課程設計

課程名稱計算機控制技術

題目名稱 PID 直流電機轉速控制

學生學院

專業班級

學號

學生姓名

指導教師

2013 年 06 月17日

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目錄

一、 系統總體設計 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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二、 硬件設計 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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三、 軟件設計 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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四、結果分析 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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五、實驗總結及體會 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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六、附錄 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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一、系統總體設計

1.1 直流電機轉速開環控制與閉環控制的選取

對直流電機轉速的控制有一般有兩種方式，一種是開環控制，一種是閉環控制。開環控制的優點是簡單、穩定、可靠。若組成系統的元件特性和參數值比較穩定，且外界干擾較小，開環控制能夠保持一定的精度。缺點是精度通常較低，無自動糾偏能力；閉環控制的優點是控制的精度可以達到很高，而且對外界的干擾和系統的參數變化有很好的抑制作用，且可以通過輸出反饋控制系統的控制過程。缺點是存在穩定性，振蕩，超調等一系列問題，對系統的性能分析和設計遠比開環控制麻煩。

經過利弊的取舍，本次試驗選擇的是閉環控制，因為準備應用 PID 算法控制電機的轉速，故而需要有實際轉速進行反饋與給定的轉速形成對比，進而通過算法輸出 PWM波形來控制直流電機。

既然選擇了直流電機轉速閉環控制，可根據反饋機制大概做出其控制模型。

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R(t) +e(t)c(t)

PID算法輸出直流電機

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測速裝置

1.2 直流電機調速方式的選取

直流無刷電機由電動機、 轉子位置傳感器和電子開關線路三部分組成。直流電源通過開關線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發開關線路中的功率開關元件使之導通或截止，從而控制電動機的轉動。在應用實例中，磁極旋轉，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關電路來實現。電機的電樞繞組作成三相，轉子由永磁材料制成，與轉子軸相連的位置傳感器采用

霍爾傳感器。 3600 范圍內，兩兩相差1200 安裝，共安裝三個。

為了提高電機的特性，電機采用二相導通星形三相六狀態的工

作方式。開關電路采用三相橋式接線方式。

基于直流電機的特性 ,本次試驗使用的是 PWM 脈寬調制方法。脈寬調制 (PWM)是利用數字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是在對電機的轉速控制方面，可大大節省能量。 PWM 具有很強的抗噪性，且有節約空間、比較經濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷 :模擬電路容易隨時間漂移，會產

生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了 PWM 技術后，避免了以上的缺陷，實現了用數字方式來控制模擬信

號，可以大幅度降低成本和功耗。PWM 對調速系統來說， 系統

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的響應速度和穩定精度等指標比較好 ;電樞電流的脈動量小， 容易連續，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩工作 ;系統的調速范圍寬 ;使用元件少、線路簡單。

PWM 的原理：

理論基礎：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上

時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環

節的輸出響應波形基本相同。 低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N 等

分，看成 N 個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖

代替，等幅，不等寬，中點重合，面積(沖量)相等，寬度按正弦規

律變化。脈沖寬度調制波通常由一列占空比不同的矩形脈沖構成，其

占空比與信號的瞬時采樣值成比例。圖 1 所示為脈沖寬度調制系統的

原理框圖和波形圖。該系統有一個比較器和一個周期為Ts 的鋸齒波

發生器組成。語音信號如果大于鋸齒波信號，比較器輸出正常數A，

否則輸出 0。因此，從圖 1 中可以看出，比較器輸出一列下降沿調制的脈沖寬度調制波。

1.3

直流電機測速裝置的選取

經過查閱了大量資料，發現目前常用的測速裝置有三種。

1.3.1

直流測速發電機測速

直流測速發電機可分為勵磁式和永磁式兩種。勵磁式由勵磁繞組接成他勵，永磁式采用矯頑力高的磁鋼制成磁極。由于永磁式不需另加勵磁電源，也不因勵磁繞組溫度變化而影響輸出電壓，故應用較廣。

根據已學過的直流發電機的工作原理知，電刷兩端的感應電勢 ：

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Ea = Ceфn=Ke n 可知

電刷兩端的感應電勢與電機的轉速成正比。

直流發電機能夠把轉速信號換成電勢信號，從而用來測

速。

自動控制系統對測速發動機的要求為： 1. 輸出電壓與轉速的關系曲線為線性。 2. 輸出特性的斜率要大。 3. 溫度變化對輸出特性的影響要小。 4. 輸

總結

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