直流電機(jī)控制系統(tǒng)方案

1、 .10/10西 安 理 工 大 學(xué)高科學(xué)院畢業(yè)課程設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告題目：直流電機(jī)控制系統(tǒng)專業(yè)：電子信息工程班級：08級學(xué)號：20803033學(xué)生：辛國鵬指導(dǎo)教師：湯曉方一：選擇直流控制系統(tǒng)研究的主要容與意義。在現(xiàn)代工業(yè)中，電動(dòng)機(jī)作為電能轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油化學(xué)、國防等工業(yè)部門中，隨著對生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高和產(chǎn)量的增長，越來越多的生產(chǎn)機(jī)械要求能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)速。長期以來，自動(dòng)調(diào)速電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，現(xiàn)在仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇。以前電動(dòng)機(jī)大多使用由模擬電路組成的控制

2、柜進(jìn)行控制，現(xiàn)在單片機(jī)已經(jīng)開始取代模擬電路作為電機(jī)控制器。當(dāng)前電機(jī)控制器的發(fā)展方向越來越趨于多樣化和復(fù)雜化，現(xiàn)有的專用集成電路未必能滿足苛刻的新產(chǎn)品開發(fā)要求，為此可考慮開發(fā)電機(jī)的新型單片機(jī)控制器，因此研究直流電機(jī)的速度控制，有著非常重要的意義。由于變頻技術(shù)的出現(xiàn)，交流調(diào)速一直沖擊直流調(diào)速，但綜觀全局，尤其是我國在此領(lǐng)域的現(xiàn)狀，再加上全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度與可靠性，直流調(diào)速系統(tǒng)仍將處于十分重要地位。對于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個(gè)方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對于后兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定

3、的精度在所需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。穩(wěn)速很難達(dá)到要求原因在于數(shù)字直流調(diào)速裝置中的PID調(diào)節(jié)器對被控對象與其負(fù)載參數(shù)變化適應(yīng)能力差。直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型很容易得到，這使得經(jīng)典控制理論在己知被控對象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計(jì)的前提得到滿足，大部分?jǐn)?shù)字直流調(diào)速控制器就是建立在此基礎(chǔ)上的。然而，在實(shí)際的傳動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)本身的參數(shù)和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)并不如模型那樣一成不變，尤其對于中小型電機(jī)，在某些應(yīng)用場合隨工況而變化;同時(shí)，直流電機(jī)本身是一個(gè)非線性的被控對象，許多拖動(dòng)負(fù)載含有彈性或間隙等非線性因素，因此，被控對象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性常參數(shù)PID調(diào)節(jié)器顧此失彼，不能使系統(tǒng)在

4、各種工況下都能保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差，特別是對于模型參數(shù)大圍變化且具有較強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大圍變化以與非線性因素的影響。在工程上，這種控制器就很有可能滿足不了生產(chǎn)的需求，如:軋鋼工業(yè)同軸控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯傳動(dòng)裝置、軋輥磨床拖板電控系統(tǒng)等都需要在生產(chǎn)過程中保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速要求，而生產(chǎn)負(fù)載參數(shù)卻是隨著工況變化的。7模糊控制不要求被控對象的精確模型且適應(yīng)性強(qiáng)，為了克服常規(guī)數(shù)字直流調(diào)速裝置的缺點(diǎn)，可將模糊控制與PID調(diào)節(jié)器結(jié)合，形成fuzzy-PID復(fù)合控制方案，設(shè)計(jì)能在負(fù)載、模型參數(shù)的大圍變化以

5、與非線性因素的影響下均可以滿足控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度要求的直流電機(jī)控制器二、直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史常用的控制直流電動(dòng)機(jī)有以下幾種:第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動(dòng)機(jī)電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬圍平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機(jī)擴(kuò)大機(jī)、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速時(shí)，可以通過發(fā)電機(jī)非常容易地將電動(dòng)機(jī)軸上的飛

6、輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動(dòng)特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是需要增加兩臺與調(diào)速電動(dòng)機(jī)相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和一些輔助勵(lì)磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進(jìn)一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點(diǎn):維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護(hù)人員會造成一定的危害等。第四，1957年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強(qiáng)大的生命力。由于它具有體

7、積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點(diǎn)，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機(jī)組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(放大倍數(shù)1000)高10倍;在響應(yīng)快速性上，機(jī)組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。14從20世紀(jì)80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)組與水銀整流裝置，使直流電氣傳動(dòng)完成一次大的躍進(jìn)。同時(shí)，控制電路也實(shí)現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性與低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展

8、。隨著微型計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以與自動(dòng)控制理論、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機(jī)的應(yīng)用使直流電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極推動(dòng)了電氣傳動(dòng)的發(fā)展。近年來，一些先進(jìn)國家陸續(xù)推出并大量使用以微機(jī)為控制核心的直流電氣傳動(dòng)裝置，如西門子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動(dòng)化的需求也越來越高，直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。例如，軍事和宇航方面的雷達(dá)天線，火炮瞄準(zhǔn)，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面

9、的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人，塑料機(jī)械，印刷機(jī)械，繞線機(jī)，紡織機(jī)械，工業(yè)縫紉機(jī)，泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的控制；計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公設(shè)備中的各種磁盤驅(qū)動(dòng)器，各種光盤驅(qū)動(dòng)器，繪圖儀，掃描儀，打印機(jī)， 機(jī)，復(fù)印機(jī)等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機(jī)，錄像機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，洗衣機(jī)，冰箱，電扇等的控制。隨著計(jì)算機(jī)，微電子技術(shù)的發(fā)展以與新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)已成為電動(dòng)機(jī)控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)控制技術(shù)

10、在近二十年發(fā)生了很大的變化。其中，電動(dòng)機(jī)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器，通用計(jì)算機(jī)，F(xiàn)PGA/CPLD，DSP控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐漸成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動(dòng)機(jī)控制方法能夠得到實(shí)現(xiàn)。其中，脈寬調(diào)制（PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動(dòng)機(jī)，如永磁直流電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)等。由于有微處理器和傳

11、感器作為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。所以應(yīng)用先進(jìn)控制算法，開發(fā)全數(shù)字化智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將成為新一代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。17在那些對電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機(jī)床，工業(yè)縫紉機(jī)，磁盤驅(qū)動(dòng)器，打印機(jī)， 機(jī)等設(shè)備中，要求電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負(fù)載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進(jìn)三、直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，使用通用硬件平臺附加

12、軟件程序控制一定圍功率和電流大小的直流電機(jī)，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進(jìn)行控制，強(qiáng)大的通訊功能使它易和PLC等各種器件通訊組成整個(gè)工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護(hù)功能、長期工作的高可靠性和整個(gè)控制器體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一些優(yōu)點(diǎn)，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護(hù)簡單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。18國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司、德國的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公

13、司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個(gè)數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。我國從20世紀(jì)60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)各部門得到廣泛的應(yīng)用。我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有:綜合性最優(yōu)控制，補(bǔ)償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。19隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)具有開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)簡單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn)，克服了晶閘管的主要缺點(diǎn)。因此我國直流電機(jī)調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（pulse width modulation,簡稱PWM）方

14、向發(fā)展。16我國現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進(jìn)口。但由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。四：由單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器具有以下特點(diǎn)1. 使電路更簡單。 模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要很多電子元件，使電路復(fù)雜。采用微機(jī)處理后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過軟件來實(shí)現(xiàn)。2. 可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。為基礎(chǔ)理由很強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快、精度高，與大容量的存儲單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制。3靈活性和適應(yīng)性微處理得控制方式是由軟件來完成的。如果需要修改控制規(guī)律，一般不必修改系統(tǒng)的硬件電路，只修改程序即可。在系

15、統(tǒng)調(diào)試和升級時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。4無需零點(diǎn)飄逸，控制精度高數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常出現(xiàn)的零點(diǎn)漂移問題。無論被控制量的大小，都可以保證足夠的控制精度。5可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作現(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器。實(shí)際上可作為電動(dòng)機(jī)控制器的元件還有很多種，例如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器、數(shù)字信號處理器。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)科委功能強(qiáng)大，它有極高的速度、強(qiáng)大的運(yùn)算能力和接口功能、方便的軟件環(huán)境；但由于成本太高、體積大，所以只用于大型控制系統(tǒng)。 可編程控制器則正好相反，它只能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)和簡單的運(yùn)算。由于功能太弱，所以它只能用于簡單的電動(dòng)機(jī)控制。單片機(jī)介于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器之間，它有較強(qiáng)的控制功能，低廉的成本。人們在選擇電動(dòng)機(jī)的控制器時(shí)，常常是再先滿足功能的需要的同時(shí)，優(yōu)先選擇成本低的控制器。因此，單片機(jī)往往成為優(yōu)先選擇的目標(biāo)。從最近的統(tǒng)計(jì)數(shù)字也可以看出，世界上每年要有25億片各種單片機(jī)投入使用。彈片與時(shí)目前世界上使用量最大的微機(jī)處理器。五、主要容與待解決的問題主要容:1、學(xué)習(xí)直流電動(dòng)機(jī)原理與驅(qū)動(dòng)技術(shù)，掌握數(shù)字PID控制技術(shù)；2、完成相關(guān)設(shè)備的接口硬件設(shè)計(jì)；3、通過MCS-51單片機(jī)編寫軟件控制程序；4、系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試，寫出相應(yīng)的使用說明?，F(xiàn)有條件： 直