這是我大三做的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)，對(duì)直流電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)pid控制，有程序源碼，還有自己做的上位機(jī)，也包括源碼，上位機(jī)可顯示速度和電流曲線，并且可以設(shè)置速度，里面也有自己的設(shè)計(jì)文檔，里面也有演示視頻
制作出來(lái)的實(shí)物圖如下：
拖動(dòng)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書
題目： 直流電機(jī)速度電流雙閉環(huán)控制器設(shè)計(jì)
任務(wù)書 |
閉環(huán)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
| | 隨著社會(huì)的發(fā)展，各種智能化的產(chǎn)品日益走入尋常百姓家。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的便攜性、低成品以及對(duì)電源的限制，小型直流電機(jī)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法兩類。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法。其中，PWM斬波器進(jìn)斬波調(diào)壓的驅(qū)動(dòng)裝置與傳統(tǒng)晶閘管驅(qū)動(dòng)裝置比較，具有下列優(yōu)點(diǎn)：需用的大功率可控器件少，線路簡(jiǎn)單；調(diào)速范圍寬：電流波形系數(shù)好，附加損耗��；功率因數(shù)高�？梢詮V泛應(yīng)用于現(xiàn)代直流電機(jī)伺服系統(tǒng)中。為抑制負(fù)載擾動(dòng)，同時(shí)提高啟動(dòng)制動(dòng)性能，閉環(huán)控制的PWM直流調(diào)速系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)。
一、該同學(xué)的主要任務(wù) 1、查找文獻(xiàn)，掌握直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速的基本工作原理； 2、設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)； 3、設(shè)計(jì)并調(diào)試基于51單片機(jī)的H橋驅(qū)動(dòng)控制電路； 4、設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器算法，對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)；
二、功能測(cè)評(píng)要求 1、能獨(dú)立設(shè)置電機(jī)速度（按鍵設(shè)置或滑動(dòng)變阻器設(shè)置或上位機(jī)設(shè)置）； 2、能顯示當(dāng)前電機(jī)的實(shí)際速度（單位為：r/min）; 3、能控制電機(jī)啟動(dòng)、停止、正反轉(zhuǎn)、軟啟動(dòng)和軟制動(dòng)； 4、給電機(jī)加載后，速度能迅速調(diào)節(jié)回給定值； 5、對(duì)電流能進(jìn)行截止負(fù)反饋控制，抑制電流沖擊。
三、提供波形數(shù)據(jù)： 1、不同速度下的PWM波形； 2、加載后的速度波形；
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本課題主要研究直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，采用PWM調(diào)壓控制方案，該同學(xué)主要工作是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真，實(shí)際速度閉環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
基本內(nèi)容： 1、設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)總體方案； 2、建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器算法； 3、直流電機(jī)的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路及其檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 4、 基于單片機(jī)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)； 5、分別對(duì)空載、負(fù)載和變給定工況進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析； 6、記錄波形分析數(shù)據(jù)。
| | 一、主要參考文獻(xiàn) 1、電機(jī)原理與設(shè)計(jì)的matlab分析，戴文進(jìn)，電子工業(yè)出版社； 2、電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)，吳守，機(jī)械工業(yè)出版社； 3、電力電子技術(shù)，浣喜明，高等教育出版社； 4、電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制，王曉明，北京航空航天出版社； 5、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)，李發(fā)海，清華大學(xué)出版社；
| | | | | | | | | 雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)建模 | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
一、 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)概述在許多場(chǎng)合，為了充分發(fā)揮生產(chǎn)機(jī)械的效能，提高生產(chǎn)率，速度控制系統(tǒng)經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)以及突加負(fù)載等過渡過程中，所以要求速度控制系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)性能。 對(duì)高性能、靜態(tài)的速度控制系統(tǒng)的要求是具有快速跟隨特性（起制性）、較好的抗干擾性和高可可靠性（可瞬態(tài)過載但不過流）。因此引入了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)在穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差調(diào)節(jié)。但是該控制系統(tǒng)也有自身的缺點(diǎn)，比如要求快速啟動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降等。 這種單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求，這是因?yàn)樵趩伍]環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中尚不能按要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)速。為解決這一矛盾，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，它與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)合在一起，可以專門用來(lái)控制電流，從工作原理上分析，它只能是在超過臨界電流值以后，才能靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，由于電流截止負(fù)反饋只能限制最大電流，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨著電流減小而下降，使啟動(dòng)加速過程變慢，啟動(dòng)的時(shí)間也比較長(zhǎng)，帶電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，依照反饋控制規(guī)律，驗(yàn)證與實(shí)踐，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就能達(dá)到上述要求。 1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理如下圖為轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，在用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。 兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅Uim決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Uim，對(duì)就電機(jī)的最大電流，電流調(diào)節(jié)器ACR輸出限幅電壓Ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角a。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖
1.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖所示，電流采樣模塊采用2歐姆的碳膜電阻，根據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)我們把碳膜電阻加在MOS管和GND相連的地方，因?yàn)殡娏鞑还軗Q向與否碳膜電阻采樣到的電流方向不變，所以給ADC采樣帶來(lái)了極大的方便，而且碳膜電阻功率比較大，當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致電流比較大的時(shí)候不至于燒壞。 由編碼器得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，，通過編碼器反饋脈沖信號(hào)，本次采用的編碼器精度為344，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生344個(gè)脈沖。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖
1.4雙閉環(huán)算法結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)本次課程設(shè)計(jì)算法的實(shí)現(xiàn)分為如下幾個(gè)部分ADC采樣實(shí)現(xiàn)，中斷脈沖計(jì)數(shù)，定時(shí)器計(jì)算速度，定時(shí)器產(chǎn)生兩路PWM，通過這兩路PWM占空比的差值調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一個(gè)串級(jí)PI調(diào)節(jié)器。 ADC采樣開了一路采樣，設(shè)置ARM采樣轉(zhuǎn)化時(shí)間為1微秒，設(shè)置PWM周期為5ms為了減小電流波動(dòng)帶來(lái)的采樣誤差我采集到10000個(gè)數(shù)字電壓然后計(jì)算平均電壓，采集到10000個(gè)點(diǎn)正好是兩個(gè)PWM周期，計(jì)算值有效而且響應(yīng)快速。中斷系統(tǒng)配置成上升沿觸發(fā)，當(dāng)來(lái)一次脈沖count會(huì)加1，開啟另外一個(gè)定時(shí)器50ms獲取一次count的值，然后求的這50ms電機(jī)的轉(zhuǎn)速，及時(shí)與設(shè)定速度調(diào)節(jié)，計(jì)算速度誤差通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度和電流雙閉環(huán)，PI調(diào)節(jié)器采用位置式寫法，位置式PI需要注意的地方是一個(gè)積分飽和，如果不設(shè)定積分限制PI調(diào)節(jié)器會(huì)跑飛，帶來(lái)很大的問題，外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分限制我采用分級(jí)控制的方式，當(dāng)速度誤差大于500時(shí)設(shè)定積分限制為電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)能夠達(dá)到的最大電流積分限制設(shè)置為8000，根據(jù)pi參數(shù)計(jì)算的得出，當(dāng)速度誤差大于300時(shí)設(shè)定積分限制為5000，當(dāng)速度誤差小于300時(shí)，設(shè)定積分限制為2000最小，計(jì)算得到PID值為速度穩(wěn)定是的ADC的值，這樣設(shè)計(jì)的好處就是不但能減小系統(tǒng)的超調(diào)量而且能夠加速系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。
二、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)2.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)采用雙路PWM，采用MOS管搭建H橋，采用2104芯片，芯片的IN端輸入高電平時(shí)HO輸出端輸出高端平，左上角的MOS管導(dǎo)通，LO端輸出低電平左下角MOS管關(guān)斷，上下MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷夠成互補(bǔ)，當(dāng)芯片IN端輸入低電平輸出電平相反MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷相反。 驅(qū)動(dòng)電路
2.2過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)過流保護(hù)的電路設(shè)計(jì)如下圖所示，過流保護(hù)電路的功能當(dāng)電機(jī)兩端短路時(shí)繼電器斷開，電路斷開不供電。當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)繼電器也斷開。過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)如下：本電路設(shè)計(jì)的主要核心元件是比較器、555定時(shí)器、繼電器。比較器的正向輸入端設(shè)置一個(gè)比較電壓，反向輸入端輸入采樣電阻得到的電壓，如果電機(jī)堵轉(zhuǎn)或者電機(jī)兩端短路會(huì)導(dǎo)致采樣電阻的電壓值變得很大，反向輸入電壓大于正向輸入電壓比較器輸出低電平，555定時(shí)輸出高電平，繼電器采用常閉型當(dāng)為高電平時(shí)繼電器斷開。通過電阻和電容的值設(shè)定555定時(shí)器的輸出高電平時(shí)間。 2.3上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上位機(jī)的設(shè)計(jì)主要是為了顯示速度和電流的變化曲線，藍(lán)色線為實(shí)時(shí)速度的顯示，紅色線是設(shè)定速度的曲線顯示，黑色線是電流變化的曲線，本次電流的值用ADC的值統(tǒng)一表示，本上位機(jī)的功能涵蓋了所有電機(jī)控制的功能，可以通過上位機(jī)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、和停止�；镜墓δ�，同時(shí)還可以加速減速，每次按鍵加速或者減速10r，設(shè)定速度標(biāo)度窗口輸入所要標(biāo)定的速度然后點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，紅色曲線便可按照設(shè)置的數(shù)值顯示曲線，上面還有兩個(gè)顯示速度和電流具體數(shù)值的窗口。
stm32單片機(jī)源程序如下: - #include "led.h"
- #include "delay.h"
- #include "key.h"
- #include "sys.h"
- #include "usart.h"
- #include "timer.h"
- #include "UserConfiguration.h"
- #include "UserFunction.h"
- #include "lcd.h"
- #include "exti.h"
- #include "adc.h"
- #include "PID_Current.h"
- //PWM輸出實(shí)驗(yàn)
-
- u32 spd_now=0;
- u32 set_spd=3300,set_vol=300,PwmOne_Set,adcx;
- float av;
-
- enum
- {
- flag_add,flag_minus,flag
- }FLAG_SPEED;
- enum
- {
- flag_zheng,flag_fan,flag_stop
- }FLAG_DIR;
-
- int main(void)
- {
- // u8 i=0,key;
-
- delay_init(); //延時(shí)函數(shù)初始化
- KEY_Init();
- NVIC_Configuration(); //設(shè)置NVIC中斷分組2:2位搶占優(yōu)先級(jí)，2位響應(yīng)優(yōu)先級(jí)
- uart_init(9600); //串口初始化為9600
- LED_Init(); //LED端口初始化
- Adc_Init(); //ADC初始化
- TIM1_PWM_Init(4999,71);
-
- EXTIX_Init();
- LCD_Init();
-
- POINT_COLOR=RED;
- TIM3_Int_Init(9999,719);
-
- FLAG_DIR=flag_zheng; //開始是正轉(zhuǎn)
- FLAG_SPEED=flag;
- while(1)
- {
-
-
-
-
- // UserPIDCurrentControl(set_vol) ;
- av=adcx*3.3/4096;
- LCD_ShowxNum(130,100,spd_now,8,16,0); //nowspd;時(shí)時(shí)速度
- LCD_ShowxNum(130,130,set_spd,8,16,0); //設(shè)定速度
- LCD_ShowxNum(130,160,3600,8,16,0); //電機(jī)最大速度
- LCD_ShowxNum(130,190,adcx,8,16,0);
- LCD_ShowxNum(130,230,av*1000,8,16,0);
- LCD_ShowxNum(130,250,PwmOne_Set,8,16,0);
- LCD_ShowString(50,160,100,12,16,"Max_Speed:");
- LCD_ShowString(50,100,100,12,16,"Now_Speed:");
- LCD_ShowString(50,130,100,12,16,"Set_Speed:");
- LCD_ShowString(50,190,100,12,16,"ADC:");
- LCD_ShowString(50,230,100,12,16,"Voltage:");
- adcx=Get_Adc_Average(ADC_Channel_2,10000);
- //按鍵設(shè)置標(biāo)量速度
-
- if(FLAG_SPEED==flag_add)
- {
- FLAG_SPEED=flag;
- set_spd+=10; //加速
- }
- else if(FLAG_SPEED==flag_minus)
- {
- FLAG_SPEED=flag;
- set_spd-=10; //減速
- }
- if(set_spd>=3600)
- {
- set_spd=3600;
- }
- if(set_spd<=0)
- {
- set_spd=0;
- }
-
- }
- }
vb上位機(jī)源碼如下：
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