基本信息
- 项目名称：
- 较大功率直流电机闭环控制系统的设计与实现
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目设计并实现了较大功率的直流电机H桥驱动电路，同时设计并实现了对额定电压为24伏，额定电流为3.8A的25D60-24A直流电机的闭环控制系统， 包括速度采集、计算、显示以及实时控制，同时响应外部控制器的控制命令等功能。
- 详细介绍：
- 直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力强，可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转，能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求，因此在工业控制领域，直流电机得到了广泛的应用。 许多半导体公司推出了直流电机专用驱动芯片，但这些芯片多数只适合小功率直流电机，对于大功率直流电机的驱动，其集成芯片价格昂贵。基于此，本项目有针对性设计和实现了一款基于25D60-24A的直流电机驱动电路。该电路驱动功率大，抗干扰能力强，具有广泛的应用前景。 为了保证直流电机转速的稳定，闭环控制是必不可少的，本文采用普通PID和模糊PID相结合的方法对电机进行调速，速度控制精确，动态性能好。该控制系统具有速度采集、计算、显示以及实时控制，同时响应外部控制器的控制命令等功能，运用方便灵活。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 随着现代化步伐的加快，人民生活水平的不断提高，对自动化的需求越来越高，直流电机的应用领域也不断扩大，遍及军事、工业、民用等领域；而且对电机的速度调制的精度和灵活性也越来越高，对电机驱动的功率范围要求也越来越大，数字化控制直流调速得到广泛应用。但是我国大部分数字化控制直流调速装置都是依靠国外进口，价格非常昂贵；目前国内对直流电机的驱动控制设计大都是采用集成芯片，而且驱动功率小，价格比较昂贵。为了提高电机驱动功率、速度调制精度、速度控制灵活性和降低成本，我们对较大功率的直流电机采用分立器件进行数字化控制驱动设计。基本思路： 以STC12单片机作为主控制器，使用分立器件搭建驱动电路，进行对电机速度的采集、调节和控制。创新点： 一、目前大部分电机驱动控制器主要采用集成芯片进行开发和设计，价格昂贵，而且驱动功率较小，本系统完全采用分立器件搭建驱动及控制电路，功率较大，且系统的调速范围宽。二、目前大部分直流电机采用普通PID算法进行控制，而本系统除了采用普通PID算法控制外，同时采用了模糊PID算法进行速度的控制与调节，大大改善了系统的动态性能，提高了控制的精度。技术关键： 传感器检测技术、数字化控制、自举电路设计、H桥设计和速度控制算法。主要技术指标：速度指标，44rpm=<转速<=2910rpm；连续运行时间，每天8—10小时；器件发热情况，无明显发热。
科学性、先进性
- 本作品可以通过对软件进行参数设定和使用不同版本的软件对不同类型的被控对象进行控制，也可以通过其他单片机或单片控制器进行控制。易于和PLC等各种器件进行通讯组成整个工业控制过程系统，而且操作简单，抗干扰能力强。尤其是具有方便灵活的调试和控制方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和稳定性，整个控制器驱动电路的高集成化和体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调速不方便、不易于和其它器件通信控制、体积大等不足之处。而且易于查找故障，维护简单，调速精度高和迅速，其具有广阔的推广和应用前景。本作品采用普通PID算法和模糊PID算法对速度进行控制，和只用普通PID算法控制和只采用模糊控制相比较，具有调速精度高，响应迅速，鲁棒性强、系统偏差小等特点，而我国对数字直流调速系统的研究主要是：综合性最优控制、补偿PID控制、PID算法优化和模糊控制技术，很少用模糊PID算法进行对较大功率直流电机控制。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 非专利技术转让
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：本作品使用分立器件搭建驱动电路，驱动功率大，价格便宜；采用普通PID和模糊PID进行精确控速和调速，具有速度调节响应迅速，抖动和偏差很小等特点。而现阶段的大部分较大功率直流电机驱动器设计大都是采用普通PID算法调速。本产品的性价比要远高于同行产品，利于推广使用。适用范围及推广前景技术性说明：本作品适用于工业、军事、民用等各种领域，而且可推广到各种直流型的电机驱动设计，比如无刷直流电机、步进电机等；还可推广到逆变器的设计。市场分析：在现阶段，市场上大多的数字直流调速设备都是从国外进口，价格非常昂贵，国内直流电机驱动设计大都采用集成芯片，功率较低，而且成本也比较昂贵，而本作品具有很高的性价比，而且控制优良，驱动功率范围大，利于移植。非常有利于本产品的推广使用。经济效益预测：成本分析，本产品成本费大约合计100元人民币（每件）。产品单位售价，本产品可单位售价250-400元，且低于市场价。效益分析预测：若每件产品售价300元，每年生产销售5万台，年利润为1000万。
同类课题研究水平概述
- 一、直流电机驱动器的设计为适应小型直流电机的使用需求，许多公司推出了直流电机专用集成芯片，集成芯片的出现使电机驱动变得简单，国内外大多数课题的研究都采用集成芯片构成的直流电机驱动器。但集成芯片构成的直流电机驱动器输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动，再例如，SGS公司的L298N只可以驱动46V，2A以下的电机；L293D输出电流可达600mA、最大峰值电流为1.2A、最高工作电压为36V；A3988电机驱动芯片输出也只可达1.2A和36V。而市场上仅有的大功率集成驱动芯片价格极高，如SA01一片驱动芯片的价格约为3000元。此外，当直流电机长时间工作时，电机专用集成芯片的发热现象严重。而本系统完全采用分立器件搭建驱动控制电路，功率较大且成本低，能够驱动额定电流为3.8A的直流电机，峰值电流可达7A，而且长时间（连续工作8小时以上进行测试）工作无严重发热现象，系统的各项性能指标良好。二、控制算法的设计自PID控制器出现以来，它是应用最为广泛、也是最为基本的一种自动控制器，对于大多数控制对象，采用PID控制己经能够取得基本满意的效果。PID控制非常广泛，国际上一些研究文章陈述了当前工业控制的状况表明90%以上的控制回路是采用PID 控制策略。但是，由于在电机的机械结构中，存在着干摩擦、齿轮间隙及滞后等非线性因素的影响，采用常规的PID控制算法，要实现高精度、无超调、高频带和低速平稳的电机控制非常困难。此外，实际系统千差万别，使得PID控制器参数的整定有一定难度，也导致了控制效果不能尽如人意。再者，对于使用PID控制算法的直流控制系统来说，由于存在积分环节，理论上也应该是稳态无差系统，但它是将速度作为控制信号，而现有的测速方法如测速发电机机或数字测速方法，均存在系统误差，从而限制了控制的精度。但随着控制理论的不断发展，一些先进的控制策略已经应用到直流电机控制系统中，如最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制以及滑模变结构控制等等。在直流电机控制系统中，将PID技术与其他一些控制算法相结合，就产生了一些改进型PID控制。本系统采用了普通PID和模糊PID两种控制算法进行调速，系统性能良好，尤其是模糊PID控制算法大大改善了系统的动态性能，减小了控制系统的稳态误差。
