運動控制課程設計

1、運動控制系統(tǒng)課程設計說明書目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark5 o Current Document 1設計任務與要求 1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 2系統(tǒng)方案論證 1 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 2.1 PWM控制使用在直流電力才動系統(tǒng)中的優(yōu)勢 1 HYPERLINK l bookmark11 o Current Document 單片機控制使用在直流電力拖動系統(tǒng)中的優(yōu)勢 1 HYPERLINK l bookmark13 o Current D

2、ocument 3系統(tǒng)總體設計 2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 單片機控制PWM1流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 2 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 3.2 PWM技術基本原理 3 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 4調(diào)節(jié)器參數(shù)設計 3 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 電流環(huán)參數(shù)設計 3轉速環(huán)參數(shù)設計 5 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 5系統(tǒng)電路

3、設計 7主電路設計 7驅動電路設計 8檢測電路設計 8數(shù)字控制器設計 9 HYPERLINK l bookmark39 o Current Document 6調(diào)速系統(tǒng)軟件設計 9主程序 10初始化子程序 10中斷服務子程序 106.4 PI算法子程序 11 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 設計體會 13 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 參考文獻 14運動控制系統(tǒng)課程設計說明書單片機控制PWM1流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設計1設計任務與要求轉速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應用最為廣泛的直流

4、調(diào)速系統(tǒng)。本次設 計需要根據(jù)已知參數(shù)及性能指標，設計一個單片機控制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，具體包括主電路設計、觸發(fā)電路設計、控制回路設計 以及控制程序的編寫。2系統(tǒng)方案論證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開關頻率可到達幾十kHz,IGBT開關頻率也可到達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，減少了電動機損耗。2電動機低速時電流脈動小，即

5、轉矩脈動小，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1 : 20 000。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主電路結構簡單，MOSFET與IGBT都開發(fā)有多種驅動集成模塊；并且由于功率器件工作在開關狀態(tài)，而使功率電路功耗小，其功率可到達90%以上。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)字控制系統(tǒng)的控制軟件能夠進行邏輯判斷和復

6、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、武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書數(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)總體設計根據(jù)設計任務要求，設計的單片機控制 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，GD:驅動電路，UPEW:橋式可逆電力電子變換器，A/D:模/數(shù)轉換 器，TA:霍爾電流傳感器，F(xiàn)BS:光電碼盤測速器。為了實現(xiàn)轉速、電流的無靜差以及轉速

7、的穩(wěn)定，整個系統(tǒng)采用了轉速、電流雙閉環(huán)的 控制結構，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器轉速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器，從而引入轉速負反饋和 電流負反饋。兩者之間實行審級聯(lián)接，把轉速調(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，最后通過驅動電路驅動橋式可逆電力電子變換 器UPEW。從閉環(huán)結構上看，電流環(huán)在內(nèi)部，構成了內(nèi)環(huán)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無 靜差，以得到理想的堵轉特性，而且電流環(huán)應以跟隨性能為主，所以電流環(huán)按典I型系統(tǒng) 設計；轉速環(huán)在外部，從成了外環(huán)，為了實現(xiàn)轉速無靜差以及獲得良好的動、靜態(tài)品質， 所以轉速環(huán)按典R型系統(tǒng)設計。整個系統(tǒng)中，轉速、電流調(diào)節(jié)環(huán)采用單片機實現(xiàn)，系統(tǒng)

8、的武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書給定，電流、轉速的反饋量經(jīng)過模/數(shù)轉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)。PWM技術基本原理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，從而控制電機的轉速。電樞電壓的平均值為： Umg=Vcc,漸為占空比，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)設計本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的設計主要采用工程設計法。按照多環(huán)控制系統(tǒng)設計的一般原則， 采取先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴張。因此在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先設計電 流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設

9、計轉速調(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)結構框圖如圖 2所示。I1圖2單片機控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖環(huán)參數(shù)設計首先將電流環(huán)從整個系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖中取出，得到近似的電流環(huán)結構框圖，如圖3所示。武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書圖3圖3電流環(huán)近似結構框圖由于電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，而且設計要求電流超調(diào)量i 5%,因此可校正成典I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：WacrWacr(S)K( iS 1)iS式中 Ki-電流調(diào)節(jié)器比例系數(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)結構簡化圖，如圖4所示。*Ui

10、*Ui (s)/ BKis(TiS+1)Id(S)圖4電流環(huán)結構簡化圖電動機電樞電流的額定值In 18.5A,所以電樞允許的最大電流Idm 1.5*18.527.75 A,所以電樞電流的范圍為27.7527.75A,而A/D轉換為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)：255/(27.75 ( 27.75) 255/55.5 4.6A 1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)TS為三相橋式整流電路的平均失控時間Ts 0.0017s,而電流濾波時間常數(shù) 上為：Toi 0.002 s,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T i Ts Toi 0.003

11、7s,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)：i Tl 0.03so武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書電流環(huán)開環(huán)增益：要求i 5% ,應取KIT j 0.5 ,因此Ki0.50.5Ki0.50.50.0037s135s于是，ACR的比例系數(shù)為KI iR 135*0.03*0.5Ki 1.667Ks 0.264*4.6校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率：ci K| 135s 1PWM變換器傳遞函數(shù)近似條件1ssci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1/TmT；s1 ci滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件11/TsT0；180.8s1

12、 ci滿足近似條件按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以到達的動態(tài)跟隨性能指標為5% ,按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以到達的動態(tài)跟隨性能指標為5% ,滿足設計要求。前面已經(jīng)計算出了電流調(diào)節(jié)環(huán)的參數(shù)，要對轉速環(huán)進行參數(shù)設計，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。Id 1/*Ui (s)1 s/ KI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)結構框圖如圖 5所示武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書圖5圖5轉速環(huán)動態(tài)結構框圖由前面調(diào)速系統(tǒng)的原理可知，轉速的控制是無靜差的，而且設計要求空載啟動轉速超調(diào)量n 10%,因此可校正成典R型系統(tǒng)，所以轉速調(diào)節(jié)

13、器 ASR也采用PI型的，其傳遞 函數(shù)可以寫成下式：WasrWasr(S)Kn( nS 1)式中Kn -轉速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)n-轉速調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)。對轉速環(huán)作近似處理，可得出轉速環(huán)結構簡化圖，如圖 6所示。Un (s)/70K；(rnS+1)n(s)s2(T2 nS+1) n圖6轉速環(huán)結構簡化圖轉速調(diào)節(jié)器各參數(shù)計算：電流環(huán)等效時間常數(shù)：1/ Ki 2T i 0.0074s。轉速濾波時間常數(shù)：Ton 0.01s o轉速環(huán)小時間常數(shù)：T n 1/ KI Ton 0.0174s。按照跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h 5,則ASR的超前時間常數(shù)為n hT n 0.087s從而求出轉速開環(huán)增益N (h

14、 1)/(2h2T2n) 396.4s2最后可求出ASR的比例系數(shù)為n KN nCeTm /R 7.424武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書檢驗近似條件：轉速環(huán)截止頻率：cn Kn n 34.4868s 1 0電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為,K|/T；3.37s 1 cn滿足近似條件。轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為JK|/Tn38.73s 1 cn滿足近似條件。當h 5時，n 37.6% ,不能滿足設計要求，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n 2(-Cmx)( z)/乙 1.68% 10%Cbn

15、 Tm5系統(tǒng)電路設計整個調(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，各個單元電路的設計如下。主回路的設計主要是：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，最后供應直流電動機使用。整個主回路的 構成如下圖。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，

16、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 后為了防止限流電阻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 K,將其短路即可。武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書圖7主回路電路圖圖7主回路電路圖從上述原理可知，產(chǎn)生高壓側炯雞驅動電壓的前提是低壓側必須要有開關的動作，因此本系統(tǒng)采用的是雙極性脈寬調(diào)制功率放大器。PWM驅動原理圖如圖 8所示。因為VT1-VT4是作為開關用的大功率晶體管，只工作在截止和飽和狀態(tài)，當電機正轉時VT1、VT4導通，反轉則VT2、VT3導通。而D4、D5、D9、D10則為續(xù)流二極管，主要起到保 護作用，防止V

17、T1VT4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轉換通道轉換為數(shù)字量再送入單片機中進行相應的處理，轉速檢測直接使用數(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TACSM100LA , A/D轉換器ADC0809。轉 速測量電路則由施密特整形電路以及裝在電動機轉子上的光電編碼盤組成，因為電機的轉 速與電脈沖的頻率成固定的比例關系，因此將光電編碼盤輸出的電脈沖經(jīng)施密特整形電路武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書整為標準的TTL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

18、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)的時間差算出轉速。 數(shù)字控制器設計數(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)設計方法設計調(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、轉速的數(shù)字量送入單片機中， 通過測得的轉速與預置轉速相比得到差值，然后單片機通過對差值進行PI運算得出控制量，再通過IO 輸出四路PWM控制信號，最終到達控制電機轉速的目的。 數(shù)字控制器的 設計主要是單片機最小系統(tǒng)的

19、設計，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U1131215 bl3111817T6P 1.0(72)P1 131215 bl3111817T6P 1.0(72)P1 1(迎 X)F1.2P1.3PI 4Pl 5174OSI)Pl 6CMISO)Pl 7(SCK)P3 3QHT1JPS 2(IMT0)P3.5(T1)P3.4(T0EA(VFP)XTAL1 XT AL?RSTP3.7(RD)P3.6(WF.)(ADQJPOJ (ADl)PO 1 CAD2)P0.2 (AD3JP0 3 (AP4)Pn 4(AD6)P0.5 (AP7)Pn 7(A8)F2.0 (AP)P2.1(AI0

20、)P2 2 1*2 3(A12JP21 CAl3)P2 5 (A14)F2 6 (A15JP2 7VCC GND (R_XD)P3.0 CTXD)P3 1 ALE/PROG Tsem39 38 77 3d 3? 王 35 32212222242527234U20To3029圖9單片機最小系統(tǒng)6調(diào)速系統(tǒng)軟件設計調(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。武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書主程序設計成循環(huán)形式，將預置的轉速與實際測得的轉速相比較，得到一個

21、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，最終到達控制電機轉速的目的。主程序框圖如圖10所示。圖10主程序框圖初始化子程序的功能主要是完成器件工作方式的設定、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。中斷服務子程序的設計是整個系統(tǒng)軟件設計的關鍵部分，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 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。10武漢理工大學運動控制系統(tǒng)課程設計說明書系統(tǒng)初始化設定定時器、 PWM、數(shù)字測速工 作方式系統(tǒng)初始化圖12轉速調(diào)節(jié)中斷服務子程序框圖設定I/O、按鍵工作方式參數(shù)及變量初始化圖12轉速調(diào)節(jié)中斷服務子程序框圖設定I/O、按鍵工作方式參數(shù)及變量初始化進入轉速調(diào)節(jié)中斷服務子程序后，首先保護現(xiàn)場，再計算實際轉速，完成轉速PI調(diào)節(jié), 最后啟動轉速檢測，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，轉速調(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轉換，為下一步調(diào)節(jié)做