双闭环直流调速系统的研究.doc

1、 摘 要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，借助单片机89S51芯片建立了控制设计系统,设计了一套实验用双闭环可逆直流脉宽调速系统，并详细分析系统的原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环

2、直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用Simulink进行动态数字仿真，同时查看仿真波形，以此验证设计的调速系统是否可行。关键词： 脉宽调制；直流调速；PI调节；Matlab仿真AbstractDC speed control system with a wide speed range, high accuracy, good dynamic performa

3、nce and ease of control , etc., so get used widely in electric drive . From the start of DC motor works , the mathematical model of double- loop DC speed control system , and a detailed analysis of the principle and the static and dynamic properties of the system . Then follow the principle of autom

4、atic control , with the establishment of a control microcontroller 89S51 chip design system , a set of experiments designed with reversible double-loop DC PWM speed control system, and a detailed analysis of the principles of the system and its static and dynamic performance of the system and the us

5、e of Simulink to set various parameters of the simulation . Design parameters for double-loop speed control system analysis and calculation , the system using Simulink to set various parameters of the simulation , the simulation obtained parameter tuning basis. On the basis of theoretical analysis a

6、nd simulation studies , we design an experimental realization with double-loop DC speed control system , detailing the system main circuit , the feedback circuit , trigger circuit and control circuit. The performance indicator system was experimentally tested , indicating that the design of the dual

7、- loop speed control system is stable and reliable , and has good static and dynamic performance , meet the design requirements . Control using MATLAB software toolbox for double-loop DC motor speed control system is computer-aided design , and use SIMULINK dynamic digital simulation , while viewing

8、 the simulation waveforms , speed control system in order to verify the feasibility of the design .Keywords: pulse width modulation； DC； PI regulation；Matlab simulation目 录1. 绪论11.1课题研究背景和意义11.2课题国内外研究现状11.3本课题研究的方法32. 系统理论分析研究42.1系统设计42.1.1 PWM概述42.1.2 脉宽调制变换器52.1.3桥式可逆PWM变换器62.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成72.

9、2.1双闭环调速的工作过程和原理82.2.2双闭环直流调速系统的静特性92.3转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型112.3.1双闭环直流调速系统的数学模型的建立112.3.2起动过程分析112.3.3动态抗干扰性分析142.4电流环的设计142.5转速环的设计152.6采样周期选择选择173. 系统硬件电路设计183.1 主电路设计183.2 控制电路设计193.3 驱动电路设计193.4 系统反馈检测电路设计203.4.1 电流反馈检测电路203.4.2 速度检测反馈电路213.4.3 系统限幅电路设计223.5 光电隔离电路设计224. 软件设计234.1 流程图设计235. 双闭环直

10、流调速系统仿真255.1 Matlab简介255.2 双闭环调速系统的仿真26结 论28参考文献29附件30附录I 系统硬件电路原理图30翻译部分31英文原文31中文译文35致 谢381. 绪论1.1课题研究背景和意义在当今科学技术飞速发展的情境下，工业生产中的电动机是设备动力的主要驱动设备，然而电动机的转速的要求也是越来越高，所以电动机转速的调节成为一个研究的主流课题。当前，在直流电动机的调速方面已经有了很大的成果，在直流电动机的拖动系统中已开始了利用晶闸管的装置向电动机供电实现动力设备的拖动系统。然而又伴随着电子技术的高度发展，使得直流电机调速的方式逐步的实现从模拟化向数字化的转变，特别是

11、单片机、DSP等微处理器技术的应用，使直流电机调速技术又迈了一个新台阶，智能化、稳定性和可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速的基本原理相对于交流电机调速来讲要简单很多，通常是通过改变电机的电压来改变电机的转速。调节电机的电压有很多方法，PWM脉宽调制是一种最常见的方法，通过调节电机的输入占空比从而达到控制电机的输入平均电压，进而控制电机的转速。脉宽调制（PWM）控制电机转速的基本原理在上世纪的八十年代的时候就已经被提出了，但是由于当时电力电子器件的发展水平还是很有限的，阻碍了脉宽调制（PWM）控制被很好地利用于电机调速系统。直到进入本世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，脉宽

12、调制（PWM）控制技术才真正地被用到电机调速系统中。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，脉宽调速系统的控制技术更是如虎添翼获得了空前的快速发展，到目前为止，已经出现了很多种PWM控制技术。转速和电流的双闭环直流调速系统是性能很好，是目前应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础

13、上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。1

14、.2课题国内外研究现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场的控器件IGBT、MCT等，如今正蓬勃发展的第四代产品功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就

15、。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。早期直流传动的控制器由模拟器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。20世纪70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用,如AT89C51等。在单片机控制系统中,单片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输入/输出、显示任务等，单片机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高。微机出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的 迅速发展,微机的性能越来越高,价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，同时使得电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电