直流电机单闭环控制、解读
单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是一种常见的控制系统，用于控制直流电机的转速。以下是单闭环直流调速系统的基本组成和工作原理：
基本组成：
1. 直流电机：负责将电能转换为机械能。
2. 编码器或传感器：用于测量电机的实际转速。
3. 控制器：通常使用PID控制器，根据实际转速和设定转速之间的误差进行调节。
4. 功率放大器：将控制器输出的信号放大后送至电机，控制电机的转速。
工作原理：
1. 测量阶段：编码器或传感器测量电机的实际转速，并将这个信息反馈给控制器。
2. 比较阶段：控制器将实际转速与设定的目标转速进行比较，计算出误差值。
3. 控制阶段：根据误差值，控制器通过PID算法计算出控制信号，控制电机的转速。
4. 执行阶段：功率放大器根据控制信号控制电机的转速，使实际转速逐渐接近设定转速。
调速过程：
-如果实际转速低于设定转速，控制器会增加电机的供电，使电机加速。
-如果实际转速高于设定转速，控制器会减小电机的供电，使电机减速。
-控制器通过不断地调整电机的供电，使得实际转速稳定在设定的目标转速附近。
通过单闭环直流调速系统，可以实现对直流电机转速的精确控制，广泛应用于工业生产中的传动系统、自动化设备等领域。
单闭环直流调速系统.
精度高 开环和闭环系统的静差
是 nmax，而对最低速静差率的 要求相同，那么：
率分别为
Dop
nnom s nop (1 s)
Dcl
nnom s ncl(1 s)
scl
ncl , nocl
sop
nop n0 op
则得 Dcl (1 K )Dop
当n0op
n0cl时, 则scl
sop 1 K
（3）当要求的静差率一定 时，闭环系统可以大大提高 调速范围。
- Un
Ks Ud
0
1/Ce
n
+
只考虑扰动作用-IdR时
-IdR E
+
n
的闭环系统
- Ud
1/Ce
n RI d Ce (1 K )
0
Ks Kp
利用叠加原理得
n
K
p
KsU
* n
IdR
Ce (1 K) Ce (1 K)
注意
闭环调速系统的静特性表示闭环系 统电动机转速与负载电流（或转矩） 间的稳态关系，它在形式上与开环机 械特性相似，但本质上却有很大不同， 故定名为“静特性”，以示区别。
扰动作用与影响
Kp变化
Id变化
电源波动 R
U*n +
∆Un
- Un
Kp Uc
Ks
单闭环直流调速工作原理
d
R↓→
U
↓→
n
U↑→
Uct↑→
U
↑→
d
n↑
导入 内容 案例 总结
电工培训四级——单闭环直流调速工作原理
3、单闭环调速系统的静特性
闭环调速稳定工作时，电机转速与负载电流之间的关系称为闭 环调速系统的静特性。
由稳态结构图可知
U
U
* n
Un
Uct KpU
Ud KsUct n Ud IdR
单相180V 直流1A 直流180V s<10%
电工培训四级——单闭环直流调速工作原理
导入 内容 案例 总结
通过本节课的学习，我们学到了单闭环直流调速系统的工作原理和 性能，单闭环直流调速系统是在开环直流调速系统的基础之上通过增 加反馈检测环节和比较放大电路，采用闭环控制构成的，是一种非常 重要且比较常见的直流调速系统，同时，学习单闭环直流调速系统的 相关知识是学习双闭环直流调速系统的基础，为以后的学习打下基础。
国家职业资格培训电工（四级）
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职业资格培训电工（四级） 单闭环直流调速工作原理
电工培训四级——单闭环直流调速工作原理
闭环直流调速系统就是在开环直流调速系统的基 导入 础上增加了反馈比较环节，系统为了稳定输出，通 内容 常引入负反馈。
案例 总结
图1 闭环调速系统的框图
直流电机闭环控制个人总结
直流电机闭环控制个人总结
直流电机闭环控制是通过反馈控制的方式实现对电机转速和位置的精确控制。闭环控
制系统由传感器、控制器和执行器组成。
在闭环控制系统中，传感器用于测量电机的转速和位置，并将测量值反馈给控制器。
控制器根据测量值和设定值之间的差异，计算出控制信号，然后将控制信号发送给执
行器。执行器根据控制信号来调整电机的输入量，使电机的转速和位置达到设定值。
闭环控制系统的优点是能够实时校正电机的偏差，使其稳定在设定值附近。通过反馈
控制，可以提高电机的响应速度，并且对系统参数的变化具有一定的鲁棒性。此外，
闭环控制系统还可以通过控制器的输出来实现电机的速度和位置变换。
在实际应用中，闭环控制系统可以根据需求选择不同的控制算法，如PID控制算法、
模糊控制算法等。通过合理选择和调整控制参数，可以在不同工况下获得良好的控制
效果。
总结起来，直流电机闭环控制通过反馈控制的方式实现对电机转速和位置的精确控制，具有稳定性强、响应速度快、鲁棒性好等优点，是一种常用的控制方法。
单闭环直流调速系统介绍课件
控制器根据输入 信号和反馈信号， 产生控制信号， 控制功率放大器
的输出。
功率放大器将控 制信号放大，驱 动电动机旋转。
检测装置检测电 动机的转速、电 流等参数，并将 检测信号反馈给 控制器，形成闭
环控制。
单闭环直流调速系统的特点
结构简单：主要由控制器、功率
01
放大器和电动机组成 控制精度高：能够实现对电动机
冰箱：通过单闭环直流调速系统实现冰箱的压缩 机转速控制，提高制冷效果和节能效果。
空调：通过单闭环直流调速系统实现空调的压缩 机转速控制，提高制冷效果和节能效果。
电风扇：通过单闭环直流调速系统实现电风扇的 转速控制，提高送风效果和节能效果。
4
单闭环直流调速 系统的发展趋势
数字化和智能化的发展趋势
数字化：采用 数字信号处理 技术，提高系 统的控制精度 和响应速度
3
单闭环直流调速 系统的应用领域
工业自动化领域
Fra Baidu bibliotek
工业机器人：用 于生产线上的自
动化作业
智能物流系统： 用于仓储、运输 和配送的自动化
数控机床：用于 精密加工和自动
化生产
工业物联网：用 于连接和控制各
种工业设备
自动化生产线： 用于大规模、高
效率的生产
智能工厂：用于 实现生产过程的 智能化和自动化
工业控制系统： 用于监控和管理
直流电动机转速闭环控制系统图解
直流电动机转速闭环控制系统图解
为了提高系统的掌握精度，必需把系统输出量的信息反馈到输入端，通过比较输入值与输出值来产生偏差信号，该偏差信号以肯定的掌握规律产生相应的掌握作用，使偏差信号渐渐减小直至消退，从而使掌握系统达到预期的要求。
所谓闭环掌握系统是指输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参加掌握的系统。换句话说，就是将输出量反馈回来和输入量比较，使输出值稳定在期望的范围内。
图1为直流电动机转速闭环掌握系统方框图。图中，把从系统输入量到输出量之间的通道称为前向通道或正向通道；从输出量到反馈信号之间的通道称为反馈通道。由于采纳了反馈信号，信号的传输路径形成闭合回路，使系统输出量(转速)反过来直接影响掌握作用。这种通过反馈回路使系统构成闭环，并按偏差产生掌握作用，以减小或消退偏差的掌握系统，称为闭环掌握系统或反馈掌握系统。
图1直流电动机转速闭环掌握系统
闭环掌握系统的主要特点是被控对象的输出(被控量)会反送回来影响掌握器的输入，形成一个或多个闭环回路。闭环掌握系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统商定值信号相反，则称为负反馈；若极性相同，则称为正反馈。一般的闭环掌握系统都采纳负反馈，又称为负反馈掌握系统。闭环掌握系统的优点是具有自动修正被控量消失偏离的力量，可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差。
第二章 单闭环直流调速系统ppt课件
4、静特性的硬度要比机械特性硬得多。
这一点从特性方程也可看出：
开环机械特性：
n Ud Ce
R Ce Id
斜率： k R Ce
闭环静特性： nCKep1KsUKn*Ce1RKId
斜率：k R
Ce 1 K
可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。
思考题：
1．怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？ 2．开环机械特性与闭环系统的静. 特性有何相同之处和不同之处？ 10
2、单闭环无静差调速系统原理图
(观察对比，指出与有静差调速系统的异同)
.
22
3、单闭环无静差调速系统稳态结构图
无静差调速系达到稳定工作状态时，系统的一个显著特点就是调节 器的输入偏差为零，即
ΔU=Un*-Un=0 或 Un* =Un =αn
这就是无静差调速系统的静特性方程。
思考题：
如上图示，给定为10V时，电机的稳定转速为1000r/min，则转速反馈系
影响。 6.能在实验室熟练完成单闭环调速系统的接线与调试，会测试
单闭环调速系统的静特性。
§2 单闭环直流调速系统
课题引入---开环调速系统的局限性分析及改进办法
开环调速系统优点：结构简单。
开环调速系统的局限性：
抗干扰能力差，当电机的负载或电网电压发生波动时， 电机的转速就会随之改变，即转速不够稳定，因此开环 调速只能应用于负载相对稳定、对调速系统性能要求不 高的场合。
单闭环与双闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统综合课程设计
说明书
目录
第一章概述 (2)
第二章调速控制系统的性能指标 (3)
2.1 直流电动机工作原理 (4)
2.2 电动机调速指标 (4)
2.3 直流电动机的调速 (5)
2.4 直流电机的机械特性 (5)
第三章单闭环直流电动机系统 (6)
3.1 V-M系统简介 (6)
3.2 闭环调速系统的组成及静特性 (7)
3.3反馈控制规律 (8)
3.4 主要部件 (9)
3.5 稳定条件 (11)
3.6 稳态抗扰误差分析 (12)
第四章单闭环直流调速系统的设计及仿真 (14)
4.1 参数设计 (14)
4.2 参数计算及MATLAB仿真 (15)
第五章总结 (24)
参考文献
第一章概述
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速，而用于完成这项功能的自动控制系统就被陈为调速系统。目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，因此在相当长的时间内，高性
能的调速系统几乎都采用直流调速系统，但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性能的交流调速系统也日趋广泛。单闭环直流电机调速系统在现代生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能及低廉的价格越来越被大众接受。
单闭环直流电机调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、电动机-发动机、闭环控制系统等组成，我们可以通过改变晶闸管的控制角来调节转速，本文就单闭环直流调速系统的设计及仿真做以下介绍。
第二章调速控制系统的性能指标
2.1 直流电动机工作原理
一、直流电机的构成
第一讲单闭环直流调速系统详解演示文稿
UPE的组成
图中，UPE是由电力电子器件组成的变 换器，其输入接三组（或单相）交流电源， 输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。
第三十五页，共69页。
~u
AC DC
UUdd00
Uc
UPE的组成（续）
目前，组成UPE的电力电子器件有如 下几种选择方案： 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或 P-MOSFET组成的PWM变换器； 对于较大容量的系统，可采用其他电力 电子开关器件，如GTO、IGCT等； 对于特大容量的系统，则常用晶闸管触 发与整流装置。
s nN nN n0min nmin nN
于是，最低转速为
nmin
nN s
nN
(1
s)nN s
第二十二页，共69页。
而调速范围为
D nmax nN nmin nmin
将上面的式代入 nmin，得 D nNs nN (1 s)
第二十三页，共69页。
（3-4）
式（3-4）表示调压调速系统的调速范围、 静差率和额定速降之间所应满足的关系。对 于同一个调速系统， nN 值一定，由式（ 34 ）可见，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越 小。
▪ 三种调速方法的性能与比较
对于要求在一定范围内无级平滑调速的 系统来说，以调节电枢供电电压的方式为 最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通 虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往 往只是配合调压方案，在基速（即电机额 定转速）以上作小范围的弱磁升速。
单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统
简介
单闭环直流调速系统是一种常见的电气传动系统，广泛应用于工业生产和机械控制领域。该系统通过调节直流电机的电压和电流来实现对电机转速的精确控制。本文将介绍单闭环直流调速系统的原理、主要组成部分以及工作原理。
原理
单闭环直流调速系统的基本原理是通过调节电机的励磁电流和电压来改变电机的转速。系统的闭环反馈控制可以实现对电机转速的精确控制。具体的原理如下：
1.转速测量：系统中通过安装转速传感器来测量电机
的实时转速，并将测量值反馈给控制器。
2.错误计算：系统将设定的目标转速与实际转速进行
比较，计算出误差值。
3.控制信号产生：根据误差值，系统控制器生成相应
的调节信号。
4.调节信号传递：调节信号通过控制器输出，传递给
电机的调速装置。
5.电机调速：电机的调速装置根据控制信号调整电机
的电压和电流，从而实现对电机转速的控制。
组成部分
单闭环直流调速系统主要包含以下几个组成部分：
1.电机：直流电机是该系统的驱动设备，通过调整电
机的电压和电流来实现转速控制。
2.电源：系统需要一个恒定的直流电源供应电机运行，并提供所需的电压和电流。
3.调速装置：调速装置是控制电机电压和电流的关键
设备，通过改变输出电压和电流的大小来实现对电机转速
的控制。
4.转速传感器：转速传感器用于测量电机的实际转速，并将测量值反馈给控制系统。
5.控制器：控制器是系统的核心部分，负责计算误差
值并生成相应的调节信号。
6.显示器：显示器用于实时显示电机的转速和控制参
数。
工作原理
当系统启动时，电机会按照设定的初始转速开始运行。转
速传感器会实时测量电机的转速，并将测量值传递给控制器。控制器根据设定的目标转速和实际转速计算出误差值。
转速单闭环直流调速系统(45页)
单闭环调速系统的基本特征？
4单闭环调速系统的基本特征（反馈控制的基本规律）
(1)具有比例放大器的单闭环调速系统是有静差的； (2)闭环系统具有较强的抗干扰性能： (3)闭环系统对给定信号和检测装置中的扰动无能为力。
前向通道
电网电压
u s
Id 负载变动
U
* n
?
参数漂移
Kp
变动
R 励磁变化
Ks
?
U d0
? nN
Leabharlann Baidu
? IN R CE? N
? 305 ? 0.18? 274.5r/min 0.2
如果要满足 D ＝20， s ? 5％的要求，可以根据式(4.2-8求) 得额定
负载下的转速降落 ? nN 为
? nN
?
D
nN
?1
s ?
s??
1000 ? 0.05 ? 2.63 r/min 20(1? 0.05)
3 开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较
机械特性比较: n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
D
A"
U d04 U d03 U d02 U d01
O
Id
1
Id 2
Id3
Id 4
Id
图 4.3.4 闭环系统静特性与开环系统机械特性的关
5转速单闭环直流调速系统解读
自动化与电气工程系 27
2.1.2 稳态结构图和静特性
1. 系统稳态结构图
注意：采用带限幅的输出特性表示PI调节器
U* Ui Id R
U*n+
- Un ASR
i
+
Uc ACR
Ks UPE
Ud0 + - E
1/Ce
n
双闭环直流调速系统的稳态结构图
2019/2/23
自动化与电气工程系 28
Uin Uex
Uexm Uex Uin
a) P调节器
t
O τ
b) I调节器
t
自动化与电气工程系 13
1.6.3 比例积分控制规律
1. PI调节器的传递函数
R1 1 1 U ex U in U indt K piU in U indt R0 R0 C1 τ
PI调节器的输出电压由比例 和积分两部分相加而成
1 t U c ΔU n dt τ 0
2019/2/23
自动化与电气工程系
8
1. 在这里,值得特别强调的是,当 Un=0 时,Uc并不是零, 2. 而是一个终值 Ucf ; 3. 如果Un不再变化,此终值便保持恒定 不变,这是积分控制的特点.
2019/2/23
自动化与电气工程系
9
1.6.2 积分调节器和积分控制规律
单闭环直流调速系统的基本工作原理
单闭环直流调速系统的基本工作原理系统的基本原理是根据电机的实际转速和设定转速之间的误差，通过调节电源电压来控制电机的转速，使实际转速与设定转速保持一致。
具体工作过程可以分为以下几个阶段：
1.电源输入：将交流电源转换为直流电源供给电机。交流电源经过整流电路，将交流电转换为直流电。
2.电流控制：通过变阻器来改变电压，调节电阻的大小，从而控制直流电机的输入电流。当电阻增大时，电机的输入电流减小，反之亦然。
3.转速检测：通过转速传感器测量电机的实际转速，并将测量值与设定值进行比较，计算出转速的误差。转速传感器通常是使用光电传感器或霍尔传感器等。
4.控制器：根据转速误差来调节电机输入电压。控制器可以是模拟控制器或数字控制器，根据系统的要求来选择。控制器通过与电机控制电路相连，从而控制电机的输出。
5.输出功率：经过调整电源电压后，电机输出的功率与实际负载相匹配。控制电路会根据设定值和转速误差来调节电机输出的功率，使其尽可能接近设定值。
总结起来，单闭环直流调速系统的基本原理是通过将交流电源转换为直流电源，通过调节电压来控制电机的输入电流，利用转速传感器测量实际转速并与设定值比较，然后通过控制器调节电机的输入电压，使实际转速与设定转速之间的误差尽可能减小。通过这种方式，可以实现对直流电机的调速控制，适应不同负载要求和工作条件。
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消抖电路
T<Tclk<Tmin Tclk为CLK的时钟周期； T为干扰信号的周期； Tmin 为电机达到最大 速度时检测到波形信 号的周期
x
PRE
y
PRE Q D Q
dout~0 dout
din clk
D
ENA CLR
ENA CLR
消抖电路
仿真波形
如果Tclk<T 则带入了 干扰信号，没有达到 消抖的作用。如果 T>Tmin ,则是消抖过 大，把有用的信号滤 除掉
数据显示
除法器的介绍
对设定值和实际转速的显示都是经过换算分别求得要显示 的数的十位、个位、十分位、百分位的值。然后经过转换 成为BCD码，最终显示在2片4位一体的共阴极数码管上面
div ider a[14..0] b[14..0] y [14..0] rest[14..0]
inst
PID调节器
基于FPGA小型直流电机单 闭环控制
主要研究内容
本设计介绍了基于FPGA用PWM实现直 流电机调整的基本方法，直流电机调速 的相关知识，及PWM调整的基本原理和 实现方法。重点介绍了基于FPGA用软件 产生PWM信号的途径，输出的PWM波形 具有频率高、占空比调节步进细的优点。
直流电机调速原理
Leabharlann Baidu
外围硬件包括输入模块，转速采集模块， 显示模块以及直流电机
按键输入 FPGA 电机转速采集电 路
显示模块 直流电机 驱动电路 及直流电 机
H型控制电路
DLR-R为1，DLR-L为0，使能信号为1，则Q1，Q4导通； DLR-R为0，DLR-L为1，使能信号为1，则Q2，Q3导通，电机反向；
PWM波形发生器的设计及分析
COMPARE
unsigned compare
dataa[9..0] datab[9..0]
inst
agb
测速频率计
当叶扇挡住DS时，Q截止，5脚得到5v高电平，负端输出电压为3.8v，则IO 口输出高电平；反之，当叶扇没挡住DS时，接收管导通，5脚电压被拉低到 0.3v左右，从而输出端IO输出低电平；所以当点击转动时，IO输出端得到 随电机转速变化而变化的方波。通过FPGA内部频率检测计检测该波形可以 得到此时的转速。
+5V
R
2
2
3.3V
U
R
1
Res2
R
A
1
Res2
4.7k
R
3
5
LM339AN
1
5
0
Res2
2
4K7
Res2
4
I
1
0
K
D
S
LED1
Photo
NPN
Q
4
R
P
3
C
1
C
RPot
C
Cap
Pol1
3
1
0
0
K
2.2uF
Cap
0.1uF
2.2uF
Cap
Pol1
2
O
频率计的设计
扇叶上只有一个小孔， 电机每转过一圈产生一 个脉冲 闸门时间为0.25秒。假设 在0.25秒的闸门时间内共 检测到 N个脉冲，则可 以通过计算得出 电机的 转速 F=N*4/1转/秒
PWM的产生是从比较器的输出得到的，通过改变比 较器的输入来达到输出周期一定占空比可调的方波 设计思路：dataa从0到1024步进加1一直循环，循环的周期即为最终输出 的方波的周期。Dataa 的值从0一直加1加到1024后跳变回到0，从模拟的 角度考虑问题，可以把dataa 看成是周期一定的锯齿波。通过PID控制器计 算，根据反馈的值调整datab对比较器的输入，从而达到改变输出PWM占 空比的目的
如何实现正反转？
DLR-R为1，DLR-L为0，使能信号为1，则Q1，Q4导通； DLR-R为0，DLR-L为1，使能信号为1，则Q2，Q3导通，电机反向；
H型控制电路
致谢
在本设计的设计和制作过程中，我得到了学校、 系、老师和同学的大力帮助和支持。学校和系 里的领导给我们提供了及其便利的工作环境， 特别感谢郭老师。从设计一开始的选题到设计 的实现方法一直到最后的调试，郭老师一直给 我很大的帮助，在遇到问题时细心帮我分析了 问题的根源，共同探讨解决的方法，才使设计 得以顺利的完成。同时也感谢在座的各位老师 对我所做的成果的肯定。谢谢！
改变电枢电压，实现对直流电机速度调节
硬度不随电枢电压的变化而改变，电 机带负载能力恒定 平滑调节他励直流电机电枢两端电 压时，可实现电机的无级调速
PWM基本原理
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端 的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。
系统的外围硬件及其与FPGA的接 口电路
人为机械特性方程式
n Un
e n
R R T n n K K K
ad a 2 0 e t n
当分别改变电压 、磁通量和 电阻时，可以得到不同的转 速n，从而实现对速度的调节
由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动 机的励磁电流If和磁通量Φ 只能在低于其额定值的 范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢 外加电阻R时，会使机械特性变软，导致电机带负 载能力减弱
偏差值Q=|M-N|，当M>N时out=1；当M<N时out=0； data为步进值，根据Q的大小来调节data的值； 当Q>570,DATA=30;当114<Q<570，DATA=6；当 0<Q<57，DATA=1;当Q=0时，DATA=0.
设定值m 实际值n 比较器 偏差Q
比较值data
比较器发生值
毕设结果
单闭环实现原理
偏差值
实际值 转换为转 速值 设定值
比较器1
比较值B产生 器（PWM周 期调节器
比较值 A（PID 控制）
频率计
光电传感器采集 H型直 直流电机 流电机 PWM 驱动
比较器2 （PWM 发生器）
开关控 制器
消抖电路
按键5
单闭环实现原理
系统通过FPGA内部产生PWM波形输出到H型驱动电路 控制电机的转动，采集电路反馈电机转动的波形到 FPGA进行系统分析，形成闭还控制。 工作流程为：检测到电机工作脉冲，将其转换为实际 转速M，实际转速M与设定好的设定转速N比较并且分 析，得出偏差值Q，内部的PID调节器对偏差Q和M，N 进行分析，输出调节比较器2（PWM波形发生器）的 比较值的信号。比较器2输出的PWM波形接到电机开 关控制器，电机控制器的输出由输入按键5控制。开关 控制器开时输出PWM波形到H型驱动电路驱动电机工 作。