運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要運(yùn)動(dòng)控制起源于早期的伺服控制。簡單地說，運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。早期的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)主要是伴隨著數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和工廠自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。早期的運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)際上是可以獨(dú)立運(yùn)行的專用的控制器，往往無需另外的處理器和操作系統(tǒng)支持，可以獨(dú)立完成運(yùn)動(dòng)控制功能、工藝技術(shù)要求的其他功能和人機(jī)交互功能。這類控制器可以成為獨(dú)立運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)控制器。這類控制器主要針對(duì)專門的數(shù)控機(jī)械和其他自動(dòng)化設(shè)備而設(shè)計(jì)，往往已根據(jù)應(yīng)用行業(yè)的工藝要求設(shè)計(jì)了相關(guān)的功能，用戶只需要按照其協(xié)議要求編寫應(yīng)用加工代碼文件，利用RS232或者DNC方式傳輸?shù)娇刂破?，控制器即可完成相關(guān)的動(dòng)作。這類控制器往往不能離開其特定的工藝要求而跨行業(yè)應(yīng)用，控制器的開放性僅僅依賴于控制器的加工代碼協(xié)議，用戶不能根據(jù)應(yīng)用要求而重組自己的運(yùn)動(dòng)控制系。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制，伺服控制，，電源雙極性，PWM直流調(diào)速控制，protus仿真引言直流電機(jī)的定義：將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。近年來，隨著科技的進(jìn)步，直流電機(jī)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，直流具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑，方便，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，需要滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊要求，從而對(duì)直流電機(jī)提出了較高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代科技的要求，這是通過PWM方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法就應(yīng)運(yùn)而生。采取傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下的缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間飄移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而用PWM技術(shù)后，避免上述的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，可以大幅度減低成本和功耗。并且PWM調(diào)速系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得平滑的直流電流，低速特性好；同時(shí)，開關(guān)頻率高，快響應(yīng)特性好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可獲很寬的頻帶；開關(guān)元件只需工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置的效率高，具有節(jié)約空間、經(jīng)濟(jì)好等特點(diǎn)。隨著我國經(jīng)濟(jì)和文化事業(yè)的發(fā)展，在很多場合，都要求有直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)速，諸如汽車行業(yè)中的各種風(fēng)扇、刮水器、噴水泵、熄火器、反視鏡、賓館中的自動(dòng)門、自動(dòng)門鎖、自動(dòng)窗簾、自動(dòng)給水系統(tǒng)、柔巾機(jī)、導(dǎo)彈、火炮、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、艦艇、飛機(jī)、坦克、火箭、雷達(dá)、戰(zhàn)車等場合。任務(wù)分析1設(shè)計(jì)方案1.1概述采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成脈寬調(diào)制變換器一直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制變換器是把脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的一種直流斬波器，脈寬調(diào)制，是利用電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1） 主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右。4） 若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。6） 直流電流采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于有以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋。1.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制

PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？傮w方案簡化圖如圖1所示。Id圖1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化圖1.3橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。橋式可逆PWM變換器電路如圖2所示。這是電動(dòng)機(jī)M兩端電壓uab的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖2橋式可逆PWM變換器電路雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖3所示。

O*Ug2O圖3PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形O*Ug2O圖3PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：U=U=-U=-U。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0<t<t時(shí),品體管VT、VT飽和導(dǎo)通而VT、VT截止，這時(shí)U=U。當(dāng)t<t<T時(shí)VT、1 4 3 2 ABs on 1VT截止，但VT、VT不能立即導(dǎo)通，電樞電流i經(jīng)VD、VD續(xù)流，這時(shí)4 3 2 d 2 3UAB=-U。UB在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，t>:，則UA的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，t=:，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為T_t onT如果定義占空比p=。，T則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí)，p的可調(diào)范圍為0?1相應(yīng)的y=—1~+1。當(dāng)p>1時(shí)，y為正，電2動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)p<1時(shí)，y為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)p=1時(shí)，y=0，電動(dòng)機(jī)停止。2 2但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1） 電流一定連續(xù)。2） 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3） 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4） 低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。1.4電源采用雙極性脈寬調(diào)制放大電路圖2舉出了一個(gè)實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)雙極性PWM功率放大器。它是一個(gè)典型的H型功放，四個(gè)功放管分別采用NPN型達(dá)林頓管TIP122和PNP型達(dá)林頓管TIP127。PWM脈沖信號(hào)通過光電耦合器件4N35加到晶體管的輸入端。4N35的作用是把控制電源與驅(qū)動(dòng)電源隔離，以免驅(qū)動(dòng)器電源不穩(wěn)定影響整個(gè)控制系統(tǒng)；同時(shí)，4N35的輸出端還提供功放管的基極驅(qū)動(dòng)電流。系統(tǒng)的工作過程如下：當(dāng)PWM1端變?yōu)榈碗娖角襊WM2端為高電平時(shí)，功放管Q2/Q3導(dǎo)通，Q1/Q4截止，電流從電機(jī)兩側(cè)的B點(diǎn)流向A點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn);反之，反轉(zhuǎn)。二極管D1、D2、D3、D4是續(xù)流二極管，在晶體管切換時(shí)提供電流通路，并聯(lián)在二極管兩端的電阻和電容也起續(xù)流作用。PWM1和PWM2是兩路控制信號(hào)。如果加上如圖3所示的信號(hào)，則構(gòu)成單極性功放電路。PWM信號(hào)由8051單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，由P1.0輸出。P1.1的高低電平代表電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。四個(gè)功放管采用MOS管。當(dāng)電機(jī)要求正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)的P1.1輸出高電平信號(hào)，該信號(hào)分為三路：第一路接與門Y1的輸入端，使與門Y1的輸出由PWM決定，所以開關(guān)管Q1柵極受PWM控制；第二路直接與開關(guān)管Q4相連使Q4導(dǎo)通；第三路經(jīng)非門連接到與門Y2的輸入端，使與門Y2的輸出為0，結(jié)果開關(guān)管Q2截止。從非門輸出的另一路信號(hào)與開關(guān)管Q3的柵極相連，其低電平信號(hào)也將使Q3截止。類似地，電機(jī)要求反轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī)P1.1輸出低電平信號(hào)，各功放管的導(dǎo)通與截止與電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)正好相反。雙極性PWM電路中，PWM1和PWM2兩路控制信號(hào)通常不是嚴(yán)格對(duì)稱的，造成切換過程中有一個(gè)小的時(shí)間延遲Tw，如圖4所示。Tw實(shí)際上是功率管的開關(guān)時(shí)間，考慮時(shí)間延遲的目的是為了防止H橋同側(cè)的功放管在開關(guān)切換時(shí)短路。1.5PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下U=Ri+L虬+E (0<t<t)sddt ondiU=楫+L了+E (t<t<T)按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是Ud=yU，平均電流用"表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/C，而電樞電感壓降L烏的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成dtyU=RI+E=RI+則機(jī)械特性方程式n=-Rl=n—CCd02.電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體電路圖猜想直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)由單片機(jī)產(chǎn)生控制PWM信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生PWM信號(hào)的數(shù)據(jù)，控制直流電機(jī)調(diào)速電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。2.2電機(jī)PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路Cn圖3PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器2.3系統(tǒng)中的部分程序設(shè)計(jì)軟件由1個(gè)主程序、1個(gè)中斷子程序和1個(gè)PI控制算法子程序組成。主程序設(shè)計(jì)主程序主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是，先設(shè)定好速度初始值，這個(gè)初始值與測速電路送來的值相比較得到一個(gè)誤差值，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其程序流程圖如圖所示。軟件由1個(gè)主程序、1個(gè)中斷子程序和1個(gè)PI控制算法子程序組成。主程序主程序是一個(gè)循環(huán)程序，其主要思路是由單片機(jī)P1口生數(shù)據(jù)送到PWM信號(hào)發(fā)生電路，然后用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

#include<absacc.h>#include<intrins.h>**************************//********自定義變量********/#defineuintunsignedint//自定義變量#defineucharunsignedcharchargw,sw,bw,qw;ucharj;//定時(shí)次數(shù)，每次20msucharf=5;〃計(jì)數(shù)的次數(shù)sbitP10二P「0;sbitP11二P「1;sbitP12=P「2;sbitP13二P「3;sbitP14二P「4;sbitP15二P「5;sbitP16二P「6;uchark;//PWM輸出波形1//PWM輸出波形2//正反轉(zhuǎn)〃加速//減速〃停止//啟動(dòng)uchart; 〃脈沖加減/***************主函數(shù)********************/main(void)(TMOD=0x51;//T0方式1定時(shí)計(jì)數(shù)T1方式1計(jì)數(shù)TH0=0xb1;//裝入初值20MSTL0=0xe0;TH1=0x00;//計(jì)數(shù)567TL1=0x00;TR0=1;〃啟動(dòng)t0TR1=1;〃啟動(dòng)t1}}/*****************延時(shí)函數(shù)*************************/delays()(uchari;for(i=5000;i>0;i--);}/************************************************//*********t0定時(shí)*中斷函數(shù)*************/voidt0()interrupt1using2(TH0=0xb1;〃重裝t0TL0=0xe0;f--;if(k==0)(if(f<t)P10=1;elseP10=0;P11=0;}else(if(f<t)P11=1;elseP11=0;P10=0;}if(f==0)(f=5;}j++;if(j==50)(j=0；x=TH1*256+TL1; //t1方式1計(jì)數(shù)，讀入計(jì)數(shù)值TH1=0x00;TL1=0x00;x++;display();}}/****************按鍵掃描**************/key()(if(P12==0) //如果按下，(while(!P12)//去抖動(dòng)display();k=~k;}if(P16==0) 〃啟動(dòng)(while(P16==0);IE=0x8a;}if(P13==0) 〃加速(while(P13==0);t++;}if(t>=5)t=5;if(P14==0)//減速(while(P14==0);t--;}if(t<1)t=1;if(P15==0) 〃停止(while(P15==0);EA=0;P10=0;P11=0;}}2.4系統(tǒng)調(diào)試在程序編寫的過程中，出現(xiàn)了很多問題，包括鍵盤掃描處理、PWM信號(hào)發(fā)生電路的控制、以及單片機(jī)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等問題，雖然問題不是很大，但是也讓我研究了好長時(shí)間，在解決這些問題的時(shí)候，我不斷向老師和同學(xué)請(qǐng)教，希望能通過大家一塊的努力把軟件編寫的更完整，讓系統(tǒng)的功能更完備。經(jīng)過多天的努力探索，也經(jīng)過老師的指導(dǎo)，大部分問題都已經(jīng)解決，就是程序還是不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能，這讓我很著急。后來經(jīng)過一點(diǎn)一點(diǎn)的調(diào)試，并認(rèn)真總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了問題其實(shí)在編寫中斷處理程序時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，修改后即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速的目的?？偨Y(jié)這次軟件調(diào)試，讓我認(rèn)識(shí)到了做軟件調(diào)試的基本方法與流程:（1） 認(rèn)真檢查源代碼，看是否有文字或語法錯(cuò)誤（2） 逐段子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，找出錯(cuò)誤出現(xiàn)的部分，重點(diǎn)排查（3） 找到合適的方法，仔細(xì)檢查程序，分步調(diào)試直到運(yùn)行成功2.5系統(tǒng)仿真仿真軟件選擇Proteus，在Proteus中畫出系統(tǒng)電路圖，當(dāng)程序在KeilC中調(diào)試通過后，會(huì)生成以hex為擴(kuò)展名的文件，這就是使系統(tǒng)能夠在Proteus中成功進(jìn)行仿真的文件。將些文件加載到單片機(jī)仿真系統(tǒng)中，驗(yàn)證是否能完成對(duì)直流電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。若不成功，則重新回到軟件調(diào)試步驟，進(jìn)行軟件調(diào)試。找出錯(cuò)誤所在，更正后重新運(yùn)行系統(tǒng)。硬件仿真電路的設(shè)計(jì)完全按照論文設(shè)計(jì)方案進(jìn)行。在仿真的過程中也遇到了很多問題，比如元件選擇、電路設(shè)計(jì)等，在元件選擇方面，有的芯片是我以前學(xué)習(xí)的時(shí)候所沒有遇到過的，所以在尋找和使用的過程中也遇到很多麻煩，但經(jīng)過自己的努力，并借鑒從互聯(lián)網(wǎng)上找到的資料，我逐漸掌握這些元件的使用方法和原理，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真提供了良出的基礎(chǔ)。另外，在進(jìn)行仿真的時(shí)候，也經(jīng)常出現(xiàn)程序沒有錯(cuò)誤了，但是仿真通不過的情況，這些大部分原因是在管腳定義上，很多系統(tǒng)仿真的問題都出在這。經(jīng)過這段時(shí)間的努力，使我對(duì)仿真軟件以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路有了更深一步的認(rèn)識(shí)，也為系統(tǒng)的成功奠定了基礎(chǔ)。在kiel中編寫和調(diào)試程序CEAoeOtA-S-PWMp-s-EU^00/Hpl3pA-AOaeOeEe!4ZExOU"?"2aaA-00,O3120090806022321-E上-lJ-TM1-E上-lJ-TM一-<-_?-<一璉_<-4導(dǎo)出電路原理圖導(dǎo)出電路原理圖自動(dòng)化w班歐英剛312009080602232U3[r~ a：自動(dòng)化w班歐英剛312009080602232U3[r~ a：：：勰仿真電路圖*.27/\\'tL.」□■11超調(diào)量=[Y(tp)—Y(8)]/Y(8)x100%本設(shè)計(jì)中給定值Y(8)=3；Y(tp)=3?43。超調(diào)量=(3.43-3)/3*100%=14.50%14.50%<20%故符合設(shè)計(jì)要求結(jié)論本課程所述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是以低價(jià)位的單片機(jī)為核心的，而通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對(duì)于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對(duì)于簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。而在軟件方面，采用PLD算法來確定閉環(huán)控制的補(bǔ)償量也是由數(shù)字電路組成的直流電機(jī)閉環(huán)