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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 較大功率直流電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了較大功率的直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)額定電壓為24伏，額定電流為3.8A的25D60-24A直流電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 包括速度采集、計(jì)算、顯示以及實(shí)時(shí)控制，同時(shí)響應(yīng)外部控制器的控制命令等功能。
- 詳細(xì)介紹：
- 直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍廣，過(guò)載能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域，直流電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。 許多半導(dǎo)體公司推出了直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，但這些芯片多數(shù)只適合小功率直流電機(jī)，對(duì)于大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其集成芯片價(jià)格昂貴?；诖?，本項(xiàng)目有針對(duì)性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款基于25D60-24A的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該電路驅(qū)動(dòng)功率大，抗干擾能力強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。 為了保證直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，閉環(huán)控制是必不可少的，本文采用普通PID和模糊PID相結(jié)合的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，速度控制精確，動(dòng)態(tài)性能好。該控制系統(tǒng)具有速度采集、計(jì)算、顯示以及實(shí)時(shí)控制，同時(shí)響應(yīng)外部控制器的控制命令等功能，運(yùn)用方便靈活。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人民生活水平的不斷提高，對(duì)自動(dòng)化的需求越來(lái)越高，直流電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，遍及軍事、工業(yè)、民用等領(lǐng)域；而且對(duì)電機(jī)的速度調(diào)制的精度和靈活性也越來(lái)越高，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率范圍要求也越來(lái)越大，數(shù)字化控制直流調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。但是我國(guó)大部分?jǐn)?shù)字化控制直流調(diào)速裝置都是依靠國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格非常昂貴；目前國(guó)內(nèi)對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)大都是采用集成芯片，而且驅(qū)動(dòng)功率小，價(jià)格比較昂貴。為了提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率、速度調(diào)制精度、速度控制靈活性和降低成本，我們對(duì)較大功率的直流電機(jī)采用分立器件進(jìn)行數(shù)字化控制驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)?；舅悸罚?以STC12單片機(jī)作為主控制器，使用分立器件搭建驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)行對(duì)電機(jī)速度的采集、調(diào)節(jié)和控制。創(chuàng)新點(diǎn)： 一、目前大部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器主要采用集成芯片進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)，價(jià)格昂貴，而且驅(qū)動(dòng)功率較小，本系統(tǒng)完全采用分立器件搭建驅(qū)動(dòng)及控制電路，功率較大，且系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬。二、目前大部分直流電機(jī)采用普通PID算法進(jìn)行控制，而本系統(tǒng)除了采用普通PID算法控制外，同時(shí)采用了模糊PID算法進(jìn)行速度的控制與調(diào)節(jié)，大大改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高了控制的精度。技術(shù)關(guān)鍵： 傳感器檢測(cè)技術(shù)、數(shù)字化控制、自舉電路設(shè)計(jì)、H橋設(shè)計(jì)和速度控制算法。主要技術(shù)指標(biāo)：速度指標(biāo)，44rpm=<轉(zhuǎn)速<=2910rpm；連續(xù)運(yùn)行時(shí)間，每天8—10小時(shí)；器件發(fā)熱情況，無(wú)明顯發(fā)熱。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品可以通過(guò)對(duì)軟件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和使用不同版本的軟件對(duì)不同類型的被控對(duì)象進(jìn)行控制，也可以通過(guò)其他單片機(jī)或單片控制器進(jìn)行控制。易于和PLC等各種器件進(jìn)行通訊組成整個(gè)工業(yè)控制過(guò)程系統(tǒng)，而且操作簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。尤其是具有方便靈活的調(diào)試和控制方法、完善的保護(hù)功能、長(zhǎng)期工作的高可靠性和穩(wěn)定性，整個(gè)控制器驅(qū)動(dòng)電路的高集成化和體積小型化，彌補(bǔ)了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能不完善、調(diào)速不方便、不易于和其它器件通信控制、體積大等不足之處。而且易于查找故障，維護(hù)簡(jiǎn)單，調(diào)速精度高和迅速，其具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。本作品采用普通PID算法和模糊PID算法對(duì)速度進(jìn)行控制，和只用普通PID算法控制和只采用模糊控制相比較，具有調(diào)速精度高，響應(yīng)迅速，魯棒性強(qiáng)、系統(tǒng)偏差小等特點(diǎn)，而我國(guó)對(duì)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要是：綜合性最優(yōu)控制、補(bǔ)償PID控制、PID算法優(yōu)化和模糊控制技術(shù)，很少用模糊PID算法進(jìn)行對(duì)較大功率直流電機(jī)控制。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 非專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：本作品使用分立器件搭建驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)功率大，價(jià)格便宜；采用普通PID和模糊PID進(jìn)行精確控速和調(diào)速，具有速度調(diào)節(jié)響應(yīng)迅速，抖動(dòng)和偏差很小等特點(diǎn)。而現(xiàn)階段的大部分較大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)大都是采用普通PID算法調(diào)速。本產(chǎn)品的性價(jià)比要遠(yuǎn)高于同行產(chǎn)品，利于推廣使用。適用范圍及推廣前景技術(shù)性說(shuō)明：本作品適用于工業(yè)、軍事、民用等各種領(lǐng)域，而且可推廣到各種直流型的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，比如無(wú)刷直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等；還可推廣到逆變器的設(shè)計(jì)。市場(chǎng)分析：在現(xiàn)階段，市場(chǎng)上大多的數(shù)字直流調(diào)速設(shè)備都是從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格非常昂貴，國(guó)內(nèi)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)大都采用集成芯片，功率較低，而且成本也比較昂貴，而本作品具有很高的性價(jià)比，而且控制優(yōu)良，驅(qū)動(dòng)功率范圍大，利于移植。非常有利于本產(chǎn)品的推廣使用。經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：成本分析，本產(chǎn)品成本費(fèi)大約合計(jì)100元人民幣（每件）。產(chǎn)品單位售價(jià)，本產(chǎn)品可單位售價(jià)250-400元，且低于市場(chǎng)價(jià)。效益分析預(yù)測(cè)：若每件產(chǎn)品售價(jià)300元，每年生產(chǎn)銷售5萬(wàn)臺(tái)，年利潤(rùn)為1000萬(wàn)。
同類課題研究水平概述
- 一、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)為適應(yīng)小型直流電機(jī)的使用需求，許多公司推出了直流電機(jī)專用集成芯片，集成芯片的出現(xiàn)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)變得簡(jiǎn)單，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)課題的研究都采用集成芯片構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。但集成芯片構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出功率有限，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，再例如，SGS公司的L298N只可以驅(qū)動(dòng)46V，2A以下的電機(jī)；L293D輸出電流可達(dá)600mA、最大峰值電流為1.2A、最高工作電壓為36V；A3988電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片輸出也只可達(dá)1.2A和36V。而市場(chǎng)上僅有的大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片價(jià)格極高，如SA01一片驅(qū)動(dòng)芯片的價(jià)格約為3000元。此外，當(dāng)直流電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，電機(jī)專用集成芯片的發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重。而本系統(tǒng)完全采用分立器件搭建驅(qū)動(dòng)控制電路，功率較大且成本低，能夠驅(qū)動(dòng)額定電流為3.8A的直流電機(jī)，峰值電流可達(dá)7A，而且長(zhǎng)時(shí)間（連續(xù)工作8小時(shí)以上進(jìn)行測(cè)試）工作無(wú)嚴(yán)重發(fā)熱現(xiàn)象，系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)良好。二、控制算法的設(shè)計(jì)自PID控制器出現(xiàn)以來(lái)，它是應(yīng)用最為廣泛、也是最為基本的一種自動(dòng)控制器，對(duì)于大多數(shù)控制對(duì)象，采用PID控制己經(jīng)能夠取得基本滿意的效果。PID控制非常廣泛，國(guó)際上一些研究文章陳述了當(dāng)前工業(yè)控制的狀況表明90%以上的控制回路是采用PID 控制策略。但是，由于在電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)中，存在著干摩擦、齒輪間隙及滯后等非線性因素的影響，采用常規(guī)的PID控制算法，要實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)超調(diào)、高頻帶和低速平穩(wěn)的電機(jī)控制非常困難。此外，實(shí)際系統(tǒng)千差萬(wàn)別，使得PID控制器參數(shù)的整定有一定難度，也導(dǎo)致了控制效果不能盡如人意。再者，對(duì)于使用PID控制算法的直流控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于存在積分環(huán)節(jié)，理論上也應(yīng)該是穩(wěn)態(tài)無(wú)差系統(tǒng)，但它是將速度作為控制信號(hào)，而現(xiàn)有的測(cè)速方法如測(cè)速發(fā)電機(jī)機(jī)或數(shù)字測(cè)速方法，均存在系統(tǒng)誤差，從而限制了控制的精度。但隨著控制理論的不斷發(fā)展，一些先進(jìn)的控制策略已經(jīng)應(yīng)用到直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，如最優(yōu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制以及滑模變結(jié)構(gòu)控制等等。在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，將PID技術(shù)與其他一些控制算法相結(jié)合，就產(chǎn)生了一些改進(jìn)型PID控制。本系統(tǒng)采用了普通PID和模糊PID兩種控制算法進(jìn)行調(diào)速，系統(tǒng)性能良好，尤其是模糊PID控制算法大大改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，減小了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
