直流调速系统的数字控制解析
直流电动机调速系统
直流电动机调速系统的能耗分析
能效比
直流电动机的能效比通常较高，可以在较高的效率下运行，减少 能源浪费。
功率因数
直流电动机的功率因数较高，可以减少无功损耗，提高电网效率。
热效率
直流电动机的热效率也较高，可以在长时间运行下保持稳定的性 能。
直流电动机调速系统的稳定性分析
抗干扰能力
直流电动机的调速系统通常具有较强的抗干扰能力，可以在复杂 的工作环境下稳定运行。
直流电动机调速系统的调速性能
调速范围
直流电动机的调速范围通常较大，可以在较 宽的转速范围内实现平滑调节，满足不同工 况下的需求。
调速精度
直流电动机的调速精度较高，可以通过精确的控制 算法实现转速的精确控制，提高生产过程的稳定性 和产品质量。
动态响应
直流电动机的动态响应较快，可以在短时间 内达到稳定转速，满足动态负载变化的需求 。
输标02入题
调压调速是通过改变电枢电压来控制电动机的转速， 具有调节方便、平滑性好等优点，但调速过程中能量 损失较大。
01
03
串级调速是通过改变转子回路的电阻来控制电动机的 转速，具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节
范围较小且对电机结构有特殊要求。
04
调磁调速是通过改变励磁电流来控制电动机的转速， 具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节范围较 小。
系统调试
在系统集成完成后，进行全面的 调试，确保各部分工作正常，满 足设计要求。
性能测试
对系统的性能进行测试，包括调 速范围、动态响应、稳态精度等 指标，确保系统性能达标。
优化改进
根据测试结果和实际应用情况， 对系统进行必要的优化和改进， 提高系统的稳定性和可靠性。
04
直流调速系统的数字控制
分辨率 Q 60 f0 60 f0 60 f0
Z (M 2 1) ZM2 ZM2 (M 2 1)
误差率 60 f0
60 f0
max
Z (M 2 1) 60 f0
ZM 2
ZM 2
100% 1 100% M2 1
T法测速适用于低速段。
3.3.4 M/T法测速
出间的隔M脉的/T冲高法个频既数时检M钟测1脉，Tc冲又时个检间数测内M相P2L同。G时输间 应保证高频时钟脉冲计数器与
1.系统给定
a) 模拟给定
b) 数字给定
+V
A/D 微机
拨盘 键盘
上位机
I/O
通
微机
信
接
口
图3-1 模拟给定和数字给定
2. 状态检测
状态量检测的作用 ：构成反馈控 制，保护和故障诊断信息的来源。
1）转速检测：模拟和数字检测方 法。
2）电流和电压检测：一般用A/D转 换。
极性转换
多数状态量为双极性（大小和方向）， A/D转换电路一般是单极性的，必须进行极 性转换。
PLG输出脉冲计数器同时开启与关 闭，以减小误差。
M/T法测速波形图
M1
M2
Tc
图3-13 测速原理与波形图
M/T法测速
转速计算
误差率
n 60M1 60M1 f0
ZTt
ZM 2
60M1f0 60M1f0
max
Z(M 2
1) ZM2 6 0M1f 0
ZM2
100% 1 100% M2 1
M/T法测速
量化的原则是：在保证不溢出 的前提下，精度越高越好。
存储系数计显算机示内量部存化储的值 精度，其 定义为 K 物理量的实际值
直流调速自动控制系统详解演示文稿
晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联接，二次
线电压U21=230V，电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻R=1.0Ω； 测速发电机：永磁式，额定数据为23.1KW，110V，0.21A，1900r/min；
机械特性硬度一样,S是否一样??
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3. 静差率与机械特性硬度的区别
对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差 率越大，转速的相对稳定度也就越差。 ▪调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值 为准。
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4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN， 则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
第十二页，共107页。
2 直流PWM变换器-电动机系统
思考：
（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路的电压系数 是什么？
（2）制动时
VT1和VT2
如何交替工作？
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※PWM系统的特点
（1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电
机损耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，
可达1:10000左右； （4）若与快速响应的电机配合，动态响应快，
动态抗扰能力强；
第十四页，共107页。
※ PWM系统的特点（续）
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小， 当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置 效率较高；
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比 相控整流器高。
数字式直流电机调速控制系统
数字式直流电机调速控制系统摘要直流调速具有调速范围宽，调速平滑，启动转矩大，启动性能好等优点，因而在工业传动系统中得到广泛的应用，传动直流调速系统的触发器以及调节器都是由模拟电路来实现，具有很多缺点。
微机数字控制系统其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律。
所以在各个方面的性能都远远优于模拟控制系统且应用越来越广泛。
本文属于电机控制类的设计。
该设计综合运用了电机学、单片机原理、EDA设计、电力拖动自动控制系统和Matlab仿真技术等课程的知识，设计出数字式直流电动机的调速控制系统原理图，编制了详细的软件流程，并利用Matlab/Simulink作出仿真分析。
本设计对单片机系统常用芯片介绍较为详细，对利用Matlab语言部分模块进行点机控制、电路仿真有一定的研究。
经测试各项性能指标优于模拟直流调速系统，响应速度快，可能实现比较复杂的控制算法，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。
关键词：单片机；双闭环；直流电机；数字式；Matlab/SimulinkDigital DC motor speed control systemABSTRACTThe DC speed control has the followiing excellence：the range of speed regulation is very wide；the characteristic of speed regulation is smooth；the torque of commissioning is strong；high performance of commssioning and so on. So it’s widly used in industrial drive systerm.The trigger and regulator of the DC industrial speed governing systerm are achieved by imitate circuit，which has many disadvangtage. Furthermore, the control software of digital control system can carry through logical judgment and sophisticated operation, and it has the control laws of optimality, adaptive trait, nonlinear and intelligence, which are different from the ordinary linear adjustability. In many aspects the function of digital control system has exceeded analog control system and is being used widely.In this paper, which belongs to the motor control class design. The design of the integrated use of motor learning, principle, EDA design, automatic control system and Matlab simulation technology course knowledge, design a digital DC motor speed control system schematic diagram, has prepared a detailed software process, and the use of Matlab / Simulink make simulation analysis. The design of the single chip microcomputer system commonly used a more detailed introduction, on the use of Matlab language module point machine control, circuit simulation has certain research.My paper is a digital DC speed control system and 89C51 single-chip computer.Then introduce and analyze the characteristics of single-chip，at last，design the software of the digital DC motor speed control system，including the main program and subprogram.It’s better than the Imitated DC Speed Control System Going through testing every performance parameter. As a result, the digital DC speed control system could be applied into production and ordinary life to satisfy the needs of modern manufacture.Keywords：Single-chip computer；Double closed-loop ；DC speed control system；Digital model；Matlab/Simulink目录第1章绪论 (4)1.1数字式直流调速控制技术 (4)1.2设计的意义 (4)1.3本文主要工作 (5)第2章硬件电路结构 (6)第3章系统软件设计 (8)3.1单片机软件开发流程 (8)3.2主程序设计 (9)3.3中断服务程序设计 (16)第4章仿真分析 (23)4.1S IMULINK系统动态结构仿真模型的建立及仿真参数的设置 (23)4.2双闭环系统的仿真结果 (24)4.3电流环参数改变时对动态特性的影响 (25)4.4转速环参数改变时对动态特性的影响 (26)结束语 (28)参考文献 (29)致谢 (30)第1章绪论近年来，虽然交流变频调速技术快速发展并不断在更广泛的领域得到应用，但实际上在很多场合直流驱动依然拥有大量的用户，包括旧设备的改造以及新设备上的应用；我们所了解的国内各主要直流电动机厂商这几年的出产量也在连续增长。
直流电机调速与系统控制详解
电子工艺课程设计报告姓名卢星星班级T983-6学号20090830616指导老师王思山标题直流电机调速与控制系统设计一．课程设计课题总体分析1.1 直流电机调速原理图1.1所示电枢电压为Ua，电枢电流为Ia，电枢回路总电阻为Ra,电机常数Ca，励磁磁通量是￠。
根据KVL方程：电机转速n=(Ua-IaRa)/Ca￠,其中，对于极对数p，匝数为N，电枢支路数为a的电机来说：电机常数Ca=pN/60a,意味着电机确定后，该值是不变的。
而在Ua-IaRa中，由于Ra仅为绕组电阻，导致IaRa非常小，所以Ua-IaRa 约等于Ua。
由此可见我们改变电枢电压时，转速n即可随之改变。
图1.1直流电机原理图1.2 系统硬件组成原理调速系统硬件原理框图 1.2 图直流电机调速系统硬件原理框图如图1.2所示，以89C51单片机为控制核心，包括测速电路、电源电路、数模转换电机驱动电路、显示电路、键盘控制电路。
1.3 直流电动机转速控制系统的工作原理直流电动机的转速与施加于电动机两端的电压大小有关。
本系统用DAC0832控制输出到直流电动机的电压的方法来控制电动机的转速。
当电动机转速小于设定值时，DAC0832芯片的输出电压增大，当大于设定值时则DAC0832芯片输出电压减小，从而使电动机以设定的速度恒速旋转。
我们采用比例调节器算法。
控制规律：Y=KPe(t)+KI式中：Y---比例调节器输出，KP---比例系数，KI ---积分系数e(t)---调节器的输入，一般为偏差值。
系统采用了比例积分调节器，简称PI调节器，使系统在扰动的作用下，通过PI 调节器的调节器作用使电动机的转速达到静态无差，从而实现了静态无差。
无静差调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比较快（无滞后），积分部分使系统消除静差。
1.4 转速测量电路原理转速是工程上一个常用的参数，旋转体的转速常以每分钟的转数来表示。
其单位为r/min。
转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内的转数来衡量的，因此采用霍尔元器件测量转速是较为常用的一种测量方法。
直流伺服电机调速控制系统解析,直流伺服电机的调速控制方式
直流伺服电机调速控制系统解析，直流伺服电机的调速控制方式直流伺服电机速度控制单元的作用是将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。
现代直流电机速度控制单元常多采用晶闸管（可控硅，SCR）调速系统和晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。
调速的概念有两个方面的含义：（1）改变电机转速：当指令速度变化时，电机的速度随之变化，并希望以最快的加减速达到新的指令速度值；（2）当指令速度不变化时，电机的速度保持稳定不变。
为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制？直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。
直流电机速度控制单元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统；晶体管脉宽调制（PWM）调速系统。
1、晶闸管调速系统在交流电源电压不变的情况下，当改变控制电压Un*时，通过控制电路和晶闸管主电路改变直流电机的电枢电压Ud，得到控制电压Un*所要求的电机转速。
电机的实际电压Un作为反馈与Un*进行比较，形成速度环，达到改善电机运行时的机械特性的目的。
晶闸管调速系统主电路采用大功率晶闸管。
大功率晶闸管的作用：（1）整流。
将电网交流电源变为直流；将调节回路的控制功率放大，得到较高电压与较大电流以驱动电机。
（2）逆变。
在可逆控制电路中，电机制动时，把电机运转的惯性能转变为电能，并回馈给交流电网，实现逆变。
为了对晶闸管进行控制，必须设有触发脉冲发生器，以产生合适的触发脉冲。
该脉冲必须与供电电源频率及相位同步，保证晶闸管的正确触发主回路由大功率晶闸管构成的三相全控桥式反并接可逆电路，分成二大部分（Ⅰ和Ⅱ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。
各有一个可控硅同时导通，形成回路。
为了保证合闸后两个串联的晶闸管能够同时导通或电流截止后再导通，必须对共阳极组的1个晶闸管和共阴极组的1个晶闸管同时发出触发脉冲。
晶闸管调速系统采用的是大功率晶闸管，它的作用有两个，一是用作整流，将电网交流电源变为直流；二是在可逆控制电路中，电机制动时，把电机运转的惯性能转变为电能，并回馈给交流电网，实现逆变。
直流调速控制系统的分析及仿真
当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。
7.1.4系统的性能分析
代入图7-1-5中，由图可见，它是一个二阶系统，已知 二阶系统总是稳定的。但若考虑到晶闸管有延迟，晶 闸管整流装置的传递函数便为
相反。
5.电流截止负反馈环节
当 时，（亦即 ），则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。当 时，（亦即 ），则二极管VD导通， [此处略去二极管的死区电压]，电流截止负反馈环节起作用，它将使整流输出电压 下降，使整流电流下降到允许最大电流。 的数值称为截止电流，以 表示。调节电位器RP3即可整定 ，亦即整定 的数值。一般取 〔 为额定电流〕。 由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去。
在图7-1-1中，主电路中串联了一个阻值很小的取样电阻
(零点几欧)。电阻
上的电压
与
成正比。比 较阈值电压
是由一个辅助电源经电位器RP3提供的。电 流反馈信号(
图7-1-7调速系统的“挖土机”机械特性
当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。 机械特性很陡下垂还意味着，堵转时(或起动时)电流不是很大。 这是因为在堵转时，虽然转速n=0，反电动势E＝0，但由于电流 截止负反馈的作用，使
大大下降，从而
不致过大。此时 电流称为堵转电流
⑥ 晶闸管整流电路的调节特性为输出的 平均电压
与触发电路的控制电压
之间的关系，即
图7-1-4为晶闸管整流装置的调节特性。
由图可见，它既有死区，又会饱和。 （当全导通以后，
再增加， 也不会再 上升了），且低压段还有弯曲段。面对 这非线性特性，常用的办法是讲它“看 作”一条直线，即处理成
为
Pid控制直流双闭环调速系统
汇报人：
PID控制
1、模拟 PID 控制
1.1模拟 PID 控制原理
2、数字 PID 控制
2.1位置式 PID 算法 2.2增量式 PID 算法 2.3控制器参数整定 2.4参数调整规则的探索 2.5自校正 PID 控制器
PID介绍： 在工程实际中 ,应用最为广泛的调节器控制规律 为比例、积分、微分控制 ,简称 PID 控制 ,又称PID 调节. PID 控制器问世至今已有近 70 年历史 ,它以结 构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工 业控制的主要技术之一. 偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和 微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用 这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称 PID 控制器。
表示的控制算法式直接按所给出的 PID 控制规律定 义进行计算的，所以它给出了全部控制量的大小，因此 被称为全量式或位置式 PID 控制算法。 这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出 均与过去状态有关，计算时要对ek进行累加，工作量大； 并且，因为计算机输出的uk对应的是执行机构的实际位 置，如果计算机出现故障，输出的u将大幅度变化，会 引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严重的生 产事故，这在实生产际中是不允许的。
直流双闭环调速系统
单闭环直流调速系统 同开环调速系统一样，转速闭环调速系统 中电机的转速大小受转速给定电压Un*控制， 给定电压为零时，电机停止；给定电压增大 时，电机转速升高；给定电压减小时，电机 转速下降。
以升速控制为例，系统的调节原理分析如下： 转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值 小于给定电压增值，电压差总体上是增大的， 转速是上升的。
直流电机调速的PLC控制
直流电机调速的PLC控制背景：使用直流电机有许多优点如：电机调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性较好；PLC电动机转速控制可以完成了液位控制、直流电动机旋转控制组态图，使得操作人员通过计算机屏幕对现场的运行情况一目了然。
用户可以通过组态图随时了解、观察并掌握整个控制系统的工作状态，必要时还可以通过界面向控制系统发出故障报警，进行人工干预。
一、硬件输入输出接口电路实际上是PLC与被控对象间传递输入输出信号的接口部件。
输入输出接口电路要有良好的电隔离和滤波作用。
1.输入接口电路输入输出信号分为开关量、模拟量及数字量。
可编程控制器的一个重要特点就是所有的输入输出信号全部经过了隔离，无论任何形式的输入输出最终都是经过光电偶合口或继电器将信号传入/送出PLC。
由于生产过程中使用的各种开关、按钮、传感器等输入器件直接接到PLC输入接口电路上，为防止由于触点抖动或干扰脉冲引起错误的输入信号，输入接口电路必须有很强的抗干扰能力[1]。
2.输出接口电路根据驱动负载元件不同可将输出接口电路分为三种形式：一种是继电器输出型，CPU接通继电器的线圈，继而吸合触点，而触点与外线路构成回路；另一种是晶体管输出，它是通过光偶合使开关晶体管通断以控制外电路；再一种就是可控硅输出型，这里的可控硅是采用光触发型的。
二、软件第一部分为系统监控程序。
它是每一个可编程控制器成品必须包括的部分，是由可编程控制器的制造者编制的，用于控制可编程控制器本身的运行。
另一部分为用户程序。
它是由可编程控制器的使用者编制的，用于控制被控装置的运行。
这里主要介绍监控程序。
系统管理程序是监控程序中最重要的部分，整个可编程控制器的运行都由它主管。
管理程序又分为三个部分：第一部分是运行管理，控制可编程控制器何时输入、何时输出、何时自检等等，进行时间上的分配管理。
第二部分进行存储空间的管理，即生成用户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址，将用户使用的数据参数存储地址转化为实际的数据格式及物理存放地址。
第2章 转速反馈控制的直流调速系统(第三周)
1. 被调量有静差
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳 态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减 小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为
ncl
RI d Ce (I
K)
只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。
因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际
式中: K KpKs 闭环系统的开环放大系数
Ce
系统的静特性方程式
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.2 比例控制的直流调速系统
闭环系统静特性和开环系统机械特性
n op
n cl
n
K
p
KsU
* n
RId
(静特性方程)
n
K
p
K
sU
✓nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速
✓一般取nN≈nmax
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标
稳态性能指标：
调速范围 静差率
D= nmax n min
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加
到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比：
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特 性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果 断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
直流调速系统 详解
下篇 自动控制系统第六章 晶闸管直流调速系统本章要点本章主要叙述晶闸管单闭环直流调速系统和双闭环直流调速系统的组成、工作原理和自动调节过程，并通过典型实例来阐述定性分析自动控制系统的方法。
同时对可逆调速系统也作了介绍。
第一节 直流调速系统的基本概念电气传动主要分为直流电气传动和交流电气传动两大类，它们分别采用直流、交流电动机为动力的传动。
直流电动机虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜等，但是由于直流电动机具有良好的起动、制动性能和调速性能，可以方便地在很宽的范围内平滑调速，因此在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、大型起重机、金属切削机床、造纸机等调速性能要求较高的电力拖动领域中得到了广泛应用。
近年来，交流调速系统发展很快，而直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
所以掌握好直流调速系统是很重要的。
6.1.1 直流调速系统的调速方法直流他励电动机的转速公式可用下式表示φe d d d K R I U n -= 式中 n ——转速；单位r/min 。
U d ——电枢电压；I d ——电枢电流；R d ——电枢回路电阻；φ——励磁磁通；K e ——由电动机结构决定的电动势系数。
由此可见，直流电动机的调速方法有三种：（1）改变电枢电压——调压调速。
（2）改变电枢回路电阻——串电阻调速。
（3）改变励磁磁通——弱磁调速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统采用的主要调速方式。
6.1.2 直流调速系统的供电方式调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。
早在20世纪40年代，采用电动机—发电机机组（又称放大机控制的发电机—电动机组系统）向直流电动机供电。
但它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等。
为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为作为可控变流装置。
其主要缺点是污染环境，危害人体健康。
数字控制的逻辑无环流可逆直流调速系统设计说明
.0 前言直流调速和交流调速相比,直流调速具有宽广的调速围, 平滑的调速特性,较高的过载能力和较大的起动、制动转矩, 使用寿命长，经济性好。
因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。
在工业生产中, 需要高性能速度控制的电力拖动场合, 直流调速系统发挥着极为重要的作用, 高精度金属切削机床, 大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。
特别是晶闸管—直流电动机拖动系统,具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大, 易于实现无级调速，使用寿命长，所以相对经济性好等优点而被广泛应用在现代化生产当中。
本设计采用以AT89C51单片机为核心的数字PI调节器，由软件编程来完全成模拟控制功能的数字式传动系统，能够有效地抑制老化和各种干扰，还能完成故障诊断，信号显示等功能。
随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电力电子开关器件和传感器的出现，以与自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，电气传动装置不断向前发展。
微机的应用使电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极推动了电气传动的发展。
1 / 771 直流调速的介绍1.1 直流调速与交流调速的比较在现代化的工业生产过程中，几乎处处使用电力传动装置，随着生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。
对可调速的电气传动系统，可分为直流调速和交流调速。
直流调速与交流调速比较，最大的优点就是直流电机可以实现“平滑而经济的调速”；直流电机的调速不需要其它设备的配合，可通过改变输入的电压/电流，或者励磁电压/电流来调速。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大围平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，而交流调速虽然维护简单方便，但调速比较困难需要和其它设备配合使用如需要增设变频器等才能实现调速。
数字式直流电机调速控制系统设计设计说明
数字式直流电机调速控制系统设计摘要在高度现代化的今天，现代电力电子技术，计算机技术，现代控制理论的发展，促进了直流调速技术的进步，使之成为目前活跃的调速技术。
长期以来，直流电动机因为其具有调节转速灵活、方法简单、控制性能好等特点，应用在越来越多的领域中。
本设计是以单片机STC12C5A60S2和L298控制的直流电机脉宽调制（PWM）调速系统。
主要介绍了用单片机软件实现PWM调整电机转速的基本方法，给出了程序流程图和Keil-C51程序。
硬件电路实现了对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及电机速度的实时显示。
以单片机为控制核心的直流电机调速系统，采用了数字化的速度给定与测速，扩大了调速范围，提高了速度控制精度。
由于许多功能都是由软件来完成的，所以使硬件得以简化，故障率比较小。
单片机以数字信号来工作，其控制手段方便灵活，抗干扰能力强。
关键词:单片机、脉宽调制、直流电机、LCD显示目录第一章概述 (1)1.1课题的背景 01.2数字式调速国内外研究状况 01.3课题的实际意义 (1)1.4课题内容 (1)第二掌系统方案设计 (4)2.1驱动电路的论证与选择 (3)2.2液晶显示模块的选择 (4)2.3按键电路的选择 (5)2.4处理器的选择 (5)2.4.1 单片机的特点 (5)2.4.2单片机的选择 (6)2.5测速方案的选择 (6)2.6系统总体设计方案 (7)第三章硬件设计 (8)3.1单片机最小系统 (9)3.1.1 STC12C5A60S2介绍 (9)3.3.2单片机最小系统 (10)3.2电源电路 (11)3.3显示电路 (12)3.4按键电路 (13)3.5过流保护电路 (14)3.6 速度检测电路 (15)3.7电机驱动电路 (16)第四章软件设计 (17)4.1系统总体程序框图 (17)4.2按键子程序结构 (18)4.3转速采集子程序 (20)第五章系统调试 (20)5.1 硬件调试 (22)5.1.1电源模块调试 (22)5.1.2单片机最小系统调试 (22)5.1.3继电器的测试 (22)5.2软件调试 (22)5.2.1单片机控制模块软件调试 (22)5.2.2 电机驱动模块调试 (23)5.3脱机运行调试 (23)5.3.1按键调试 (23)5.3.2电机调试 (23)参考文献 (24)致谢 (25)第一章概述1.1课题的背景直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
直流调速系统概述
指系统在受到外部干扰时，能够保持稳定运行的 能力。抗干扰能力越强，系统鲁棒性越好。
04 典型直流调速系统分析
单闭环直流调速系统
转速负反馈单闭环调速系统
通过引入转速负反馈，实现转速的无静差调节，提高系统的动态性能和稳态精度 。
电压负反馈单闭环调速系统
通过引入电压负反馈，稳定直流电动机的端电压，从而改善系统的静态特性和动 态性能。
现状
目前，直流调速系统已经广泛应用于各个领域，如工业、交 通、能源等。随着电力电子技术和控制理论的不断发展，直 流调速系统的性能不断提高，应用领域也不断扩展。
应用领域与前景
应用领域
直流调速系统广泛应用于需要精确控制转速的场合，如机床、风机、水泵、压缩机、卷扬机等机械设备，以及电 动汽车、电动自行车等交通工具。
前景
随着工业自动化和智能制造的推进，以及新能源汽车等产业的快速发展，直流调速系统的需求将不断增长。同时， 随着电力电子技术和控制理论的不断进步，直流调速系统的性能将不断提高，应用领域也将不断扩展。未来，直 流调速系统将在更多领域发挥重要作用，推动相关产业的持续发展。
02 直流调速系统组成及工作 原理
流。
多环控制直流调速系统
三环控制直流调速系统
在双闭环的基础上，引入第三个控制环，如位置环、速度环或加速度环等，进一步提高系统的控制精 度和动态性能。
多环串级控制直流调速系统
将多个控制环按照串制。该系统适用于对控制精度和动态性能要求较高的场合。
双闭环直流调速系统
转速、电流双闭环调速系统（ASR+ACR）
在转速负反馈的基础上，引入电流负反馈，构成转速、电流双闭环调速系统。其中， ASR为转速调节器，ACR为电流调节器。该系统具有较快的动态响应和良好的稳态精度。
全数字直流调速系统(6RA70)及其应用
全数字直流调速系统
• 全数字调速系统就是采用微型计算机技术， 应用计算机的软件程序构成调速系统的全 数字式控制系统，实现数字式给定、数字 式比较、数字式调节器、数字式触发器以 及逻辑控制等各种控制功能。
• 全数字调速系统与原传统的模拟式调速系 统相比较，全数字调速系统具有下列优点：
– 无测速机运行(EMF控制) ：参数P083=3，速 度实际值信多由“EMF实际值”通道提供。用 参数P115设定-最高转速时的EMF。 – 选择有关励磁数据
• 励磁减弱 ：用参数P081选择。P081=0，无弱磁功 能。 • 励磁控制 ：用参数P082选择。P082=1，励磁回路 与主回路接触器一起合闸，即主回路接触器合闸/分 闸时，励磁脉冲使能/禁止。P082=2，在达到运行 状态O7或更高时，在P258参数化的延时到达后， 由P257设置的停机励磁自动接入。
– 转速给定值
• 模拟量给定：0 ～± 10 V电压给定，或者0 ～± 20mA （4 ～ 20 mA）电流给定。 • 通过内装的电动电位计给定。 • 通过具有固定给定值，点动，爬行功能的开关量连 接器给定。 • 通过装置的串行接口给定。 • 通过附加板给定。
– 转速实际值
• 模拟测速机方式 • 脉冲编码器方式 • 反电势控制方式
– 脉冲编码器输入端
26端为直流电源（+13.7V~+15.2V），27端为脉 冲编码器地M，28 -29端 ，30 -31端 ，32-32端分 别为通道1、通道2、零标志输入端 。
– 模拟量输出端
• 电流实际值模拟量输出端 12-13端 。 • 可设置的模拟量输出端 ：14-15端、16-17端、1819端，20-21端分别为模拟量1、2、3、4通道输出 端。
第3章直流调速系统的数字控制
3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图
微机数字控制系统的控制规律是靠软件来实现的，所 有的硬件也必须由软件实施管理。微机数字控制双闭环 直流调速系统的软件有： – 主程序 – 初始化子程序 – 中断服务子程序等。
UU**ii -UUi
ASR
ACR
UUcc
D/P
-_ UUnn
Hale Waihona Puke PLG MP/D数字电路控制系统特点：
– 除主电路和功放电路外，转速、电流调节器，以及脉冲 触发装置等全部由数字电路组成。
3. 计算机控制系统
微机控制电路
A/D
UU**n +
_
Unn
ASR
U**i -Uii
ACR
UUcc
D/P
A~C
TA /3
转速检测用数字测速。
1. 转速检测
转速检测有模拟和数字两种检测方法：
（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表 示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中 （尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。 因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为 单极性电压信号，经A/D 转换后得到的数字量送入微机。 但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换 为原码或补码，然后进行闭环控制。
主电路
PLG M
P/D
在数字装置中，由计算机软硬件实现其功能 ，即为计算机控制系统。 系统的特点： – 双闭环系统结构，采用微机控制； – 全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测； – 采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
32弱磁控制的直流调速系统解析课件
由此可见，所谓“恒转矩”和“恒 功率”调速方式，是指在不同运行条件 下，当电枢电流达到其额定值 IN 时，所 容许的转矩或功率不变，是电机能长期 承受的限度。实际的转矩和功率究竟有 多少，还要由其具体的负载来决定。
励磁电流与磁通之间的非线性函数 关系可用饱和曲线表示
图3-19 弱磁过程直流电动机的动态结构图
注意：
（1）图3-19是包含线性与非线性环节的结构 图，其中只有线性环节可用传递函数表示；
（2）乘法器等非线性环节的输入与输出变量只 能是时间函数，因此各变量都用时间函数 标注。
（3）非线性环节与线性环节的联接纯属结构上 的联系，在采用仅适用于线性系统的等效 变换时须十分慎重。
• 电枢电压与励磁配合控制特性
U Te
P
N
UN
Te
UP
O
变电压调速
nN
nmax n
弱磁调速
图3-17 变压与弱磁配合控制特性
从图中可知：
调压与弱磁配合控制只能在基速以 上满足恒功率调速的要求，在基速 以下，输出功率不得不有所降低。
3.2.2 非独立控制励磁的调速系统
1. 系统设计要点：
– 在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不 变；
恒转矩类型的负载适合于采用恒转 矩调速方式，而恒功率类型的负载更适 合于恒功率的调速方式。但是，直流电 机允许的弱磁调速范围有限，一般电机 不超过 1:2 ，专用的“调速电机”也不 过是 1:3 或 1:4 。
• 调压和弱磁配合控制
当负载要求的调速范围更大时，就 不得不采用调压和弱磁配合控制的办法， 即在基速以下保持磁通为额定值不变， 只调节电枢电压，而在基速以上则把电 压保持为额定值，减弱磁通升速，这样 的配合控制特性示于下图。
直流调速系统的数字控制(ppt文档)
• Ｔ法测速误差率
60 f0
60 f0
max
Z (M 2 1) 60 f0
ZM 2
ZM 2
100 % 1 100 % M2 1
故T法测速适用于低速段。
两种测速方法的比较
M法测速在高速段误差小； T法测速在低速段分辨率强，误差小。
因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既 检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又 检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计 算转速，称作M/T法测速。
• 根据计数值 M 计算出对 应的转速值 n。
CLK
Timer
Tc M1
...
Bus INTt t
测速原理与波形图
• 转速计算公式
n 60 M1 ZTc
式中：Z为PLG每转输出的脉冲个数；
M法测速的分辨率
Q 60(M1 1) 60M1 60
ZTc
ZTc ZTc
• M法测速误差率
三、数字PI调节器
（1）PI调节器的传递函数
Wpi (s)
U (s) E(s)
K pi
s 1 s
PI调节器时域表达式
u
(t
)
K
pie(t
)
1
e(t)dt KPe(t) KI
e(t)dt
其中 Kp= Kpi 为比例系数 KI =1/ 为积分系数
（2）PI调节器的差分方程
n 100%
n
测量误差 越小，测速精度越高。
的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。
3. 测速方法
（1） M法测速
工作原理：
PLG
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离散化和数字化的负面效应
离散化:时间上的不连续性。 数字化:量值上的不连续性。
负面效应： 产生量化误差，影响控制精度和平滑 性。 滞后效应，提高控制系统传递函数分母
的阶次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破 坏系统的稳定性。
一。数字量化
量化的原则是：在保证不溢出的前提下， 精度越高越好。
存储系数显示量化的精度，其定义为
设定I/O、通信接口及 显示、键盘工作方式
参数及变量 初始化
返回
中断服务子程序
实时性强，由相应的中断源提出申请，CPU 实时响应。 转速调节中断子程序（中断级别最低） 电流调节中断子程序（中断级别居中） 故障保护中断子程序 （优先级别最高）
转速调节中断子程序
保护现场 读入转速给定
转速反馈 转速调节 启动测速
图3.4 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图
主回路
微机数字控制双闭环直流调速系统 主电路中的UPE有两种方式： 直流PWM功率变换器 晶闸管可控整流器
检测回路
检测回路包括电压、电流、温度和 转速检测（数字测速）。
故即通知微机， 以便及时处理，避免故障进一步扩大。
主程序
完成实时 性要求不高的 功能，系统初 始化后，键盘 处理、刷新显 示、数据通信 等功能。
开始
系统初始化 N
有键按下吗？ Y
键处理
刷新显示
数据通信
图3.5 主程序
初始化子程序
系统初始化
硬件工 作方式的设 定、系统运 行参数和变 量的初始化 等。
图3.6初始化子程序
设定定时器、P W M、 数字测速工作方式
计算机控制系统
离散化
对模拟的连续信 号采样形成一连串 的脉冲信号，即离 散的模拟信号，这 就是离散化。
f(t)
O f(nT)
原信号
t
采样
O 1 2 34 …
n
数字化
N(nT)
离散信号经保持
器保持后，还须经过
数字量化，即用一组
数码（如二进制码） O
n
来逼近离散的模拟信
保持
号。
Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）
硬件电路标准化程度高，不受器件温度漂 移的影响；
进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一 般线性调节的控制规律，
控制软件更改灵活方便。 具有信息存储、数据通信和故障诊断等功
能。
离散化和数字化
微机数字控制系统的主要特点是离散化 和数字化。
给定值
k1 反馈值 k2
控制算法
k3 输出值
微型计算机
控制对象
数字控制器
专为电机控制设计的微处理器： 除了带有A/D转换器、通用I/O和通信接口， 还带有一般微机并不具备的故障保护、数字 测速和PWM生成功能，
如：Intel 8X196MC系列或TMS320X240系列 等。
二。 微机数字控制双闭环直流 调速系统的控制软件
微机数字控制双闭环直流调速系统的软件 有： 主程序 初始化子程序 中断服务子程序等
或用采样角频率 sam
sam (4 ~ 10)c
c 为控制系统的截止频率。
三。 微机数字控制系统的输入与输出变 量
可以是模拟量，也可以是数字量。 模 拟 输 入 量 必 须 经 过 A/D 转 换 为 数 字 量，而模拟输出量必须经过D/A转换才能 得到。 数字量是量化了的模拟量，可以直接 参加运算。
数字 量
n* dig
AS
R
-
ndig
I* ddig -
I ddig
AC R
K
K
微机
UPE
+ M
-
FBS
图3-3微机数字控制的双闭环直流调速系统
一。 微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构
微机数字控制双闭环直流调速系统硬件 系统组成：
▪ 主电路 ▪ 检测电路 ▪ 控制电路 ▪ 给定与显示电路
经A/D转换后得到以偏移码表示的数字量，再 用软件将偏移码变换为原码或补码。
摸拟量
双
单
数字量
极 性
极 性
(偏移码)
电平转换
A/D
CPU
电压隔离
3. 输出变量
用开关量直接控制功率器件的 通断，也可以用经D/A转换得到的 模拟量去控制功率变换器。
3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的
硬件和软件
~
下标 “dig” 表示
采样频率
实际系统中信号的最高频率很难确定， 尤其对非周期性信号（系统的过渡过程）， 其频谱为 0 至∞的连续函数，最高频率理 论上为无穷大。
因此，难以直接用采样定理来确定系统 的采样频率。
系统采样频率的确定
在一般情况下，可以令采样周期 1
Tsam 4 ~ 10 Tmin Tmin 为控制对象的最小时间常数。
分析、判断 故障原因
显示故障 原因
图3.9 故障保护中断子 程序
故障报警
等待系统 复位
3.3 数字测速与滤波
检测光电式旋转编码器与转速成正比 的脉冲，然后计算转速。
数字测速方法： （1）M法—脉冲直接计数法 （2）T 法—脉冲时间计数法 （3）M/T法—脉冲时间混合计数法
电力拖动自动控制系统
第3 章
直流调速系统的数字控制
问题的提出：
1。模拟系统的优、缺点： 优点:物理概念清晰;
控制信号流向直观。 缺点:控制规律体现在硬件电路上，线
路复杂、通用性差; 控制效果受到器件的性能、温度 等因素的影响。
2。计算机的发展为数字控制提供可能
单片机 数字信号处理器
3. 1 微型计算机数字控制的主要特点
计算机内部存储值 K 物理量的实际值
微机数字控制系统中的存储系数相当于 模拟控制系统中的反馈系数。
二。 采样频率的选择
Shannon 采样定理: 采样频率 fsam 应不小于信号最高频率
fmax 的2倍，即 fsam ≥ 2 fmax 。
经采样及保持后，原信号的频谱不发生 明显的畸变，系统保持原有的性能。
1.系统给定
a) 模拟给定
b) 数字给定
+V
A/D 微机
拨盘 键盘
上位机
I/O
通
微机
信
接
口
图3-1 模拟给定和数字给定
2. 状态检测
状态量检测的作用 ：构成反馈控制， 保护和故障诊断信息的来源。
1）转速检测：模拟和数字检测方法。 2）电流和电压检测：一般用A/D转换。
极性转换
多数状态量为双极性（大小和方向），A/D转换 电路一般是单极性的，必须进行极性转换。
计算转速 转速调节 允许测速
图3.7 转速调节中断子 程序
恢复现场 中断返回
保护现场
电流调节中断子程序 读入电流反馈
电流反馈 电流调节 PWM生成
电流调节 PWM生成
启动A/D转换
图3.8电流调节中断子程 序
恢复现场 中断返回
故障保护中断子程序
封锁PWM输出 分析故障原因 显示故障并报警
封锁PWM 输出