单闭环直流电机速度控制系统研究

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1-1 PWM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

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 u(t)KPe(t) 式中 e(t)r(t)c(t)

2、PID调节器的传输函数

1TIt0e(t)dtTDde(t) dt

D(S)U(S)1KP1TDS E(S)TIS 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 e(t)r(t)c(t) e(n)r(n)c(n) de(t) dTe(n)e(n1) Te(t)dt 0te(i)TTe(i) i0i0nn

2.数字PID控制器的差分方程

TTnu(n)KPe(n)e(i)De(n)e(n1)u0 TIi0TuP(n)uI(n)uD(n)u0式中 uP(n)KPe(n) 称为比例项

T uI(n)KPTI uD(n)KPe(i) 称为积分项

i0nTDe(n)e(n1) 称为微分项 T3.常用的控制方式

1、P控制 u(n)uP(n)u0 2、PI控制 u(n)uP(n)uI(n)u0 3、PD控制 u(n)uP(n)uD(n)u0

控制 u(n)uP(n)uI(n)uD(n)u0

PID算法的程序流程

1.增量型PID算法的程序流程

1.增量型PID算法的算式

u(n)a0e(n)a1e(n1)a2e(n2)

式中a0KP(12TTTTD)，a1KP(1D)，a2KPD TITTT2、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

u(n)u(n1)u(n)u(n1)a0e(n)a1e(n1)a2e(n2) 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\ sv=35 K=2

Ti=2 Td=0

Ts= '采集周期50ms ei=(sv-pv )/20 TTRACE \"ei=%f\

if q1> then end if

if q1< then ' end if pvx=pv

op=q0+q1+q2 'if op<=1 then ' end if if op>= then

比例项 当前积分项 微分项 当前积分限幅，以防积分饱和当前输出值 输出值限幅 q0=K*ei ' if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti ' end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts ' q1=q1+mx q1= q1= op=1

op= end if

WriteData op ,1 TTRACE \"op=%f\ end sub

sub Finalize (arg) 'WriteData 0 ,1 end sub 2.流程图

退出函数

四．实验结果