基于电流推定误差的无传感器无电刷直流电动机控制

基于电流推定误差的无传感器无电刷直流电动机控制

正员 竹下隆清(名工大)

正员 野村尚史(名工大)

正员 松井信行(名工大)

Sensorless Brushless DC Motor Drives Using Current Estimation Error

Takaharu Takeshita, Member, Naofumi Nomura, Member, Nobuyuki Matsui, Member (Nagoya Institute of Technology)

This paper presents a position sensorless drive of a brushless dc motor with a sinusoidal flux distribution.The estimation of position and emf is performed by using the integration of the current differences between the actual motor and model. The estimation speed is calculated by the differential calculus of the estimatedposition. The stability of the proposed algorithm and the design of the estimation gains are explained and it is shown that the parameter differences do not give serious effects on the estimation characteristics.In the experimental results using a 6 pole 1.2 kW test motor, the speed control range from 35 to 1500 rpm is obtained. To verify the proposed algorithm, the estimation and speed control characteristics are shown.Furthermore, the starting characteristics of the motor from arbitrary rotor position are shown.

关键字: 无电刷直流电动机，位置检测器，无传感器控制，电流推定误差

１． 前言

因为无电刷直流电动机是在对应转子位置来通电流的，因此控制扭矩，编码器、分相器等的位置检测器是必不可缺少的。然而位置检测器系统相对来说体积大、价格高，以及存在粉尘、振荡、温度等的耐环境性的问题。并且，还存在位置检测器和控制器之间的信号线噪音混入及信号线的切断等问题。针对这些问题，对不能使用位置检测器的无传感器无电刷直流电动机的要求也越来越高了(1)~(6)。 无电刷直流电动机根据转子永久磁铁的着磁不同而不同，梯形波着磁型和正弦波着磁型有很大的区别，建议使用位置无传感器控制的报告例中指出，可以使用120度通电形逆变器的非励磁相的速度电动势以及环电流二极管的导通状态，来查出整流点位置的方法（1）（2）。另一方面，作为正弦波着磁型无电刷直流电动机的无传感器控制的报告例，在旋转坐标系中电动机模型化，用推定内部相差角的方法(3)和利用电压推定误差来推定转子位置的方法(4)(5)，或是在固定坐标系用观测者推定转子永久磁铁磁通量位置的方法(6)等被建议使用。不论那种方法，被认为存在的问题点是速度控制范围和控制精度、确保低速时圆滑旋转以及起动法。

本论文也是沿着这个方向，提出正弦波着磁圆筒型无电刷直流电动机

的无传感器控制法的提案。本方法，对速度电动势方向在转子位置时，从大小与速度各自对应的情况着眼，推定出位置及速度。本推定法，在控制器内部有电动机算式模型，使用推定位置和推定速度电动势为基础演算出推定电流与实际电流的误差，对位置及速度电动势同定。推定速度更加寻求推定位置的微分。这个情况从实用的观点来看，给位置及速度的推定带来电动机参数灵敏度、推定运算法则的稳定性，以及推定运算法则中使用到的腰槽设计法非常重要。论文中，以推定误差的状态方程式做为根本，具体在表现为稳定性、腰槽设计法的同时，明确了参数误差和推定误差的关系。并且明确了从任意的转子位置开始能够确保稳定起动的事项。 1.2kw，6极点，根据使用1200rpm 的正弦波着磁圆筒型无电刷直流电动机的实验，在±100％负荷范围得到35~1500rpm 的速度控制范围，明确了稳定性和起动特性。

2.位置?速度无传感器控制 <2?1> 无传感器速度控制系统的概要 图1显示为正弦波着磁无电刷直流电动机以一般转子磁极上被定义的?-α轴为基础，对d 轴电流进行控制，进行q 轴电流和扭矩的线形控制。在无传感器控制对?-α轴的位置?速度不明情况下，按照图1的推定轴γ-δ轴的位置?速度进行控制。

图2为无传感器无电刷直流电动机的速度控制系统构成，由控制部和推定部构成。

控制部由速度控制部和电流控制部构成，速度控制部根据指令速度 与γ-δ轴速度 对PI 进行演算，

演算扭矩电流指令为 。同时，γ

轴电流因与扭矩无关，将γ轴电流指令 作为0。这些电流指令与实际电流相一致，在电流控制部的电动机逆模型基础上的演算输入电压ν。 推定部对位置，速度电动势及速度进行推定。γ-δ轴的位置θM，推定速度电动势eM 上存在误差，实际电流i 和按照电动机模型演算的模型电

流i M 间产生电流误差?i 。在那里使用包含?i 的位置、速度起电流的推定误差信息，用θM，e M 补正使电流误差成为零。速度电动势e M 可以进行速度推定,不过，为了得到更正确的速度，利用γ-δ轴的位置 微分来寻求γ-δ轴速度 。因为 含有噪音，用低通滤波器(LPF)除去了脉动部分 作为速度信息。

<2?2>位置?速度推定运算法则的导出 无电刷直流电动机的?-α轴上的状态方程式用如下所记。

在这里，R、L、K E 是各自线路电阻、自感系数、速度电动势因数，θ为实际速度。因为在控制器内θ的实际位置不明，根据推定位置θM(γ-δ轴)进行控制。从?-α轴向γ-δ轴变换队列，使用推定位置误差?θ

及给予

使用(3)式改变（1）坐标，在γ-δ轴上的状态方程式(1)式得到下式。

在这里， 的推定速度是推定位

置θM 的微分。(4)式对电流微分项施以欧勒近似，更加在样品周期间输入

电压 与一定值近似，改写样点n-1和n

的样品周期T 间的离散值系的

算式，得到

另一方面，

样点n 的模型电流i

M (n)

在(5)式的位置推定误差?θ为0，推

定速度电动势e M0与速度电动势e 调

换，可用实电动机模型的参数Rm，Lm

代替电动机的参数。记录为 在这里简单说明，实电动机和模型的参数相符时，要考虑位置推定误差?θ?0的情况。此时根据(5)，(6)式的差来寻求电流误差?i(n)，

在这里得到?e (n-1)=e(n-1)－

e M (n-1)，可以明白电流误差的γ及δ轴成分与各自位置及速度起电压的推

定误差有一定比例。因此，如果进行

电流误差为零的位置、速度电动势的

推定演算，可以把推定值做为真值结束。推定速度电动势EM(n)在与?e 有比例关系的δ轴电流误差?i δ为零时，可推定为

在这里，Ke 是速度电动势推定腰槽。另一方面，推定位置θm(n)在前样点的推定值增加1样品周期间的转子移动量，位置误差?θ与实际 速度 的累积比例，使用γ轴电流误差?i ?进行补正演算,但要考虑速度电动势的方向，推定为

在这里，Ken 是模型的电动势系数，

Ke 是位置推定腰槽。同时，右边第2项是从1样品周期间位置变化量的速度电动势来推定项。在位置推定演算

中的速度电动势，即需要实际速 度θ的方向,不过，θ的价值因为不明所以采用 的符号。 γ-δ轴速度 是1样品周期间的平均速度，采用(9)式，记录为

作为速度推定值使用θm0作为速度控

制,对于(12)式的?eM (n)，

（14)式的低通滤波器(LPF)用下式。 但，0

定辨别为基础，表现为位置、速度电

动势的推定腰槽Kθ、Ke 的设计法，同时伴随考察参数误差的推定误差对控制系带来影响。 <3?1> 推定误差方程式的导出

假定电动机速度的应答比推定特性的应答缓慢的话，电动机的速度θ

及速度电动势

e

作为一定值处理，记录为

在这里，速度θ，速度电动势e 不是作为连续系的瞬间值，而是作为固定值。求(16)、(17)式与(8)、(9)式的差，采用(5)，(6)式整理的话，能得到推定误差方程式。

(19)式是非线性系统，右边第1项为线形部分，第2项为参数误差的影响，第3项为非线性部分。以下，采用(19)式位置?速度电动势推定运算法则的稳定性和参数误差的影响进行讨论。 <3?2> 稳定性与腰槽设计法 (19)式是非线性系统，正确论述稳定性比较困难。在那里对于作为线形系统近似的位置推定误差?e ?0的稳定性进行辨别，表现为推定腰槽Kθ，Ke 的设计指针。根据包含了非线性领域的稳定性的实验进行确认。 求(19)式的极点，得到

极点λ1，λ2满足

条件的时候，位置、速度电动势推定算法稳定。因此，用(26)式稳定条件求Kθ，Ke 的稳定范围，

象(25)式这样很明显λ1成为速度的绝对值│θ│的1次函数，低速λ1诚然接近1，θ=0时变成1。根据位置推定值的结束特性λ1决定位置推定值的结束不象低速那样晚，不能以速度0配置推定。同时，比起以上的讨论在低速时θ的变化比推定误差的应答缓慢的假定变得不成立，根据(26)式推定运算法则的稳定性变得不能辨别。

具体的推定腰槽设计，考虑上述的稳定条件和噪音的影响，试行错误性地进行,表现为以下的指针。如果(7)第2行没有参数误差，从?e (n－1)＝－Lm/T ?is (n)到速度电动势推定腰槽Ke=Lm/T 的设计，用1样品可以将速度推定电动势误差到零。同样，从(7)式的第1行?e (n-1)=Lm/｛Te(n-1)｝?ir (n)的关系得到，E 在作为额定时的速度电动势位置推定腰槽设计Ke=Lm/与(TE)，额定旋转时不需要用1样品结束，考虑噪音的影响从低速到高速，一定的腰槽稳定动作时用使用充分小的值。

<3?3> 参数误差的影响

(19)式表示系的稳定情况，在固定状态中γ-β轴速度θm 实际速度与θ变得相等。此时，（19）式展开关于推定误差的话，能得到参数误差和推定误差的关系式。由于比较简单，假定电流控制被正确进行，寻求各自的参数误差和推定的关系，可以得到

4.电流控制

电流控制部，在实际电流被速度控制部计算的指令电流与实际电流相一致，用电动机的逆模型演算输入电压。样点n+2指令电量i*(n+2)与实际电流i(n+2)相一致，(6)式样点展开到2样点，解除输入电压v (n+1)，并且到n+1为止结束计算，i(n+2)对i*(n+2)、(n+1) 对 (n)、eM(n+1)对eM(n)、i(n+1)对模型电流im(n+1)，各自对应调换，

并计算输入电压。这个输入电压v(n+1)在样点间平均输入电压，制作PWM模式(7)，每样点的查出电流不受到伴随PWM脉动的影响。

5.起动法

本方法，将各推定值的初始值θm(0)、 (0)、e(0)作为0，给速度

指令额定速度，不做特别的操作，

以通常的控制运算法则实现起动。

因为起动时转子是停止的，(7)式γ轴电流误差?ir的位置推定误差?θ的信息不呈现，(9)式不能进行正确的位置推定演算。但是，低速时比起(5)式速度电动势小，尽管?θ的指定误差的大小不明，基于电动机逆模型的电流控制能正确实行。这时发生的扭矩 把相反的极端数作为P，表示为，

根据这个电动机被加速，增加速度电动势的话，呈现γ轴电流误差?ir位置推定误差?θ的信息，进行位置推定。

但、?θ＜－90?、90?＜?θ的情况下，与扭矩电流指令I*和反向的扭矩发生，电动机会有暂时的反转。

6.实验结果

<6?1> 实验装置的构成

图3表现实验装置的构成。试验用电动机为6曲、1.2kw的永久磁铁型无电刷直流电动机，详细的式样如表1所示。负荷为2.2kw的直流发电机。控制器根据T1公司的DPS，TMS320C25构成，电流控制周期、速度控制周期及位置?速度推定周期共同为200μs，使用控制程序的各腰槽值如表2所示。控制程序容量用1.9k位作为三角函数以及 1.8k位作为除法的数据表使用着。

程序的执行时间约120μs。每样点的瞬间电流查出使用CT单元钵(K3TB-A1015，OMRON公司制)、12W位A/Dkonpata(ADC674 B．B.社制)，直流电源电压查出分压抵抗，V/Fkonpata(VFC32 B．B.社制)，各自使用12位计数。PWM脉冲发生电路根据控制器输出的各相8比特的PWM数据和2.5kHz的三角波做比较，制作变极器基本信号。PWM脉冲的分辨率是0.781μs/bit。变极器由晶体管构成，空载时间以17μs软件进行空载时间补偿(8)。

再者，为了推定特性的评价，使用角度传感器查出实位置θ。再者，

实际速度在位置θ的32样品(6.4ms)间的移动平均速度，根据e=Kg求出

各自的实际速度电动势。

<6?2> 固定特性

图4表现速度-负荷扭矩特性。在速度指令35~1500rpm(I:43)力行时，在回生时从无负荷到额定负载范围实现传感器无速度控制。速度控制的固定误差在0.1rpm以下，是由量子化误差产生的。不满35rpm的低速时，无传感器驱动的主要原因接近3章表示的稳定界限，电流误差中包含噪音的影响变得不稳定。即，低速时(7)式的?ir位置误差信息变得小，晶体管的空载时间与由ON电压下降的指令电压和实际的电动机输入电压的误差产生?ir的噪音成分相对变大。这个结果，

可看出（9）式的γ-β轴速度的符

号变得不稳定，不能正确获得。对于用iM(n+1)分别替换模式中的i(n+1)

高出1500rpm 的速度，电动机的速度电动势超过逆变器的最大输出电压，不能按照指令值道理控制电流，速度控制也变得不能实现。

<6?3> 稳定性 以下的图

5~13实

验波形表现了DPS 内部的控制量。 图5的速度指令1200rpm、无负荷运行时＋60?外紊乱对推定位置θm 的

影响呈现不大,γ-β轴速度

上根据推定位置的补正演算发生误差最大为250rpm。其结果，δ轴电流上流过ig，速度变为大约50rpm。但是，?

θ为0结束的同时，

真值回转到原来的固定状态。

虽然图6速度指令1200rpm，无负荷时－170?≤?θ≤＋160?位置外紊乱插入时位置误差结束变得慢，30ms 以内结束为0，但是在－170?≤?θ≤＋160?范围推定运算法则的稳定性，可根据实验K 来完成验证。如果加大位置外紊乱，推定值发散了，不能控制。 图7对推定速度电动势eM 在±153.4v 的范围，给予速度电动势外紊乱时的推定特性。速度电动势与推定误差?e 全都在50ms 以内以0结束，对于额定速度电动势的外紊乱的控制系稳定。

<6?4> 速度电动势参数误差的影响 表3为，模型参数各自真值的1.25倍，通过速度指令1200rpm 及100rpm，和额定电流

=8.66A 运行时的推定误

差的实验值与(28)~(30)式的理论值，很好地一致得到的结果(9)。

但，100rpm 时的速度电动势是12.77v，Rm=1.25R 的实验价值的误差电压3.8v 相当于速度电动势约30％。 图8为参数误差存在的运行特性的一个例子，显示KeM=1.25Ke，速度指令1200rpm，额定负荷时的特性。从推定速度电动势eM 推定的(13)式的第1项eM/KeM 与约950rpm 被推定的较小,不过，γ-β轴速度

正确推定为

1200rpm，实际速度的指令值道理被控制。此时产生9?位置推定误差?θ,不过，cos9?=0.99对(32)式的电动机扭矩发生给予的影响仅仅约1％。 <6?5> 推定过渡应答特性

图9显示了1200rpm 的速度控制时，由无负荷变更为额定负荷，再次回到无负荷时，负荷外紊乱压制的特性。电动机实际速度在负载变化时，短时间变动为约80rpm，以约0.5s 速度指令

可以结束。γ-β轴速度

大体上追随实际速度

，位置推定误

差?θ在负荷变化时不看变化，得到稳

定的推定特性。

图10是无负荷时，速度指令

从

-1200rpm 向+1200rpm 步调变化时候的

过渡特性。γ-β轴速度大体上追

随实际速度

，位置推定误差?θ是

=0rpm 附近短时间为＋30?，虽然变得大但是在变高速的同时以0结束。位置推定误差发生，比(32)式扭矩减少,但实际速度不受影响。 <6?6> 起动特性 如同第5章所示，各

推定值的初始值θm(0)、

(0)、eM(0)为

0，额定速度1200rpm 的速度指令进行通常的控制处理,但根据首次旋转位置的不同会出现一时的反转。

图11显示为不伴随逆转的起动例的转子初期位置θ(0)＝0?开始的无负荷起动特性。在起动时进行正确电流控制，实际速度不逆转结束指令值，实现稳定的起动。

图12显示为伴随逆转的启动例的转子初期位置θ(0)＝180?还是的无负荷的起动特性。

虽然正确进行电流控制，但是紧接起动之后位置推定误差?θ较大，扭矩电流指令和反方向的扭矩发生，实际速度θ到(连)约-150rpm为止反转。但是，随着?θ接近零，电动机正转，实现稳定的起动。

图13显示为无负荷转子初期位置θ(0)=0?、±60?、±90?、±120?、±180?开始起动时候的位置推定误差?θ的结束特性。无论是那种情况，?θ在约0.2s以内以0结束，从任意的位置开始的起动可能(10)。

7.后记

正弦波着磁无电刷直流电动机的无传感器控制方法的提案，用实验验证了其特性。

1.2kw、6极点，使用1200rpm 的无电刷直流电动机进行实验，在35~1500rpm的速度控制范围内，±100％扭矩范围内，实现速度控制。同时，理论性地证明推定运算法则稳定性的同时，使用推定演算的腰槽设计法，利用实验验证其有效性。对于电动势系数，感应系数及抵抗的25％的参数误差，位置及速度电动势的推定误差各自在9?、4.5V以下，实现了对参数误差精确的速度控制。又及，从100％的负荷外紊乱及速度指令的步调变可以得到稳定的驱动特性。虽然起动会根据转子初期位置的不同出现逆转，但是不附加特别的运算法则从任意转子位置开始的启动时可能的。

在此，对为本研究的试制系统的制做提帮助研究生井奈波恒先生表示谢意。再者，对帮助本研究的一部分得到平成5年度文部省科学研究费奖励研究(A)的补助的各位关系者表示谢意。

（平成6年7月4日受理，同6年11月7日再受理）

文 献

（1）K.lzuka，H．Uzuhashi，M.Kano,T.Endo

K.Mohri“Microcomputer Controlｆｏｒ

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Ind．Appl，21(1985)

（2）小笠原?铃木?赤木《无传感器无电刷直流电动机的构成法》，电学论D，111，395（平

3~5）

（3）角?山村?常广《直流无电刷电动机的位置无传感器控制法》，电学论D，111，639（平

3-8）

（4）执行?松井《没有位置检出器的无传感无

电刷直流电动机控制系的实现》，电气学会半

导体电力变换研管，SPC-90-21,87(平2)

（5）N.Matusi & M.Shigyo:”Brushless DC

Motor Control without Pasition and Speed

Sensors”IEEE Trans on Ind, Appl. 28, No.1(1992)

（6）杨?富冈?中野?金《适应观测者的基于的

无电刷直流电动机的位置无传感器控制》，电

学论D，113，579（平5-5）

（7）竹下??岩崎?松井《考虑三相PWM转换器

参数变动的电流控制》，电学论D，107，1339

（昭62-11）

（8）山田?竹下?松井《通用变极器的软件化空载

空间补偿》，昭61电气关系学会东海支部联大，No.146

（9）桥本?木下?竹下?松下《无电刷直流电动机的

无传感器控制法》，电气学会半导体电力变换资料，SPC-93-2（平4-1）

（10）野村?竹下?松井《电流控制误差基础上无传

感器无电刷直流电动机控制的过渡特性》，平5电

气学会产业应用全大，No.34

竹下隆晴（正式职员）1959年8月23日出生。1984年3月名古屋工业大学研究所研究生课程毕业。同年4月为歧阜工业高等专科学校助手。1991年4月为名古屋工业大学电器信息工学科讲师，1994年4月助教直到现在。工学博士。从事交流电动机以及整流电路的处理器控制研究。计算测量自动控制学会、电子信息通信学会、IEEE会员。

野村尚史（正式职员）1970年3月8日出生。1994年3月毕业于名古屋工业大学研究所博士前期课程电气信息工学专业。同年4月进入富士电机（股份）公司。现在，

在（股份）富士电机综合研究所，电力电子开发本部任职。从事电动机可变速驱动装置的开发。

松井信行（正式职员）1943年5月7日出生。1968年3月毕业于名古屋工业大学研究所硕士专业。同年4月历任名古屋工业大学助手、讲师、助教，直到现在。工学博士。从事电力电子以及动作的控制研究和教育。计算测量自动控制学会、机器人学会、IEEE会员。

直流电动机控制系统

煤炭工程学院课程设计 题目：直流电动机转速控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 日期：

摘要 当今社会，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法、PID控制等，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，光耦、可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。 电机在各行各业发挥着重要的作用,而电机转速是电机重要的性能指标之一,因而测量电机的转速和电机的调速,使它满足人们的各种需要,更显得重要，而且随着科技的发展,PWM调速成为电机调速的新方式。 随着数字技术的迅速发展，微控制器在社会的各个领域得到了广泛的应用，由于数字系统有着模拟系统所没有的优势，如抗干扰性强、便于和PC机相联、系统易于升级维护。 本设计是以单片机AT89S52和L298控制的直流电机脉宽调制调速系统。利用AT89S52芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LCD上的实时显示。 关键词：直流电机；AT89S52；PWM调速；L298

直流电动机调速系统

创新设计创新设计名称: 直流电动机调速系统设计

目录 目录 (1) 1 引言 (2) 1.1 设计背景 (2) 1.2 系统可实现的功能 (2) 2 总体方案设计 (3) 2.1 单片机选型方案 (3) 2.2 转速测量方案选择 (4) 2.3直流电机驱动电路介绍 (5) 2.4 PWM调宽方式的选择 (6) 2.5键盘的选择 (6) 2.6整体方案设计框图 (6) 3 硬件电路设计 (7) 3.1 系统的整体硬件框图 (7) 3.2 按键模块电路设计 (7) 3.3数码管显示模块电路设计 (8) 4系统软件设计 (10) 4.1 PWM输出程序设计 (10) 4.2 数字PID算法程序设计 (11) 4.3速度采集模块程序设计 (12) 4.4 按键设定程序设计 (13) 4.5 速度显示模块程序设计 (15) 5 总结 (16) 6参考文献 (17) 附录A系统原理图 (18)

1 引言 1.1 设计背景 现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，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又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。本设计主要研究了利用MCS-51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 1.2 系统可实现的功能 设计一个直流电机调速系统，要求系统具有如下功能：通过按键设定转速的大小，然后由单片机产生PWM控制信号，控制直流电机驱动器L298N，使电动机以一定的转速旋转，为实现闭环控制，通过外围器件为单片机提供测量转速的电平变化信号，单片机测得转速后，与设定的转速值相比较，通过数字PID算法产生控制信号，改变PWM输出的占空比，从而改变电动机转速，从而实现闭环控制，使电动机在一个转速值上较稳定的旋转。

直流电动机调速课程设计

《电力拖动技术课程设计》报告书 直流电动机调速设计 专业：电气自动化 学生姓名： 班级： 09电气自动化大专 指导老师： 提交日期： 2012 年 3 月

前言 在电机的发展史上，直流电动机有着光辉的历史和经历，皮克西、西门子、格拉姆、爱迪生、戈登等世界上著名的科学家都为直流电机的发展和生存作出了极其巨大的贡献，这些直流电机的鼻祖中尤其是以发明擅长的发明大王爱迪生却只对直流电机感兴趣，现而今直流电机仍然成为人类生存和发展极其重要的一部分，因而有必要说明对直流电机的研究很有必要。 早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工效率。

直流电动机转速控制

直流电动机转速控制 王文玺 （北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京） 摘要：通过对直流电动机控制系统的建模，再利用Matlab对建模后的系统进行分析，来加深对自动控制系统的理解。找到系统的输入、输出，理清经历各环节前后的信号变化，找出系统传递函数。 关键词：直流电动机、Matlab、建模、传递函数 1、直流电动机动态数学模型建立 1.1直流电机数字PID闭环速度控制，系统实现无静差控制。 这是一个完整的带PID算法的直流电动机控制系统。目标值为给定的期望值，期望值与被测输出结果形成的反馈做比较，得到误差信号。误差信号经过PID控制环节得到控制信号。继而经历驱动环节得到操作量，驱动量作用与对象即电动机然后得到输出信号即转速。转速通过传感器得到反馈信号。 1.2PID控制环节 1.3被控对象（直流电动机）的统一数学模型 信号类型一次为，输入信号为电压，然后电流、电流、转矩、转速，反馈信号为电压。

各环节的比例函数为： 1.3.1额定励磁条件下，直流电机的电压平衡关系： （Ud为外加电压，E 为感应电势，R a为电枢电阻 ，La为电枢电感，i a为电枢电流。） 拉氏变换后： （ra—L ／R ，为电枢时间常数） 1.3.2直流电机的转矩平衡关系及拉氏变换： （Te 为电磁转矩，Tl 为负载转矩，B为 阻尼系数，J 为转动惯量，w为电机机 械转速，rm=J／B，为机械时间常数） 1.3.3电动机传递函数 可见直流电动机本身就是一个闭环系统，假设电机工作在空载状态，且机械时间常数远大于电枢时间常数，则电机传递函数可近似为： 1.4具体实例 电枢控制直流电动机拖动惯性负载的原理图，涉及的参数有：电压U为输入，转速为输出，R、L为电枢回路电阻、电感，K 是电动机转矩系数，K 是反电动势系数，K 是电动机和负载折合到电动机轴上的黏性摩擦系数，．厂是电动机和负载折合到电动机轴上的转动惯量。已知：R一2．0 Q，L：==0．5 H ，K = Kb一0．015，Kf一0．2 Nms，J— o．02kg．m 。 ( 取电压U为输入，转速叫为输出，由已知条件和原理图，根据直流电机的运动方程可以求出电动机系统的数学模型为：

直流电动机调速系统设计方案

课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 直流电动机调速系统设计 初始条件： 采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。 要求完成的主要任务: （1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构； （2）设计出触发系统和功率放大电路； （3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。 (4) 器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗 器选择、晶闸管保护设计 参考文献： [1] 周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社， 2005:41-49、105-114 时间安排： 2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日

目录 1概述 0 2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性 0 2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 0 2.2 稳态结构框图和静特性 (1) 3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析 (2) 3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型 (2) 3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析 (3) 4转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 (5) 4.1转速和电流两个调节器的作用 (5) 4.2调节器的工程设计方法 (5) 4.2.1设计的基本思路 (6) 4.3 触发电路及晶闸管整流保护电路设计 (6) 4.3.1触发电路 (6) 4.3.2整流保护电路 (7) 4.3.2.1 过电压保护和du/dt限制 (7) 4.3.2.2 过电流保护和di/dt限制 (8) 4.4 器件选择与计算 (8) 5心得体会 (13) 参考文献 (14) 附录：电路原理图 (15)

直流电动机转速控制系统设计

摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。特别是在直流电动机广泛应用的电气传动领域，起到至关重要的作用。直流电动机因为具有良好的调速性能和比较大的起动转矩，一直被应用在电气领域，尤其是在需要调速性能很高的场所。在制造业、工农业自动化、铁路与运输等行业都被广泛的应用，随着市场的竞争力，对直流电动机的需求也越来越高，同时对直流电动机的调速性能也有了更高的要求。因此，研究直流电动机转速控制系统的调速性能有着很重要的意义。 在本次的设计中采用PWM控制直流电动机转速。PWM脉冲受到PID算法的控制，被用来控制直流电动机的转速。同时利用安装在直流电动机转轴上的光电式传感器，将直流电动机的转速转换成脉冲信号，反馈到单片机，形成闭环反馈控制系统，改变不同占空比的PWM脉冲就可以实现直流电动机转速控制。 本论文对每一个方案的选择都进行详细的论述，在软件和硬件部分都进行了模块化。硬件部分首先给出一个以AT89S52单片机为核心的整体结构图，并对驱动电路、显示电路等模块进行详细的阐述。在软件部分给出整体程序流程图，对PWM 程序、PID算法程序、显示程序等模块详细的阐述。本次系统设计的具有抗干扰能力强、性价比高、维修简单方便等优点。 关键词：PWM；单片机；直流电动机；转速控制

Abstract Nowadays, automatic control system has been widely used and greatly developed in all walks of life. As the dominant part of electric drive, direct current (DC) control plays an important role in modern production, especially in the DC motor is widely used in the field of electric transmission. DC motor because of its good speed control performance and relatively large starting torque, has been applied in the electrical field, especially in the high speed performance requirements of the occasion. Is widely used in the manufacturing industry, industry and trade of agricultural automation, rail and transit industry, with the competitiveness of the market, the demand of DC motor is also more and more high, also of the DC motor speed performance also has the higher requirements. Therefore, it is very important to study the speed control performance of the DC motor speed control system. In this design, using PWM control DC motor speed. PWM pulse is controlled by the PID algorithm, PWM is used to control the speed of DC motor. At the same time, the hall sensor mounted on the rotational shaft of the DC motor, the DC motor speed is converted into a pulse signal, feedback to the microcontroller, form a closed loop feedback control system, changing the duty ratio of the PWM pulse can realize DC motor speed control. In this paper, the choice of each program are discussed in detail, in both the software and hardware parts are modular. In the part of hardware, we first give a whole structure diagram with AT89S52 single chip microcomputer as the core, and elaborate the driving circuit, display circuit and other modules in detail. In the software part gives the overall program flow chart, the PWM program, PID algorithm program, display program, and other modules are described in detail. The system design has the advantages of strong anti-interference ability, high cost performance, easy maintenance and so on. Key Words: PWM; microcomputer; DC motor; speed control

直流电动机开环调速MATLAB系统仿真

东北石油大学MATLAB电气应用训练 2013年 3 月 8日

MATLAB电气应用训练任务书 课程 MATLAB电气应用训练 题目直流电动机开环调速系统仿真 专业电气信息工程及其自动化姓名赵建学号 110603120121 主要内容： 采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,选择调节器结构,进行参数的计算和校验；给出系统动态结构图,建立起动、抗负载扰动的MATLAB /SIMULINK 仿真模型。分析系统起动的转速和电流的仿真波形,并进行调试,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善 基本要求： 1.设计直流电动机开环调速系统 2.运用MATLAB软件进行仿真 3.通过仿真软件得出波形图 参考文献： [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M]. 北京：机械工业出版社, 2007. [2] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术第4版[M]. 北京：机械工业出版社, 2000. [3] 任彦硕. 自动控制原理[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. [4] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]. 北京：机械工业出版社, 2006. 完成期限 2013.2.25——2013.3.8 指导教师李宏玉任爽 2013年 2 月25 日

目录 1课题背景 (1) 2直流电动机开环调速系统仿真的原理 (2) 3仿真过程 (5) 3.1仿真原理图 (5) 3.2仿真结果 (9) 4仿真分析 (12) 5总结 (13) 参考文献 (14)

1课题背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。现在的直流和交流调速装置都是数字化的，使用的芯片和软件各有特点，但基本控制原理有其共性。 长期以来，仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上，即在系统模型建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受，然后再编制成计算机程序，并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。 由于对模型建立和仿真实验研究较少，因此建模通常需要很长时间，同时仿真结果的分析也必须依赖有关专家，而对决策者缺乏直接的指导，这样就大大阻碍了仿真技术的推广应用。 MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用MATLAB中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。 Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型，如现实世界中的摩擦、空气阻力、齿轮啮合等自然现象；它可以仿真到宏观的星体，至微观的分子原子，它可以建模和仿真的对象的类型广泛，可以是机械的、电子的等现实存在的实体，也可以是理想的系统，可仿真动态系统的复杂性可大可小，可以是连续的、离散的或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室，用它可对各种现实中存在的、不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。 传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始

直流电动机控制系统设计

X X X X X学院 题目：直流电动机控制系统 学 院 XXXXXX学院 专 业 自动化 班 级 XX班 姓 名 XXX 学 号 XXXXX 指导老师 XXX 2012年 12 月 25 日 1、 设计题目：直流电动机控制系统 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开

关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1） 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 3、方案选择及论证 3.1、方案选择 3.1.1、改变电枢回路电阻调速 可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=U-【I(R+Rw)】/KeФ （2）式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。 当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R= (Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。 这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，

直流小电动机调速系统

题目直流小电机测速系统 一．题目要求 设计题目：直流小电动机调速系统 描述：采用单片机、uln2003为主要器件，设计直流电机调速系统，实现电机速度开环可调。 具体要求：1、电机速度分30r/m、60r/m、100r/m共3档； 2、通过按选择速度； 3、检测并显示各档速度。 实验器件： 实验板、STC89C52、直流电机、晶振（12MHz）、电容（30pFⅹ2、10uFⅹ2）、）uln2003、小按键、按键（4个）、、数码管、以及 电阻等 二．组分工

摘要 在电气时代的今天，电动机在工农业生产与人们日常生活中都起着十分重要的作用。直流电机作为最常见的一种电机，具有非常优秀的线性机械特性、较宽的调速围、良好的起动性以及简单的控制电路等优点，因此在社会的各个领域中都得到了十分广泛的应用。 本文设计了直流电机测速系统的基本方案，阐述了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本系统采用PWM 测量电动机的转速，用MCS-51单片机对直流电机的转速进行控制。本设计主要研究直流电机的控制和测量方法，从而对电机的控制精度、响应速度以及节约能源等都具有重要意义。 ·关键词：直流电机单片机 PWM 转速控制 硬件部分 1.时钟电路 系统采用12M晶振与两个30pF电容组成震荡电路，接STC89C52的XTAL1与XTAL2引脚

2.按键电路 三个按键分别控制电机的不同转速，采用开环控制方法 3.电机控制与驱动部分 电机的运行通过PWM波控制。PWM波通过STC89C52的P2.4口输出。

显示部分 采用4位共阳极数码管实现转速显示。数码管的位选端1~4分别接STC89C52的P2.0~P2.3管脚。 完整仿真电路图

直流电动机的人为机械特性(精)

直流电动机的人为机械特性 直流电动机可以通过改变电枢回路电阻、电枢电源电压、励磁磁通等方法使机械特性发生变化，以适应负载和工艺的要求。参数改变后对应的机械特性称为人为机械特性。下面以他励直流电动机为例说明三种人为机械特性。 （1）电枢回路串电阻的人为机械特性 电枢加额定电压U N ，每极磁通为额定值φN ，电枢回路串入电阻R 后，机械特性表达式为 T C C R R C U n N T e a N e N 2Φ+-Φ= 电枢串入电阻(R)值不同时的人为机械特性如图1所示。 图1 电枢回路串电阻的人为机械特性 图2 改变电枢电压的人为机械特性 显然，理想空载转速Φ=e C U n 0，与固有机械特性的n 0相同，斜率2 Φ=T e a C C R α与电枢回路电阻有关，串入的阻值越大，特性越倾斜。 电枢回路串电阻的人为机械特性是一组放射形直线，都过理想空载转速点。 （2）改变电枢电压的人为机械特性 保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，机械特性表达式为 T C C R C U n N T e a N e 2Φ-Φ= 电压U 的绝对值大小不能比额定值高，否则绝缘将承受不住，但是电压方向可以改变。改变电压大小的人为机械特性见图32所示。

显然，U 不同，理想空载转速Φ =e C U n 0随之变化，并成正比关系，但是斜率都与固有机械特性斜率相同，因此各条特性彼此平行。 改变电压U 的人为机械特性是一组平行直线。 （3）减少气隙磁通量的人为机械特性 减少气隙每极磁通的方法是用减小励磁电流来实现的。由于电动机磁路接近于饱和，增大每极磁通难以做到，改变磁通时，都是减少磁通。 图3 减少气隙磁通量的人为机械特性 电枢电压为额定值不变。电枢回路不串电阻，仅改变每极磁通的人为机械特性表达式为 T C C R C U n T e a e N 2Φ-Φ= 显然理想空载转速n 0 ∝Φ1，Φ越小，n 0越高；而斜率α∝21Φ ，Φ越小，特性越倾斜。改变每极磁通的人为机械特性如图3所示，是既不平行又不呈放射形的一组直线。

双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

目录 1、引言 (2) 二、初始条件： (2) 三、设计要求： (2) 四、设计基本思路 (3) 五、系统原理框图 (3) 六、双闭环调速系统的动态结构图 (3) 七、参数计算 (4) 1. 有关参数的计算 (4) 2. 电流环的设计 (5) 3. 转速环的设计 (6) 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 (8) 1.系统主电路图 (8) 2.触发电路 (9) 3.控制电路 (13) 4. 转速调节器ASR设计 (13) 5. 电流调节器ACR设计 (14) 6. 限幅电路的设计 (14) 八、系统仿真 (15) 1. 使用普通限幅器进行仿真 (15) 2. 积分输出加限幅环节仿真 (16) 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 (17) 九、总结 (20)

一、设计目的 1.联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学 《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2.熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。 3.培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题 的能力。 4.设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌 握工程设计的方法。 5.掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。 二、初始条件： 1．技术数据 （1）直流电机铭牌参数：P N =90KW, U N =440V, I N =220A, n N=1500r/min，电枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5； （2）晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。 （3）系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4）电磁时间常数：T1=0.012s （5）机电时间常数：Tm =0.1s （6）电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7）额定转速时的给定电压：Unm =10V （8）调节器饱和输出电压：10V 2．技术指标 （1）该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作错误！未指定书签。； （2）系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）； （3）动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s； （4）调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求： （1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图； （2）调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 （3）动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR 调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳 定，并满足动态性能指标的要求； （4）绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控

他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性 一、实验目的 了解和测定他励直流电动机在各种运转状态的机械特性 二、预习要点 1、改变他励直流电动机机械特性有哪些方法？ 2、他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态？他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况？ 3、他励直流电动机反接制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性。 三、实验项目 1、电动及回馈制动状态下的机械特性 2、电动及反接制动状态下的机械特性 3、能耗制动状态下的机械特性 四、实验方法 1、实验设备 2、屏上挂件排列顺序 D51、D31、D42、D41、D31、D44 按图1接线，图中M用编号为DJ15的直流并励电动机(接成他励方式)，MG用编号为DJ23的校正直流测功机，直流电压表V1、V2的量程为1000V，直流电流表A1、A3的量程为200mA，A2、A4的量程为5A。R1、R2、R3、及R4依不同的实验而选不同的阻值。 3、R2=0时电动及回馈制动状态下的机械特性

(1) R 1、R 2分别选用D44的1800Ω和180Ω阻 值，R 3选用D42上4 只900 Ω串联共3600Ω阻值，R 4 选用D42上1800Ω再加上D41上6只90Ω串联共2340Ω阻值。 (2) R 1阻值置最小位置，R 2、R 3及R 4阻值置最大位置，转速表置正向1800r/min 量程。开关S 1、S 2选用D51挂箱上的对应开关，并将S 1合向1电源端，S 2合向2'短接端。 (3) 开机时需检查控制屏下方左、右两边的“励磁电源”开关及“电枢电源”开关都须在断开的位置，然后按次序先开启控制屏上的“电源总开关”，再按下“开”按钮，随后接通“励磁电源”开关，最后检查R 2阻值确在最大位置时接通“电枢电源”开关，使他励直流电动机M 起动运转。调节“电枢电源”电压为 220V ；调节R 2阻值至零位置，调节R 3阻值，使电流表A 3为100mA 。 (4) 调节电动机M 的磁场调节电阻R 1阻值，和电机MG 的负载电阻R 4阻值(先调节D42上1800Ω阻值，调至最小后应用导线短接)。使电动机M 的n=n N =1600r/min ，I N =I f +I a =1.2A 。此时他励直流电动机的励磁电流I f 为额定励磁电流I fN 。保持U=U N =220V ，I f =I fN ，A 3表为100mA 。增大R 4阻值，直至空载(拆掉开关S 2的2'上的短接线)，测取电动机M 在额定负载至空载范围的n 、I a ，共取8-9组数据记录于表1中。 (5) 在确定S 2上短接线仍拆掉的情况下，把R 4调至零值位置(其中D42上1800Ω阻值调至零值后用导线短接)，再减小R 3阻值，使MG 的空载电压与电枢电源电压值接近相等 (在开关S 2两端测)，并且极性相同，把开关S 2合向1'端。 (6) 保持电枢电源电压U=U N =220V ，I f =I fN ，调节R 3阻值，使阻值增加，电动机转速升高，当A 2表的电流值为0A 时，此时电动机转速为理想空载转速（此时转速表量程应打向正向3600r/min 档），继续增加R 3阻值，使电动机进入第二象限回馈制动状态运行直至转速约为1900 r/min ，测取M 的n 、I a 。共取8～9组数据记录于表2中。 电枢电源 图 1他励直流电动机机械特性测定的实验接线图

直流电机原理与控制方法

专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3

一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械 能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。 2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构

如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所 示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定

直流电机控制

直流电机控制电路 永磁式换向器直流电机，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号和简化等效电路。 工作原理 这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。 永磁式换流器电机的特点 ·当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。 ·当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。 ·加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。 ·当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于V／Rw(这儿V是电源电压)。最大·电流出现在刚起动的条件。 ·转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。 ·体积小，重量轻。起动转矩大。 由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。 对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。 1、电机的起／停控制 电机的起／停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。 现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损

直流电动机双闭环控制系统设计与分析[设计+开题+综述]

开题报告 电气工程与自动化 直流电动机双闭环控制系统设计与分析 一、选题的背景与意义 随着现代工业的快速发展，在调速领域中，双闭环的控制理念已经得到了越来越广泛的认同。由于其动态响应快,静态性能良好,抗干扰能力强,因而在工程设计中被广泛地采用[1]。现在直流调速理论发展得比较成熟,但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度[2]。 PID（即：比例-积分-微分）控制器是最早发展起来的控制理论之一，由于它具有算法结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业控制中90％是采用PID控制系统 [3]。然而，在越来越复杂的工业过程中，常常难以确定其精确数学模型，无法从理论上准确设计PID 控制器的相应参数。此外，在实际的生产现场过程中，由于受到现场环境及运行工况的变化等因素的困扰，常规的PID设计方法往往整定欠佳，性能不良，对运行工况的适应性较差，很难满足对生产过程的控制性能和产品质量的要求。 群体智能算法(Swarm Intelligence Algorithm) [4]是近十几年发展起来的智能仿生算法，其基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造随机优化算法。其中由美国学者Kennedy 和Eberha提出的粒子群优化算法(particle swarill optimization，PSO) 计算快速收敛，不易陷入局部最优，而且所需参数少且易于实现。因此，粒子群及改进的粒子群优化算法在PID参数整定中的应用近几年也得到了极大关注和重视。 二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 1、基本内容 本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过粒子群优化算法（PSO）用于双闭环PID调节控制的方法对系统进行设计和仿真。 双闭环PID控制系统设置了转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 两者实行串级连接, 且都带有输出限幅电路。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速环作为外环, 以抑制电网电压扰动对于转速的影响, 把由电流环作为内环, 以实现在最大 电流约束下的转速过渡过程最快最优控制。直流电动机双闭环控制系统原理见图1所示。 III

直流电机原理与控制方法

电机简要学习手册 2015-2-3

一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将 直流电能转换成机械能（直流 电动机）或将机械能转换成直 流电能（直流发电机）的旋转 电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。

2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构 如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果 转子转到如上图（b）所

示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。 如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。 3直流电机重要特性 如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。 我们可以得到直流电机的四个基本方程：

直流电动机控制电路的设计

课程设计(论文) 题目名称直流电动机控制电路的设计 课程名称电力拖动基础课程设计 学生姓名周孝雄 学号0941202031 系、专业电气工程系、09自动化 指导教师邱雄迩 2011年12 月18 日

邵阳学院课程设计（论文）任务书 注： 1．此表由指导教师填写，经系、教研室审批，指导教师、学生签字后生效； 2．此表1式3份，学生、指导教师、教研室各1份。

指导教师（签字）：学生（签字）：

邵阳学院课程设计（论文）评阅表 学生姓名周孝雄学号0941202031 系电气工程系专业班级09自动化班 题目名称直流电动机控制电路的设计课程名称电力拖动基础一、学生自我总结 二、指导教师评定 注：1、本表是学生课程设计（论文）成绩评定的依据，装订在设计说明书（或论文）的“任务书”页后面；

当今，自动化控制系统在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。直流电动机应用如此之广，主要在于其采用了PWM脉宽调制电路来控制直流电动机的调速。在这里介绍了PWM脉宽产生的电路。该电路运用模拟电子电路基础知识完成，利用产生的方波信号带动负载转动。本设计原理简单，易于理解，电路实现简单。我们先概括介绍了电路中锁需要的电路模块，然后给出了整体的电路图，并做了测试及得出测试结果。 关键词：直流电动机，PWM，三极管

1绪论 (7) 1.1概述 (7) 1.2 直流电动机的基本理论 (7) 1.3直流脉宽调速系统 (10) 2 元器件介绍 (13) 2.1 SG2731 (13) 2.2 三极管C4466 和 A1693 (16) 3 系统设计方案 (17) 3.1直流电动机控制电路 (17) 4直流电动机控制电路的测试 (19) 4.1 测试步骤 (19) 4.2 测试结果 (19) 5实验总结 (21) 参考文献 (22)