【導(dǎo)讀】五十多年來(lái)，直流電氣傳動(dòng)經(jīng)歷了重大的變革。首先，實(shí)現(xiàn)了整流器件的更新?lián)Q。代，從50年代的使用已久的直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)組及水銀整流裝置，另外，集成運(yùn)算放大器和眾多的電子模塊的出現(xiàn)，不斷促進(jìn)了控制系。80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，8-32位單片機(jī)相繼出現(xiàn)。并應(yīng)用于控制系統(tǒng)，控制電路已實(shí)現(xiàn)高集成化，小型化，高可靠性及低成本。術(shù)的應(yīng)用，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅度提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。高，調(diào)速范圍廣，所以，在對(duì)調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合，一般都采用直流電氣傳動(dòng)。硬件高度集成化使得零部件數(shù)量和觸點(diǎn)大大減少，大部。由于單片機(jī)可以與計(jì)算機(jī)相連，可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)、診斷、顯示和記錄，并對(duì)發(fā)生的故障進(jìn)行分析和記錄，所以維修很方便，維修周期變短。在工業(yè)控制過(guò)程中，目前采用最多的控制方式仍然是PID方式。制品質(zhì)保持最佳。采用較高采樣率來(lái)補(bǔ)償模糊控制規(guī)則和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的偏差。此外，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制芯。復(fù)合的控制方案。

　　

【正文】 應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。因此綜合調(diào)節(jié) KP、 Ki、 Kd三個(gè)參數(shù)可以使系統(tǒng)獲得理想的運(yùn)行特性。 2. 參數(shù)整定方法 （ 1）經(jīng)驗(yàn)整定法 根據(jù)上面參數(shù)對(duì)于系統(tǒng)性能指標(biāo)影響，先設(shè)定一組參數(shù)，然后觀察響應(yīng)結(jié)果，根據(jù)超調(diào)、調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差實(shí)際情況，對(duì)參數(shù)值進(jìn)行修改，并反復(fù)修正試湊，直到得到較為滿意的響應(yīng)結(jié)果為止?？梢韵日ū壤?,使過(guò)渡過(guò)程基本穩(wěn)定 , 然后加積分消除余差 , 最后加微分進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。 （ 2）臨界比例度法 ① 首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； ② 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，設(shè)置一個(gè)較大比例度值，然后不斷減小比例度，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； ③ 通過(guò)公式計(jì)算得到 PID 控制器的參數(shù)。 實(shí)驗(yàn)中電機(jī)小巧簡(jiǎn)單、調(diào)試方便，利于反復(fù)修改參數(shù)試湊，因此采用經(jīng)驗(yàn)整定法比較合適。將整定結(jié)果帶入增量算式 “uk=uk1+KP(ekek1)+Kiek+Kd(ek2ek1+ek2)”， 然后 展 開 就 可 以 得 到 源 程 序 賦 值 語(yǔ) 句 中 待 定 參 數(shù) 值 ， 結(jié) 果 為“high1=high1+(ekek1)/15+ek/6+(ek2ek1+ek2)/12”。 調(diào)試結(jié)果 在實(shí)驗(yàn)中 能通過(guò)矩陣鍵盤對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，每按一次加速鍵或減速鍵，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速增加或減小 50 轉(zhuǎn) /分 ， 可以 通過(guò)正反轉(zhuǎn)按鍵控制直流電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)， 可以 通過(guò)啟停按鍵控制直流電機(jī)的啟動(dòng)和停止 。并可以直接通過(guò)矩陣鍵盤相應(yīng)按 31 鍵對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行直接設(shè)置，可以使直流電機(jī)在 0— 3500轉(zhuǎn) /分 內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 無(wú) PID 控制器不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的 PWM 波形 無(wú) PID 控制器時(shí) 對(duì)于 不同的 設(shè)置轉(zhuǎn)速 ，單片機(jī)輸出不同占空比的 PWM波形，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 所示。 表 無(wú) PID控制器直流電機(jī) 設(shè)置 轉(zhuǎn)速與 PWM波占空比對(duì)應(yīng)表 設(shè)置轉(zhuǎn)速 r/min 0 500 1000 1500 2020 2500 3000 3500 PWM 波理論占空比 0% % % % % % % 100% PWM 波實(shí)際占空比 0% % % % % % % 100% 相對(duì)誤差 % % % % % % 0% 在不同設(shè)置轉(zhuǎn)速時(shí)通過(guò)示波器測(cè)得單片機(jī)輸出的實(shí)際 PWM 波波形圖如圖 所示。 n = 5 0 0n = 1 0 0 0n = 1 5 0 0n = 2 0 0 0n = 2 5 0 0 n = 3 0 0 0圖 無(wú) PID 控制器時(shí) 不同設(shè)置轉(zhuǎn)速單片機(jī)輸出 PWM 波形 圖 實(shí)驗(yàn)中 無(wú) PID 控制器 直流電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速如表 所示。 32 表 無(wú) PID控制器 直流電機(jī) 設(shè)置轉(zhuǎn)速與實(shí)際 轉(zhuǎn)速 對(duì)應(yīng) 表 設(shè)置轉(zhuǎn)速 r/min 0 500 1000 1500 2020 2500 3000 3500 實(shí)際轉(zhuǎn)速 r/min 0 1125 1725 2175 2410 2790 3120 3315 相對(duì)誤差 125% % % % % 4． 0% % 直流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速在 0— 2020r/min 范圍內(nèi)相差較大，在 2020—3500r/min 范圍內(nèi)相差相對(duì)較小，主要原因?yàn)椋?(1) 直流電機(jī)在各個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間對(duì)電壓變化的敏感度不同，導(dǎo)致相同電壓變化的情況下直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化差別較大。 (2) 本設(shè)計(jì)通過(guò)改變 PWM 波的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)改變直流電機(jī)電樞間電壓，但 PWM 波的占空比與輸出電壓并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系。本設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物圖見附錄 Ⅱ 。 有 PID 控制器不同轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的 PWM 波形 在程序中加入 PID 控制器后，通過(guò)矩陣鍵盤設(shè)置不同的轉(zhuǎn)速，待直流電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，單片機(jī)輸出不同占空比的 PWM 波形，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 所示。 表 有 PID控制器直流電機(jī) 設(shè)置 轉(zhuǎn)速與 PWM波占空比對(duì)應(yīng)表 設(shè)置轉(zhuǎn)速r/min 0 500 1000 1500 2020 2500 3000 3500 PWM 波理論占空比 0% % % % % % % 100% PWM 波實(shí)際占空比 0% 0% % % % % % 100% 相對(duì)誤差 ∞ % % % % % 0% 加入 PID控制器后，在 不同設(shè)置轉(zhuǎn)速時(shí)通過(guò)示波器測(cè)得單片機(jī)輸出的實(shí)際 PWM波波形圖如圖 所示。 33 n = 5 0 0 n = 1 0 0 0 n = 1 5 0 0n = 2 0 0 0 n = 2 5 0 0 n = 3 0 0 0 圖 有 PID 控制器時(shí) 不同設(shè)置轉(zhuǎn)速單片機(jī)輸出 PWM 波形 圖 實(shí)驗(yàn)中加入 PID 控制器后直流電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速如表 所示。 表 有 PID控制器直流電機(jī)設(shè)置轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)表 設(shè)置轉(zhuǎn)速 r/min 0 500 1000 1500 2020 2500 3000 3500 實(shí)際轉(zhuǎn)速 r/min 0 0 1680 1980 2220 2505 3000 3360 相對(duì)誤差 ∞ % % % % 0% % 由相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，加入 PID 控制器后，對(duì)直流電機(jī)的控制精度有一定提高，但由于在參數(shù)調(diào)整上沒有任何經(jīng)驗(yàn)使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論值有一定差距。 34 結(jié) 論 PWM直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)與 電動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)組 控制 系統(tǒng)以及飽和電抗器控制系統(tǒng)相比 具有投資少、占地小、無(wú)噪音、 運(yùn)行費(fèi)用低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。其原理是通過(guò)改變脈沖占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī) 電樞電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 本文設(shè)計(jì)的 由單片機(jī)控制的直流調(diào)速 控制系統(tǒng)由直流電機(jī) 、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、 PID 調(diào)節(jié)器、霍爾測(cè)速模塊 組成，這里單片機(jī)取代了常規(guī)的電子控制裝置 (觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器 )，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測(cè)速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。本系統(tǒng)控制的 直流電機(jī)調(diào) 壓范圍為 05V，調(diào)速范圍為 03500 轉(zhuǎn) /分 ， 通過(guò)矩陣鍵盤的控制可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行加速、減速、正反轉(zhuǎn)、啟停等操作，并可以通過(guò)矩陣鍵盤直接對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)定，基本達(dá)到了任務(wù)設(shè)計(jì)要求。 本次畢設(shè)， 從中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)、重慶維普數(shù)據(jù)庫(kù)下載查閱了大量碩士研究生論文、核心期刊論文，內(nèi)容涉及 PWM 控制的直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)、基于單片機(jī)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)、新型 PI 控制直流電機(jī)等，通過(guò)這些論文，了解了直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)發(fā)展歷史和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 現(xiàn)將存在的不足羅列如下： ，通過(guò)對(duì)于模型的研究可以獲得 直流 電機(jī) 控制 系統(tǒng)的重要參數(shù)，通過(guò)基于模型參數(shù)的智能算法可以獲得理論上的控制量，提高系統(tǒng)性能指標(biāo)。 ，特別是 在 PID 參數(shù) 整定過(guò)程中，由于沒有使用相應(yīng)的軟件對(duì) PID 調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真，使得在調(diào)試工程中只能根據(jù)直流電機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行參數(shù)整定，使得調(diào)試過(guò)程顯得相對(duì)復(fù)雜。 由于時(shí)間倉(cāng)促，最后的調(diào)試結(jié)果也不太理想。 35 致 謝 本論文是在指導(dǎo)教師 老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在硬件設(shè)計(jì)及畢業(yè)論文的撰寫過(guò)程中， 胡 老師都給了我很大的幫助。她兢兢業(yè)業(yè)的工作作風(fēng)、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和寬以待人的優(yōu)秀品質(zhì)給我留下非常深刻的印象。 從論 文的選題、設(shè)計(jì)方案的制定、硬件的實(shí)現(xiàn)、直至論文的撰寫，均得到了 胡 老師的親切關(guān)懷與悉心指導(dǎo)，幫我們購(gòu)買相應(yīng)的元器件，幫我們查詢?cè)O(shè)計(jì)需要的 資料，每周檢查我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度等，花費(fèi)了她大量的時(shí)間與精力。 胡 老師敏銳的洞察力、淵博的學(xué)識(shí)、高度的責(zé)任感令我深受裨益。在此向江 老師表示深深的感謝！ 另外，我還要感謝在這四年大學(xué)中 在課堂上 教 過(guò)我的老師以及在生活中幫助我的老師，在他們諄諄教導(dǎo)下，我不僅掌握了基本的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技能更學(xué)會(huì)了如何與周圍的人和事和睦相處， 為以后的工作和學(xué)習(xí)作了良好的鋪墊。 在論文的完成期間還得到了很多同學(xué) 的大量幫助， 在本設(shè)計(jì)中也幫我解決了很多問題， 在此向他們表示衷心的感謝！ 他們?cè)谖宜哪甑膶W(xué)習(xí)生活中給了我許多寶貴的意見使我不斷進(jìn)步 。 最后我還要向我的父母及家人表示最深摯的謝意，本人能夠完成 大學(xué) 學(xué)業(yè)離不開他們多年來(lái)的支持和幫助。在此，向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友們 表示由衷的謝意！ 36 參考文獻(xiàn) [1] 王志新 , 羅文廣 . 電機(jī)控制技術(shù) [M].北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， ： 1936. [2] 王曉明 . 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制（第 3 版） [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，： 137149. [3] 孫立志 . PWM 與數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用 [M].北京：中國(guó)電力出版社， 2020. [4] 羅金成 . 智能全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)理論研究與設(shè)計(jì) [D].武漢：武漢理工大學(xué)， 2020. [5] 徐升 . 全數(shù)字直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)及其模糊控制算法 [D].武漢：華中科技大學(xué)， 2020. [6] 楊琳琳 . 數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)， 2020. [7] 焦玉朋 . 基于 51 單片機(jī)的 PWM 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) [D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2020 [8] 孫劍波 ,龔世纓 ,董亞暉 . 永磁無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究 [J].微電機(jī)（伺服技術(shù)）， 2020. [9] 賈玉瑛 ,王臣 . 基于單片機(jī)控制的 PWM 直流調(diào)速系統(tǒng) [J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)， 2020，12： 1215. [10] 劉錦波 ,張承慧 . 電機(jī)與拖動(dòng) [M].北京：清華大學(xué)出版社， 2020： 14—15. [11] 李清泉 . 自適應(yīng)控制系統(tǒng)理論、設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [M].北京：科學(xué)出版社， 1990： 1115. [12] 林平，韋鯤，張仲超．新型無(wú)刷直流電機(jī)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制控制方法 [J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2020， 26(3)： 153158． [13] 湯蘊(yùn)璆 . 電機(jī)學(xué) (第 2 版） [M].北京 ： 西安交通大學(xué)出版社， 1993. [14] 楊渝欽 . 控制電機(jī) (第 2 版） [M].北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1998. [15] 陳伯時(shí) . 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) [M].第 2 版 .北京 ： 機(jī)械工業(yè)出版社 , 2020. [16] 吳浩烈 . 電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ) [M].重慶 ： 重慶大學(xué)出版社， 2020. [17] 邱阿瑞 . 電機(jī)與電力拖動(dòng) [M].北京 ： 電子工業(yè)出版社， 2020. [18] 李仁定 . 電機(jī)的微機(jī)控制， 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [19] Khoei,Hadidi. Microprocessor Based ClosedLoop Speed Control System for DC Motor Using power Mosfet[J]. Umin UniversityICECS,1996, 12471250. 37 [20] ,S.$. M. Nonr, S. M. 13ashi and M. . Microcontroller Performance for DC Motor Speed Control System[C].National Power and Energy Conference (PECon),2020,1620. [21] Barr, Width Modulation[J]. Embedded Systems Programming, . 38 附錄 Ⅰ 電路原理圖 39 附錄 Ⅱ 硬件實(shí)物圖