基于pwm控制的直流电机自动调速系统设计

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1、1绪论1.1课题的研究背景和意义直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性;尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(PulseWidthModulation，简称PWM)控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片

2、机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用己久的直流发电机一电动机组(简称G-M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制(PulsewidthModulation)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器单片机应用于

3、控制系统，控制电路己实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一直居于垄断地位[1]。目前，国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发直流数字调速装置。姚勇涛等人提出直流电动机及系统的参数辨识的方法。该方法依据系统或环节的输入输出特性，应用最小二乘法，即可获得系统或环节的内部参数，所获的参数具有较高的精度，方法简便易行。张井岗等人提出直流电动机调

4、速系统的内模控制方法。该方法依据内模控制原理，针对双闭环直流电动机调速系统设计了一种内模控制器，取代常规的PI调节器，成功解决了转速超调问题，能使系统获得优良的动态和静态性能，而且设计方法简单，控制器容易实现。董芳英等人提出采用模糊控制方法，对模糊控制理论在小惯性系统上对其应用进行了尝试。经1.SKW电机试验证明，模糊控制理论可以用于直流并励电动机的限流起动和恒速运行控制，并能获得理想的控制曲线。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，数字系统的控制精度和可靠性比模拟系统大大提高。而且通过系统总线，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

5、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，使系统进入一个崭新阶段[2]。1.2本设计的主要内容本设计的主要任务是:设计基于PWM方式的直流电动机调速系统的控制电路和控制程序。本设计主要要求是:控制程序用C语言或汇编语言编写,在仿真软件Proteus上设计控制电路,设计基于PWM方式的直流电动机调速系统的控制电路和控制程序。使用元器件：AT89C51单片机、霍尔电流传感器、增量式光电编码器。技术要求：设计直流电动机全数字双闭环控制系统。全部控制模块如速度PI调节、电流PI调节、PWM控制都通过软件实现。直流电动机驱动电路采用L298控制电路，通过

6、单片机的输出引脚P01～P04输出控制信号进行控制。用霍尔电流传感器检测电流变化，并经A/D转换产生电流反馈信号，通过P20引脚输入给单片机。采用增量式光电编码器检测电动机的速度变化，经P11、P12引脚输入给单片机，获得速度反馈信号。每100个PWM周期对速度进行一次PI调节。2脉宽调制技术及其在直流电动机控制系统中的应用2.1直流电机的构成和基本工作原理无刷直流电动机是在普通直流电动机基础上发展起来的，无刷直流电动机的电枢线圈是由电子“换向器”接到直流电源上的。无刷直流电动机具备两个特点:A.具有直流电动机那样的优良特性;B.直流电源供电，没有电刷和机械换向器，绕组电流的通断

7、和方向变化，是通过电子换向电路实现的。和普通直流电动机类似，无刷直流电动机转矩的获得也是通过改变相应电枢线圈电流在不同磁极下时的方向，从而使电磁转矩总是沿着一个固定的方向。为了实现电枢电流在不同磁极下换相，必须有相应的换流装置，与普通直流电机不同，无刷直流电动机必须有位置传感器，检测和确认磁极与绕组相互间的相对位置，位置传感器有相应的两部分，即转动部分和固定部分，转动部分和无刷直流电动机本体中转子同轴连接，固定部分和定子连接。无刷直流电动机的结构原理如图2.1所示。图2.1无刷直