直流电机PID调速系统设计说明

1、 . . . 摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的围平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。本文设计的直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、电机驱动电路、LCD液晶显示器、霍尔测速电路以与独立按键组成的电子产品。主要是以直流电机（所选电机的额定转速为2000转/分钟）为被控对象，以MCU为控制器设计一个转速反馈单闭环PID控制系统，使系统稳态误差为零，最大超调量小于10%，电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LCD实现对测量数据（速度）的

2、显示。电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。关键字：直流电机调速；PID控制器；电机的驱动电路；LCD显示器；51单片机AbstractDC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control,

3、speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, H-bridge driver circuits, LCD liquid crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic products. Power supply with 78 series ch

4、ip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LCD realize the measurement data (speed) of the display. Motor spe

5、ed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control. Keywords: DC motor speed control；H bridge driver circuit；LCD display 44 / 44目录1 绪论11.1直流电机调速系统的研究意义31.2直流电机调速的发展趋势51.

6、3本文研究的容62 直流调速系统的硬件设计102.1设计方案综述102.1.1 H桥驱动电路设计方案122.1.2调速设计方案132.2硬件设计142.2.1电源电路142.2.2 H桥驱动电路162.2.3 基于霍尔传感器的测速模块162.3.4 LCD显示模块173 直流调速系统的软件设计193.1 PWM技术简介193.1.1 PWM介绍193.1.2 PWM控制的基本原理193.1.3 PWM调速原理213.2调节器设计223.2.1 电流调节器设计223.2.2 速度调节器的设计233.2 软件设计253.2.1 系统总控制流程图与说明253.2.2 PWM波软件设计263.2.2

7、测速软件设计294 基于matlab的仿真分析304.1仿真步骤304.2仿真分析345 结论38致39参考文献40附录。1 绪论1.1直流电机调速系统的研究意义三十多年来，直流经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，以晶闸管整流装置取代了使用己久的直流发电机一电动机机组与水银整流装置，使直流电机拖动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性与低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅度提高，应用围不断扩大。由于直流调速系统的调速精度高，调速围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电机拖动。直流调速技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系列

8、化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电机拖动领域中一直居于垄断地位。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，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度与可靠性较低。随着单片机控制技术的发展，直流传动控制系统己经广泛使用单片机，实现了数字化控制。数字化调速系统与模拟系统相比具有以下优点。1. 提高了调速性能由于测速采用数字化，能够在很宽的围高精度测速，所以扩大了调速围，提高了速度控制的精度。另一方面，一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法，例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了，从而使系统的控制性能得到提高。2. 提高了运行的可靠性由

9、于硬件高度集成化，所以零部件数量和触点大大减少;很多功能都是由软件(即程序)来完成的，使硬件得以简化，所以采用单片机控制的电力拖动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，没有工作点的温漂等问题，所以运行的可靠性高。3. 易于维修由于单片机可以与计算机相连，而计算机具有存储、显示、记录等功能，可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录，并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录，所以维修很方便，维修周期变短。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，数字直流调速系统的控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系

10、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，使直流调速系统进入一个崭新阶段。1.2直流电机调速的发展趋势(1) 国外发展概况随着各种微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系统一般采用晶闸管整流来实现，为了提高调速系统的性能，研究工作者对晶闸管触发脉冲的控制算法作了大量研究:有的提出了模控制的算法;有的提出了用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，等等。近

11、几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片的称为DSP单片电机控制器（如ADI的ADMC3××系列、TI的TM S320C240和Motorola的DSP56F8××系列），价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP的最大速度为2040MIPS，单周期指令执行时间快达几十纳秒，它和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强1015倍，确保系统有更优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应

12、用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。(2) 国发展概况我国在电机调速系统的水平还远落后于于发达国家，在电机调速的很多装备方面都还不够成熟。全数字化调速系统在国并没有得到广泛的应用。目前，国各大专院校、科研单位和厂家也都在开发数字直流调速装置。因此国调速系统的研究也非常活跃，但很多电机调速的市场还是被国外公司所占据。在国家十五计划中，对电机调速系统方面的研究投入将高达500亿元，所以电机调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。基于目前国外的研究状况，本设计主要研究的是用数字化调速系统代替传统的模拟调速系统。虽然本设

13、计研究的调速系统无法与国外先进的调速系统相比拟，但相对国的现状，本设计研究还是具有一定的实用价值的1.3本文研究的容该系统以89C51单片机为核心，用PWM实现直流电机调速，并介绍PWM的基本原理和占空比调节的方法。以小直流电机为控制对象，可以实现电机的启制动，正反转，速度调节。要求通过单片机外围的键盘按键实现速度、转向调节，并在LCD上实时显示相关参数。2 PID控制器2.1PID控制器的定义：PID控制器（比例-积分-微分-控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。 在工程

14、实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、几份、微分控制，简称PID控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算量进行控制。（1） 比例调节 。比例调节是对偏差的一种既是反应，偏差一旦出现，调节器立即产生，控制作用，是输出量朝着减小偏差的方向改变，控制作用得强弱取决于比例系数。加大比例系数可以减小稳态误差，但是，过大时会使系统的动态质量变坏，引起输出量的震荡，甚至闭环系统的不稳定。（2） 积分调节。在积分调解中，控制器具有累计成分，消除稳态误差的作用。塔通过累计作用影响控制量，从而减小偏差，之大偏差为零。如果积分时间常数大，那么积分作用弱，反之为强。增大将减慢消除稳态误差的

15、过程。引入积分环节会降低真个系统的快速性。（3） 微分调节。为了消除自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现震荡甚至系统的不稳定才引入微分环节。微分环节按照偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态。微分作用将有助于较小超调量，克服振荡，从而使系统趋于稳定。根据上述的控制器的作用，对上述的直流伺服电动机的一阶惯性系统，加入PID控制器之后，系统结构如图3：图3根据建立的PID控制器，得到系统的闭环传递函数：根据开环传递函数，可以确定闭环零点为根轨迹增益为，闭环极点为0，-24.39。根据系统的开环传递函数，可以确定系统的根轨迹。开环传递函数中的开环零点位置，根轨迹增益由PID参数来决定。

16、根据开环传递函数的零点位置大概确定系统的主导极点 ，通过对主导极点的分析来确定系统的性能。在工程中，常常使用主导极点的概念对高阶系统进行近似分析。系统的动态性能基本上由接近虚轴的闭环极点确定。系统地调节时间主要取决于最靠近虚轴的闭环复数极点的实部绝对值；如果实数极点距离虚轴最近，并且它的周围没有实数零点，则调节时间主要取决与该实数极点的模值。为了便于后面的计算，我们在本文中主要讨论闭环实数主导极点的作用。闭环实数主导极点的作用，相当于增大系统的阻尼，是峰值时间推迟后，超调量下降，。如果实数比共轭复数极点更接近原点坐标，甚至可以使振荡过程变为非振荡过程。实数极点越接近坐标原点，意味着这种作用越强

17、。下面我们讨论根轨迹可能出现的形式，分析系统的性能指标。（1） 当共轭零点位于（0，-24.39）时。一种是两个两个实极点，位于实轴上，阻尼比大于1，闭环极点的模值小于24.39，调速系统的调节时间大于未调速系统；两个共轭极点，负实部的模值小于24.39，系统的调节时间大于未调速系统。（2） 当实零点位于（0，-24.39）之间时，此时系统的闭环极点位于实轴上，阻尼比大于1，并且，闭环极点的模值小于24.39，调速系统的调节时间一定大于未调速的系统。（3） 当两个实零点位于（0，-24.39）之间和-24.39左边时，闭环极点一定位于实轴上，系统阻尼比大于1，并且一定有一个闭环极点的模值小于2

18、4.39，相当于主导极点，调速系统的调节时间会大于未调速的系统。（4） 当共轭零点实部位于-24.39左边时，系统闭环极点有两种可能。一种是两个实极点位于实轴上，在-24.39的右边，此时阻尼比大于1，闭环极点的模值小于24.39，调速系统的调节时间大于为调节的系统。另一种存在两个共轭极点，其负实部的模值大于24.39，调节时间变小，系统快速性变好。（5） 当实零点位于(0,-24.39)左边时，闭环极点的位置有3种可能。第一种：两个实极点位于-24.39的右边，此时阻尼比大于1，闭环极点的模值小于71.43，调速控制后的系统调节时间大于未控制的系统。第二种：两个共轭极点，共轭极点的负实部的模

19、值小于24.39，调速控制后系统的调节时间大于未调速系统。当共轭极点的实部的模值大于24.39时，调速控制后系统的调节时间小于未调速系统。第三种：两个实极点位于-24.39的左边，实极点的模值大于24.39，调速控制系统的调节时间小于未调速的系统。由上述分析可以得到，选取合适的参数，是的闭环极点的负实部的模值大于于直流电机负实部的模值，就可以使得调速控制后的系统快速性优于直流电机的快速性。我们选取第五种情况下的开环零点位置，其根轨迹如图4，将系统的开环零点设置为 ，那么根据式子得到：图4，所以只要给出的值，就可以确定PID的参数。按照试凑的方法，设置，那么求得，闭环极点为：，阻尼比约为0.86

20、6。加入PID控制器后系统阶跃响应见下页图5图53 直流调速系统的硬件设计3.1设计方案综述方案一：PWM波调速采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图2.1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术4。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许围。图3.1 PWM波调速电路其结

21、构图如图3.2所示：图3.2电机调速系统框图方案二：晶闸管调速采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电动机调速系统。1957年，晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图2-3，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不

22、再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。因此，在60年代到70年代，晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）代替旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统），得到了广泛的应用6。但是由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；晶闸管对过电压、过电流和过高的与都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间损坏器件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃与附近的用电设备，造成“电力公害”，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。图3.3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系

23、统）兼于方案一 调速特性优良、调整平滑、调速围广、过载能力大，因此本设计采用方案一。3.1.1 电机驱动电路设计方案图3-4所示的电机驱动电路为H桥式驱动电路它包括4个三极管和一个电机，电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。如图3-4所示，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图3.4H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-5所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱

24、动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图3.5H桥驱动电机顺时针转动图2-6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图3.6H桥驱动电机逆时针转动3.1.2调速设计方案调速采用PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控

25、制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值围之。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之，例如在0V,5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器

26、的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。3.2硬件设计3.2.1电源电

27、路1）芯片介绍78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路部还有过流、过热与调整管的保护电路。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用

28、来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。2）电路原理图电源电路采用78系列芯片产生+5V、+15V。电路图如图2.7： IC采用集成稳压器7805和7815，C2、C3、C5、C6分别为输入端和输出端滤波电容，稳压二极管D1串接在7805稳压器2脚与地之间，可使输出电压U得到一定的提高，输出电压U为7805稳压器输出电压与稳压二极管D1稳压值之和。D2是输出保护二极管，一旦输

29、出电压低于D1稳压值时，D2导通，将输出电流旁路。图2.7 78系列的电源电路3.2.2 电机的驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机与直流电机等的驱动永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。直流电机控制使用H桥驱动电路（图2.8），当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以与转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q

30、1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以与转速的控制。图2.8 H桥的电机驱动电路3.2.3 基于霍尔传感器的测速模块1）霍尔传感器的工作原理霍尔效应：在一块半导体薄片上，其长度为l，宽度为b，厚度为d,当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，即UH=KHIB，其中kH为霍尔元件的灵敏度。该电势称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整

31、形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间输出的脉冲数N，因此可求出单位时间的速度VNT。2）霍尔传感器的电路原理图当电流流过霍尔传感器时，产生的磁场聚集在磁环，通过磁环气隙中霍尔元件进行测量并放大输出，其输出电压V精确的反映原边电流。图2.9 霍尔传感器的测速电路3.3.4 LCD显示模块1）1602芯片介绍1602液晶模块部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是010000

32、01B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A。1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)

33、时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。2）电路原理图图2.10 LCD显示电路3.3.5 D/A转换电路AD转换原理图1-1-4 ADC0809外部管脚图本设计用ADC0809完成模拟信号到数字信号的转换。输入模拟信号有A/D转换单元可调电位器提供的05V，将其转换后的数字信号读入累加器，做为控制电机的给定转速。4 直流调速系统的软件设计4.1 PWM技术简介4.1.1 PWM介绍脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽

34、调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列

35、被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 4.1.2PWM控制的基

36、本原理冲量相等而形状不同的 窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本一样。冲量指窄脉冲的面积。效果基本一样，是指环节的输出响应波形基本一样。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。图3-1形状不同而冲量一样的各种窄脉冲 分别将如图3-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-1a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3-1b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全一样。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非

37、常接近，仅在高频段有所不同。图3-2 冲量一样的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以与各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前

38、为止 ，已出现了多种PWM控制技术。4.1.3 PWM调速原理直流电动机转速n=(U-IR)/K 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻,为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。 PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接

39、通和断开电源，并根据需要改变一个周期接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的"占空比"，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。图4.3 电枢电压“占空比”与平均电压关系图如图4.3所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax

40、，设占空比为D=tT，则电机的平均速度为Vd=VmaxD 式中，Vd-电机的平均速度；Vmax-电机全通电时的速度（最大）；D=t1/T-占空比。由公式可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以其近似地看成线性关系。本次设计中PWM信号是由单片机EM78P156输出的，然后通过控制导通角实现对直流电机速度的控制。其电路图如图所示图4.4单片机控制单元电路图4.2调节器设计4.2.1 电流调节器设计在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电

41、流环如下图3.5所示。图3.5电流环的动态结构图与其化简如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统（图3.6所示）。图3.6 等效单位负反馈系统4.2.2 速度控制器的设计（1） 电流环节的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数Wcli(s).电流环闭环传递函数为:式中 。接入转速环，电流环等效环节的输入量应为U*i(s),因此电流环在转速环中应等效为：（2） 转速调节器结构的选择。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必有一个积分环节，它包含在转速调节器ASR中。现在扰

42、动作用点后加了一个积分环节，因此转速环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也满足动态抗扰性能好的要求。其传递函数为：其中 Kn-转速调节器的比例系数；-转速调节器的超调时间常数；3.7 用等效环节代替电流环3.8 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处3.9 校正后成为典型 II 型系统这样，调速系统的开环传递函数为：令转速开环增益KN为则有调速系统的开环传递函数为43软件设计4.3.1 系统总控制流程图与说明图4.10 系统总控制流程图如流程图所示（1）单片机控制电机时，系统首先进入中断保护过程。中断保护过程将完成如下5方面的工作：保存端口的状态值。保存中断前的

43、片寄存器值。保存存储器的寻址地址。保存主程序的执行代码断点。初始化脉冲宽度、延时长度和状态信息。（2）完成中断保护后，系统将检查脉冲宽度计时时间是否达到。脉冲宽度计时用于开启可控硅，控制电机运行。如果既定时间宽度的脉冲已完成（即判定结果为是），则必须撤销脉冲；如果既定时间宽度的脉冲已完成（即判定结果为否），则不撤销脉冲。（3）判断电机是否正在运行。如果电机没有运行，则恢复寄存器初始值，完成中断，返回系统主程序；如果电机正在运行，则继续执行。（4）判断脉冲延时时间是否到达。如果延时到达，中断将重新开启脉冲，并给出脉冲初始值，重新决定是否开启可控硅，控制电机运行；如果延时不到，则恢复寄存器初始值，

44、完成中断，返回系统主系统。（5）完成中断，返回系统主程序。4.3.2 PWM波软件设计Pwm波软件设计的思想是：通过控制总中断使能EA控制电机的开关，同时使能对霍尔传感器输出的方波在单位时间脉冲个数的计数。其中定时器T0,T1分别对脉冲的宽度、霍尔元件输出的脉冲数对应的1秒时间定时。对脉冲宽度的调整是通过改变高电平的定时长度，由变量high控制。变量change、 sub_speed 、add_speed分别实现电机的转向、加速、减速。其程序流程图如图3.11所示。产生矩形波开始按键查询OPEN是否按下时定时器T0开始计时Add_speed是否按下初始化是是增大矩形波占空比Sub_speed是

45、否按下是减小矩形波占空比Swap或close是否按下改变转向或关闭电机图3.11 PWM波软件设计方框图部分程序代码如下：/*通过按键实现对电机开关、调速、转向的控制的程序*/ void motor_control() if(open = 1)EA = 1;if(close = 1)EA = 0;if(swap = 1) change = change;while(swap != 0) if(sub_speed = 1) high+; if(high = 30) EA=0; while(sub_speed != 0) if(add_speed = 1) high-; if(high = 5)

46、high = 5; while(add_speed != 0) 4.3.3测速软件设计开始初始化OPEN是否按下定时器T1开始计时对单位时间内的脉冲计数 N根据公式计算出电机的速度液晶显示电机速度图3.12 软件测速的方框图/*T1中断服务程序*单位时间（S）方波的个数*/void time1_int(void) interrupt 3 count_speed+;if(count_speed = 20) count_speed = 0;num_display = num_medium;num_medium = 0;5 基于matlab的仿真分析5.1仿真步骤直流脉宽调速系统的控制电路包括：给定

47、环节、转速调节器ASR、电流调节器ACR，速度、电流反馈环节、PWM信号发生器等。其中，转速调节器和电流调节器各封装在子模块中，里面包含PI调节，限幅值等。1.控制电路mosfet，采用系统自动给定的参数，不需要做调整。数据类型转换选择inheri via back propagation.采用数据类型转化的原因是信号经速度和电流调节器后由double型变为boolean型。2.current controller 采用relay环节，图5.1 current controller参数设置Speed controller参数KP=1.6，KI=16.图5.2 speed controller参

48、数设置3.平波电抗器L=1H，其值偏大。4.电动机的参数如图所示。负载T=50n.m图5.3 dc machine参数设置脉宽调速系统的模型为图5.4：图5.4 脉宽调速系统的模型5.2仿真分析图5.5仿真效果图如图所示，在0-2秒的时间，分三个阶段：电流上升阶段，恒流升速阶段，转速调整阶段。4秒时给定速度有100变为50rad/s,4-4.4秒时间，电动机转速上升，电枢电流基本不变，当转速达到给定值时，电枢电流有大幅的下降，5-6秒时间转速基本恒定，电枢电流有一振荡的环节。第8秒时，负载给定变化，由20变为60n.m。这时由于系统中由有速度与电流调节器（PI调节器）的作用，使得电动机的转速基本没有变化，电枢电流由小幅的振荡上升过程最后达到稳定。当负载T=50n.m时，仿真结果为：图5.6负载为50n.m仿真效果图当负载为T=30n.m时，仿真结果为：图5.7负载为30n.m仿真效果图当负载变为T=10n.m时，仿真结果为：图5.8负载为10n.m仿真效果图由此可以看出，当负载变小时，发现电枢电流有负值。下图表示当第4秒时负载由小变大，转速有微小的波动，很快又恢复到设定值，电枢电流由小幅的振荡上升过程最后达到稳定。图5.9负载变化过程中仿真效果图6 结论本文主要利用MATLAB对直流脉宽