(完整word版)直流电机的闭环调速系统设计

控制系统课程设计报告书

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直流电机的闭环调速系统设计

一、设计要求：

利用PID控制器、光电传感器及F/V转换器设计直流电机的闭环调速系统。

要求：给定直流小电机，设计模拟PID控制器，利用传感器检测速度（ST15、LM331），搭建成闭环控制电机转速系统。

（1）阶跃响应的超调量：σ%≤20%；

（2）阶跃响应的调节时间：t s=1s±0.02s。

二、设计方案分析

1、方案设计：

器材：电路板、PID控制器、小型直流电机、LM331、ST151各一片

电阻、电容若干、导线、LM324若干

原理框图：

输入输出

注：

1.输入电源信号与反映电机转速变化的电压信号的反馈调节电压信号，作为共同输入，通过PID控制器调节，驱动电机工作。

2.电动机转动叶轮，叶轮通过转动在光电传感器处产生脉冲信号并输入给F/V转换器；F/V转换器将频率信号转换为电压信号，将此作为反馈信号然后通过PID 控制器对输出电压进行校正。

2、背景知识介绍：

（1）选题背景及意义

在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活中起着十分的重要的作用。无论是在农业生产、交通运输、国防、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常的生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是只对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是只对电动机的转角、转矩，电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对直流的简单控制的应用很多，但是，随着现代步伐的迈进，人们对自动化的要求越来越高，使直流电机的PID控制控制逐渐成为主流，实现对电机转速的精确控制。

（2）系统校正

系统校正，就是在系统中加入一些参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生改变，从而满足给定的各项性能指标，在系统校正中，当系统的性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般采用的是根轨迹校正法，实验所用软件为MATLAB、EWB软件，使用MATLAB软件绘制系统校正前后的根轨迹图，系统的闭环阶跃响应，观察系统校正前后的各项性能指标是否满足系统所需性能指标，在Simulink界面下或使用EWB软件对校正前后的系统进行仿真运行，观察系统输出曲线的变化。

在控制系统设计中，常用的校正方法为串联校正和反馈校正，串联校正比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要形式的转换，特别在直流控制系统中，由于传递直流电压信号，适合采用串联校正。在确定校正装置的具体形式时，根据校正装置所需提供的控制规律选择相应的元件，常常采用比例、微分、积分控制规律，或基本规律的组合，如比例微分、比例积分等。而本次课题选择的正是PID即比例积分微分控制器。

三、硬件设计：

总体仿真电路：

1、PID比例积分微分控制器电路

（1）PID控制器的简单介绍

PID是比例P (Proportional)、积分 (Integral)、微分D (Differential or Derivative)控制的简称。在PID调节器作用下，我们可以对误差信号分别进行比例、积分、微分控制，调节器的输出作为被控对象的输入控制量。

PID调节器的传递函数和电路连接如下图所示，在式中， Kp为比例增益， Ti 为积分时间，Td为微分时间。

PID传递函数：

PID电路连接：

（2）PID控制器参数的确定

PID控制是比例、积分、微分控制的总体，而各部分的参数K

P 、T

I

、T

D

大小

不同则比例、微分、积分所起作用强弱不同。在工业过程控制中如何把三参数调节到最佳状态需要深入了解PID控制中三参量对系统动态性能的影响。以单闭环调速系统为例，讨论各参量单独变化对系统控制作用的影响。在讨论一个参量变化产生的影响时，设另外两个参量为常数。

PID参数对系统的影响：

通过仿真PID控制器参数确定如下

K

P =50 T

I

=0.47 T

D

=0.02

2、直流电机放大电路

通过电流放大电路使小电机可以正常运行。其中NPN三极管Q1采用9013。

具体电路如下图：

3、反馈电路

（1）光电转换器ST151

光电转换器ST151是单光束直射取样式光电传感器，采用高发射功率红外光电二极管和复合晶体管组成，性能可靠；体积小，结构简单.，多应用于多费率电能表，IC卡电度表等各种需测量计数的场合。

ST151实物图ST151内部结果图

在本实验中，当电机驱动转动叶轮时，通过光电传感器将光信号转换为具有一定频率的脉冲信号，再将该脉冲信号传送给F/V转换器LM313。

（2）频率－电压变换器LM331

LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图1所示。

Lm331逻辑框图

Lm331各引脚功能说明如下:

脚1 为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;

脚2 为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大;

脚3 为脉冲电压输出端,OC 门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4 为地;

脚5 为单稳态外接定时时间常数RC ;

脚6 为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7 电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw ;

脚7 为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;

脚8 为电源Vcc , 正常工作电压范围为4～40V。线性度好, 最大非线性失真小于0. 01 % , 工作频率低到0. 1Hz 时尚有较好的线性;变换精度高数字分辨率