直流电动机闭环控制系统的开题报告

 
题目背景和意义
 本设计是根据我院新建“电机驱动与控制实验室”的设备，利用单片机对直流电动机和交流电动机的控制及各种特性。我重点研究的是直流电动机的闭环控制系统。通过本次设计，使同学顺利完成学校制定的实践教学任务。
 单片机把通过测量元件、变送单元和A／D转换接口送来的数字信号直接反馈到输入端与设定值进行比较。然后，对其偏差按某种控制算法进行计算，所得数字量输出信号经D／A转换接口直接驱动执行装置，对控制对象进行调节，使其保持在设定值上。
 在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活中起着十分的重要的作用。无论是在农业生产、交通运输、国防、医疗卫生、上午与办公设备，还是在日常的生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是只对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是只对电动机的转角、转矩，电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制的应用很多，但是，随着现代步伐的迈进，人们对自动化的要求越来越高，使电动机的复杂控制逐渐成为主流。
国内外研究现状
 PID控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟控制器PID控制是通过硬件（电子元件和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把他一直到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称为数字PID控制器，所形成的一整套算术则称为数字PID算术。数字PID控制器与模拟PID控制器相比，具有非常强的灵活性。电动机的的控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术、传感器技术、微机应用技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十年内发生了翻天覆地的变化。其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位予以单片机为主的微机处理控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并正相全数字控制方向发展。电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控制功率件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现，脉宽调控方法、变频技术在直流调速
 
 由单片机作为电动机的控制器具有以下特点：
 1．使电路更简单。
  模拟电路为了实现控制逻辑需要很多电子元件，使电路复杂。采用微机处理后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。
 2．可以实现复杂的控制。
 为基础理由很强的逻辑功能，运算速度快、精度高，与大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制。
 3．灵活性和适应性
 微处理得控制方式是由软件来完成的。如果需要修改控制规律，一般不必修改系统的硬件电路，只修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。
 4．无需零点飘逸，控制精度高
 数字控制不会出现模拟电路中经常出现的零点漂移问题。无论被控制量的大小，都可以保证足够的控制精度。
 5．可提供人机界面，多机联网工作
 现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。实际上可作为电动机控制器的元件还有很多种，例如工业控制计算机、可编程控制器、数字信号处理器。
 工业控制计算机科委功能强大，它有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境；但由于成本太高、体积大，所以只用于大型控制系统。
  可编程控制器则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算。由于功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。
 单片机介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能，低廉的成本。人们在选择电动机的控制器时，常常是再先满足功能的需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年要有25亿片各种单片机投入使用。弹片及时目前世界上使用量最大的微机处理器。
   
 三、主要内容与待解决的问题
 主要内容:
 1、学习直流电动机原理及驱动技术，掌握数字PID控制技术；
 2、完成相关设备的接口硬件设计；
 3、通过MCS-51单片机编写软件控制程序；
 4、系统联合调试，写出相应的使用说明。
 现有条件： 直流电动机、直流发电机、MCS-51单片机、微型计算机
重点解决的问题：
利用数字PID技术实现对电动机的闭环控制

 四、设计方法与实施方案
 文档设计的实施主要是结合直流电动机及单片机的理论知识，利用与其配套的实验箱，完成预期要解决的实验项目和实训项目，从而对其结果进行分析与总结，通过数字PID技术提高电动机的效率。通过收集各种资料，完成文档范文的撰写。
 
 五．进度计划
 第1周至第2周
 文档设计课题的相关资料的收集与整理，熟悉系统的相关操作和原理，完成开题报告。
 第3周至第4周
 系统学习直流电动机、直流发动机原理，完成硬件安装与线路联接。
 第5周至第12周
 系统学习数字PID控制技术、数字滤波技术。通过MCS-51单片机编写软件控制程序；完成直流电动机闭环控制系统；
 第13周至第14周
 联机调试；开始整理相关资料，撰写使用说明书和文档范文。
 第15周至第16周
 全面完成文档设计，准备进行答辩
 预期成果：通过该系统的设计开发，为实现直流电动机闭环控制系统数字化控制奠定基础。
 
 六、参考资料
[1] 王益全.直流电动机实际应用技巧  北京：科技出版社
[2] 何立民.单片机初级教程[M].北京：北京航空航天大学出版社
[3] 孙涵芳、徐爱卿. 单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社
[4] 郝鸿安. 常用数字集成电路应用手册[M].北京：中国计量出版社
[5] 吴金戌、沈庆阳、郭庭吉. 8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社
[6] 王晓明. 电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社
  [7] 杨宁、单片机的控制技术      北京：北京航空航天大学出版社