论文总字数：18720字

摘 要

本文对有限转角直流力矩电机控制系统进行了研究与设计。介绍了有限转角力矩电机的结构、工作原理，建立了有限转角力矩电机的数学模型，并进行了控制策略的研究和系统的仿真优化。

本文应用电磁原理和机械运动定律，根据有限转角力矩电机样机的具体结构形式和运动方程，进行合理简化，对有限转角直流电机的运动特性进行分析和计算，建立了有限转角力矩电机数学模型，在此基础上，建立了有限转角直流电机仿真模型。根据有限转角直流电机特点的制定出双闭环的控制策略。因为其特性，控制策略采用PID控制器，内环采用电流环，外环采用位置环，达到有限转角的目的。并且在Simulink中搭建控制系统仿真模型的子程序模块，包括电流和位置控制器、电流和位置检测、PWM脉冲发生器和有限转角直流电机。之后通过对模型仿真，确定了电机参数以及PID控制器参数。通过参数比较改进跟踪性能，达到控制电机高速稳定运转的目的。最后提出提高控制精度，响应速度的方法。

关键词：有限转角直流力矩电机，PID，双闭环控制，simulink

LIMITED ANGLE DC MOTOR CONTROL SYSTEM SIMULATION

Abstract

In this thesis, limited angle torque DC motor control system was researched and designed. It described the development of limited angle torque motor, its structure and working principle. Then the author built the mathematical model of limited angle torque motor, researched and simulated control strategies and system, and finally optimized this system. This paper mainly researched in the following aspects:

The author applied electromagnetic theory and law of mechanical motion, according to the specifically structure of the equations of motion limited angle torque motor, analyzed and calculated motion characteristic of limited angle DC motor, then established a limited angle torque motor mathematical model. On this basis, a limited angle dc motor simulation model is established.

According to the characteristics of a limited angle DC motor, a two closed loop control strategy is built. Because of motor’s characteristics, the control strategy used PID controller. The inner loop used current loop, the outer loop used position loop, to achieve the purpose of the controlled limited angle. Then the author built subroutine modules of control system simulation model in Simulink, including current and position controller, current and position detector, pulse-width modulation and limited angle DC motor.

The motor parameters as well as PID controller parameters are determined by model simulation. Comparing parameters to improve tracking performance, make motor achieved stable and high-speed operation. Finally, put forward the way to improving the control accuracy and speed of response.

KEY WORDS: limited angle torque DC motor, PID controller, two closed loop control system, simulink

目 录

摘要 I

Abstract II

绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2有限转角直流电机国内外发展现状 1

1.3有限转角电机控制技术现状 2

1.4本文主要工作 3

第二章 有限转角电机运行原理 5

2.1有限转角直流电机的结构 5

2.2有限转角直流电机运行原理 5

2.3有限转角直流电机数学模型 6

2.4本章总结 9

第三章 有限转角电机控制系统设计 10

3.1有限转角电机控制系统结构 10

3.1.1双闭环调速系统概述 10

3.1.2控制系统结构组成 10

3.2控制系统设计 10

3.2.1PID控制基本原理 10

3.2.2PID控制参数设计 12

3.3本章小结 13

第四章 控制系统仿真 14

4.1仿真软件介绍 14

4.2系统仿真模型建立 14

4.3仿真 15

4.3.1仿真参数 15

4.3.2仿真 15

4.4本章总结 22

第五章 总结与展望 23

5.1总结 23

5.2展望 23

参考文献（References） 24

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

进入21世纪以来，随着人口的增长和社会生产力的进步，能源危机已经是摆在人们面前的不可逃避的话题。而电机是人们获得清洁二次能源一个重要途径，在日常的生活和工作中都是被广泛运用的。对于电机而言，人们现在能够做到的就是提高的能源转化率，降低在生产过程中造成的不必要的损耗。所以，开发出高性能的低损耗的电机是人们在很长一段时间里面需要不懈努力的一件事。

有限转角直流电机是微特电机的一种，它同时间具备了直流电机、无刷电机、平滑电机、力矩电机的优点，它是一种可在给定的电压下做一定角度范围内快速定位的伺服电机。但是它不同于前面所说的电机，它具有设计结构小巧灵活，力矩惯性比例较高、动态响应非常迅速、在有限转角内机械特性的线性度高、工作频带宽大且可持续工作在低速或者是堵转情况，过载能力较强等特点。所以有限转角直流电机可以用在一些特定场合，如狭窄地方的有限转角的高精度控制系统中，可在陀螺仪稳定平台、红外成像、军用瞄准、航空伺服阀、舵机作动、机器人关节、雷达天线等控制系统。利用该电机还可方便组成多余度控制系统，实现可靠性驱动。这些高精度的应用场合决定了有限转角直流力矩电机一般均和数字控制器、功率放大电路、电流与位置传感器一起组成一个闭环控制系统来完成精确控制运行的任务。

1.2有限转角直流电机国内外发展现状

力矩电动机从50年代初开始问世，到60年代初就得到了迅速的发展。这种电机的 产生和发展首先是为适应导弹、宇航等尖端技术迅速发展的需要。由于电机设计时采取了多种措施，因而多应对对功率、材料、连接结构等有特殊要求，同时响应迅速及位置跟踪要求高的伺服系统中。与其他伺服系统的执行元件相比较，力矩电动机具有明显的优点，尤其是在宇航和武器系统，以及随着科学技术的发展，在对控制系统的精度、快速响应等指标要求愈来愈高的情况下，其所具备的优点更加明显。因而在上述的特定场合得到了迅速地推广和应用。

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