基于测速发电机的双闭环运动控制系统
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目录
摘要 ........................................................................................................................................... 3 一、实验原理 ........................................................................................................................... 3 1.1 测速发电机测速原理 .................................................................................................... 3 1.2 双闭环控制系统组成 .................................................................................................... 4 二、控制系统实现 ................................................................................................................... 5 2.1 电流调节器设计 ............................................................................................................ 6 2.2 转速调节器设计 .......................................................................................................... 10 三、控制系统硬件及电路设计 ............................................................................................. 14 3.1 电动机主电路的设计 .................................................................................................. 15 3.2 ACR模拟电流调节器（PID）具体设计 ...................................................................... 15 3.3 ASR数字调节器（PID）的具体设计 .......................................................................... 16 3.4 单片机及其接口电路的设计 ...................................................................................... 17 3.5 AD/DA设计： ............................................................................................................... 22 3.6 电源电路的设计： ...................................................................................................... 23 四、控制系统误差分析 ......................................................................................................... 25 4.1 电刷位置的影响 .......................................................................................................... 25 4.2 温度的影响 .................................................................................................................. 25 五、运动控制的程序编写 ..................................................................................................... 28 六、仿真分析 ......................................................................................................................... 33 6.1 电路建模 ...................................................................................................................... 33 6.2 电流调节器的设计 ...................................................................................................... 35 6.2 速度调节器的设计 ...................................................................................................... 36 6.3 仿真实验和结果分析 .................................................................................................. 36 参考文献 ................................................................................................................................. 39 附录 系统电路图 ................................................................................................................... 41
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摘要
本文基于测速发电机，利用转速和电流两种负反馈作用，设计了双闭环控制系统，在系统中要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间串连。以单片机为微控制器，进行控制程序的编写，编写出PID控制C51程序。本文从以下三个方面对基于测速发电机的双闭环控制系统进行可设计。1、论述直流双闭环调速系统的工作原理和建立双闭环调速系统的数学模型。建立模型之后，进行工程实现。2、设计出系统的硬件模型和电路。3分析系统的性能指标，进行运动控制程序的编写。
关键词：测速发电机 双闭环控制系统 PID控制
一、实验原理
1.1 测速发电机测速原理
输出电动势与转速成比例的微特电机称为测速发电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E?nK, K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。
为保证电机性能可靠，测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。此外，直流测速发电机要求在一定转速下输出电压交流分量小，无线电干扰小；交流测速发电机要求在工作转速变化范围内输出电压相位变化小。测速发电机广泛用于各种速度或位置控制系统。在自动控制系统中作为检测速度的元件，以调节电动机转速或通过反馈来提高系统稳定性和精度；在解算装置中可作为微分、积分元件，也可作为加速或延迟信号用或用来测量各种运动机械在摆动或转动以及直线运动时的速度。测速发电机分为直流和交流两种。
直流测速发电机有永磁式和电磁式两种。其结构与直流发电机相近。永磁式
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采用高性能永久磁钢励磁，受温度变化的影响较小,输出变化小，斜率高,线性误差小。这种电机在80年代因新型永磁材料的出现而发展较快。电磁式采用他励式，不仅复杂且因励磁受电源、环境等因素的影响，输出电压变化较大，用得不多。
用永磁材料制成的直流测速发电机还分有限转角测速发电机和直线测速发电机。它们分别用于测量旋转或直线运动速度，其性能要求与直流测速发电机相近，但结构有些差别。本文以直流测速发电机为研究对象
交流测速发电机。
有空心杯转子异步测速发电机、笼式转子异步测速发电机和同步测速发电机3种。
空心杯转子异步测速发电机：结构原理如图所示，主要由内定子、外定子及在它们之间的气隙中转动的杯形转子所组成。励磁绕组、输出绕组嵌在定子上,彼此在空间相差90°电角度。杯形转子是由非磁性材料制成。当转子不转时，励磁后由杯形转子电流产生的磁场与输出绕组轴线垂直，输出绕组不感应电动势；当转子转动时，由杯形转子产生的磁场与输出绕组轴线重合，在输出绕组中感应的电动势大小正比于杯形转子的转速，而频率和励磁电压频率相同，与转速无关。反转时输出电压相位也相反。杯形转子是传递信号的关键，其质量好坏对性能起很大作用。由于它的技术性能比其他类型交流测速发电机优越，结构不很复杂，同时噪声低，无干扰且体积小，是目前应用最为广泛的一种交流测速发电机。
笼式转子异步测速发电机：与交流伺服电动机相似，因输出的线性度较差，仅用于要求不高的场合。 同步测速发电机
同步测速发电机：以永久磁铁作为转子的交流发电机。由于输出电压和频率随转速同时变化，又不能判别旋转方向,使用不便，在自动控制系统中用得很少,主要供转速的直接测量用。
1.2 双闭环控制系统组成
调速是指在某一具体负载情况下，通过改变电动据或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。
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采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢?双闭环调速系统正是用来解决这个问题的。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。
这就是说，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器
本文是根据工程设计方法来对控制系统结构及参数进行设计。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。
二、控制系统实现
根据工程设计方法的基本思路我们知道首先应该选择电流调节器的结构。因
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