单闭环和双闭环直流电机调速系统

一．直流力矩电机转速/位置伺服控制系统1.系统组成结构2系统工作原理在上位计算机上安装有自控原理、计算机控制实验软件包，与实验箱（接口卡控制核心采用C8051F020单片机）通过USB连接通信,经计算后发出模拟电压信号（-5V至+5V）给PWM脉宽调制单元，PWM脉宽调制单元的控制核心采用ATmega128单片机，根据不同的控制信号,发出电机转向控制信号及转速控制信号(不同占空比的PWM波)给功率驱动单元,PWM波占空比分辨率精度为10位,功率驱动单元核心采用集成功率驱动芯片L298N,驱动电压采用12V,最大驱动电流3A,可以控制直流力矩电机正反转,直流力矩电机测速机组采用稀土永磁体制成的高性能力矩电动机与同轴联结的高灵敏度低速测速发电机组合而成，具有响应速度快、转矩大、特性线性度好等特点,是新型高精度调速执行系统组合元件，实验效果好,电流反馈采用霍尔电流传感器LA-50P,转速反馈采用测速发电机，转角位置反馈采用WDD35D-4型导电塑料电位器并配有模拟仪表及数字仪表指示，因此电流、转速、转角信号的反馈均可区分正反两个方向，配合实验软件可以实现多种开闭环控制实验方案。3.系统参数直流电动机：5V,4A,5r/min,eC=0.556Vmin/r,=1.2晶闸管装置放大系数：SK=1,ST=0.01s电枢回路总电阻：R=0.6时间常数：lT=0.167s,mT=0.282s电流反馈系数：=1转速反馈系数：=1计算机USB连接实验箱PWM单元ATmega128功率单元L298N直流力矩电机电流反馈（LEM元件）转速反馈（测速电机）转角位置反馈（导电塑料电位器）二．数字PID控制1.系统原理图2.系统接线图3.控制算法21112kkkDkIkkPkkkeeeTTeTTeeKuuu取TTKPKDTTKPKIKPKPDI,,KP:增大比例系数KP会加快系统的响应速度，有利于减少静差。KI:减小积分系数KI（即增大积分时间提Ti）将减少积分作用，有利于减少超调使系统稳定但系统消除静差的速度变慢。KD:增加微分系数D（即增大积分时间提Td）有利于加快系统响应，使超调减少，稳定性增加，但对干扰的抑制能力会减弱。R(t)e(t)e(k)PIDG(s)图4.2Z.0.Hu(k)y(t)实验箱效果图4.Matlab仿真(1).系统结构图(2).系统仿真结构图PID50.05s+0.6s+12TransferFcnStepScope1s112du/dtG1(S)=5/(0.5S+1)(0.1S+1)PIDG(S)PID10.1s+s2TransferFcnStepScope1s112du/dtG2(S)=1/(S(0.1S+1))(3).仿真结果024681000.20.40.60.811.21.4G1(S)=5/(0.5S+1)(0.1S+1)024681000.20.40.60.811.21.4G2(S)=1/(S(0.1S+1))三．单闭环直流调速系统（电流环）1.系统结构图ssKiii11sTKss11sTRlUgiUkUdoUdId++（电网电压变化）Ufi电流环动态结构图电流调节可采用PI调节器，其传递函数为ssKiii1若设计成典型Ⅱ型系统其参数为ss05.0105.06。2.模拟电路图3.实验箱效果图4.Matlab仿真(1).系统仿真结构图Ⅱ型电流环阶跃响应(2)仿真结果四．双闭环调速系统1.双闭环调速系统动态结构图为达到稳态无静差，转速调节器采用PI调节器，转速环按典型Ⅱ型系统设计，转速调节器的传递函数为ss1.011.084.7。ssKiii11sTKss11sTRlUgiUkUdoId++（电网电压变化）ssKnnn1sTRmeC1Ud+给定电压+限幅+（负载扰动）IfzEnUfi双闭环调速系统动态结构图2.模拟电路图3.实验箱效果图(a)Ugi和UfiUgiUfi(b)Uk(c)n和IdnId(d)转速调节器输出有无饱和起动过程转速波形对比不饱和饱和(e)负载电流波动对转速的影响nIfz(f)电网电压波动对转速及电流的影响nIfz图5-4双闭环系统实验波形4.Matlab仿真(1).系统仿真结构图(2)仿真结果(a)Ugi和Ufi(b)Uk(c)n和Id(d)转速调节器输出有无饱和起动过程转速波形对比五．总结本次综合设计，通过对单闭环和双闭环直流电机调速系统的Matlab仿真和半实物仿真，使我认识并掌握了到直流调速系统的基本原理、典型环节及其工程设计与调试方法。并且通过实际应用，巩固了我之前所学的自动控制原理的相关理论知识。为今后解决其他控制系统的问题打下了坚实的基础。