【正文】 直流電機控制系統(tǒng)設計方案畢業(yè)論文目 錄摘要………………………………………………………………………….IAbstract……………………………………………………………………...II引言………………………………………………………….……..……….1 1 直流電機的運行原理…………………….……………………….3 直流電機的結(jié)構(gòu)......................................................................................3 直流電機的基本工作原理……………………….…………………..3 直流電機的調(diào)速原理………………………….……………………..4 直流電機的數(shù)學模型……………………….………………………..52 模糊控制的基本原理…………………………………………...7 模糊控制的起源…………………………………………….…………7 模糊控制的發(fā)展和現(xiàn)狀…………………………………….…………9 模糊控制的重要概念……………………….………………………..10 模糊集合及隸屬函數(shù)……………………………….……………..10 模糊關系及模糊推理…………………………….………………..103 直流電機模糊控制器的設計……………………….…………...11 參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)…………………….….……….1KI、KD的自整定要求………………………….13…………….….… 1輸出語言變量………………….…………..14，在其論域上定義模糊量…….………..1KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則……………………….……………..15…………………………….………………..154 硬件設計………………………………………………………...…17……………………………………………….…18……………………………………………………...18………………………...18………………………………….21……………………………………………………...24……………………………………………………….26……………………………………………………...29……………………………………………………...30………………………………………………………….30……………………………………………………….…31…………………………………………………………...315 軟件設計……………………………….………………..32 PC系統(tǒng)界面設計及串口通信……………………………………..32 系統(tǒng)界面及功能…………………………………………………32　PC串口通信………………………………………………….…33…………………………………………...34…………………………………………………………...35 中斷程序…………………………………………………………36…………………………..…………...37 誤差│E│及誤差變化率│EC│的輸入確立……………….…38 隸屬度函數(shù)程序?qū)崿F(xiàn)…………………………………………..38 模糊推理及判決程序?qū)崿F(xiàn)……………………………………..386 系統(tǒng)仿真…………………………………………….….407 總結(jié)和展望……………………………….…………….43……………………………………………….………...43……………………………………….………………….44參考文獻………………………………………………………….……47附 錄………………………………………………………………….49引 言電動機作為最主要的機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務和辦公設備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料顯示，在所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動機的。電動機與人的生活息息相關，密不可分。電氣時代，電動機的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關元件來實現(xiàn)。還有一類控制叫復雜控制，是指對電動機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流，功率等物理量進行控制。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)過程中，幾乎無處不使用電力傳動裝置，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，使得越來越多的生產(chǎn)機械要求能實現(xiàn)自動調(diào)速。對可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng)，可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。由于直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速性能，具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和良好的起、制動性能以及在大范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，過載能力達，能承受頻繁的沖擊負載，因此，能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中各種不同的特殊運行要求，所以在要求高的起、制動轉(zhuǎn)矩，快速響應和寬速度調(diào)節(jié)范圍的電氣轉(zhuǎn)動中，如軋鋼，礦山采掘，海洋鉆探，金屬加工，紡織等場合，仍廣泛采用直流電動機作為執(zhí)行電機的直流調(diào)速系統(tǒng)。本系統(tǒng)可控制額定電壓為1255V。針對本系統(tǒng)所用的是直流電機，可使得調(diào)速范圍為8300轉(zhuǎn)/分鐘，速度精度在1%以內(nèi)，位置精度在0. 1%以內(nèi)。本設計所針對實際對象為額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘，以實現(xiàn)直流電機的正傳、反轉(zhuǎn)、停機以及電機在可調(diào)范圍內(nèi)的自由轉(zhuǎn)動。 改變電樞電壓主要有三種方式:旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（PWM）變換器(或稱直流斬波器)。(l)旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱WardLeonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。GM系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便。(2)20世紀50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的WardLeonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角α。進而改變整流電壓Ud的大小，達到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。VM在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。(3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DCDC變換器。絕大多數(shù)直流電動機采用開關驅(qū)動方式。開關驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。生產(chǎn)實際中要求生產(chǎn)機械在不同情況下以不同速度工作，這就需要對電機的速度進行快速精確的調(diào)節(jié)。目前，PWM控制方式作為可調(diào)電源取代笨重的電動機一發(fā)電機組以及飽和電抗器的控制方式具有許多優(yōu)點。其原理是通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電動機電樞電壓實現(xiàn)平滑調(diào)速。由單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般由電動機、觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速/電流檢測與反饋環(huán)節(jié)組成，對系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。所以本課題選用第三種調(diào)速方式即脈寬調(diào)制。881 直流電機的運行原理其中，固定部分有磁鐵，這里稱為主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。(其中2個小圓圈是為了方便的表示該位置上的導體電勢或電流的方向而設置的)上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。 直流電機的基本工作原理，如果去掉原動機，并給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。此時載流導體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 實用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。眾所周知，直流電機轉(zhuǎn)速n的表達式為: (1 1)式中:U電樞端電壓I電樞電流R電樞電路總電阻Φ每極磁通量K與電機結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)由上式可知，直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種:(1)調(diào)節(jié)電樞電壓U。改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)。(2)改變電機主磁通中只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小。(3)改變電樞電路電阻R在電動機電樞外串電阻進行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機械特性軟、效率低。改變電樞電路電阻的方法缺點很多，目前很少采用:弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用。因此，自動調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中設計系統(tǒng)所采用的方法。改變電樞電壓主要有三種方式:旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（PWM）變換器(或稱直流斬波器)。(l)旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱WardLeonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。GM系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不方便。(2)20世紀50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱VM系統(tǒng)，又稱靜止的WardLeonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角α。進而改變整流電壓Ud的大小，達到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。VM在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。(3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DCDC變換器。絕大多數(shù)直流電動機采用開關驅(qū)動方式。開關驅(qū)動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 直流電機的數(shù)學模型直流電動機的等效電路如下圖所示。電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為: (1 2) (1 3)式中 Ua 電源電壓。Ia電樞電流 。Ra電樞電阻(包括電刷、換向器以及兩者之間的電阻)。La電樞電感。Ea電樞反電動勢。J轉(zhuǎn)動慣量。Ω轉(zhuǎn)動的角速度。Te電磁轉(zhuǎn)距。Tl負載轉(zhuǎn)距。KD轉(zhuǎn)動部分的阻尼系數(shù).永磁直流電動機的電樞反電動勢可表示為:Ea=Ke*Ω (1 4)式中Ke反電動勢常數(shù).電磁轉(zhuǎn)矩為:Te=KT *Ia (1 5)式中KT磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。動態(tài)工作特性是指實際的動作與相應的動作命令之間的響應關系。將式 (12)、式(13)、式(14)和式(15)作拉氏變換，得到如下函數(shù):Ua(s )=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)JSΩ(s)=Te(s)一Tl(s)一KDSΩ(s)Ea(s)= KeΩ(s)Te(s)=KTIa(s)上面的式子可以用下面的方框圖表示。 2 模糊控制的基本原理“模糊”一詞的英語名稱是“Fuzzy”，從文字上理解，包含了“含糊”、“不確定”、“不清楚”等概念，人們在生產(chǎn)中碰到的很多事情，包括人腦的思維，具有模糊性的特點，所謂“模糊性”，只要是指客觀事物彼此之間的差異在中過渡的“不分明性”。例如:冷和熱，或很冷、冷、暖和、熱和很熱，大、中、小，長和短等等，都很難用精確的數(shù)學語言劃分出一條截然分明的界限。而經(jīng)典數(shù)學只能確切地描述事物，難以描述人們在日常生活中遇到的大量模糊現(xiàn)象和概念。隨著科學技術的發(fā)展，迫切要求能描述和處理這些模糊現(xiàn)象和概念。人們在經(jīng)典數(shù)學的基礎上，對它進行改造和擴充，產(chǎn)生了模糊數(shù)學。，是描述處理人類語言所特有的模糊信息理論。主要包括模糊集合及其隸屬函數(shù)，模糊算子和模糊關系。Zadeh教授首次提出了表達事物模糊性的重要概念—隸屬函數(shù)，從而突破了19世紀末期德國數(shù)學家Cantor創(chuàng)立的經(jīng)典集合理論的局限性。借助于隸屬函數(shù)可以表達一個模糊概念從“完全不屬于”到“完全屬于”的過渡，才能對有的模糊概念進行定量表示。隸屬函數(shù)的提出奠定了模糊理論的數(shù)學基礎。這樣，像“冷”和“熱”這些常規(guī)經(jīng)典集合中無法解決的模糊概念就可以在模糊集合得到有效的表達，為計算機處理這種語言信息提供了一種可行的方法。1974年，并取得了比傳統(tǒng)