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基于单片机的直流电机调速控制技术综述与设计
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更新于2024-06-24
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本篇文档主要探讨了基于单片机的直流电机调速控制系统的设计,着重于阐述了当前数字化直流调速系统的发展概况和控制策略。首先,章节1.1概述了直流调速系统的历史发展,强调了在80年代,随着处理器技术的进步,特别是国外在数字控制领域的研究取得了显著成就,如瑞典ABB、德国西门子、日本三菱等公司已经开发出一系列标准化的数字调速装置,如西门子的SIMOREG-6RA70,能够实现直流电机的高效调速,并且具备自适应设置参数的功能。 在控制策略方面,1.2.2部分介绍了多种现代控制方法的应用。传统的PID控制因其简单性和鲁棒性广受欢迎,但面临对象特性变化时参数整定困难的问题。为了克服这个问题,自适应PID控制器和滑模变结构控制被提及。滑模变结构控制通过不连续的切换策略,能够在面对系统变化时快速调整控制策略,提高了系统的适应性和响应速度。 此外,模糊控制、神经网络控制、专家系统控制等智能控制技术也被引入到电力电子控制领域,旨在提升系统的稳定性和降低成本。这些控制方法的应用表明,随着科技的进步,直流电机调速系统正朝着更智能、更自适应的方向发展。 总结来说,本毕业设计文档关注的核心内容包括了直流电机调速系统的历史演进、数字控制技术的现状,以及如何通过集成现代控制理论和智能策略来优化系统的性能。对于从事该领域研究或实践的学生和工程师来说,这是一份深入理解单片机在直流电机调速控制中的重要应用和技术挑战的宝贵参考资料。
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- 7 -
M
D
V
U
i
U
s
(a)原理图
U
i
o
t
T
t
1
t
2
U
o
U
s
o t
(b)输入/输出电压波形
图 2.2 PWM 调速控制原理和电压波形图
在图 2.2(a)中,当开关管 MOSFET 的栅极输入高电平时,开关管导通,直流
电动机电枢绕组两端有电压
𝑈
𝑠
。
𝑡
1
时间后,栅极输入变为低电平,开关管截止,电动
机电枢两端电压为 0。
𝑡
2
时间后,栅极输入重新变为高电平,开关管的动作重复前面
的过程。这样,对应着输入的电平高低,直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图
2.2(b)所示。电动机的电枢绕组两端的平均电压
𝑈
0
为
𝑈
0
=
𝑡
1
𝑈
𝑠
+
𝑡
2
×
0𝑉
𝑡
1
+
𝑡
2
=
𝑡
1
𝑇
𝑈
𝑠
=
𝛼
𝑈
𝑠
(2
.
2)
式中
𝛼
—占空比,
𝛼
=
𝑡
1
𝑇
。
2.3 调速系统的性能指标
任何一台需要控制转速的设备,其生产工艺对调速性能都有一定的要求,如在一
定的最高转速和最低转速范围内,有级或无级地调节转速;以一定的精度在需要转速
上稳定运行,在各种干扰下不允许有过大的转速波动,以确保产品质量。对于频繁起
/制动的设备要求加减速尽量快,以提高生产率,不宜经受剧烈速度变化的机械则要
求起制动尽量平稳。
(1) 调速范围
𝐷
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- 8 -
指电动机在额定负载下调速时,其最高转速与最低转速之比,即
𝐷
=
𝑛
𝑚𝑎𝑥
𝑛
𝑚𝑖𝑛
(
2.3
)
式中 最高转速
𝑛
𝑚𝑎𝑥
:受电动机换向及机械强度限制;
最低转速
𝑛
𝑚𝑖𝑛
:受转速相对稳定性(静差率)限制。
(2) 静差率
𝛿
静差率也称为转速变化率,指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落
∆
𝑛
与该机械特性的理想空载转速
𝑛
0
之比,即
𝛿
=
(
𝑛
0
―
𝑛
𝑁
)
𝑛
0
(2
.
4)
式中
𝑛
𝑁
—额定负载转矩时转速。
可见,在
𝑛
0
相同时,机械特性越硬,额定负载时转速降越小,则
𝛿
越小,则转速
稳定性越好,负载波动引起的转速变化越小。
调速范围
𝐷
与静差率
𝛿
指标有时是矛盾的,采用同一种调速方法,若静差率
𝛿
要求
不高(亦即
𝛿
值大),则调速范围宽;反之,若静差率
𝛿
要求高(亦即
𝛿
值小),则调速
范围窄。因此往往根据静差率
𝛿
要求,选择相适应的调速方法。
(3) 平滑系数
𝜑
调速平滑性指相邻两级转速的接近程度,用平滑系数
𝜑
表示为
𝜑
=
𝑛
𝑖
𝑛
𝑖
―
1
(2.5)
𝜑
接近于 1,则表明调速的平滑性越好。
若连续可调,则其级数趋于无穷大,称为无级调速,平滑性最好。若为非连续调
节,则其级数有限,称为有级调速,平滑性较差。
2.4 PID 控制原理及其算法
将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,用该控
制量对被控对象进行控制,这样的控制器称 PID 控制器。PID 控制器是控制系统中技
术比较成熟,而且应用最广泛的一种控制器。它的结构简单,参数容易调整,不一定
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