直流电机PID控制设计.docx

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直流电机PID控制设计

摘要

随着科学技术的进展，生产生活愈来愈离不开直流电机，专门是在工厂里面，直流电机更是几回出现，直流电机的必要性使直流电机的进展异样迅速，所以对直流电机的研究一直是人们研究的重点，直流电动机与交流电动机相较，直流电机具有专门好的调速性能和启动性能。

它的调速范围宽，调速光滑等特点，可以实现频繁的启动和制动；所以在自动化生产系统中，它起着重要的作用，知足各类各样的运行要求。

但直流电机也有它明显的缺点。

一是它的结构复杂，消耗材料比较多，所以生产本钱高；二是运行时由于有换向器的存在，容易产生火花，因此直流电机靠得住性较差，保护也比较困难。

可是直流电机并非是一无是处，在一些对性能要求不严格的场合下面，直流电机仍然处处可见，专门是当咱们找到解决直流电机的转速稳态误差的方式后，直流电机加倍的让人们喜爱，再大工厂车间中，直流电机更是无处不在，虽然它有着许多小毛病，可是在某些要求控制性能很高的场合下必需用到直流电机，所以直流电动机的应用目前仍占有较大的比重。

也一直是人们研究的重点。

这里咱们重点研究直流电机的工作原理和直流电机的各类调速方式，和有关涉及到直流电机的一些边缘知识，像PWM的结构及原理，PID控制的物理结构模型等等，在调速控制中，咱们包括两个大的部份，一个是直流电机的开环控制，另一个是直流电机的闭环控制，在直流电机的闭环控制中，又别离介绍转速闭环控制和PID闭环控制，而且对直流电机的每一个模型进行建模并仿真，观察其动态性能，分析研究直流电机的各个控制的优缺点，咱们取得开环直流电机并非能知足咱们对生产生活的要求，其最好的解决方式就是进行闭环控制（PID），纵观直流电机的进展史，PID控制虽然有着比开环控制更好的启动型能和稳固性能，可是也仍是知足不了社会对直流电机愈来愈苛刻的需求，所以，在直流电机的控制中，又出现了电流反馈的双闭环调节，这解决了PID控制中无法控制电流的为难情形，与PID控制相较较，有着电流反馈的直流电机启动性能更好，在负荷运行时候也更节能。

至此，直流电机的研究并无结束，它随着社会的需要，研究也会愈来愈深切，咱们会看到多种多样的控制方式。

关键词：

直流电动机，转速控制，PID控制，Matlab仿真

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,productionandlivingismoreandmoreinseparablefromtheDCmotor,especiallyinafactory,DCmotorismorefrequent,thenecessityoftheDCmotortoDCmotorexceptionallyrapiddevelopment,sothestudyofDCmotorhasalwaysbeenafocusinthestudyofpeople,comparedtoDCmotorandACmotor,DCmotorhasgoodspeedregulationperformanceandstartupperformance.DCmotorspeedrangeisverywide,verysmoothspeedregulationcharacteristics,whichcanrealizefrequentsteplessquickstart,brakeandreverse;AndDCmotoroverloadcapacityisbig,canbearveryfrequentimpactcurrent;Soinautomatedproductionsystems,itshoulderstheimportantrole,meetallkindsofoperationrequirements.ButDCmotorhasitsobviousshortcomings:

oneisitsmanufacturingprocessiscomplex,consumptionmaterialsmore,sothehighcostofproduction,twoitistoruntimeasaresultoftheexistenceofacommutator,easytoproducesparks,andDCmotorreliabilityispoorer,maintenanceisalsomoredifficult.ThusthespeedcontrolperformancerequirementsisnothighinsomeareaofDCmotorhasreplacedbyACmotor.Butinsomelargerangeofspeedandquicknessdemanding,goodprecisionandcontrolperformance,theapplicationofDCmotorisstilloccupiesalargeproportion.SotheDCmotorhasbeenafocusinthestudyofpeople.

HerewefocusontheworkingprincipleofDCmotorandtheDCmotorspeedcontrolmethods,aswellastheknowledgeofsomeedgeofinvolvedinDCmotor,suchasthestructureandprincipleofPWMandPIDcontrol,andsoon,thephysicalstructureofthemodelinthespeedregulationcontrol,weincludetwoparts,oneistheopenloopcontrolofDCmotor,theotherisaclosedloopcontrolofDCmotor,intheclosed-loopcontrolofDCmotor,andrespectivelyintroducesthespeedclosedloopcontrolandPIDclosed-loopcontrol,andeachmodelofDCmotorformodelingandsimulation,observeitsdynamicperformance,theadvantagesanddisadvantagesofanalysisandstudyofDCmotorcontrol,wegettheopenloopDCmotordoesn'tmeetourrequirementforproductionandliving,thebestsolutionistoclosedloopcontrol（PID）,throughoutthehistoryofDCmotor,PIDcontrolwithbetterthanopenloopcontrolcanstartmetalandstableperformance,butalsostillcan'tsatisfythesocialdemandforDCmotorismoreandmorestrict,sothecontrolofDCmotor,andthecurrentfeedbackofdoubleclosed-loopadjustment,itsolvedthePIDcontrol,unabletocontrolthecurrentembarrassingsituation,comparedwithPIDcontrol,hasacurrentfeedbackDCmotorstartupperformancebetter,theloadoperationtimeandmoreenergysaving,sofar,thestudyofDCmotorisnotover,withtheneedofthesociety,italsowillbemoreandmorethoroughstudy,inthenearfuture,wewillseeawidevarietyofcontrolmode.

Keywords：

DCmotor,speedcontrol,PIDcontrol,Matlabsimulation

1绪论

课题背景

直流电机的进展要追溯到19世纪30年代，法拉利发觉电磁感应定律，以后在1838年楞次提出了楞次定律，指出电机既能够作电动机又能够作发电机，在1860年，巴辛罗特制作了第一台电机既可做发电机又可作电动机，至今经历了两个多世纪，直流电机作为一种能量转换装置，随着电能的普及，其作用也愈来愈明显，它解放了人们的双手，让人从只能用手或牲畜工作的方式转变成机械作业[1]。

课题研究目的和意义

随着科学技术的进展，生产生活中愈来愈多的地方需要用到电机，这促使电机飞速进展，直流电机从以往的小功率，大体积到现现在的大功率和小体积，各类各样的电机知足了不同行业对电机的需求，随着制造业的不断进展，对电机的控制要求也愈来愈高，现现在，直流电机进展已经趋于成熟，人们对直流电机的了解也进一步增强，它有着专门好的启动性能和调速性能，其调速简单，没有像交流电机那样复杂，这是由于直流电机其电机内部的励磁回路与转矩回路是分开的，故有着优秀的控制性，咱们能够别离予以控制，所以，在控制其输出转矩与转速时候完全不用考虑到励磁回路的影响，以至于在相当长的一段时刻里面，直流电机在运动控制领域占据着主导地位，可是由于直流电机有换向器，这也是直流电机的一个致命的缺点，因为换向器会产生火花，使他不能够达到很高的转速，而且由于换向器的摩擦原因，直流电机的换向器很容易受损，使其利用寿命大大降低[2-3]。

所以，在通过无数人的尽力下，直流电机中又出现了无刷的直流电机和用各类方式控制的电机，像PLC控制的，单片机控制的等等，这些都取得了辉煌的功效[4-6]。

其中直流电机的调速是现代电力拖动控制中进展较早的技术，专门是在20世纪80年代，随着晶闸管的出现和现代控制理论的成熟，一些高性能，高效率的直流电机接踵问世，使得直流电机变得加倍经济性和可保护性，其优秀的调速性能是直流电机仍有其广漠的进展市场，比如像轧钢机，造纸方面等等[7]。

课题研究的主要工作

因为直流电机有着专门好地启动型和动能性，能在很广的范围内光滑的调速，所以在高性能可控电力拖动中取得了普遍的应用，直流电机已经深切到国民生活当中，而且直流电机控制原理及技术都比较成熟，此刻已经有了很成熟的反馈闭环控制理论，虽然直流电机的研究已经很深切，可是要弄清楚直流电机的调速方式却很有必要，咱们要明白其工作原理，就明白其调速方式要如何实现，要明白其方式的性能如何，就要进行Matlab仿真，已达到其观测动态的目的[8]。

Matlab中带有Simulink，他是一款仿真软件，在仿真中，Simulink是最好用，最优秀，最壮大的一种，利用Simulink将是咱们对仿真变得简单方便，其进程仍是交互的，咱们能够随时改变其参数来达到不同的效果。

因此，直流电机的调速问题的研究有很实际的意义。

国内外研究现状

电力电子技术的进展推动了直流电机调速控制的进展步伐，专门是从20世纪60年代开始，电力电子器件晶闸管的发明，使功率集成电路的结构和功能愈来愈壮大，与此同时，微电子技术、传感器技术、自动控制技术也进展迅速，这是这些技术的进步，使自动控制技术也发生翻天覆地的转变。

直流电机的调速控制是随着工业的进展息息相关的，当人们对现有的控制系统不知足要求的时候，就急需一种符合要求的控制方式来知足要求，现现在，直流电机调速方式多种多样，有PID控制、单片机控制、还有PLC控制等等，我国关于数字直流调速系统的研究主要有综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术[9]。

2直流电动机的工作原理及大体结构

直流电机的结构

如下图所示是直流电机的物理模型，由图能够看出，直流电动机结构中有换向器、电刷，磁极和转子，在实际直流电机中，还包括机座和端盖，换向磁极、主磁极、机座和端盖，电刷装置组成电机的定子，电枢绕组、电枢铁心、转轴、轴承和换向器组成电机的转子。

图直流电机模型

图中N、S为定子的磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子，咱们又叫它电枢。

线圈的a、d端连接到两个彼此绝缘的换向片上。

换向片上面有不动的电刷，电刷和转子线圈与外电路是连通的。

直流电机的大体工作原理

如图所示，当咱们在AB相加上直流电压源后，电流方向为dcba，咱们由楞次定律可知，在N上S下的情形下，电枢有向左的力，是电枢向左运动，当电枢转动180度时，由于换向器的作用，使电流的方向发生改变，电流方向为abcd，虽然电流方向发生改变，可是力的方向没有发生改变，仍然是向左的，正因为如此，能够使电机一直朝一个方向运动下去,可是由于转子只有1个磁极的关系，在磁场中的受力并非均匀，所以如此的电机在转的时候会有明显的震颤感觉，所以实际直流发电机的电枢是按如实际需要有多个线圈。

线圈散布在电枢铁心表面的不同位置，依照必然的规律连接起来，当线圈增加时，相应的磁极也要增加。

图直流电机转动模型

直流电机是电能转换装置，它将电能转换为机械能，当电枢上有直流电通过时，会在电枢绕组上感应电动势，称为电枢电动势，电枢电动势与电机转速成正比，表达式别离为：

（）

（）

在上式中，n为直流电机转速、R为电枢电阻、

为电动机电动势常数、

励磁磁通（Wb）。

咱们能够看出，电动机转速与电枢电压、电枢电流和励磁磁通有关，当电压不变时，增大电枢电流，转速n就会下降，当电枢电流不变时，减小电枢电压转速n也会下降。

本章小结

咱们从直流电机的结构中能够看出，直流电机的结构复杂，工艺复杂，可是直流电机相对节能，高，和交流电机相较，直流电机用的是直流电，现在大多数用的电是交流的，所以在利用直流电机的时候需要交直转换器，从而增加了本钱，最重要的是直流电机中存在换向器，在换向器工作中会产生火花，当速度增大到必然的值后，换向器中的火花会形成环火，从而影响直流电机的转速，使不能转的专门快。

可是直流电机独特的工作方式使它的调速范围广、带负载能力大、震动小、噪音低、通用性强、保护方便，而且直流电机对环境的适应能力强，可在有侵蚀等恶劣环境中工作，所以直流电机在咱们生产生活中也取得了普遍的利用，研究直流电机控制不仅关系着国民生产，更是一种对未知事物的探索。

3开环直流电机的调速方式

由电机的转速公式

能够看出，直流电机的调速方式有以下三种，一是调节励磁磁通Ф，二是调节电枢电压U，三是调节电枢回路的电阻R。

在这三种调速方式中，调节励磁磁通需要改变磁场强度，在很多直流电机中，一般采用永久磁铁作为直流电机的NS极，在这种结构中，无法调节吃擦很难过的大小，可是也有一些直流电机采用直流励磁的方式获取磁场，由于直流电机本身结构就复杂，所以用直流励磁的方式很少采用；在直流电机中，只要直流电机已肯定，那么它的电枢电阻也就固定，所以也就无法调节电枢的电阻大小；直流电机中电枢电压是由外加电压肯定的，改变外加电压即可调节电枢电压的大小，所以在这三种调速方式中电枢电压调节方式最好实现，而且调节电枢电压的大小调速范围大，因此在自动控制中咱们常常采用调压调速，咱们明白，一般的调节电压方式无法做到光滑调节，而且一般都会有专门大的损耗，所以调节为了实现电压光滑调速，咱们采用PWM变换器来控制直流电机。

在控制原理中，咱们明白，当冲量相等的两个形状不一样的脉冲加在同一个具有惯性的环节上，两个产生的效果一样，即，只要面积一样，那么它的作用就一样，其中PWM控制正好符合那个要求。

直流电机通过将电压源接入到PWM控制器上来改变其电压大小称之为PWM控制，由于采用了PWM控制，使电机的调速系统开关频率变高，仅靠电机的电枢电压就可以够取得光滑的转速特性，随着电力电子器件开关性能的不断提高，直流脉宽调制技术取得飞速的进展。

PWM的组成及工作原理

PWM是由晶闸管组成的，晶闸管又可称做器，以前被简称为可控硅，它能够人为控制其导通与关断，晶闸管的结构图如图所示。

图晶闸管等效图

能够看出它是由三个PN结组成的，在工作时它只有两种状态，导通状态和关断状态。

晶闸管为何会愈来愈受到人们的喜爱呢？

因为晶闸管有着很多的有点，最重要的就是晶闸管能够放大电流，其放大倍数能够高达几十万倍，而且晶闸管的开关频率超级快，能够达到十几kHz，在如此高的频率上，晶闸管还能正常工作，所以在生产生活中取得普遍的应用。

它是由两个PN结组成，在P1上连接晶闸管的阴极，在P2上连接晶闸管的门极，在N2上连接晶闸管的阳极，咱们在分析晶闸管的工作原理时，将晶闸管分解成如劣等效图，它由一个PNP管和一个NPN管所组成[10-12]。

当晶闸管AK接负向电压不时,无论门极是不是加电压，J1和J3都是反向电压，咱们明白当PN结加反向电压的时候，电流截止，所以晶闸管处于截止状态，咱们称这种状态为反向截止状态，当咱们在AK接正向电压，门极G不加电压的时候，现在虽然J1和J3处于导通状态，可是J2仍是处于截止状态，晶闸管仍是未导通，咱们称这么状态为正向截止，当门极G加正向电压时，这时晶闸管J2处于导通状态，使整个晶闸管导通，现在压降很小，咱们称那个状态为正向导通状态。

当晶闸管导通过，门极G就不能控制晶闸管的关断，要想晶闸管关断，就只能使AK电压减小，直到其电压不能维持晶闸管导通为止[13-16]。

PWM的控制原理

PWM控制的作用是将恒定的直流电源电压调制成频率必然，脉宽能够调整的脉冲，如此就可以够调节电压的大小[17]，改变电机的转速，下图面是一个单相桥式PWM逆变电路控制原理图。

图 晶闸管等效图

它是由4个晶闸管组成，别离为V1、V2、V3和V4，在工作的时候，V1和V2交替导通，V3和V4也交替导通，当调制电路如图时，当Ur为正弦波，当Ur处于正半周时，V1导通V2截止，uc为三角波，在正半周时，当uc>ur,V3断开，V4导通，u0=ud;当ucuc时使V3断，V4通，uo=0，所以在Ur一个周期内，u0有三种状态，u0=0、uo=－ud和u0=ud。

图 调制电路

其中uc的脉冲输出由触发脉冲相位角α控制，输出电压Ud0与触发脉冲相位角α的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形持续时，Ud0=f（α）可用下式表示。

（）

本章小结

PWM是由晶闸管组成的，晶闸管的特性就是能够人为的让它导通，可是晶闸管有一个缺点就是不能人为的通过门极电压来关断已经导通的通路，要让其关断咱们只能依托AK两头的电流减小到不足以维持晶闸管导通为止，可是这并非影响咱们对它的利用，在由晶闸管组成的变换电路中，咱们能够通过控制触发脉冲角的方式改变电压，触发脉冲角的转变改变的是脉冲的输出面积，咱们明白电压与面积是成比例关系的，当咱们改变触发脉冲角的大小就可以够改变输出电压的大小了，虽然这种调节方式需要很多的电力电子原件，造价相对较高，可是由于工艺的提升，使晶闸管的开关频率很高，所以当咱们用PWM进行调压时，电压调节超级光滑，不存在传统通过电阻滑动调压方式所有的电压不光滑现象。

这是其他调压方式所不能达到的，所以PWM调压是此刻调压方式中利用最多的一种方式，愈来愈多的领域需要这种调节方式。

4直流电机开环系统仿真

Matlab简介

此刻咱们用到最多的仿真软件是MATLAB，，它是由美国TheMathWorks公司编写的一款数学软件。

它是一种可用于数据分析、数据可视化、算法开发和数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

除能够进行绘制、矩阵运算函数/数据图像等常常利用功能外，还能够利用其它语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。

虽然MATLAB主要时用于数学上的数值运算，可是由于它集成了很多的附加工具箱使它也适合不同的领域，比如应用在图像处置、控制系统设计与分析、金融建模和分析、信号处置与通信等。

在建仿照真中，咱们常常利用的是Simulink，Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

咱们能够在该环境中通过简单直观的构造出复杂的系统，而不需要很繁琐的键盘鼠标操作，基于以上长处，所以Simulink已被普遍应用于控制理论和数字信号处置的复杂仿真和设计领域。

它具有适应面广、结构和流程清楚及仿真精细、切近实际、效率高、灵活等长处。

直流电机的稳态模型

通过上面的式子

，外加电压由PWM控制，当忽略晶闸管的延迟时刻，在额定励磁下，直流电机的开环调速系统稳态结构图如下图所示。

图直流电机开环稳态结构图

假设电机的各个参数为：

额定电压Un=220V，额定电流In=55A，空载转速为560r/min,那么电动机电动势系数Ce=

=·min/r,电枢总回路电阻R=1Ω，当放大系数Ks为22，Uc=

为10。

图阶跃信号模块

咱们明白了直流调速系统中的各个参数后，打开Matlab，点击图上面的运行按钮，进入Simulink操作窗口，从上面的仿真框图中咱们明白要有比例环，在Simulink中，咱们从MathOperations组中找到Sum和Gain，这就是咱们要的比例和求和环，除另外，咱们在Source中找到STEP，即阶跃模块，咱们将找到的模板拖入在Simulink中新建的窗口中，其中Scope1为阶跃相应，因为咱们的Uc为10，双击Scope1，将10填入其中，取得如上图，Gain2为放大环节，双击它，因为Ks为22，填入数据22，取得如下图所示。

图放大信号模块

因为咱们的电枢电阻R=1，所以Gain3里面填入1，Ce=·min/r,咱们打开Gain2,填入数据1/，填入数据完成，咱们将各个环节连接起来后就可以够进行仿真了。

当电枢电流Id=0，即不带负载，咱们取得转速如下图所示。

图直流电机转速图

咱们能够看出，点击空载时电机的转速稳固在560r/min左右。

当咱们增大电枢电流Id=5时，进行仿真，仿真图如下图所示。

图直流电机转速图

咱们能够看出这时转速下降到547r/min左右，当咱们在0-5S设置Id=10,5s后Id=20，仿真图如图所示。

图直流电机转速图

咱们从图上能够看出，电机转速为535下降到510，当咱们增大电流时，转速下降专门快。

本章小结

通过咱们对直流电机的学习，咱们明白电