单闭环直流电机速度控制系统研究报告

一.实验原理
直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。

功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。

过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅<晶闸管）。

现在基本上采用晶体管功率放大器。

PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。

PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理：
1．PWM的工作原理
图1-1PWM的控制电路
上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用。

PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图1-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波<即PWM信号）。

它适用于各开关电源、斩波器的控制。

2.功放电路
直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。

该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。

3.反馈接口
在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。

磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。

4．直流电机控制系统如图1-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律<通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。

图1-2 SG3525内部结构
图1-3 直流电机控制系统
5.PID原理
过程控制的基本概念
过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。

1.模拟控制系统
图1-4 基本模拟反馈控制回路
被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。

控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。

2.微机过程控制系统
图1-5 微机过程控制系统基本框图
以微型计算机作为控制器。

控制规律的实现，是通过软件来完成的。

改变控制规律，只要改变相应的程序即可。

3.数字控制系统DDC
图1-6 DDC系统构成框图
DDC(Direct Digital Congtrol>系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。

微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法>进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。

由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。

DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。

模拟PID调节器
1.模拟PID控制系统组成
图5－1－4 模拟PID控制系统原理框图
2.模拟PID调节器的微分方程和传输函数
PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t>与实际输出值c(t>的偏差的比例
(P>、积分(I>、微分(D>通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

1、PID调节器的微分方程
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡++=⎰t D I P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -=
2、PID 调节器的传输函数
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++==
S T S T K S E S U S D D I P 1
1)()()(
3.PID 调节器各校正环节的作用
1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t>，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。

3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率>，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

数字PID 控制器
1.模拟PID 控制规律的离散化
模拟形式 离散化形式
)()()(n c n r n e -= dT t de )
(
⎰t dt t e 0
)(
∑∑===n i n
i i e T T i e 0
)
()(
2.数字PID 控制器的差分方程
[]0
0)()()()1()()()()(u n u n u n u u n e n e T T i e T T n e K n u D I P n
i D I P +++=+⎭
⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑=
式中 )()(n e K n u P P = 称为比例项
∑==n
i I P
I i e T T
K n u 0
)
()( 称为积分项
[])1()()(--=n e n e T T K n u D
P
D 称为微分项
3.常用的控制方式 1、P 控制 0)()(u n u n u P += 2、PI 控制 0)()()(u n u n u n u I P ++=
3、PD 控制
0)()()(u n u n u n u D P ++= 4.PID 控制0)()()()(u n u n u n u n u D I P +++=
PID 算法的程序流程
1.增量型PID 算法的程序流程
)()()(t c t r t e -=T
n e n e )
1()(--
1.增量型PID 算法的算式
)2()1()()(210-+-+=∆n e a n e a n e a n u
式中
)1(0T T T T K a D
I P ++
=，)21(1T T K a D P +-=，T T K a D P -=2
2、增量型PID 算法的程序流程
2.位置型PID 算法的程序流程
1、位置型的递推形式
)2()1()()1()()1()(210-+-++-=∆+-=n e a n e a n e a n u n u n u n u
2、位置型PID 算法的程序流程――图5－1－9
只需在增量型PID 算法的程序流程基础上增加一次加运算Δu(n>+u(n-1>=u(n>
和
更新u(n-1>即可。

3.对控制量的限制
1、控制算法总是受到一定运算字长的限制
2、执行机构的实际位置不允许超过上(或下>极限
二．实验拉线图
三．实验参考程序及程序流程图
1.参考程序
dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op
sub Initialize(arg> '初始化函数
WriteData 0 ,1
mx=0
pvx=0
end sub
sub TakeOneStep (arg> '算法运行函数
pv = GetFS '电机的控制的转速，该转速在20～35左右TTTRACE "转速=%f",pv
sv=35
K=2
Ti=2
Ts=0.05 '采集周期50ms
ei=(sv-pv >/20
TTRACE "ei=%f", ei
q0=K*ei '比例项
if Ti=0 then
mx=0
q1=0
else
mx=K*Ts*ei/Ti '当前积分项
end if
q2=K*Td*(pvx-pv>/Ts '微分项
q1=q1+mx
if q1>3.5 then
q1=3.5
end if
if q1<-3.5 then '当前积分限幅，以防积分饱和q1=-3.5
end if
pvx=pv
op=q0+q1+q2 '当前输出值
if op<=1 then '输出值限幅
op=1
end if
if op>=3.5 then
op=3.5
WriteData op ,1
TTRACE "op=%f", op
end sub
sub Finalize (arg> '退出函数WriteData 0 ,1
end sub
2.流程图
四．实验结果。