運動控制課程設(shè)計

1、目 錄1設(shè)計任務與要求12系統(tǒng)方案論證12.1 PWM控制使用在直流電力拖動系統(tǒng)中的優(yōu)勢12.2單片機控制使用在直流電力拖動系統(tǒng)中的優(yōu)勢13系統(tǒng)總體設(shè)計23.1單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理23.2 PWM技術(shù)基本原理34調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計34.1電流環(huán)參數(shù)設(shè)計34.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計55系統(tǒng)電路設(shè)計75.1主電路設(shè)計75.2驅(qū)動電路設(shè)計85.3檢測電路設(shè)計85.4數(shù)字控制器設(shè)計96調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計96.1主程序106.2初始化子程序106.3中斷服務子程序106.4 PI算法子程序11設(shè)計體會13參考文獻14單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計1設(shè)計任務與要求轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速

2、系統(tǒng)是性能很好、應用最為廣泛的直流調(diào)速系統(tǒng)。本次設(shè)計需要根據(jù)已知參數(shù)及性能指標，設(shè)計一個單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使其具備基本的運行可能性和可操作性，具體包括主電路設(shè)計、觸發(fā)電路設(shè)計、控制回路設(shè)計以及控制程序的編寫。2系統(tǒng)方案論證2.1 PWM控制使用在直流電力拖動系統(tǒng)中的優(yōu)勢直流電力拖動系統(tǒng)使用PWM控制方法，與晶閘管可控整流方法比較，性能上有以下特點。1）由于開關(guān)頻率高，所以系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗干擾性能強。新開發(fā)的MOSFET開關(guān)頻率可達到幾十kHz,IGBT開關(guān)頻率也可達到30kHz。并且電樞電流僅依賴于電動機本身的電感就能連續(xù)，不需要增加飽和電抗器，減少了電動機

3、損耗。2）電動機低速時電流脈動小，即轉(zhuǎn)矩脈動小，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍大，特別是雙極式PWM變換器，最大調(diào)速比可達120 000。當直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。3）主電路結(jié)構(gòu)簡單，MOSFET與IGBT都開發(fā)有多種驅(qū)動集成模塊；并且由于功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，而使功率電路功耗小，其功率可達到90%以上。2.2單片機控制使用在直流電力拖動系統(tǒng)中的優(yōu)勢基于單片機控制的數(shù)字直流調(diào)速數(shù)字控制系統(tǒng)與模擬控制系統(tǒng)相比較有很多優(yōu)勢，主要包括以下幾方面。1）數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路的標準化程度高、制作成本低、不受器件溫度漂移的影響。且系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠性高，可以提高控制能力。2）數(shù)字控制

4、系統(tǒng)的控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律。另外，數(shù)字控制系統(tǒng)擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。3系統(tǒng)總體設(shè)計3.1單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 根據(jù)設(shè)計任務要求，設(shè)計的單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。3 AT89S52單片機 UR Id*Ucn ASR ACR UPW GD UPEW- Id- n A/D TA M FBS圖1 單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖1中，UR：三相橋式整流器，ASR：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，ACR：電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，UPW：PWM波生成電路

5、，GD：驅(qū)動電路，UPEW：橋式可逆電力電子變換器，A/D：模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，TA：霍爾電流傳感器，F(xiàn)BS：光電碼盤測速器。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流的無靜差以及轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，整個系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，從而引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行串級聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓，最后通過驅(qū)動電路驅(qū)動橋式可逆電力電子變換器UPEW。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在內(nèi)部，構(gòu)成了內(nèi)環(huán)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，而且電流環(huán)應以跟隨性能為主，所以電流環(huán)按典型系統(tǒng)設(shè)計；轉(zhuǎn)速環(huán)在外

6、部，從成了外環(huán)，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差以及獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)按典型系統(tǒng)設(shè)計。整個系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)環(huán)采用單片機實現(xiàn)，系統(tǒng)的給定，電流、轉(zhuǎn)速的反饋量經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后也送入單片機中進行處理，最終形成了單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.2 PWM技術(shù)基本原理PWM控制系統(tǒng)是通過改變直流電機電樞上脈動直流電的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。電樞電壓的平均值為：Umg=Vcc, 稱為占空比，其值由固定頻率調(diào)節(jié)脈沖寬度的方法來調(diào)節(jié)。4調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計主要采用工程設(shè)計法。按照多環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計的一般原則，采取先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴張。

7、因此在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 電流環(huán)Un*(s) ASRACRE(s)IdL(s)n(s)圖2單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.1電流環(huán)參數(shù)設(shè)計首先將電流環(huán)從整個系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中取出，得到近似的電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。Ui*(s)Id(s) ACR圖3電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)框圖由于電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，而且設(shè)計要求電流超調(diào)量，因此可校正成典型系統(tǒng)，所以電流調(diào)節(jié)器ACR采用PI型的，其傳遞函數(shù)可以寫成下式：式中 -電流調(diào)節(jié)器比例系

8、數(shù) -電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。對電流環(huán)作近似處理，可得出電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡化圖，如圖4所示。Id(s)Ui*(s)/ 圖4電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡化圖電動機電樞電流的額定值,所以電樞允許的最大電流,所以電樞電流的范圍為，而A/D轉(zhuǎn)換為8位的二進制數(shù)碼，因此得出電流反饋回路的反饋系數(shù)：因為整流電路采用的是三相橋式整流電路，所以整流裝置滯后時間常數(shù)為三相橋式整流電路的平均失控時間，而電流濾波時間常數(shù)為：，通過小時間常數(shù)近似處理得出電流環(huán)小時間常數(shù)之和，因此可以計算出電流調(diào)節(jié)器各參數(shù)。電流調(diào)節(jié)器各參數(shù)計算：電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求，應取，因此于是，ACR的比例系數(shù)為校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率：

9、PWM變換器傳遞函數(shù)近似條件滿足近似條件。忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設(shè)計要求。4.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計前面已經(jīng)計算出了電流調(diào)節(jié)環(huán)的參數(shù)，要對轉(zhuǎn)速環(huán)進行參數(shù)設(shè)計，首先計算出電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)，通過近似條件的處理可以得出電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為下式。用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖3中的電流環(huán)后，整個系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。n(s) ASRUn*(s)圖5轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由前面調(diào)速系統(tǒng)的原理可知，轉(zhuǎn)速的控制是無靜差的，而且設(shè)計要求空載啟動轉(zhuǎn)速超調(diào)量，因此可校正成典型系統(tǒng)，所

10、以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR也采用PI型的，其傳遞函數(shù)可以寫成下式：式中 -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù) -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。對轉(zhuǎn)速環(huán)作近似處理，可得出轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化圖，如圖6所示。n(s)Un*(s)/ 圖6轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡化圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器各參數(shù)計算：電流環(huán)等效時間常數(shù)：。轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：。按照跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為從而求出轉(zhuǎn)速開環(huán)增益最后可求出ASR的比例系數(shù)為檢驗近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：。電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為滿足近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為滿足近似條件。 當時，不能滿足設(shè)計要求，由于以上是按線性處理的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不

11、符合線性系統(tǒng)的前提，所以應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。所以超調(diào)量為 5系統(tǒng)電路設(shè)計整個調(diào)速系統(tǒng)硬件電路主要包含有：以三相橋式整流器為主的主電路，PWM功率放大驅(qū)動電路，電流、速度檢測電路以及以51單片機為核心的數(shù)字控制器等幾個單元電路組成，各個單元電路的設(shè)計如下。5.1主電路設(shè)計主回路的設(shè)計主要是：三相交流電源經(jīng)三相橋式整流變換為電壓恒定的直流電源，然后經(jīng)過直流PWM變換器得到可調(diào)的直流電壓，最后供給直流電動機使用。整個主回路的構(gòu)成如圖所示。其中，從圖7中可以看出，采用的是電壓源型逆變器，直流環(huán)節(jié)采用大電容C1來濾波，從而使得輸出的直流電壓波形比較平直，在理想的情況下可視為內(nèi)阻為零的

12、恒壓源。由于電容C1的容量很大，當突加電源后，后造成短路，從而形成比較大的充電電流，會減少整流二極管的壽命，嚴重的可能燒毀，因此在電路中加入了限流電阻R1，加入電源以后為了避免限流電阻R1在運行中造成不必要的損耗，可在限流電阻R1兩端并入延時開關(guān)K，將其短路即可。圖7主回路電路圖5.2驅(qū)動電路設(shè)計從上述原理可知，產(chǎn)生高壓側(cè)燜雞驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須要有開關(guān)的動作，因此本系統(tǒng)采用的是雙極性脈寬調(diào)制功率放大器。PWM驅(qū)動原理圖如圖8所示。因為VT1VT4是作為開關(guān)用的大功率晶體管，只工作在截止和飽和狀態(tài)，當電機正轉(zhuǎn)時VT1、VT4導通，反轉(zhuǎn)則VT2、VT3導通。而D4、D5、D9、D10則為續(xù)

13、流二極管，主要起到保護作用，防止VT1VT4被反向擊穿。因為控制回路是弱電，而主回路卻是強電，因此在兩者之間加入了起隔離和抗干擾作用的光電耦合器。圖8 PWM驅(qū)動原理圖5.3檢測電路設(shè)計檢測回路主要包括電流、電壓、速度的檢測，其中電流、電壓的檢測須由A/D轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再送入單片機中進行相應的處理，轉(zhuǎn)速檢測直接使用數(shù)字測速。電流檢測電路的主要組成部分包括霍爾電流傳感器（TA）CSM100LA，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。轉(zhuǎn)速測量電路則由施密特整形電路以及裝在電動機轉(zhuǎn)子上的光電編碼盤組成，因為電機的轉(zhuǎn)速與電脈沖的頻率成固定的比例關(guān)系，因此將光電編碼盤輸出的電脈沖經(jīng)施密特整形電路整為標準的T

14、TL電平，再送入單片機的兩個外部中斷，然后利用單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器作為計數(shù)器來不斷重復的捕捉相鄰兩次速度脈沖，最后從兩次觸發(fā)的時間差算出轉(zhuǎn)速。5.4數(shù)字控制器設(shè)計數(shù)字控制器是整個調(diào)速系統(tǒng)的核心，AT89S52單片機測試數(shù)字控制器的核心。前面已經(jīng)計算出電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)，因此可以得到兩者的傳遞函數(shù)，一次可以先按模擬系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后采用離散化，就可以得到數(shù)字控制器的散發(fā)，也就是模擬調(diào)節(jié)器數(shù)字化。數(shù)字控制器采用PI調(diào)節(jié)算法，將測得的電流、轉(zhuǎn)速的數(shù)字量送入單片機中，通過測得的轉(zhuǎn)速與預置轉(zhuǎn)速相比得到差值，然后單片機通過對差值進行PI運算得出控制量，再通過IO口輸出四路PWM控制信號，最

15、終達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。數(shù)字控制器的設(shè)計主要是單片機最小系統(tǒng)的設(shè)計，單片機最小系統(tǒng)如圖9所示。整個系統(tǒng)的總電路圖見附錄。圖9單片機最小系統(tǒng)6調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律是利用軟件實現(xiàn)的，所有的硬件須由軟件來實施管理，通過軟硬件的相互結(jié)合來實現(xiàn)電機的調(diào)速。整個調(diào)速系統(tǒng)的軟件有主程序、初始化子程序、中斷服務子程序和PI算法子程序組成。6.1主程序主程序設(shè)計成循環(huán)形式，將預置的轉(zhuǎn)速與實際測得的轉(zhuǎn)速相比較，得到一個差值，然后將差值進行PI運算得到電流調(diào)節(jié)器的輸入值，再將輸入值與實際測得的電流值相比較，又得到一個差值，最后將差值進行PI運算得到控制值，最后利用控制值改變輸出的PWM信號的占空比，

16、最終達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。主程序框圖如圖10所示。圖10主程序框圖6.2初始化子程序初始化子程序的功能主要是完成器件工作方式的設(shè)定、系統(tǒng)運行參數(shù)和變量的初始化等。初始化子程序框圖如圖11所示。6.3中斷服務子程序中斷服務子程序的設(shè)計是整個系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵部分，用來完成實時性強的功能。例如PWM控制信號的生成、狀態(tài)檢測以及數(shù)字PI調(diào)節(jié)等。中斷服務子程序主要包括了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務子程序、電流調(diào)節(jié)中斷服務子程序。 圖11初始化子程序框圖 圖12轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務子程序框圖進入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務子程序后，首先保護現(xiàn)場，再計算實際轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)，最后啟動轉(zhuǎn)速檢測，為下一步調(diào)節(jié)做準備。中斷服務完成

17、以后須恢復現(xiàn)場，從而使得被中斷的上一級程序正確可靠的運行，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中斷服務子程序框圖如圖12所示。電流調(diào)節(jié)中斷服務子程序主要完成電流PI調(diào)節(jié)和PWM控制信號的生成功能，然后啟動A/D轉(zhuǎn)換，為下一步調(diào)節(jié)做準備。中斷服務完成以后須恢復現(xiàn)場，從而使得被中斷的上一級程序正確可靠的運行，電流調(diào)節(jié)中斷服務子程序框圖如圖13所示。圖13電流調(diào)節(jié)中斷服務子程序框圖6.4 PI算法子程序本系統(tǒng)采用的是比例積分調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)在擾動的干擾下，通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用使電機的轉(zhuǎn)速達到無靜差，同時使電流緊緊跟隨給定值的變化，從而加快啟動過程。PI算法子程序框圖如圖14所示。圖14 PI算法子程序框圖設(shè)計體會通過本次運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計的實踐訓練，我鞏固了自己在理論課程中學習的基礎(chǔ)知識，同時還進一步熟悉了許多設(shè)計軟件的應用，了解了一些以前沒有涉及到得新知識。這具體包括，通過這次設(shè)計，我進一步學習、掌握了ProtelDXP、VISO這幾款畫圖設(shè)計軟件的使用，同時我在原來學習電力電子整流、濾波、斬波的基礎(chǔ)上進一步熟悉了其