基本信息
- 項目名稱：
- 較大功率直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本項目設計并實現(xiàn)了較大功率的直流電機H橋驅(qū)動電路，同時設計并實現(xiàn)了對額定電壓為24伏，額定電流為3.8A的25D60-24A直流電機的閉環(huán)控制系統(tǒng)， 包括速度采集、計算、顯示以及實時控制，同時響應外部控制器的控制命令等功能。
- 詳細介紹：
- 直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍廣，過載能力強，可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)，能滿足生產(chǎn)過程中自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，因此在工業(yè)控制領域，直流電機得到了廣泛的應用。 許多半導體公司推出了直流電機專用驅(qū)動芯片，但這些芯片多數(shù)只適合小功率直流電機，對于大功率直流電機的驅(qū)動，其集成芯片價格昂貴?；诖?，本項目有針對性設計和實現(xiàn)了一款基于25D60-24A的直流電機驅(qū)動電路。該電路驅(qū)動功率大，抗干擾能力強，具有廣泛的應用前景。 為了保證直流電機轉(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)合的方法對電機進行調(diào)速，速度控制精確，動態(tài)性能好。該控制系統(tǒng)具有速度采集、計算、顯示以及實時控制，同時響應外部控制器的控制命令等功能，運用方便靈活。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的： 隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人民生活水平的不斷提高，對自動化的需求越來越高，直流電機的應用領域也不斷擴大，遍及軍事、工業(yè)、民用等領域；而且對電機的速度調(diào)制的精度和靈活性也越來越高，對電機驅(qū)動的功率范圍要求也越來越大，數(shù)字化控制直流調(diào)速得到廣泛應用。但是我國大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置都是依靠國外進口，價格非常昂貴；目前國內(nèi)對直流電機的驅(qū)動控制設計大都是采用集成芯片，而且驅(qū)動功率小，價格比較昂貴。為了提高電機驅(qū)動功率、速度調(diào)制精度、速度控制靈活性和降低成本，我們對較大功率的直流電機采用分立器件進行數(shù)字化控制驅(qū)動設計。基本思路： 以STC12單片機作為主控制器，使用分立器件搭建驅(qū)動電路，進行對電機速度的采集、調(diào)節(jié)和控制。創(chuàng)新點： 一、目前大部分電機驅(qū)動控制器主要采用集成芯片進行開發(fā)和設計，價格昂貴，而且驅(qū)動功率較小，本系統(tǒng)完全采用分立器件搭建驅(qū)動及控制電路，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采用普通PID算法進行控制，而本系統(tǒng)除了采用普通PID算法控制外，同時采用了模糊PID算法進行速度的控制與調(diào)節(jié)，大大改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了控制的精度。技術關鍵： 傳感器檢測技術、數(shù)字化控制、自舉電路設計、H橋設計和速度控制算法。主要技術指標：速度指標，44rpm=<轉(zhuǎn)速<=2910rpm；連續(xù)運行時間，每天8—10小時；器件發(fā)熱情況，無明顯發(fā)熱。
科學性、先進性
- 本作品可以通過對軟件進行參數(shù)設定和使用不同版本的軟件對不同類型的被控對象進行控制，也可以通過其他單片機或單片控制器進行控制。易于和PLC等各種器件進行通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且操作簡單，抗干擾能力強。尤其是具有方便靈活的調(diào)試和控制方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和穩(wěn)定性，整個控制器驅(qū)動電路的高集成化和體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、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，維護簡單，調(diào)速精度高和迅速，其具有廣闊的推廣和應用前景。本作品采用普通PID算法和模糊PID算法對速度進行控制，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，響應迅速，魯棒性強、系統(tǒng)偏差小等特點，而我國對數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要是：綜合性最優(yōu)控制、補償PID控制、PID算法優(yōu)化和模糊控制技術，很少用模糊PID算法進行對較大功率直流電機控制。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 非專利技術轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢：本作品使用分立器件搭建驅(qū)動電路，驅(qū)動功率大，價格便宜；采用普通PID和模糊PID進行精確控速和調(diào)速，具有速度調(diào)節(jié)響應迅速，抖動和偏差很小等特點。而現(xiàn)階段的大部分較大功率直流電機驅(qū)動器設計大都是采用普通PID算法調(diào)速。本產(chǎn)品的性價比要遠高于同行產(chǎn)品，利于推廣使用。適用范圍及推廣前景技術性說明：本作品適用于工業(yè)、軍事、民用等各種領域，而且可推廣到各種直流型的電機驅(qū)動設計，比如無刷直流電機、步進電機等；還可推廣到逆變器的設計。市場分析：在現(xiàn)階段，市場上大多的數(shù)字直流調(diào)速設備都是從國外進口，價格非常昂貴，國內(nèi)直流電機驅(qū)動設計大都采用集成芯片，功率較低，而且成本也比較昂貴，而本作品具有很高的性價比，而且控制優(yōu)良，驅(qū)動功率范圍大，利于移植。非常有利于本產(chǎn)品的推廣使用。經(jīng)濟效益預測：成本分析，本產(chǎn)品成本費大約合計100元人民幣（每件）。產(chǎn)品單位售價，本產(chǎn)品可單位售價250-400元，且低于市場價。效益分析預測：若每件產(chǎn)品售價300元，每年生產(chǎn)銷售5萬臺，年利潤為1000萬。
同類課題研究水平概述
- 一、直流電機驅(qū)動器的設計為適應小型直流電機的使用需求，許多公司推出了直流電機專用集成芯片，集成芯片的出現(xiàn)使電機驅(qū)動變得簡單，國內(nèi)外大多數(shù)課題的研究都采用集成芯片構(gòu)成的直流電機驅(qū)動器。但集成芯片構(gòu)成的直流電機驅(qū)動器輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅(qū)動，再例如，SGS公司的L298N只可以驅(qū)動46V，2A以下的電機；L293D輸出電流可達600mA、最大峰值電流為1.2A、最高工作電壓為36V；A3988電機驅(qū)動芯片輸出也只可達1.2A和36V。而市場上僅有的大功率集成驅(qū)動芯片價格極高，如SA01一片驅(qū)動芯片的價格約為3000元。此外，當直流電機長時間工作時，電機專用集成芯片的發(fā)熱現(xiàn)象嚴重。而本系統(tǒng)完全采用分立器件搭建驅(qū)動控制電路，功率較大且成本低，能夠驅(qū)動額定電流為3.8A的直流電機，峰值電流可達7A，而且長時間（連續(xù)工作8小時以上進行測試）工作無嚴重發(fā)熱現(xiàn)象，系統(tǒng)的各項性能指標良好。二、控制算法的設計自PID控制器出現(xiàn)以來，它是應用最為廣泛、也是最為基本的一種自動控制器，對于大多數(shù)控制對象，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，國際上一些研究文章陳述了當前工業(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，由于在電機的機械結(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，要實現(xiàn)高精度、無超調(diào)、高頻帶和低速平穩(wěn)的電機控制非常困難。此外，實際系統(tǒng)千差萬別，使得PID控制器參數(shù)的整定有一定難度，也導致了控制效果不能盡如人意。再者，對于使用PID控制算法的直流控制系統(tǒng)來說，由于存在積分環(huán)節(jié)，理論上也應該是穩(wěn)態(tài)無差系統(tǒng)，但它是將速度作為控制信號，而現(xiàn)有的測速方法如測速發(fā)電機機或數(shù)字測速方法，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，一些先進的控制策略已經(jīng)應用到直流電機控制系統(tǒng)中，如最優(yōu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制以及滑模變結(jié)構(gòu)控制等等。在直流電機控制系統(tǒng)中，將PID技術與其他一些控制算法相結(jié)合，就產(chǎn)生了一些改進型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)的動態(tài)性能，減小了控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
