東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)之電機(jī)通用控制器 開題報(bào)告

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 院（系） 機(jī) 械 學(xué) 院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 設(shè)計(jì)（論文）題目 基于MCU的通用控制器設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 學(xué)號 指 導(dǎo) 教 師 顧 問 教 師 日期 2012 年 3 月 13 日一、選題背景和意義1.選題背景、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備電動(dòng)機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的控制?？v觀運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，交，直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使他們所處的地位，所起的作

2、用不同，但他們始終是隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，在相互競爭，相互促進(jìn)中，不斷完善并發(fā)生著變化。由于歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)，所以19世紀(jì)80年代以前，直流電氣傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。直到19世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)，這才使得交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中逐步得到廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度，調(diào)速范圍，靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高的要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過程是這樣的，由最早的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)，磁放大機(jī)控制；再進(jìn)一步，

3、用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)的快速性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，然而由于直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，制造工藝復(fù)雜且成本高，維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受到限制等缺點(diǎn)，并且很難向高轉(zhuǎn)速，高電壓，大容量發(fā)展，逐漸顯示出直流調(diào)速的弱點(diǎn)。普遍應(yīng)用于恒速運(yùn)行場合的交流電動(dòng)機(jī)，可以彌補(bǔ)直流電動(dòng)機(jī)的不足。于是人們又開始了新一輪交流調(diào)速的研究。僅對占傳動(dòng)總量三分之一強(qiáng)的風(fēng)機(jī)，水泵設(shè)備而言，如果改恒速為調(diào)速的話，就可以節(jié)電30%左右。近三四十年來，隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)

4、，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流調(diào)速產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化。從調(diào)速性能看，完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。另外，借助數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制已深入到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)方面，例如：模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，各種觀測器和辨識技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，大大改善了控制系統(tǒng)的性能，為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)走向復(fù)雜的多層的網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正由簡單的單機(jī)控制系統(tǒng)走向多機(jī)多種控制過程協(xié)調(diào)的系統(tǒng)集成階段。2.研究現(xiàn)狀早期直流傳動(dòng)的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點(diǎn)，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的

5、發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微處理器以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。所以，全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動(dòng)控制采用微處理器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價(jià)比越來越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)

6、的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)，使電機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。對于簡單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關(guān)元器件，使電路開通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制?，F(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應(yīng)用，通過對可編程控制器進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的規(guī)律化控制。對于復(fù)雜的微處理器控制電機(jī),則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過微處理器控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。目前相比直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有

7、所長，如直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問題；交流電機(jī)，不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。高性能的微處理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即數(shù)字信號處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機(jī)傳動(dòng)的自動(dòng)化程度大為提高。在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬兆以上每秒，且具有適合的矩陣運(yùn)算。采用微處理器控制，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微

8、處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡單化，可靠性提高，操作維護(hù)變得簡捷，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度等方面達(dá)到較高水平。由于微處理器具有較佳的性價(jià)比，所以微處理器在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。3.本次研究意義電機(jī)控制器的發(fā)展朝著集成化和通用化的方向發(fā)展著。目前，電機(jī)控制專用集成電路芯片技術(shù)已經(jīng)比較成熟，電機(jī)控制專用集成電路芯片的種類也十分齊全，但在通用性上還顯得不足。而且，電機(jī)控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料豐富，但是又很分散，需要花時(shí)間收集整理、分析消化。本課題著力于研究電機(jī)控制器的通用化開發(fā)。應(yīng)用于科研的板卡，其功能齊全，但是價(jià)格昂貴。一旦研究成果需要推廣，就遇到成本難以

9、下降的局面。自行開發(fā)的板卡，又要大量重復(fù)的編程勞動(dòng)，使開發(fā)周期加長。利用MCU，編寫在一定領(lǐng)域具有通用功能的控制器程序，借鑒和利用MATLAB的信號流圖，研究通過編碼信息下載,在MCU程序的解釋下,實(shí)現(xiàn)控制功能.由于采用微處理器，應(yīng)用新控制理論和方法，使實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制成為可能，并且增加了系統(tǒng)功能和柔性。具有控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改等優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到很高的控制精度和良好的穩(wěn)定性。二、課題重難點(diǎn)及預(yù)期目標(biāo)按照本課題的要求，需要掌握的知識有自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的理論知識，直流電動(dòng)的調(diào)速系統(tǒng)原理及數(shù)學(xué)模型，然后要學(xué)會(huì)用MATLAB的Simulink和SimPower System工具箱，采用面向電氣

10、原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析，得出最佳的控制系統(tǒng)模型。下一步便是學(xué)會(huì)使用STM32，通過編程將得到的控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語言來實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制。課題的重難點(diǎn)在于MATLAB的仿真分析，PROTEL設(shè)計(jì)繪制電路板以及STM32F107的編程使用。預(yù)期目標(biāo)是：1.設(shè)計(jì)出一個(gè)通用性較好的PID控制器； 2.PID控制算法的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)； 3.設(shè)計(jì)制作出基于STM32F107開發(fā)板的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。三、文獻(xiàn)綜述根據(jù)直流電機(jī)的工作基本原理，由直流電機(jī)的機(jī)械特性方程 可知直流調(diào)速方法有三種：（1）改變電樞回路電阻。該方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單；缺點(diǎn)是效率低。因此，該方法適于小功率直流電機(jī)

11、、開環(huán)控制且僅能有級調(diào)速。一般應(yīng)用于電動(dòng)玩具中。（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速；缺點(diǎn)是調(diào)速范圍小而且通常是配合調(diào)壓調(diào)速在基速以上作小范圍的升速?，F(xiàn)已很少單獨(dú)使用，通常以非獨(dú)立控制勵(lì)磁的方式出現(xiàn)。（3）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定向下變速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。可調(diào)的直流電源有以下三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組：用交流電動(dòng)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組以獲得可調(diào)的流電源。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運(yùn)行，缺點(diǎn)設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低安裝須打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)方便，50

12、年代廣泛使用，今天很少用。靜止式可控整流器：用靜止可控整流器，如晶閘管可控整流器以獲得可控直流電壓。直流斬波器和脈寬調(diào)制變器：以恒定直流電源供電，用直流波器和脈寬調(diào)制變換器獲得可控的平電壓。比較上面三種直流調(diào)速方法可看出，改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少使用，僅在一些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，做額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。因此自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速配合使用?！?】對直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對半導(dǎo)體功率器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)

13、動(dòng)方式。絕大多數(shù)情況下采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。這種方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM 來控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖1 PWM 調(diào)速控制和電壓波形圖圖1是利用開關(guān)管對直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值為式中，-占空比，=t1/T占空比 表示了在一個(gè)周期T 里，開關(guān)管道通的時(shí)間與周期的比值。的變化范圍為01。由上式可知，當(dāng)電源電壓Us 不變的情況下，電樞電壓的平均值U0取決于占空比的大小，改變值就可以改變端電壓的平均值，達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。在PWM 調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。以下3 種方法都可以改

14、變占空比的值。（1）定寬調(diào)頻法保持t1 不變，只改變t2，使周期與頻率也隨之改變。（2）調(diào)寬調(diào)頻法保持t2 不變，只改變t1，使周期與頻率也隨之改變。（3）定頻調(diào)寬法使周期保持不變，同時(shí)改變t1、t2。前兩種方法在調(diào)速時(shí)，改變了控制脈沖的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生震蕩，因此很少用。目前主要用定頻調(diào)寬法?！?】，【3】當(dāng)今正在使用和不斷發(fā)展的直流電機(jī)的主流調(diào)速方法晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要包含以下幾種形式 ：1、開環(huán)晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；2、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；3、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；4、三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；5、晶閘管電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的可逆線路；6、有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)；7

15、、無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程是一個(gè)從簡單到復(fù)雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調(diào)速到可逆調(diào)速的不斷豐富完善的過程。不僅存在從單一調(diào)速方式向多種調(diào)速方式的縱向發(fā)展過程，而且每一種調(diào)速系統(tǒng)本身也都在發(fā)展完善之中。如開環(huán)閉環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、三環(huán)、有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)和無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)都在不斷的完善和發(fā)展之中。單閉環(huán)不僅是轉(zhuǎn)速閉環(huán)一種，根據(jù)應(yīng)用要求不同可以采用電壓負(fù)反饋、電流補(bǔ)償?shù)忍娲胧Ｓ协h(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有兩種，無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前有三種，它們都在不斷完善和發(fā)展之中。直流調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展都與其他學(xué)科存在緊密聯(lián)系。第一它與電機(jī)學(xué)有緊密地聯(lián)系，因?yàn)閷τ谡{(diào)速來說，電機(jī)是控

16、制對象，對控制對象的研究越深入控制效果才會(huì)越好。第二與半導(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展密不可分，電力電子技術(shù)元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調(diào)速系統(tǒng)的性能才會(huì)越好。微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，尤其是微控制器的發(fā)展為直流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展插上了翅膀。微控制器在這里的應(yīng)用，改變了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改變了傳感元件的檢測技術(shù)，并且使各種先進(jìn)控制算法得以實(shí)現(xiàn)。任何設(shè)計(jì)都不是終極設(shè)計(jì)，都在隨著其他科技的發(fā)展而不斷完善。當(dāng)前直流調(diào)速已發(fā)展到一個(gè)很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微處理器及其他先進(jìn)電力電子技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置在精度的準(zhǔn)確性、控制性能的優(yōu)

17、良性和抗干擾的性能有很大的提高和發(fā)展，在國內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為目前最新控制水平的傳動(dòng)方式顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷升級換代，為工程應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的條件?！?】-【7】直流調(diào)速系統(tǒng)中數(shù)字PID 控制器的參數(shù)選擇用下列兩種試驗(yàn)確定法來選擇PID 參數(shù)，這是目前最常用且行之有效的方法。1 湊試法 湊試法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)， 來觀察響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響來改變參數(shù)，直到認(rèn)為俄到滿意的響應(yīng)為止。PID 控制器各參數(shù)值對系統(tǒng)響應(yīng)的影響如下：增大比例系數(shù)KP,可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜態(tài)誤差；但是過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有

18、較大的超調(diào)，因此產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分常數(shù)TI,會(huì)有利于減小超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定；但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除將隨之減慢。增大微分常數(shù)TD也可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加；但系統(tǒng)的抗干擾能力降低。在考慮了以上參數(shù)對控制過程的影響以后，湊實(shí)時(shí)，可按先比例-積分-再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)。2 經(jīng)驗(yàn)法用湊試法確定PID 參數(shù)需要經(jīng)過多次反復(fù)的試驗(yàn)，為了減少湊試次數(shù)，可以借鑒他人的經(jīng)驗(yàn)，事先作少量的試驗(yàn)，已得到若干基準(zhǔn)參數(shù)，然后按照經(jīng)驗(yàn)公式，用這些基準(zhǔn)參數(shù)推導(dǎo)出PID 控制參數(shù)?！?】參考文獻(xiàn)：【1】張粵等 電機(jī)與控制系統(tǒng) 東南大學(xué)出版社 1999【2】王曉明 電動(dòng)機(jī)的ADSP控制 北京航空航天大學(xué)出版社 2010【3】6 A. Peterchev, J. Xiao, S. Sanders, Architecture and IC implementation of a digital VRM controller, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 1, January 2003 .【4】周淵深 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真 中國電力出版社 2007【5】陳維山，趙杰 機(jī)電系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制 哈爾