基于模糊控制的直流电机调速系统毕业设计论文

基于模糊控制的直流电机调速系统毕业设计论文内容摘要：

功率等物理量进行控制。 掠 模糊控制技术是以模糊数学为基础发展起来的一种新的控制技术。 模糊控制方式是一种非线性控制方式，对无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统可以取得令人满 意的控制效果。 直流电动机转速控制是一种非线性的时变的复杂过程，转速直接影响着工件的机器质量。 本文讨论了利用模糊控制技术设计的单片机模糊速度控制系统，实验表明该系统比传统的 PID 速度控制系统精度高、速度快。 掠 国内外研究现状及发展展望 掠 由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一掠 掠 2掠 掠直占据垄断地位。 当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。 但 是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。 在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。 而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。 因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。 掠 在我国，模糊控制的理论研究水平相对较高，而应用技术水平却相对落后，特别是在工业过程控制领域，普遍采用简单的模糊控制方法查表法或公式法实现模糊 控制，虽然其控制精度不高，但简单实用性很高。 本文推出一种通用的模糊控制器，其模糊控制用查表法实现，从而改善控制性能，只要根据对象给出系统输入、输出量的隶属函数及控制规则，再加上少量的外围电路就可构成一个模糊控制系统。 掠 本文研究的主要内容 掠 了解了直流电动机的重要意义，明确了模糊控制的发展现状，知道了基于模糊控制的直流电机调速系统的发展展望； 掠 对直流电机和模糊控制的工作原理做了简单介绍。 掠 详细研究基于模糊控制的直流电机调速系统的可行性，并且具体分析调速系统的优缺点，软硬 件的仿真验证，发现系统的明显优点。 掠 根据调速系统的功能，完成系统的软件仿真和硬件设计，绘制电路图，并最终完成实物系统； 掠 重点完成 matlab 系统级仿真，仿真出相应数据输出。 掠 有效率的完成硬件选材和制作； 掠 对本次设计做总结，写出设计的心得体会。 掠 掠 掠 掠 3掠 掠第二章 直流电机 掠 直流电机简介 掠 将直流电能转换为机械能的转动装置。 电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。 根据是否是否配置有常用的电刷 换向器可以将直流电动机分 为两类，包括有刷直流电动机和无刷直流电动机。 掠 掠 图 11 有刷直流电动 机 图 12 无刷直流电动机 掠 无刷直流电机是近几年来随着微处理器技术的发展和高开关频率低功耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和 低成本、高磁能级的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。 掠 无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。 掠 按照供电方式的不同，无刷直流电机又可以分为两类：方波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形都是矩形波，又称为矩形波永磁同步电动机；正弦波无刷直流电动机，其反电势波形和供电电流波形均为正弦波。 掠 直流电机结构 掠 直流电机的结构 应由定子和转子两大部分组成。 直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。 运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转掠 掠 4掠 掠轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。 掠 掠 （ 1）主磁极 掠 主磁极的作用是产生气隙磁场。 主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。 掠 铁心一般用 ～ 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组 的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。 励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。 整个主磁极用螺钉固定在机座上， 掠 （ 2）换向极 掠 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。 换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。 掠 （ 3）机座 掠 电机定子的外壳称为机座。 机座的作用有两个： 掠 一、是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个 电机的支撑和固定作用；掠 二、是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。 为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 掠 （ 4）电刷装置 掠 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。 电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。 刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 掠 掠 掠 5掠 掠 掠 （ 1） 电枢铁心 掠 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。 掠 一般电枢铁心采用由 厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。 叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。 铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。 掠 （ 2）电枢绕组 掠 电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。 它是由许多线圈（以下称元件）按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以 及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。 为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。 线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 掠 （ 3）换向器 掠 在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。 换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘。 掠 （ 4）转轴 掠 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。 掠 直流电机工作原理 掠 掠 掠 掠 6掠 掠 图 13 直流电动机模型 掠 图是一个最简单的直流电动机模型。 在一对静止的磁极 N 和 S 之间，装设一个可以绕 ZZ39。 轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈 abcd。 这个转动的部分通常叫做电枢。 线圈的两端 a 和 d 分别接到叫做换向片的两个 半圆形铜环 1 和 2 上。 换向片 1 和 2 之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。 A 和 B 是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。 来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。 掠 掠 图 14 换向器在直流电机中的作用 掠 当电刷 A 和 B 分别与直流电源的 正极和负极接通时，电流从电刷 A 流入，而从电刷 B 流出。 这时线圈中的电流方向是从 a 流向 b，再从 c 流向 d。 我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。 当电枢在图75（ a）所示的位置时，线圈 ab 边的电流从 a 流向 b，用 +表示， cd 边的电流从c 流向 d，用 ⊙ 表示。 根据左手定则可以判断出， ab 边受力的方向是从右向左，而 cd 边受力的方向是从左向右。 这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向转动起来。 掠 当电枢转到使线圈的 ab 边从 N 极下面进入 S 极，而 cd 边从 S 极下面进入 N极时，与线 圈 a 端联接的换向片 1 跟电刷 B 接触，而与线圈 d 端联接的换向片 2跟电刷 A 接触，如图 75（ b）所示。 这样，线圈内的电流方向变为从 d 流向 c，再从 b 流向 a，从而保持在 N 极下面的导体中的电流方向不变。 因此转矩的方向掠 掠 7掠 掠也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。 由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。 掠 掠 由直流电机的速度公式 n=(UaIaRa)/CaΦ,其中 n是电机转速， Ua 是电 枢电压， Ia 是电枢电流， Ra 是电枢回路总电阻， Ce 是电极常数， Φ是电机的励磁 磁通。 对于极对数是 p，匝数是 n，电枢支路数为 a 的电机来说 Ca 是常数。 掠 由上式可得，直流电动机的转速控制方法可分为两类：调节励磁磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。 其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。 现在，大多数应用场合都使用电枢控制方法。 掠 对电动机的驱动离不开半导体功率器件。 在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，对半导体器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。 掠 线性放大驱动方式是使半导体功率器件工作在线性区。 这种方式的优点是：控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工作时由于产生热量会消耗大部分电功率，效率和散热问题严重，因此这种方式只用于微小功率直流电动机的驱动。 绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。 开关驱动方式是使半导体器件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电压，实现调速。 掠 在 PWM 调速时，占空比 α是一个重要参数。 以下 3 种方法都可以改变占空比的值。 掠 （ 1）定宽调频法 这种方法是保持 t1 不变， 只改变 t2，这样使周期 T（或频率）也随之改变。 掠 （ 2）调频调宽法 这种方法是保持 t2 不变，只改变 t1，这样使周期 T（或频率）也随之改变。 掠 （ 3）定频调宽法 这种方法是使周期 T（或频率）保持不变，而同时改变t1 和 t2。 掠 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的掠 掠 8掠 掠频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用得很少。 目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 掠 掠 第三章 模糊控制概论 掠 利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。 在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。 然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。 换言之，传统的 控制理论 对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。 因此便尝试着以模糊数学来处理这些 控制问题。 掠 模糊控制理论 掠 所谓模糊控制，是指在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理来模拟人的模糊思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。 其中 “模糊 ”是指知识、概念上的模糊性。 虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的，但它所完成的却是一项完全确定的工作。 为实现模糊控制，需要设计模糊控制器，以实现语言控制。 掠 模糊控制器结构包括以下 3 个方面 ： 掠 （ 1）精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为某适当论域上的模糊子集； 掠 （ 2）模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制 规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系； 掠 （ 3）输出信息的模糊判决，并完成模糊量到精确量的转换。 掠 模糊控制以模糊数学理论、模糊语言形式为理论基础，是一种基于模糊规则的控制系统，这些模糊控制规则是直接从专家经验或现场操作者的经验中进行归纳、优化得出来的，是一种蕴涵着人类智能、推理和决策的控制方式。 经典数学以特征函数讨论问题，而模糊数学以隶属函数讨论问题。 系统精确数学模型的建掠 掠 9掠 掠立，其实质是应用一定的数学处理手段，基于待辨识系统的大量测量数据，找出体现系统输入与输出之间的内在联系，并通过一定的数学表达式加 以描述。 建立系统模糊模型的基本思想也是这样，只是将采集到的精确量量测数据进行模糊化处理，转化成通过隶属度和模糊子集表达的模糊量，也就是说，将原通过精确量数据描述系统输入输出之间的内在联系（精确数学模型），转化成一种相应的由条件语句 IF（输入语言变量模糊子集）、 THEN（输出语言变量模糊子集）表达的模糊关系，这便是系统的模糊模型。 掠。