转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统设计

课程设计

题目：转速、电流双闭环可逆直流

PWM调速系统设计

学生姓名： 学 号： 班 级: 专 业： 指导教师： 起始时间： 2016年6月6日--6月17日

摘要

直流脉宽变换器，或称为直流PWM变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。

电流截至负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作为负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可以构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速作为外环的双闭环调速系统。

利用单片机实现对直流电动机的双闭环调速，此系统使直流电机具有优良的调速特性，调速方便，调速范围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，制动和反转，能满足生产过程自动化系统的各种特殊运行要求。

关键词：双闭环，PWM，直流电动机，单片机

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目录

摘要 ............................................................ 1 一、设计的目的及意义................................................ 3 二、设计要求........................................................ 3 三、双闭环直流调速系统.............................................. 4

3.1、双闭环直流调速系统的原理 ................................... 4 3.2、双闭环直流调速系统的静特性分析 ............................. 6 3.3双闭环直流调速系统的数学模型................................. 8 四、转速环、电流环的设计........................................... 10

4.1、转速调节器、电流调节器在直流双闭环系统中的作用 ............ 10 4.2、调节器的具体设计 .......................................... 10 4.3、电流环的设计 .............................................. 11 4.4、速度环的设计 .............................................. 12 五、PWM可逆直流调速系统 ........................................... 14

5.1、PWM变换器................................................. 14 5.2、整流电路 .................................................. 15 5.3、泵升电路 .................................................. 16 六、控制电路的设计................................................. 16

6.1、单片机 .................................................... 16 6.2、测速电路 .................................................. 17 6.3、键盘电路 .................................................. 17 七、双闭环可逆直流PWM调速系统的仿真............................... 18 八、结论........................................................... 20 附录............................................................... 21

附录A.......................................................... 21 附录B.......................................................... 22 参考文献........................................................... 23

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一、设计的目的及意义

1、训练学生正确的应用运动控制系统，培养解决工业控制、工业检测等领域具体问题的能力。

2、学生通过课程设计，熟悉运动控制系统应用开发、研制的过程，软、硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤。

3、对学生进行基本技能训练，例如组成系统、编程、调试、绘图等，使学生理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。

二、设计要求：

设计一个转速、电流双闭环控制PWM可逆直流调速系统，电动机控制电源采用 H型PWM功率放大器，其占空变化为0～0.5～1时，对应输出电压为-264～264v, 为电机提供的最大电流为25A，速度检测采用光电编码器，且其输出的A、B两 相脉冲经光电隔离后获得每转1024个脉冲角度分辨率和方向信号；电流传感器 采用霍尔传感器，其原、副边电流比为1000:1，额定电流50A，已知直流电动机： 电动势系数Ce=0.135 V·min/r , 主回路总电阻R=2.5Ω,。电流反馈滤波时间常数T0i=0.0025s,转速反馈滤波时间常数T0n=0.015s。额定转速时的给定电压(Un*)N =10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V,Ucm =6.5V。H型PWM功率放大器、工作频率为2KHZ，采用单极性、双极性工作方式；直流电源电压264V。 直流电动机(一)：

（1）输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V （2）电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A （3）额定励磁电压110V 功率因数0.85

（4）电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH （5）电机机电时间常数2S 电枢允许过载系数1.5

（6）额定转速 1430rpm 环境条件:

（1）电网额定电压: 380/220V; （2）电网电压波动: 10%;

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（3）环境温度: -40~+40摄氏度; （4）环境湿度: 10~90%； 控制系统性能指标:

（1）电流超调量小于等于5%;

（2）空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于10%; （3）调速范围：D＝10; （4）静差率小于等于0.1 。

三、双闭环直流调速系统

3.1、双闭环直流调速系统的原理

对于经常正、反转运行的调速系统，应尽量缩短启、制动过程的时间，达到图1所示的理想过度过程曲线，完成时间最优控制。即在过渡过程中始终保持转矩为允许的最大值，使直流电动机以最大的加速度加、减速。到达给定转速时，立即让电磁转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。对于恒磁通的他励直流电动机而言，转矩控制就成为了电流控制。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，图1所示的理想过度过程只能得到近似的逼近，其关键是要获得使电流保持为最大值Idm的恒流启=制动过程。

图1 时间最优的理想过渡过程

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电流截止负反馈环节只能限制电动机的动态电流不超过某一数值，而不能控制电流保持为某一所需值。根据反馈控制原理，以某物理量作为负反馈控制，就能实现对该物理量的无差控制。用一个调节器 难以兼顾对转速的控制和对电流的控制。如果在系统中另设一个电流调节器，就可以构成电流闭环。电流调节器串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环，转速作为外环的双闭环调速系统。

在启、制动过程中，电流闭环起作用，保持电流恒定，缩小系统的过度过程 时间。一旦到达给定转速，系统自动进入转速控制方式，转速闭环起主导作用，而电流内环则起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值（转速调节器的输出），以保持转速恒定。转速、电流双闭环调速系统的原理图见图2，为了获得良好的 静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

转速闭环环节的原理和转速单闭环系统基本一致，只不过它的输出不再作为电力电子变换器的控制电压Uc，而是用来和电流反馈量作比较，故被称为电流给定Ui*。ASR调节器和ACR调节器的输出都是带限幅作用的，ASR调节器的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，ACR调节器的输出电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

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图2 转速、电流双闭环直流调速系统

ASR----转速调节器 ACR----电流调节器 TG----测速发电动机

* TA----电流互感器 UPE----电力电子变换器 Un----转速给定电压

Un---转速反馈电压 Ui*----电流给定电压 Ui----电流反馈电压

3.2、双闭环直流调速系统的静特性分析

根据图2可以很方便地绘出双闭环调速系统的稳态结构图，如图3所示，在图中是用带限幅的输出特性表示了PI调节器。

图3 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 α----转速反馈系数 β----电流反馈系数

PI调节器的稳态特性一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值，不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，也就是说饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压?U在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 1.转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，PI调节器的作用使得输入偏差电压?U都是零，因此，

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* Un?Un??n??n0 （1）

Ui*?Ui??Id （2） 由式（1）可得 n?*Un??n0 （3）

图4 绘制了双闭环调速系统的静特性，图中CA段就是描述了两个调节器都不饱和时的静特性，电流的大小是从理想空载状态Id?0一直延续到Id?Idm，表现为一条水平的特性。 2.转速调节器饱和

系统在稳态运行时，对应负载的电枢电流的最大值为Idm，如图4中的A点。

*IdL?Idm，在此工作点上，ASR的输出已达到饱和值Uim，若电动机负载继续增大，*造成n?n0，在此?n?0的情况下，ASR的输出维持在限幅值Uim不变，转速外

环呈开环状态。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环调速系统。稳态时

Id?

*Uim??Idm （4）

图4 双闭环直流调速系统的静特性

其中，最大电流Idm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适

*合于n?n0的情况，因为如果n?n0,则Un?Un,ASR将退出饱和状态.

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双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差,这时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输

*出Uim,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流

的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图4中虚线。

3.3双闭环直流调速系统的数学模型

1. 双闭环直流调速系统的动态结构框图

图5是转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图，WASR(s)和WACR(s)分别表示了转速调节器和电流调节器的传递函数。

图5 双闭环直流调速系统的动态结构框图 2.双闭环系统的启动过程

调速系统的被控对象是转速，而设置双闭环控制的一个重要目标是实现所期望的恒加速过程，最终以最优的形式达到所要求的性能指标。

图6是双闭环调速系统在带有负载IdL条件下启动过程的电流波形和转速波形。

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图6 双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形 双闭环直流调速系统的启动过程有以下3各特点：

（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。

（2）转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。

（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程Ⅰ、Ⅱ两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。

双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。

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四、转速环、电流环的设计

4.1、转速调节器、电流调节器在直流双闭环系统中的作用

1）转速调节器的作用：

? 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流；转速调节器是调速系统的主

*导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压Un的变化；稳态时可减小转速

误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差； ? 对负载变化起抗扰作用；

? 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流； 2）电流调节器的作用：

? 为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化； ? 对电网电压的波动起及时抗扰的作用；

在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程； 当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

4.2、调节器的具体设计

本设计用到的参数如下： 直流电动机(一)：

（1）输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V （2）电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A （3）额定励磁电压110V 功率因数0.85

（4）电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH （5）电机机电时间常数2S 电枢允许过载系数1.5

（6）额定转速 1430rpm

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环境条件:

（1）电网额定电压: 380/220V; （2）电网电压波动: 10%;

（3）环境温度: -40~+40摄氏度; （4）环境湿度: 10~90%. 控制系统性能指标:

（1）电流超调量小于等于5%;

（2）空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于10%; （3）调速范围：D＝10; （4）静差率小于等于0.1 。

4.3、电流环的设计

（1）确定时间常数 电流反馈系数?

设最大允许电流Idm=1.5In，则Idm=1.5*36=54A

*Uim ??=8/54=0.148V/A

IdmCen?IR?30.81 Ucm1整流装置滞后时间常数Ts?s?0.5ms?0.0005s；

2000 Ks?电流滤波时间常数Toi?0.0025s 电流环小时间常数之和：

按小时间常数近似处理Ti?Ts?Toi?0.003s。(Ts和Toi一般都比T1小得多,

?可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。

（2）选择电流调节器结构

根据设计要求：?i%?5%，可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的。

（3）选择电流调节器的参数

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ACR超前时间常数?i?Tl?L/R?0.5s； 电流环开环时间增益KI?0.50.5??166.7; Ti0.003?ACR的比例系数Ki?KI（4）校验近似条件

?iR166.7?0.5?0.2??3.66。 ?Ks0.148?30.81电流环截止频率?ci?KI?166.7s?1。 1)晶闸管装置传递函数近似条件：?ci?1, 3Ts 现为

11??666.7?166.7，满足近似条件； 3Ts3?0.0005s2)忽略反电动势对电流环影响的条件：?ci?31， TmTl 现为311?3??3s-1，满足近似条件； TmTl2?0.511，

3TsToi 3）小时间常数近似处理条件：?ci? 现为

1111??298.1s?1??ci，满足近似条件。

3TsToi30.0005?0.0025电流环可以达到的动态指标为：?%?4.3%?5%，也满足设计要求。 (5)计算调节器电阻和电容 取R0=40K?

Ri?KiR0?3.66*40?146K?

Ci??iRi4T0iC0i??0.25?F

R0?3.42?F

4.4、速度环的设计

（1）确定时间常数

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①电流环等效时间常数

11?2Ti?2?0.003?0.006s?1； ：

?KiKi ②转速滤波时间常数：Ton?0.015s； ③转速环小时间常数近似处理：

Tn?2Ti?Ton?0.006?0.015?0.021s。

??（2）选择转速调节器结构

按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。

（3）选择调节器的参数

?Unm?0.007 ?n?hTn?5?0.021?0.105s ???nmax 转速开环增益：KN? ASR的比例系数：

h?15?1?2??272.11s； 22222hTn2?5?0.021?（h?1）?C?Tm6?0.148?0.135?2??815.51 Kn?2h?RTn2?5?0.007?0.2?0.021?（4）近似校验

转速截止频率为：?cn?KN?1?KN?n?272.11?0.105?28.57s?1；

11??66.67s?1??cn， ①电流环传递函数简化条件：满足条件； 5Ti5?0.003? ②转速环小时间常数近似处理条件：

1111???35.14s?1??cn

32TiTon32?0.003?0.015?（5）检验转速超调量

当h?5时，?%?37.6%,不能满足要求。按ASR退饱和的情况计算超调

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量:

?Cmax%?81.2?，

?nn?IdR36?0.2??53.3rminC?0.135，

?n?2*81.2%*1.5*53.3T?n*nTm?0.035%?10%满足设计要求。

(6)计算调节器电阻和电容

Rn?KnR0?815.51*40?32.62M?

Rn4T0nC0n??1.5?F

R0Cn??n?3.22?F

五、PWM可逆直流调速系统

本系统采用一个8位单片机C8051F005做主控制器。以H型双极性可逆PWM变换器为主回路核心，采用典型的双闭环调速原理组成PWM调速系统。C8051F005的PCA提供PWM脉冲，给定的速度值、速度反馈值和电流反馈值可以控制PWM脉冲。改变PWM脉冲的占空比可以改变IGBT的输出电压，以此来改变直流电动机的速度。由于C8051F005单片机内部有模/数、数/模转换模块，所以直流测速机将速度值转化为电压值，然后直接由A/D转换通道变成数字量送入单片机，从而实现转速检测。电流检测是通过霍尔效应电流传感器由A/D转换通道变成数字量送入单片机。整流电路采用三相桥式全控整流电路。

5.1、PWM变换器

图7是H型双极性可逆PWM变换器原理图。它包含有4个IGBT 管和4个续流二极管。4个IGBT管分成两组，VT1，VT4为一组；VT2，VT3为另一组。同一组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。

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图7 H型双极性可逆PWM变换器

在每一个PWM周期里，当P3.0的控制信号为高电平时，开关管VT1、VT4导通，此时P3.1的控制信号为低电平，因此VT2、VT3截止；当P3.0的控制信号为低电平时，开关管VT1、VT4截止，此时P3.1的控制信号为高电平，因此VT2、VT3导通。

当直流电动机正转工作时，在每一个PWM周期的正脉冲区间，VT1、VT4导通，VT2、VT3截止。在每一个PWM周期的负脉冲区间，VT2、VT3导通，VT1、VT4截止，电流的方向仍然不变，只不过电流幅值的下降速率比不可逆控制系统的要大，因此电流的波动较大。

H型双极式可逆 PWM 变换器的优点如下： （1） 电流一定连续；

（2） 可使电动机在四象限运行；

（3） 电动机停止时有微振电流，从而可以消除静摩擦死区；

（4） 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍然比较宽，可以充分保证器件的可靠导通；

（5） 低速时，平稳性好，系统的调速范围可达1：20000 左右。

5.2、整流电路

图8 三相桥式全控整流电路原理图

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5.3、泵升电路

图9 泵升电压限制电路

其中泵升电路电解电容选取C=2000μF；电压U=450V；VT选取IRGPC50U 型号的IGBT管；电阻选取R=20Ω。

六、控制电路的设计

6.1、单片机

本设计选用C8051F005单片机。C8051F005单片机是一种与51系列单片机内核兼容的单片机，具有高速、高性能、高集成度等优点。它使用Cygnal的CIP-51内核，工作在最大系统时钟频率为25MHz。以下是对C8051F005单片机片内资源的介绍：

图10 单片机最小应用系统

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（1）10/12位多通道输入模/数（ADC）； （2）2路12位数/模转换器（DAC）；

（3）16位可编程定时器/计数器阵列（PCA），可用于PWM波发生器等；

（4）4个通用16位定时器； （5）32个通用I/O口；

（6）32KB Flash内部程序存储器； （7）片内看门口定时器、片内时钟源。

C8051F005单片机的引脚及其部分电路如图10所示。

6.2、测速电路

测速发电机的输出电压通过R2和C1组成的滤波环节后，滤去测速发电机输出的纹波，使之到达电位器Rw两端的电压是稳定的直流电压。调整Rw的位置， 使测速发电机在最大转速时，抽头所获得的电压为2.4V，R1用于限流。

图11 直流测速发电机与单片机接口

对图11所示的直流测速发电机的输出进行A/D转换。使用C8051F005的AIN0通道作为测速发电机的A/D转换输入端，使用单片机内部2.43V电压基准通过软件启动A/D转换。

6.3、键盘电路

本系统采用独立式按键电路。独立式按键是指直接用I/O口线与按键电路构

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成的单个按键电路。在此形式的按键电路中，每个按键独自占用一根I/O口线，I/O口线之间的工作状态不会受到影响。

在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入保证了冷按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。通过软件编程实现如下功能：当按下1键时，电动机启动；当按下2键时，电动机正转；当按下3键时，电动机反转；当按下4键时，电动机停止；当按下5键时，电动机加速；当按下6键时，电动机减速。

图12 独立式按键电路图

七、双闭环可逆直流PWM调速系统的仿真

使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法是：以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱，从元件库中选取所需的元件,连接好原理图,加上激励源,然后单击仿真按钮即可自动开始,可以同时观察复杂的模拟信号和数字信号波形,以及得到电路性能的全部波形。

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图13 双闭环调速系统的仿真图

仿真结果如下：

图14 仿真结果图

仿真结果说明：转速和电流满足设计所需的静、动态性能指标。

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八、结论

本设计为双闭环直流脉宽调速系统，是以控制电路为核心，采用恒频脉宽调制控制方案，由C8051F005单片机以及H型双极性可逆PWM变换器构成了PWM信号的产生和驱动。其中C8051F005产生的脉宽调制信号作为IGBT的驱动信号。双闭环直流脉宽调速系统，具有调速简单、调速范围大、精度高、速度平稳、电流脉动小、电机温升低等优点，使调速各项性能指标大为提高。

设计过程中，我发现自己对于辅助电路、总体电路认识不足，很多方面都不甚了解，很多都是直接查找资料，慢慢地、一点点地整合，最后做出不是很满意的报告。

在参数计算方面，书上有现成的设计举例，而对于各种器件型号的选择只能依靠查询资料补充。

通过这次课程设计让我了解到了，没有什么是一蹴而就的，我认为我的积累还是不够，所以做这个设计很吃力，所以自己还应充实自己。

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附录

附录A

表一 典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5）

表二 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标

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附录B

系统硬件原理图

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参考文献

[1] 王晓明。电动机的单片机控制(第二版)[M]。北京:北京航空航天大学

出版社,2007.8

[2]陈伯时。电力拖动自动控制系统——运动控制系统。北京：机械工业出 版社，2007

[3]王离九。电力拖动自动控制系统。武汉：华中理工大学出版社，1991 [4]周渊深。交直流调速系统与MATLAB仿真。中国电力出版社,2003 [5]王福永。双闭环调速系统PID调节器的设计[J]。苏州丝绸工学院学报。2008-10-21(5): 35-39

[6]王果、朱大鹏。直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真。兰州交通大学,2000.5

[7]张柳芳、王彦辉。速度和电流双闭环直流调速系统的设计。 新探平顶山师专,2000.5

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