直流电机转速控制实验报告.docx

计算机控制技术综合性设计实验实验课程： 直流电机转速控制实验设计报告学生姓名： 学生姓名： 学生姓名： 学生姓名： 指导教师： 牛国臣 实验时间： 年 月 日直流电机转速控制实验设计报告一、 实验目的：1. 掌握电机的工作原理2. 掌握直流电机驱动控制技术3. 掌握增量式编码器位置反馈原理4. 熟悉单片机硬件电路设计及编程5. 实现直流电机的转速控制二、实验内容：已知某一直流永磁有刷伺服电机参数如下：设计直流电机转速控制系统要求：表1 直流伺服电机参数额定电压(V)反电动势常 数Ke(mv/(r/mi n))转矩常数Km(mN.m/A)电机内阻R(Q)电机电感L(pH)转子转动惯量J(g.cm1. 分析并建立电机的数学模型，分别得出在连续控制系统和离散控制系统中 对应的传递函数； 基于MATLAB软件对直流电机进行仿真，并通过PID控制器的参数整定 对直流电机进行闭环控制， 设计直流电机控制硬件电路，主要包括主控模块、电机驱动模块、编码器 反馈模块、通信模块、电源模块、显示模块等4•对各模块进行单元调试，设计数字PID控制器，并基于AVR单片机编制 程序，进行系统联调5.最终完成直流电机控制硬件平台的设计、搭建及软件调试，要求有速度设置、显示功能，速度控制误差在 1%以内，具有与上位机通讯的接口，能通过上 位机方便进行参数设置、速度控制等操作。

)244.946.810.594027三、实验步骤：1、建立电机的数学模型，得出控制统的传递函数由直流电机得来的三个方程：u (s) = R i+Ldi + k nm m dt ET = k imMdwT = T + J — + Tm L dt f 、进行拉式变换得：U (s) = R I (s) + LSI (s) + k n (s)m m ET = k I (s)mMT = T + JS Q (s) + Tm L f带入数据在进行 z 变换得:G(z) _ 1.459z + 0.1394Z _ z2 - 0.9252z +1.39 x10-52、.基于MATLAB软件对直流电机进行仿真(1)连续系统阶跃响应程序为：>> num=[1]num =1>> den=[0.0000000542,0.00061,0.0468]den =0.0000 0.0006 0.0468>> G=tf(num,den)Transfer function:15.42e-008 s"2 + 0.00061 s + 0.0468>> step(G)>> Gz=c2d(G,0.01,'zoh')Transfer function:11.43 z + 0.06868z 2 - 0.4618 zSampling time: 0.01>> step(Gz)阶跃响应曲线如图 1 所示B LD D.10.2 0.3 D.4Q.6Q52o o2gpn 七-dLUVQ5Time (sec)图 1 阶跃响应曲线2）离散系统的单位阶跃响应程序如下：>> num=[52.756.913];>> den=[1 -0.8009 0.0005123];>> sys=[num,den,0.001];>> dstep(num,den,100)离散系统的阶跃响应曲线如图2所示(T=lms)：图2 离散系统的阶跃响应曲线（3）PID 参数整定1） 设D（z）二错误！未找到引用源。

即比例控制，经分析得错误！未找到引 用源过大，导致系统不稳定；2） 设D（z）=错误!未找到引用源错误！未找到引用源1-），即PI 控制，设错误！未找到引用源 =1，加入积分控制后该系统性能变差，故不需要 加入积分环节；3） 同理，加入微分环节后分析可得系统也不需要加入微分环节 综上所述，该系统无须再增加积分和微分控制，只需比例控制即可不同的Kp对应的响应曲线如下图3,图4,图5,图6所示:kp=1时的响应曲线epntufv-14-16 L060 70 80 90 100Time (sec)图 3 Kp=1 时的响应曲线kpR.I时的响应曲线©pn 竺d$J||||Ln oa an j n cri criv JU "rU □ v vwTime (sec)丄70-0 90 100图 4 Kp=0.1 时的响应曲线kp=0.001时的响应曲线■一 - i i i• 6 5 4 3 2 1 》 o o o o o o epn 七-dujvTime (sec)图 5 Kp=0.001 时的响应曲线kp=0.0001时的响应曲线10 20 30 40 50 60 70 80 90 10Time (sec)图6 图5 Kp=0.0001 时的响应曲线3、设计直流电机控制硬件电路（1）直流电机转速控制实验箱设计原理实验箱的功能是 MCU 根据设定期望转速控制电机转动，然后通过反馈单元获 取转速数据，MCU再根据转速误差进行PID修正最后得到预期转速。

根据功能可 将整个系统分为MCU模块、电机驱动模块、电源模块、解码模块、电机及光电编 码器其系统框图如图 7 所示2） 主控模块主控模块是整个系统的控制中心，主要包括 MCU、 I/O 接口、按键阵、 LCD 显示屏、ISP接口、串口通信接口、电机驱动控制输出它类似一个开发板，可 自行开发实现多个功能 MCU 采用的是具有高性能低功耗 AVR@8 位内核的 ATMEGA128,其具有的特点是128K字节的系统内可编程FLASH、53个通用I/O 口、4个具有比较模式的和PWM功能的定时器/计数器等选择原因是低功耗、 FLASH 空间大使用时还要依据要实现的功能进行熔丝位的编写，如当不使用 JTAG功能时要关闭它，以避免I/O实现障碍此模块预留4组8位I/O 口，可 自行选择作为输入输出，此系统中主要用了两组实现解码模块的控制和数据的采 集按键阵没有设置特定功能，可自行设定°LCD显示屏主要用来显示有关设定 转速，采集转速等信息电机驱动控制输出主要输出PWM波、正转反转、启动停 止等信号模块上有RS232接口，主要用来串口通信3） 电机驱动模块该系统的电机驱动芯片为LMD18200，该芯片是专用于直流电动机驱动的H 桥组件。

同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主控 制器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统其峰值输出电流高达 6A,连续输出电流达3A，工作电压高达55V而系统采用的直流电机电流上至 3.1A，因此LMD18200满足设计要求LMD18200内部电路框图如图8所示温度报警输出 自举1 输出1 Vs 输出2 自举2接地7图 8 LMD18200 内部结构框图LMD18200 工作原理：该芯片内部集成了四个 DMOS 管，组成了一个标准的 H 型驱动桥通过充电泵电路为上桥臂的 2 个开关管提供栅极控制电压，充电泵电 路由一个300kHz的振荡器控制，本系统在引脚1、11外接10uF电容作为第二个 充电泵电路外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升 的时间越短，工作频率可以更高引脚 2、 10 接直流电机电枢，正转时电流的 方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2电流 检测输出引脚 8 可以接一个对地电阻，通过电阻来检测过流情况内部保护电路 设置的过电流阈值为10A,当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复 输出。

如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出过热信号还可通过 引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号图9 LMD18200电路连接图本系统直流电机的额定电压为24V因此LMD18200的6脚接24V直流电源 电路图如图 9 所示4）解码模块系统的解码模块主要由 HTCL-2032 构成 HTCL-2032 是 Avago 公司生产的 CMOS 专用集成电路该芯片的特点是能够进行高速高精度正交解码，最高时钟 频率可达33MHz，最高倍频可达到4倍；能够进行二进制32位可逆计数，同时 可通过 8 位总线进行数据传输，方便操作；内部通过施密特触发进行噪音滤波， 抗噪能力强，简化了电路解码模块的输入信号是由编码器输出的 A、 B 两相正 交的脉冲信号，因为编码器是集电极开路输出，所以要在输入接口加上上拉电阻； 时钟频率采用的是33MHz的有源晶振编码器控制时采用的脉冲信号4倍频，32 位计数编码器旋转一圈输出1000个脉冲，4倍频后电机转一圈计数脉冲为4000， 由此可算出数据精度为 0.09°5）电源模块系统采用24V开关电源和2576电源转换芯片，24V用来对电机驱动模块供 电，5V用来给HTCL-2032芯片和单片机供电。

LM2576 系列稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能， 可驱动3A的负载（7805只能驱动1.5A的负载），有优异的线性和负载调整能力 稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外部元件的数目减到最 少，使用简单 LM2576 的效率比流行的三段线性稳压器要高，是理想的替代 一般情况下不需要或只要很小尺寸的外加散热片电路原理图如图10所示图 10 LM2576 电源转换电路原理图4、实验装置联调 实验装置的实物图如图11所示，实验装置模块化有利于功能的扩展和开发实验控制框架图如图12所示，给定控制流程如下：首先通过按键设定期望的转 速，设定可精确到每一位，并显示在LCD显示屏上，转速的单位可自行设定，这 里设定的是r/d；点击确定键MCU会根据设定的转速转换为定时器内输出比较寄 存器内的比较输出单元，通过快速PWM输出给驱动模块控制直流电机转速采 集过程是通过光电编码器与电机相连采集出所转圈数的脉冲信号，再通过 HCTL2032解码芯片进行解码得到脉冲数，MCU根据脉冲数算出实时的转速，根据 误差进行 PID 修正，调整比较输出单元，最后的得到期望转速编码器电机驱动模块电源模块IIIIIIII mr I解码模块MCU模块图 12 实验控制框架图图 11 实验装置的实物图四、实验结果在实验装置进行多次实验，验证装置的稳定性和其误差。

通过 ICCAVR 编写控制程序，调整好PID参数，设定好预期转速，将实验数据传送至上位机，经 MATLAB对数据分析，得到实验结果如表2所示表2实验数据表序号设定转速反馈转速误差误差百分比150050440.8%21000100330.03%32000200440.02%42500250330.012%53500350540.014%经过实践测试调速误差在1%以下，调速范围宽，系统稳定五、总结和感悟这次实验的学习，需要我们掌握扎实的MATLAB知识和计算机控制的基础知 识这次试验不仅巩固了我们的课程基础知识，还使得知识得到扩展装置被设 计用作计算机控制技术的课程实验，能够很好体现系统组成、程序编写、数据处 理、电机控制、PID算法等知识，其模块化和单独数据采集单元的创新设计提高 系。