三闭环电机控制系统设计
三相异步电动机的闭环恒速控制系统 设计结论
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电机速度开环控制和闭环控制
实验三十三电机速度开环控制和闭环控制（自动控制理论—检测技术综合实验）一、实验原理1．直流电机速度的控制直流电机的速度控制可以采用电枢回路电压控制、励磁回路电流控制和电枢回路串电阻控制三种基本方法。
三种控制方式中，电枢电压控制方法应用最广，它用于额定转速以下的调速，而且效率较高。
本实验采用电枢控制方式，如图33-1 所示。
本实验装置为一套小功率直流电机机组装置。
连接于被控制电机的输出轴的是一台发电机，发电机输出端接电阻负载，调节电阻负载即可调节被控制电机的输出负载。
发电机输出电压E图33-1 直流电机速度的电枢控制方式兼作被控电机速度反馈电压。
2．开环控制和闭环控制由自动控制理论分析可知，负载的存在相当于在控制系统中加入了扰动。
扰动会导致输出（电机速度）偏离希望值。
闭环控制能有效地抑制扰动，稳定控制系统的输出。
闭环控制原理方框图如图33-2。
当积分环节串联在扰动作用的反馈通道（即扰动作用点之前）时，即成为针对阶跃扰动时的I 型系统，能消除阶跃信号扰动。
图33-2 直流电机速度的闭环控制原理方框图采用积分环节虽然能一定程度上消除系统的稳态误差，但是却对系统的动态性能（超调量、响应时间）和稳定性产生不利影响。
因此需要配合进行控制器的设计和校正（采用根轨迹设计方法或频域设计方法）。
此外，在扰动可以测量的情况下，采用顺馈控制也能有效地对扰动引起的跟踪误差 进行补偿，减轻反馈系统的负担，见图 33-3。
cDREG 1 G C图 33-3 反馈＋顺馈控制方式消除扰动引起的误差式中： G 1= G 1 (s ) 为控制器传递函数，也是扰动输入时的反馈通道传递函数；G 2 = G 2 (s ) 为被控对象（本实验中即被控直流电机）的传递函数； G c = G c (s ) 为顺馈控制通道传递函数； R 为指令输入，即希望的电机速度；C 为输出被控量，即被控电机的输出速度； E 为系统的稳态误差；D 为系统的扰动输入，即电机的负载。
闭环控制系统的设计与实现
闭环控制系统的设计与实现闭环控制系统的设计与实现闭环控制系统是一种智能控制系统，可以根据实际反馈信息来调整控制过程，使其始终保持在预期的状态。
本文将按照步骤思考的方式，介绍闭环控制系统的设计与实现。
第一步：确定控制目标在设计闭环控制系统之前，首先需要明确控制的具体目标。
这可以是温度、速度、位置等各种物理量。
确定了控制目标后，我们就可以开始考虑如何实现它。
第二步：选择传感器传感器是闭环控制系统中的重要组成部分，用于收集实际的反馈信息。
根据控制目标选择合适的传感器，比如温度传感器、速度传感器或位置传感器等。
传感器的准确性和可靠性对闭环控制系统的性能有着重要的影响，因此需要仔细选择。
第三步：设计控制器控制器是闭环控制系统的核心组成部分，用于根据传感器反馈的信息，计算控制信号并输出给执行器。
设计控制器需要考虑系统的稳定性、响应速度和鲁棒性等因素。
常见的控制器包括比例-积分-微分（PID）控制器和模糊控制器等。
根据实际情况选择合适的控制器，并进行参数调整和优化。
第四步：选择执行器执行器是闭环控制系统中负责执行控制信号的部件。
根据控制目标选择合适的执行器，比如电机、阀门或气缸等。
执行器的性能和响应速度对闭环控制系统的效果有重要影响，因此需要综合考虑其动态特性和可靠性。
第五步：建立数学模型为了实现闭环控制系统，我们需要建立被控对象的数学模型。
数学模型可以描述被控对象的动态特性和响应规律。
通过数学模型，我们可以对闭环控制系统进行仿真和分析，优化控制器的设计和参数。
第六步：实现闭环控制系统在实现闭环控制系统时，首先需要将传感器与被控对象连接起来，以获取实际反馈信息。
然后，将控制器与执行器连接起来，以输出控制信号。
最后，通过调节控制器的参数，使闭环控制系统能够实现预期的控制目标。
第七步：测试和优化在实际应用中，闭环控制系统可能面临各种干扰和噪声，因此需要进行测试和优化。
通过实验和实际运行，我们可以调整控制器的参数，优化闭环控制系统的性能，使其更稳定、更准确地达到控制目标。
基于空间矢量控制的三闭环永磁同步电机控制系统仿真
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电机闭环控制系统
运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环速度环位置环。
1、首先电流环：电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”吧，然后呢就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环的。
2、速度环：速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。
速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到的。
3、位置环：位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。
位置环的反馈也来自于编码器。
编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。
而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。
谈谈PID各自对差值调节对系统的影响：1、单独的P（比例）就是将差值进行成比例的运算，它的显著特点就是有差调节，有差的意义就是调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差，残差具体值您可以通过比例关系计算出。
增加比例将会有效减小残差并增加系统响应，但容易导致系统激烈震荡甚至不稳定。
2、单独的I（积分）就是使调节器的输出信号的变化速度与差值信号成正比，大家不难理解，如果差值大，则积分环节的变化速度大，这个环节的正比常数的比例倒数我们在伺服系统里通常叫它为积分时间常数，积分时间常数越小意味着系统的变化速度越快，所以同样如果增大积分速度（也就是减小积分时间常数）将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的震荡过程。
电机速度闭环控制器设计原理与实现
电机速度闭环控制器设计原理与实现电机速度闭环控制是现代控制领域中的一项重要技术，它可以有效地控制电机在运行过程中的速度，提高系统的稳定性和精度。
本文将介绍电机速度闭环控制器的设计原理和实现方法，帮助读者更好地理解和应用这一技术。
一、控制原理电机速度闭环控制的基本原理是通过传感器实时检测电机转速，将检测到的转速信号与设定的目标转速进行比较，并根据比较结果来调节电机的控制信号，使电机的实际速度逐渐接近目标速度，从而实现精确的速度控制。
在实际应用中，电机速度闭环控制器通常由传感器、比例积分微分（PID）控制器和执行机构组成。
传感器用于检测电机的实时转速，反馈给PID控制器；PID控制器根据传感器反馈信号和设定的目标速度计算出控制信号，控制电机的运行；执行机构则根据PID控制器输出的控制信号来调节电机的转速。
二、控制器设计在设计电机速度闭环控制器时，首先需要确定控制系统的参数，包括比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd。
这些参数的选择对控制系统的性能和稳定性具有重要影响，需要经过实验验证和调整。
其次，需要根据电机的类型和性能要求来选择合适的传感器和执行机构。
传感器的精度和响应速度会影响闭环控制系统的性能，执行机构的响应速度和调节精度则会影响电机的运行效果。
最后，通过对PID控制器的调试和参数整定，可以使闭环控制系统达到理想的控制效果。
在实际应用中，还可以采用模糊控制、神经网络控制等先进的控制方法来进一步提高控制系统的性能和稳定性。
三、控制器实现电机速度闭环控制器的实现通常采用微控制器或数字信号处理器（DSP）来实现。
通过编程控制器的输入输出端口和模拟数字转换器（ADC）等外设，可以方便地实现电机速度的检测和控制。
在具体实现过程中，需要编写控制算法和驱动程序，配置传感器和执行机构的接口，进行调试和测试。
通过不断优化和调整控制器的参数，可以实现电机速度闭环控制系统的稳定运行和精确控制。
四、总结电机速度闭环控制器是一种重要的控制技术，能够有效地提高电机系统的稳定性和精度。
电机运动控制系统的设计与应用
电机运动控制系统的设计与应用电机运动控制系统是一个重要的工程领域。
控制系统能够将电机的速度、位置和加速度等运动参数控制到高精度，从而使得电机运动更为稳定、精确和高效率。
本文将介绍电机运动控制系统的设计方法、应用场景以及相关技术等内容。
一、电机运动控制系统的设计方法1.系统结构设计电机运动控制系统的结构设计包括硬件结构和控制算法结构。
硬件结构包括传感器、执行器、运动控制器和通信模块等。
传感器能够采集电机位置、速度等参数，执行器能够控制电机运动。
运动控制器对电机的控制算法进行实现，通信模块实现控制指令和数据的传输。
2.控制算法设计控制算法主要包括开环控制和闭环控制。
开环控制是指在电机运动过程中，控制器输出一个基本控制命令，以固定的运动规律进行调节。
闭环控制则根据电机传感器的反馈信号进行补偿和修正，输入实时控制命令，以更加准确的运动规律进行调节。
3.系统参数调节系统参数调节是指对电机运动控制系统的参数进行优化，以达到更好的控制效果。
对于不同的电机类型和不同的应用场景，需要进行不同的参数调节。
常用参数包括控制命令的周期、传感器采样频率等。
二、电机运动控制系统的应用场景电机运动控制系统的应用场景非常广泛。
常见的应用场景包括：1. 机器人控制电机运动控制系统是机器人控制的关键技术之一。
通过控制电机的角度、速度和加速度等参数，实现机器人的移动、抓取、拖动等动作。
2. 电动汽车电机运动控制系统是电动汽车的核心技术。
通过对电机的控制，可以实现电动汽车的加速、刹车、转向等功能，提高汽车的安全性、能效和舒适性。
3. 机床控制机床控制系统需要对电机的运动精度和速度等要求非常高。
通过控制系统对电机的位置和速度进行精细调节，能够保证机床的加工精度和工作效率。
4. 飞行器控制飞行器控制系统需要对电机的控制非常精确。
动力系统、姿态控制和飞行路径的设计都需要电机运动控制系统的协作。
三、电机运动控制系统相关的技术1.传感技术传感技术是电机运动控制系统的关键技术。
基于模糊PID控制的永磁同步电动机控制系统设计与仿真分析
基于模糊PID控制的永磁同步电动机控制系统设计与仿真分析1 引言永磁同步电机(PMSM)具有强耦合、参数时变、非线性等特点，且系统运行时受到不同程度的干扰，因此很难满足现代工业对高性能PMSM伺服系统的控制要求，尤其在精度、可靠性等性能上。
PMSM伺服系统是一个包含电流(转矩)环、速度环和位置环的三闭环控制系统。
采用矢量控制可改善系统内部电流(转矩)环的性能囝。
位置环和速度环实现系统的精确定位和对输入信号的快速跟踪。
速度控制器研究较多的控制策略有神经网络控制、滑模变结构控制、多种控制策略的复合控制等。
其算法都比较复杂，不利于电机数字化控制的实时性。
模糊控制采用以系统误差和误差变化为输入语句变量的二维模糊控制器结构形式，能够处理受控对象的不确定特性，具有实现方法简易、运算快速、实时性强等特点，系统能够获得良好的动态特性．但静态特性不能令人满意。
将模糊控制与PID控制相结合，设计模糊PID速度控制器，使系统既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。
系统仿真及实验结果表明该控制策略具有良好的控制效果。
2 模糊PID控制器的设计2.1 控制器结构设计应用于速度环的模糊PID控制器采用广泛应用的二维模糊控制器，其一个输入变量是电机输出转速反馈值与给定转速间的误差E。
另一个输入变量是转速误差的变化率EC，即单位时间内转速误差的差值。
输出端设计为多输出，由于模糊PID控制器是在传统PID 控制的基础上加入了模糊控制，故只需在传统PID调节参数的基础上稍作修正即可，于是取传统PID控制器的3个参数P，I，D的修正值△Kp，△Ki；△Kd作为模糊控制器的输出。
2.2 确定隶属度函数记E，EC，△Kp，△Ki，△Kd的模糊变量为e，ec，kp，ki，kdo如模糊子集为(NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}。
选择输入量e，ec隶属度函数为高斯型。
PLC控制三台电机的顺序起动毕业设计
PLC控制三台电机的顺序起动机电工程系：指导老师：用三菱FX2N48PLC控制三台电机逐一起动逐一停止。
本文给了详细的设计过程，I/O地址分配，和相关的梯形图，控制程序和控制过程的说明。
[关键词]：PLC逐一启动逐一停止保护梯形图指令表。
一：引言：（1）PLC的发展史：PLC—可编程序控制器，发展至今，除传统的硬PLC外，还有融入控制组态软件之中的软PLC(Softplc)。
它们正在扩展着PLC在工控、工业自动化领域中所占有的市场份额。
由于习惯与技术积累PLC的传统用户，不可能一时放弃原有的投资，在技术改造过程中，在原有的投资基础上，增加性能更好的设备，以提高生产效率和扩大再生产。
PLC传统的应用是在离散过程控制领域，即制造业。
目前PLC已被广泛地应用于连续过程控制领域（2）PLC的优点: 1．实现成本低由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。
2．范围广电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。
PLC 可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。
3．高速率PLC能够提供高速的传输。
目前，其传输速率为14Mbps。
远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！足以支持现有网络上的各种应用。
更高速率的PLC产品正在研制之中。
4．永远在线PLC属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！5．便捷不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受！（3）PLC主要应用在哪些方面: 1.开关量逻辑控制取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。
如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。
2.工业过程控制在工业生产过程当中，存在一些如温度、压力、流量、液位和速度等连续变化的量（即模拟量），PLC采用相应的A/D和D/A转换模块及各种各样的控制算法程序来处理模拟量，完成闭环控制。
直流电机三环控制系统的设计与仿真
引言轧钢、造纸、纺织、印染和化纤生产中，其加工物都是带状的，并且全都卷绕成圆筒形，为使加工物不断传送，既不堆叠又不拉断，卷绕紧密、整齐，并且保证产品加工质量，在卷绕过程中，要求在加工物内建立适宜的张力并保持恒定，这就需要张力控制系统，这种张力控制系统通常都是在转速、电流双闭环系统外再加一个张力环成为张力三环控制系统。
张力控制是指能够持久地控制料带在设备上输送时张力的能力。
这种控制对机器的任何运行速度都必须保持有效，包括机器的加速、减速和匀速，即使在紧急停车情况下，它也有能力保证料带不产生丝毫破损。
张力控制基本上分手动张力控制、开环式半自动张力控制和闭环式全自动张力控制三大类。
闭环式全自动张力控制是由张力传感器直接测定料带的实际张力值，然后把张力数据转换成张力信号反馈回张力控制器，通过此信号与控制器预先设定的张力值对比，计算出控制信号给自动控制执行单元，使实际张力值与预设张力值相等，以达到张力稳定的目的，它是目前较为先进的张力控制方法。
工程自动控制中，有三种张力控制系统：直接法张力控制系统，间接法张力控制系统和复合张力控制系统。
按张力偏差调节的闭环控制张力系统是直接法调节系统，这种张力闭环控制需要张力检测环节，其控制最为简便有效。
为保证此控制系统运行平稳，超调量小而准确，可以使用数字PID控制器。
PID 调节器结构简单，参数易于调整，在长期应用中积累了丰富的经验。
其实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果的增量用以控制输出。
目前绝大多数国产的诸如造纸、纺织、印染以及化纤等设备，都是不带张力调节的控制系统，不但车速上不去，而且生产效率也很低，并且还会影响产品质量。
如果采用张力调节系统，所添元件和设备的成本低廉，可大大提高产品质量和生产效率。
这种张力闭环控制系统，不仅可以提高自身理论和实际相结合的能力，还可以应用到生产实际中，为企业创造利润，使之在竞争激烈的环境中能够有充足的发展，因此对有关工业设备的更新与改造有着广泛的应用前景。
永磁同步电机三闭环伺服控制设计及实验
电流环 的 闭环传 递 函数为 ：
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永磁 同步 电机三闭环伺服控制设 计及实验
殷 日键 朱 元 吴 耿 泽
（ 济大 学 中 德 学 院 ， 海 ２ ０ １ ） 同 上 ０ ０２
摘
要： 采用 了永磁 同步 电机的矢量控制理论， 并在此基础上讨论 了永磁 同步 电机 的矢量控制 方案 。结合矢量控制系统 ， 讨论 了伺服控制位
2转速闭环实验图8所示为转速闭环实验情况给定指令从一低速100rads在001s内提升到800mds可以看到响应曲线能迅速跟踪指令曲线电机转速的波动很小大约为10radsts图8电机转速响应曲线3结语本文详细阐述了交流同步电机ieo的矢量控制方法即先确定采用pi调节的电流闭环
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工作 频 率） 电机 电枢 回路 的 传递 函 数 为 ＋ 一 由于 电机 电枢 ； ） 。
反 电势对 电流 环的 调节有 影 响 ， 以按 照调 节 器工程 设计 方 法 ， 所 将 电流环 校 正成 典型 Ｉ 系统 ［３ 型 ２。 － ］
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英飞凌XC2267 电机控制系统设计方案
基于英飞凌XC2267的电机控制系统设计电机驱动系统是电动汽车的关键部件之一。
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)伺服调速性能优越，去除了直流伺服电机的额机械换向器和电刷，使结构更加简单;且具有质量轻、体积小、功率因数高等优点;被广泛应用于对精度和性能要求较高的领域。
本文基于磁场定向控制(FOC)原理，设计了以资源丰富和高速响应为特点的英飞凌16位微控制器XC2000作为主控芯片构建一个高性能的永磁同步电机伺服控制系统。
最后，在Simulink环境下构建控制系统模型，验证了控制系统的有效性。
1 系统总体控制设计方案1.1 FOC原理永磁同步电机矢量控制是在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成励磁电流分量和转矩电流分量，实现解耦定子电流的完全解耦，然后分别对两者进行调节选择。
从而简化PMSM 的控制。
根据磁势和功率不变原则，将永磁同步电机的三相电压、电流和磁链经过坐标变换由三相ABC静止坐标系下的量变换成d—q旋转坐标系下的量，定子电流矢量被分解为按转子磁场定向的两个相互正交的电流分量，即定子电流的励磁分量id和转矩分量iq。
iq调节参考量由速度控制器给出，经过电流环调节后输出d—q轴上的电压分量，即ud和uq。
将控制量ud和uq经过反Parke变换后，得到α-β坐标系上的分量uα和uβ。
根据uα和uβ值的大小和SVPWM空间矢量合成方法实现矢量控制的输出，达到矢量控制的目的。
1.2 三闭环控制系统设计系统采用电流、转速、位置三闭环控制来实现对电机的转速控制。
其中速度环的作用在于保证电机的实际转速与指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响。
速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度调节器产生相应的电流参考信号的幅值，再与通过磁极位置检测得到的电流参考信号相位相乘，既得到完整的电流参考信号，该信号控制电机加速、减速或匀速，从而使电机的实际转速与指令值保持一致。
三相异步电动机的闭环恒速控制系统.doc
毕业设计论文三相异步电动机的闭环恒速控制系统袁慎辉指导老师姓名：徐瑾瑜专业名称：电气自动化班级学号： 08137124论文提交日期： 2008年11月14日论文答辩日期： 2008年11月15日2008年 11月 14 日任务三相异步电动机的闭环恒速控制系统第一章任务提出现有一台三相异步电机需要按设定的转速恒速运行，请设计一台闭环控制系统。
第二章知识衔接一、光电编码器光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字的传感器。
一般的光电编码器主要由光栅盘和光电检测装置组成，光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
在伺服系统中，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理如图3—1所示。
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就反映当前电动机的旋转。
此外，为判断旋转方向，码盘还可以提供相差90度的2个通道的光吗输出，如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。
根据检测原理，编码器可分为光学式，磁式，感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式，绝对式以及混合式3种。
二、高速计数指令前面讲的计数器指令的计数速度受扫描周期的影响，若|输入脉冲的频率比CPU扫描频率高时，就不能满足控制要求了。
为此，S7—200系列PLC设计了高速计数功能HSC（High Speed Counter），其计数自动进行，不受扫描周期的影响，最高计数频率取决于CPU的类型，CPU22x 系列最高计数频率为30KHz用于捕捉比CPU扫描速更快的事件，并产生中断，执行中断程序，完成预定的操作。
高数计数器最多可设置12种不同的操作模式。
用高数计数器可实现高速运动的精确控制。
1．高数计数器的工作模式高数计数器由12种工作模式，模式0~模式2采用单路脉冲输入的内部方向控制加/减计数；模式3~模式5采用采用单路脉冲输入的外部方向控制加/减计数器；模式6~模式8用两路脉冲输入的加/减计数器；模式9~模式11用两路脉冲输入的双相正交计数。
直流电机速度闭环控制系统设计报告
目录一、课题简介 (1)二、方案设计 (1)1. 系统整体设计 (1)2. 电机的传递函数 (2)3．集成H桥驱动器 (3)4. 发电机传递函数 (5)5. 信号整形电路 (5)6. 显示电路 (6)7. D/A转换电路 (7)8．51单片机最小系统 (8)三、电机实验模型的建立 (8)四、控制系统仿真分析 (11)1. 电机的开环特性仿真分析 (11)2. 闭环控制器的设计 (12)3. 离散域对控制系统的仿真分析 (14)3.1 PI调节器的离散化 (15)3.2零阶保持器与电机传函的离散化 (15)3.3离散域仿真分析 (15)五、系统实际效果与理论分析的比较 (16)1. 电机的开环特性 (16)2. 电机系统的闭环特性 (17)2.1 闭环系统消除稳态误差 (17)2.2 正阶跃响应特性 (18)2.3 正、负阶跃响应特性 (19)2.4 闭环系统抗扰动能力 (19)六、控制算法的实现 (20)七、总结 (21)1.实验过程中存在的问题 (21)1.1电机模型的测量不够精确 (21)1.2电机模型的降阶处理 (21)1.3电机转速的测量 (21)1.4微处理器的选择 (22)2.实验收获与体会 (22)附录一 (23)附录二 (23)附录三(离散域仿真补充) (33)直流电动机速度闭环控制系统设计报告（华中科技大学电气学院武汉430074）一、课题简介现代化生产和生活中，电动机的作用十分重要，无论是交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、农业生产、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量地使用各种各样的电动机。
据有关资料介绍，现有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有60%消耗于电动机。
因此，研究电动机的控制系统是有较大的现实意义的。
目前电动机的主流控制都是由微机完成的。
电机微机控制系统主要用于一下两个方面：（1）发电机励磁系统的控制用于保证正常工作时发电机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定运行，达到最优化控制的目的。
闭环控制系统的设计
04
闭环控制系统应用实例
温度控制系统设计
温度控制系统是闭环控制中常见的一种，主要用于工业和家庭环境中对温度的精 确控制。
温度控制系统通过温度传感器检测环境温度，并将该信号传输至控制器。控制器 根据预设的温度值与实际温度值的差异，输出相应的控制信号，如调节加热元件 的功率，以实现温度的精确控制。
液位控制系统设计
控制精度分析
分析系统输出与期望输出之间的误差大小和分布情况，评估控制精 度。
03
闭环控制系统设计方法
根轨迹法
总结词
根轨迹法是一种通过绘制闭环极点在复平面上的轨迹来分析控制系统稳定性的方 法。
详细描述
根轨迹法通过分析开环传递函数的极点位置变化来预测闭环系统的稳定性。通过 改变开环传递函数的某些参数，可以观察到闭环极点的变化，从而判断闭环系统 的稳定性。根轨迹法还可以用于确定系统对特定参数变化的敏感度。
闭环控制系统是一种反馈控制系统， 它通过比较实际输出与期望输出之间 的误差来调整系统的输入，从而减小 误差并使输出达到期望的目标值。
闭环控制系统的基本组成
总结词
闭环控制系统通常由控制器、受控对象、反馈通道和前馈通 道等部分组成。
详细描述
控制器是闭环控制系统的核心，负责接收输入信号并根据控 制算法计算输出信号；受控对象是实际需要控制的设备或系 统；反馈通道负责将受控对象的输出信号反馈回控制器；前 馈通道则用于补偿系统中的干扰和变化。
闭环控制系统的特点
总结词
闭环控制系统具有高精度、高稳定性和适应性强的特点。
详细描述
由于闭环控制系统采用了负反馈机制，能够实时监测系统输出并与期望值进行比较，因此具有高精度和高稳定性， 能够快速适应不同的输入和环境变化。此外，通过调整控制算法和参数，闭环控制系统还可以实现复杂的控制策 略和优化目标。
三闭环直流调速系统的设计、建模与仿真
三闭环直流调速统的建模与仿真三闭环直流调速系统的设计一、三闭环直流调速系统总体设计方案三闭环直流调速主电路由双闭环直流调速系统改进而得。
当采用双闭环直流调速系统时，在电流上升阶段，电流急剧上升，变化率很大，会在直流电动机中产生严重后果，如产生很高的附加电动势及机械传动机构产生强烈的冲击。
为解决这一矛盾，在电流环内设置一个电流变化率环，构成转速、电流、电流变化率的三环系统。
转速调节器ASR设置输出限幅，以限制最大启动电流。
根据系统运行的需要，当给定电压*U后，ASR输出饱和，电机以最大的允许电流起动，n同时由于电流变化率ADR环的作用，使电流上升斜率有一定限制，当达到给定的速度后转速超调，ASR退饱和，电机电枢电流缓慢下降。
这样，经三个调节器的调节作用，使系统很快达到稳定。
在带电流变化率内环的三环调速系统中，ASR的输出仍是ACR的给定信号，并用其限幅值限制最大电流；ACR的输出不是直接控制触发电路，而是作为电流变化率调节器ADR的给定输入，ADR的负反馈信号由电流检测通过微分环节LD得到，ACR的输出限幅值则限制最大的电流变化率。
最后，由第三个调节器ADR的输出限幅值决定触发脉冲的最小控制角。
带电流变化率内环的三环调速系统原理图二、电流变化率环的设计电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
电流变化率环的闭环传递函数为)111(12d di ++++++=S K T T S K T T S K K W dis l di s l i didi cld τβ 式中，di K =R K d di di s ρττβ ； d τ为ADR 的积分时间常数；ρ为ADR 时间常数调整器的分压比；di τ电流微分时间常数；odi T 电流微分滤波时间常数。
在该设计中电流变化率调节器ADR 选用PI 调节器,取电流微分滤波时间常数odi T 为0.002 S;电路中PI 调节器的电阻R 0取为1K,调节器的电容d C 取为47uF, ADR时间常数调整器的分压比ρ取0.5，得到积分调节器为S10；仿真后发现效果不好，就添加了比例调节器，放大系数取1，得到ADR 的PI 调节器的传递函数为S S 10+;一般取电流微分时间常数di τ为0.01，电流检测反馈di β为0.05，所以1002.00005.01+=+S S s T sT odi di di β；*二、电流调节器的设计1.确定时间常数（1） 滞后时间常数s T =0.0017s（2） r V n I R U C NN a N e min/.132.0=-= （3） me m C C R GD T 3752==0.18s （4）电流环小时间常数i T ∑。
《闭环电子控制系统的制作和调试作业设计方案》
《闭环电子控制系统的制作和调试》作业设计方案第一课时一、试验目标通过设计和制作闭环电子控制系统，进修并精通电子控制系统的基本原理和调试方法，提高同砚的电子技术实践能力和创新认识。
二、试验内容1. 进修闭环控制系统的基本原理和组成结构。
2. 设计闭环电子控制系统的整体框架和电路图。
3. 制作闭环电子控制系统所需的硬件元件，包括传感器、执行器、控制器等。
4. 调试闭环电子控制系统，确保其能够正常工作并实现预设的控制目标。
三、试验器械1. Arduino开发板2. 电机驱动器3. 温湿度传感器4. 液晶显示屏5. 直流电源供应器6. 万用表7. 逻辑分析仪四、试验步骤1. 确定闭环电子控制系统的控制对象和控制目标。
2. 设计并绘制闭环电子控制系统的电路图。
3. 依据电路图制作所需的硬件元件。
4. 将硬件元件毗连至Arduino开发板，并编写控制程序。
5. 进行调试和测试，确保闭环电子控制系统能够正常工作。
6. 不息优化闭环电子控制系统的性能，达到更好的控制效果。
五、试验要求1. 同砚需具备一定的电子技术基础和动手能力。
2. 同砚需要勤勉沉思和分析闭环电子控制系统的设计与调试过程。
3. 同砚应当具备团队合作认识，共同完成试验设计与调试任务。
六、试验评判1. 依据试验结果和试验报告，评判同砚对闭环电子控制系统的理解和精通水平。
2. 考察同砚的试验设计能力和解决问题的方法。
3. 鼓舞同砚对闭环电子控制系统进行进一步的改进和创新。
七、试验总结通过本次试验，同砚将会深度了解闭环电子控制系统的工作原理和调试方法，提高动手能力和实践阅历，为将来的电子技术应用和创新打下良好基础。
第二课时一、作业目标：通过本次作业设计，同砚将进修和精通闭环电子控制系统的基本原理、制作方法和调试技巧，提高同砚对电子控制系统的理解和实践能力。
二、作业内容：1. 理论进修：同砚将通过教室教学、相关资料阅读等方式，进修闭环电子控制系统的基本理论知识，包括反馈控制原理、PID控制算法等内容。
电机控制系统中的闭环控制原理
电机控制系统中的闭环控制原理在电机控制系统中，闭环控制原理是一种常用的控制方法，通过不断检测反馈信号，并与设定值进行比较，以调整输出信号，实现系统稳定性和精准性的控制。
本文将详细解释电机控制系统中闭环控制的基本原理，以及其在实际应用中的重要性和作用。
**闭环控制系统的基本原理**闭环控制系统是指控制器通过不断检测系统输出信号，并将其与设定值进行比较，以调整控制输入信号的过程。
闭环控制系统由四个基本元素组成：输入信号、输出信号、比较器和控制器。
在电机控制系统中，输入信号通常是设定值，输出信号是电机运行状态的反馈信号，比较器用于比较输出信号和设定值的差异，控制器则根据比较器的输出信号来调整电机的控制输入信号。
闭环控制系统的基本原理可以用一个简单的例子来说明：假设我们要控制电机的转速，设定值为1000转/分钟，电机的反馈信号为950转/分钟。
比较器将这两个数值进行比较，发现有50转/分钟的差异，控制器将根据这个差异来调整电机的输入信号，使电机的转速逐渐接近设定值。
**闭环控制系统的重要性和作用**闭环控制系统在电机控制领域中具有重要的作用和价值。
首先，闭环控制系统可以提高系统的稳定性和精度。
通过不断的反馈信号检测和调整，闭环控制系统可以及时发现和纠正系统中的误差，使电机的输出信号更加接近设定值，从而提高系统的控制精度和稳定性。
其次，闭环控制系统可以增强系统的抗干扰能力。
在实际应用中，电机控制系统往往会受到各种外部干扰的影响，如负载波动、温度变化等。
闭环控制系统可以通过不断的反馈调整，及时发现并抵消这些外部干扰，使系统的输出信号更加稳定和可靠。
另外，闭环控制系统可以实现系统的自动调节和优化。
通过收集反馈信号，并根据设定值和实际输出值的差异进行调整，闭环控制系统可以自动地调节控制输入信号，实现系统的自动化运行和优化控制。
总的来说，闭环控制系统在电机控制系统中起着至关重要的作用，可以提高系统的稳定性、精度和抗干扰能力，实现系统的自动化运行和优化控制。
电机控制系统中的电机位置闭环控制
电机控制系统中的电机位置闭环控制在电机控制系统中，电机的位置闭环控制是实现精准控制和稳定运行的关键。
通过对电机位置进行实时监测和调节，可以确保电机按照预定的路径和速度运行，提高系统的响应速度和定位精度。
本文将就电机控制系统中的电机位置闭环控制进行详细探讨。
1. 电机位置闭环控制原理电机的位置闭环控制是通过对电机位置信号进行反馈，与设定的目标位置进行比较，计算出位置误差，并通过调节电机控制器的输出信号来实现位置的闭环控制。
一般来说，电机位置闭环控制系统由位置传感器、控制器和执行器组成。
2. 位置传感器在电机控制系统中，位置传感器用于实时监测电机的位置。
常用的位置传感器包括编码器、光电编码器和霍尔传感器等。
通过位置传感器获取电机的实际位置信息，反馈给控制器，用于与设定的目标位置进行比较，计算位置误差。
3. 控制器控制器是电机位置闭环控制系统的核心部分，负责位置误差的计算和控制信号的输出。
控制器根据位置误差和设定的控制算法，计算出控制电压或电流的大小和方向，调节电机的转速和位置，使其逐渐接近设定的目标位置。
4. 执行器执行器是控制器输出信号的执行部分，包括功率放大器、电机驱动器等。
执行器接收控制器输出的信号，调节电机的电压、电流，控制电机的转矩和速度，将电机驱动到目标位置。
5. 闭环控制系统电机位置闭环控制系统是一个反馈控制系统，通过实时监测电机的位置信息，与设定的目标位置进行比较，不断调节控制信号，使电机的位置逐渐趋近于目标位置。
在闭环控制系统中，位置传感器、控制器和执行器之间通过反馈信号实现信息的循环传递和控制。
总结电机控制系统中的电机位置闭环控制是实现精准控制和稳定运行的重要方法。
通过对电机位置进行实时监测和调节，可以提高系统的响应速度和定位精度，在工业自动化、机器人控制等领域有着广泛的应用前景。
希望通过本文的介绍，读者能对电机位置闭环控制有更深入的了解，为实际工程应用提供参考。
教学用三闭环电机控制器“掌上FOC”的设计实现
教学用三闭环电机控制器“掌上FOC”的设计实现
严思念;赵镜红;熊义勇;周杨威
【期刊名称】《数字技术与应用》
【年(卷),期】2022(40)10
【摘要】本文设计了一款用于教学的速度、位置、转矩三闭环可切换矢量控制器“掌上FOC”及其配套软件。
该控制器尺寸仅7.7cm×5.6cm,可使用8~24V安全电压供电,包含控制、驱动、反馈采样、上位机通讯等全套功能,配合上位机界面可以观测各物理量并实现在线调节参数。
该控制器的设计实现有助于激发学生对电机控制和嵌入式技术的学习兴趣。
【总页数】5页(P146-150)
【作者】严思念;赵镜红;熊义勇;周杨威
【作者单位】海军工程大学电气工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM33
【相关文献】
1.基于FOC的永磁同步电机速度控制器参数优化设计
2.基于LQR的直流电机伺服系统三闭环PID控制器设计
3.一种基于FOC与PID算法的无刷电机的驱动设计与实现
4.基于STM32的无刷直流电机FOC控制器设计
5.基于FOC轮毂电机伺服驱动器的设计与实现
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摘要本文以详细阐述了MCS-8031为控制芯片，所构成的三闭环直流调速系统，三闭环即转速环，电流环，位置环。
包括8031单片机控制电路、复位电路、振荡电路、速度给定电路、光电码盘测速测位置电路、PWM波驱动H桥电路等；在软件的实现上采用PID控制算法模拟ASR,ACR环的作用，并给出程序流程图和具体程序设计。
关键字：单片机直流调速 PID算法第一章系统结构 (3)第二章硬件设计 (4)第一节8031的介绍和ROM扩展 (4)第二节驱动电路 (5)第三节给定输入电路 (6)第四节增量式光电脉冲编码器测速位置 (6)第五节霍尔传感器测电流 (8)第六节转速显示电路 (8)第七节时钟振荡器和复位电路 (9)第八节电源电路 (10)第三章系统软件设计 (12)第一节PWM波产生 (12)第二节给定速度程序设计 (14)第三节转速测定 (16)第四节位置测量 (17)第五节电流测量程序 (18)第六节速度显示程序 (18)第七节PID控制算法 (19)总结 (25)参考文献 (26)第一章系统结构电子技术的高速发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术进入一个新的阶段。
采用单片机控制的调速系统，其控制方案是依靠软件实现的，控制器由可编程功能模块组成，配置和参数调整简单方便，工作稳定。
本系统设计为三闭环调速，即包括电流环，转速环，位置环。
测速及位置用固定在主轴上的光电码盘产生脉冲信号，脉冲信号送入8254计数芯片计数，再传输到单片机计算，M/T法可计算出即时速度。
这个速度与设定的速度进行比较，得出差值。
MCS8031对这个差值进行PID运算，得出控制增量，即用单片机，PID算法实现模拟电路ACR,ASR的功能。
计算出PWM输出的占空比，去控制H桥驱动电路，其输出驱动直流电动机。
系统硬件结构如下图所示：第二章 硬件设计硬件设计部分主要包括了，8031芯片的ROM 扩展， I/O 口的扩展设计，振荡电路和复位电路，H 桥驱动电路，给定输入电路，光电编码器测速、测位置电路，霍尔传感器测电流电路，稳压电源电路，第一节 8031的介绍和ROM 扩展本设计采用mcs-8031 单片机8031单片机是Intel 公司生产的MCS-51系列单片机中的一种，除无片内ROM 外，其余特性与MCS-51单片机基本一样，。
其结构图如下：313938373635343332212223242526272829301110管脚功能介绍：P0：1.外部扩展存储器时，当做数据总线2.外部扩展存储器时，当作地址总线3.不扩展时，可做一般的I/O 使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1口:只做I/O 口使用：其内部有上拉电阻。
P2口：1.扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2.做一般I/O 口使用，其内部有上拉电阻；P3口： 除了作为I/O 使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。
ALE/PROG 地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE 用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
ALE 有可能是高电平也有可能是低电平，当ALE 是高电平时，允许地址锁存信号，当访问外部存储器时，ALE信号负跳变（即由正变负）将P0口上低8位地址信号送入锁存器。
当ALE是低电平时，P0口上的内容和锁存器输出一致。
在没有访问外部存储器期间，ALE以1/6振荡周期频率输出（即6分频），当访问外部存储器以1/12振荡周期输出（12分频）。
从这里我们可以看到，当系统没有进行扩展时ALE会以1/6振荡周期的固定频率输出，因此可以做为外部时钟，或者外部定时脉冲使用。
由于无rom,所以必须外接扩展存储器芯片，所以我们采用了外接一个EPROM2764,其具有8kb容量，2764有正常和编程两种工作方式，vcc接+5v,编程电源在编程时接+5v,连接图如下：74LS373是输出有三态门的锁存器，当使能端C为高电平时，锁存器的数据输出端Q的状态与与数据输入端D相同，当C端从高电平返回到低电平时，输入端的数据就被锁存在锁存器中，数据输入端D的变化不再影响Q端输出。
ALE与C端相连,起地址锁存作用。
第二节驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．。
直流电机控制使用H桥驱动电路，当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5导通，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q2、Q3同时导通，Q4导通，从而实现电机反向转动以及转速的控制。
第三节给定输入电路运用A/D转换芯片将滑动变阻器的模拟电压转换为数字量作为控制直流电机速度的给定值，采用了ADC0809芯片。
其连接电路图如下：由于外接存储器，单片机ALE输出为单片机的频率1/12，约为1Mhz，所以需加一个D锁存器，进行二分频，因为ADC0809的最高时间频率不得高于640khz。
4光电式编码器直接与电动机主轴连接，当电动机转动时，带动码盘旋转，输出一系列的脉冲信号。
增量式编码器在码盘上均匀刻着一定数量的光栅，当电动机旋转时，码盘随之一起转动，可通过光栅的作用，持续不断地开放或封闭光通路，因此，在接收装置的输出端便得到了频率与转速成正比的方波序列，从而得以计算转速。
上面为光电编码器输出脉冲后，由于输出脉冲电平很小，所以经过运放放大后，再经过电平比较器LM339整形，输出与计数器8254所能接收的+5V 电平。
脉冲从6口输出。
为了获得转速的方向，可增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4，刚两组脉冲序列A 和B 的相位相差90度，正转时A 相超前B 相，反转时B 相超前A 相。
1.鉴别转向电路可以采用一个D 锁存器，A 脉冲通入D 端，B 脉冲通入clk 这样，当正转时，Q=1,反转时，Q=0 2.脉冲计数电路将A ，B 通入与门后，再输入到8254计数芯片计数BA正转时第五节霍尔传感器测电流霍尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时需将霍尔电压进行放大，而后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在一起，如差分放大器，射极跟随器，其输出伏级电压，可直接使用ADC0809进行转换。
本设计采用了霍尔元件，所以需要加上滤波放大电路，由于电机电枢电流有一定的脉动，添加一个采样保持环节，如图示H为霍尔元件。
第六节转速显示电路LED数码管的基本组成是半导体发光二极管，它是将若干个发光二极管，按照一定的笔段组合起来构成的一个整体。
LED数码管能显示0—9十个数字及部份英文字母。
它由8个发光二极管组成，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个发光二极管在整个数码管的右下角，用来显示小数点。
根据8个发光二极管的不同连接形式，可以将LED数码管分成共阳极和共阴极两种。
将8个发光二极管的阳极都连在一起的称之为共阳极LED数码管；将8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED数码管。
本设计采用了数码管动态显示，这是单片机中应用最为广泛的一种显示方式一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。
连接电路图如下如示，PA是8255芯片扩展口，共阴极接法，74ls138为三八译码器P1.5P1.6P1.7第七节时钟振荡器和复位电路单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，晶体振荡器接18，19脚，外部时钟振荡器和电容C1，C2构成并联谐振电路，连接在XTAL1.XTAL2脚两端C1C2内部振荡电路复位电路第八节电源电路电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
78XX,XX就代表它所输出的电压值，能降低电压4-5V三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
有时在数字78或79后面还有一个M或L，如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA，78M 系列最大输出电流为1A，78系列最大输出电流为1.5A。
在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。
当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。
21u F41u F本电源模块把220V的交流电转换成低压交流电，然后进行整流滤波，并用7805和7815稳压成所需要的5V和15V的直流电源，供给电机和整个系统。
第三章系统软件设计软件具有1个循环主程序，子程序分别为：转速给定子程序，AD转换子程序，速度测定子程序，PID算法子程序，速度显示子程序，Time0溢出中断服务子程序，产生需要的PWM波信号第一节PWM波产生使用单片机来控制直流电机的变速，一般采用调节电枢电压的方式，通过单片机控制PWM1，PWM2,产生可变的脉冲，这样电机上的电压也为宽度可变的脉冲电压。
根据公式U=aVCC其中：U为给定电压；a为脉冲的占空比（0<a<1）；VCC直流电压源，这里为5V。
电动机的电枢电压受单片机输出脉冲控制，实现了利用脉冲宽度调制技术（PWM）进行直流电机的因为在H桥电路中，只有PWM1与PWM2电平互为相反时电机才能驱动，也就是PWM1与PWM2同为高电平或同为低电平时，都不能工作，Pwm2Pwm1ZKB1实际占比空应该为，ZKB=ZKB1-ZKB2。