与体会我从大一便加入了校电工电子科技创新，从那时起便接受了较多的动手方面的训练，如电路设计，调试，程序编写等，因此有较强的动手能力。然而以前做东西有一个很大的特点，就是“试”，很多电路参数都是试出来的，或者是用仿真仿真得到的，而较少从理论上进行分析，