直流电机的闭环调速系统设计.doc

控制系统课程设计报告书

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直流电机的闭环调速系统设计
一、 设计要求：
利用PID控制器、光电传感器及F/V转换器设计直流电机的闭环调速系统。
要求：给定直流小电机，设计模拟PID控制器，利用传感器检测速度（ST15、LM331），搭建成闭环控制电机转速系统。
（1） 阶跃响应的超调量：σ%≤20%；
（2） 阶跃响应的调节时间：ts=1s±0.02s。
二、设计方案分析
1、方案设计：
器材：电路板、PID控制器、小型直流电机、LM331、ST151各一片
电阻、电容若干、导线、LM324若干
原理框图：
输入 输出

减
PID控制器
直流电机
F/V转换器Lm331

光电传感器ST151
注：
1.输入电源信号与反映电机转速变化的电压信号的反馈调节电压信号，作为共同输入，通过PID控制器调节，驱动电机工作。
2.电动机转动叶轮，叶轮通过转动在光电传感器处产生脉冲信号并输入给F/V转换器；F/V转换器将频率信号转换为电压信号，将此作为反馈信号然后通过PID控制器对输出电压进行校正。
2、 背景知识介绍：
（1）选题背景及意义
在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活中起着十分的重要的作用。无论是在农业生产、交通运输、国防、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常的生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是只对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是只对电动机的转角、转矩，电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对直流的简单控制的应用很多，但是，随着现代步伐的迈进，人们对自动化的要求越来越高，使直流电机的PID控制控制逐渐成为主流，实现对电机转速的精确控制。
（2）系统校正
系统校正，就是在系统中加入一些参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生改变，从而满足给定的各项性能指标，在系统校正中，当系统的性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般采用的是根轨迹校正法，实验所用软件为MATLAB、EWB软件，使用MATLAB软件绘制系统校正前后的根轨迹图，系统的闭环阶跃响应，观察系统校正前后的各项性能指标是否满足系统所需性能指标，在Simulink界面下或使用EWB软件对校正前后的系统进行仿真运行，观察系统输出曲线的变化。
在控制系统设计中，常用的校正方法为串联校正和反馈校正，串联校正比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要形式的转换，特别在直流控制系统中，由于传递直流电压信号，适合采用串联校正。在确定校正装置的具体形式时，根据校正装置所需提供的控制规律选择相应的元件，常常采用比例、微分、积分控制规律，或基本规律的组合，如比例微分、比例积分等。而本次课题选择的正是PID即比例积分微分控制器。

三、 硬件设计：
总体仿真电路：

1、 PID比例积分微分控制器电路

（1）PID控制器的简单介绍
PID是比例P (Proportional)、积分 (Integral)、微分D (Differential or Derivative)控制的简称。在PID调节器作用下，我们可以对误差信号分别进行比例、积分、微分控制，调节器的输出作为被控对象的输入控制量。
PID调节器的传递函数和电路连接如下图所示，在式中， Kp为比例增益， Ti为积分时间，Td为微分时间。
PID传递函数：

PID电路连接：

（2）PID控制器参数的确定
PID控制是比例、积分、微分控制的总体，而各部分的参数KP、TI、TD 大小不同则比例、微分、积分所起作用强弱不同。在工业过程控制中如何把三参数调节到最佳状态需要深入了解PID控制中三参量对系统动态性能的影响。以单闭环调速系统为例，讨论各参量单独变化对系统控制作用的影响。在讨论一个参量变化产生的影响时，设另外两个参量为常数。
PID参数对系统的影响：

通过仿真PID控制器参数确定如下
KP=50 TI=0.47 TD =0.02
2、 直流电机放大电路
通过电流放大电路使小电机可以正常运行。
其中NPN三极管Q1采用9013。
具体电路如下图：

3、 反馈电路

（1）光电转换器ST151
光电转换器ST151是单光束直射取样式光电传感器，采用高发射功率红外光电二极管和复合晶体管组成，性能可靠；体积小，结构简单.，多应用于多费率电能表，IC卡电度表等各种需测量计数的场合。

ST151实物图 ST151内部结果图
在本实验中，当电机驱动转动叶轮时，通过光电传感器将光信号转换为具有一定频率的脉冲信号，再将该脉冲信号传送给F/V转换器LM313。
（2）频率－电压变换器LM331
LM331是美国NS公司生产的性能价格比比较高的集成芯片。它是当前最简单的一种高精度V/F转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器以及其它相关的器件。LM331双列直插式8引脚芯片，其引脚框图如图1所示。

Lm331逻辑框图
Lm331各引脚功能说明如下:
脚1 为脉冲电流输出端,内部相当于脉冲恒流源,脉冲宽度与内部单稳态电路相同;
脚2 为输出端脉冲电流幅度调节,RS 越小,输出电流越大;
脚3 为脉冲电压输出端,OC 门结构,输出脉冲宽度及相位同单稳态,不用时可悬空或接地;脚4 为地;
脚5 为单稳态外接定时时间常数RC ;
脚6 为单稳态触发脉冲输入端,低于脚7 电压触发有效,要求输入负脉冲宽度小于单稳态输出脉冲宽度Tw ;
脚7 为比较器基准电压,用于设置输入脉冲的有效触发电平高低;
脚8 为电源Vcc , 正常工作电压范围为4～40V。线性度好, 最大非线性失真小于0. 01 % , 工作频率低到0. 1Hz 时尚有较好的线性;变换精度高数字分辨率可达12 位; 外接电路简单, 只需接入几个外部元件就可方便构成V/ F 或F/ V 等变换电路,并且容易保证转换精度。
由LM331构成的频率－电压转换电路如图4所示，输入脉冲fi经R1、C1组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端。输入比较器的同相输入端经电阻R2、R3分压而加有约2Vcc/3的直流电压，反相输入端经电阻R1加有Vcc的直流电压。当输入脉冲的下降沿到来时， 经微分电路R1、C1产生一负尖脉冲叠加到反相输入端的Vcc上，当负向尖脉冲大于Vcc/3时，输入比较器输出高电平使触发器置位，此时电流开关打向右边，电流源IR对电容CL充电，同时因复零晶体管截止而使电源Vcc通过电阻Rt对电容Ct充电。当电容CL两端电压达到2Vcc/3时，定时比较器输出高电平使触发器复位，此时电流开关打向左边，电容CL通过电阻RL放电，同时，复零晶体管导通，定时电容Ct迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每当输入脉冲的下降沿到来时，电路重复上述的工作过程。从前面的分析可知，电容CL的充电时间由定时电路Rt、Ct决定，充电电流的大小由电流源IR决定，输入脉冲的频率越高，电容CL上积累的电荷就越多输出电压(电容CL两端的电压)就越高，实现了频率－电压的变换。按照前面推导V/F表达式的方法，可得到输出电压VO与fi的关系为：
　　VO=2.09RlRtCtfi/Rs

电容C1的选择不宜太小，要保证输入脉冲经微分后有足够的幅度来触发输入比较器，但电容C1小些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻RL和电容CL组成低通滤波器。电容CL大些，输出电压VO的纹波会小些，电容CL小些，当输入脉冲频率变化时，输出响应会快些。这些因素在实际运用时要综合考虑。
在本次实验中，F/V转换器LM331是将ST151传送过来的具有一定频率的脉冲信号转换为电压，通过调节电路，最后反馈给PID控制器。
实际仿真电路如下：

4、LM324放大器
本课题采用的运算放大器均为LM324（四运放集成电路），它采用了14脚双列直插塑料进行封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324引脚排列见图。

Lm324管脚图
在电路设计时，将F/V转换器LM331输出的电压反馈信号经Lm324放大反馈到电路中；4和11管脚分别接+12V,-12V电源。
四、软件设计：
首先用Simulink模块搭建直流电机闭环调速系统，通过改变PID模块中的KP、TI、TD 参数来调节输出信号的超调量和调节时间以满足课题要求。其中由于Simulink其中的模块种类限制，对于直流电机，在实际焊接以及Proteus仿真之前，用一个惯性环节模型代替。

示波器（scope）输出波形：

在确定了KP、TI、TD 三个参数之后，再通过MATLAB建模编程来画出具体图形，对三个参数进行微调来比较不同参数下输出信号图形的超调量和调节时间，最终确定具体的参数KP=50 TI=0.47 TD =0.02
编程如下：
>> num=[2*50*0.47*0.02 2*50*0.47 2*50];
>> den=[2*50*0.47*0.02+0.47 2*50*0.47+2*0.47 2*50];
>> sys=tf(num,den)

Transfer function:
0.94 s^2 + 47 s + 100
------------------------
1.41 s^2 + 47.94 s + 100

>> step(sys)
>>grid
所得最终图形：

之后根据计算公式确定PID控制器的具体电阻和电容的数值大小，运用EWB仿真软件搭建硬件电路，进行初步仿真，进而根据输出波形对电阻、电容再次进行微调，等达到课题要求之后慢慢缩小误差。
EWB仿真设计图如下：

接着根据EWB仿真电路运用Proteus再次进行仿真，这次可以加入直流电机来更加贴近实际情况观察实验结果。在仿真正确后进行实际的硬件焊接和调试了。
五、测试数据及设计结果：
当输入电压时，输入电压通过PID放大控制器之后，输入电机，带动电机转动，电机转动通过ST151光电传感器产生具有一定频率的脉冲信号，脉冲信号通过LM331将具有一定频率的脉冲信号转换为电压，反馈给减法器，形成反馈电压和输入电压的跟随，达到了对直流电机的调速的目的。
可以通过MATLAB建模编程得到的图形来得出理论上的超调量和调节时间，其中：
理论值：σ%=（1.0015-1.0000）/ 1.0000*100%=0.15%
t s=0.06s
实际值：σ%=0%
t s=400ms
EWB仿真结果图：

六、调试中出现的错误及解决方法：