運(yùn)動(dòng)控制專業(yè)課程設(shè)計(jì)

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 12系統(tǒng)方案論證 12.1PWM控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì) 12.2單片機(jī)控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì) 13系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 23.1單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理 23.2PWM技術(shù)基礎(chǔ)原理 34調(diào)整器參數(shù)設(shè)計(jì) 34.1電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 34.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 55系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 75.1主電路設(shè)計(jì) 75.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 85.3檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 85.4數(shù)字控制器設(shè)計(jì) 96調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 96.1主程序 106.2初始化子程序 106.3中止服務(wù)子程序 106.4PI算法子程序 11設(shè)計(jì)體會(huì) 13參考文件 14單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最為廣泛直流調(diào)速系統(tǒng)。此次設(shè)計(jì)需要依據(jù)已知參數(shù)及性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，使其含有基礎(chǔ)運(yùn)行可能性和可操作性，具體包含主電路設(shè)計(jì)、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)、控制回路設(shè)計(jì)和控制程序編寫(xiě)。2系統(tǒng)方案論證2.1PWM控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)使用PWM控制方法，和晶閘管可控整流方法比較，性能上有以下特點(diǎn)。

1）因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率高，所以系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾性能強(qiáng)。新開(kāi)發(fā)MOSFET開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)成幾十kHz,IGBT開(kāi)關(guān)頻率也可達(dá)成30kHz。而且電樞電流僅依靠于電動(dòng)機(jī)本身電感就能連續(xù)，不需要增加飽和電抗器，降低了電動(dòng)機(jī)損耗。

2）電動(dòng)機(jī)低速時(shí)電流脈動(dòng)小，即轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍大，尤其是雙極式PWM變換器，最大調(diào)速比可達(dá)1∶20000。當(dāng)直流電源采取不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。

3）主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，MOSFET和IGBT全部開(kāi)發(fā)有多個(gè)驅(qū)動(dòng)集成模塊；而且因?yàn)楣β势骷ぷ髟陂_(kāi)關(guān)狀態(tài)，而使功率電路功耗小，其功率可達(dá)成90%以上。2.2單片機(jī)控制使用在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)基于單片機(jī)控制數(shù)字直流調(diào)速數(shù)字控制系統(tǒng)和模擬控制系統(tǒng)相比較有很多優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵包含以下幾方面。1）數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高、制作成本低、不受器件溫度漂移影響。且系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高，能夠提升控制能力。2）數(shù)字控制系統(tǒng)控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判定和復(fù)雜運(yùn)算，能夠?qū)崿F(xiàn)不一樣于通常線性調(diào)整最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律。另外，數(shù)字控制系統(tǒng)擁有信息存放、數(shù)據(jù)通信和故障診療等模擬控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)功效。3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，設(shè)計(jì)單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1所表示。 3~AT89S52單片機(jī)URId*UcId*Ucn﹡ASRACRUPWGDUPEW-Id-n-Id-nA/DTAMFBS圖1單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1中，UR：三相橋式整流器，ASR：轉(zhuǎn)速調(diào)整步驟，ACR：電流調(diào)整步驟，UPW：PWM波生成電路，GD：驅(qū)動(dòng)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(pán)測(cè)速器。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流無(wú)靜差和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，整個(gè)系統(tǒng)采取了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)整器轉(zhuǎn)速調(diào)整器、電流調(diào)整器，從而引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)施串級(jí)聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)整器輸出看成電流調(diào)整器輸入，再用電流調(diào)整器輸出作為PWM控制電壓，最終經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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，組成了內(nèi)環(huán)，從穩(wěn)態(tài)要求上看，期望電流無(wú)靜差，以得到理想堵轉(zhuǎn)特征，而且電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，所以電流環(huán)按典Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外部，從成了外環(huán)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差和取得良好動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，所以轉(zhuǎn)速環(huán)按典Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)整環(huán)采取單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)給定，電流、轉(zhuǎn)速反饋量經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后也送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，最終形成了單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.2PWM技術(shù)基礎(chǔ)原理PWM控制系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)改變直流電機(jī)電樞上脈動(dòng)直流電“占空比”來(lái)改變平均電壓大小，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電樞電壓平均值為：Umg=ρVcc,ρ稱為占空比，其值由固定頻率調(diào)整脈沖寬度方法來(lái)調(diào)整。4調(diào)整器參數(shù)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)調(diào)整器參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)鍵采取工程設(shè)計(jì)法。根據(jù)多環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常標(biāo)準(zhǔn)，采取先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，從內(nèi)環(huán)開(kāi)始，逐步向外擴(kuò)張。所以在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)整器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)整系統(tǒng)中一個(gè)步驟，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)整器。單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2所表示。eq\f(β,eq\f(β,Tois+1)電流環(huán)UUn*(s)eq\f(Keq\f(Ks,Tss+1)eq\f(1/Rs,Tls+1)eq\f(1,Tois+1)eq\f(1,Tons+1) ASR ACReq\f(1,Tons+1)E(s)IdL(s)E(s)IdL(s)eq\f(α,Tons+1)eq\f(R,eq\f(R,Tms)eq\f(1,Ce)圖2單片機(jī)控制PWM直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.1電流環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)首先將電流環(huán)從整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中取出，得到近似電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖，圖3所表示。eq\f(Kseq\f(Ks,Tss+1)eq\f(β,Tois+1)eq\f(1/R,Tls+1)Ui*(s)Id(s)ACRUi*(s)Id(s)eq\f(βeq\f(β,Tois+1)圖3電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)框圖因?yàn)殡娏鳝h(huán)控制對(duì)象是雙慣性，而且設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量，所以可校正成典Ⅰ型系統(tǒng)，所以電流調(diào)整器ACR采取PI型，其傳輸函數(shù)能夠?qū)懗上率剑菏街须娏髡{(diào)整器百分比系數(shù)電流調(diào)整器超前時(shí)間常數(shù)。對(duì)電流環(huán)作近似處理，可得出電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖，圖4所表示。IId(s)UiUi*(s)/βeq\f(KI,s(T∑is+1))圖4電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖電動(dòng)機(jī)電樞電流額定值,所以電樞許可最大電流,所以電樞電流范圍為，而A/D轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制數(shù)碼，所以得出電流反饋回路反饋系數(shù)：因?yàn)檎麟娐凡扇∈侨鄻蚴秸麟娐?，所以整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)為三相橋式整流電路平均失控時(shí)間，而電流濾波時(shí)間常數(shù)為：，經(jīng)過(guò)小時(shí)間常數(shù)近似處理得出電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和，所以能夠計(jì)算出電流調(diào)整器各參數(shù)。電流調(diào)整器各參數(shù)計(jì)算：電流調(diào)整器超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求，應(yīng)取，所以于是，ACR百分比系數(shù)為校驗(yàn)近似條件：電流環(huán)截止頻率：PWM變換器傳輸函數(shù)近似條件滿足近似條件。忽略反電動(dòng)勢(shì)改變對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件滿足近似條件。電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。根據(jù)上述參數(shù)，電流環(huán)能夠達(dá)成動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。4.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)前面已經(jīng)計(jì)算出了電流調(diào)整環(huán)參數(shù)，要對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，首先計(jì)算出電流環(huán)等效閉環(huán)傳輸函數(shù)，經(jīng)過(guò)近似條件處理能夠得出電流環(huán)等效閉環(huán)傳輸函數(shù)為下式。用電流環(huán)等效步驟替換圖3中電流環(huán)后，整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖5所表示。n(s)eq\f(R,n(s)eq\f(R,CeTms)eq\f(1/β,1+s/KI)eq\f(1,Tons+1)ASRUnUn*(s)eq\f(αeq\f(α,Tons+1)圖5轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由前面調(diào)速系統(tǒng)原理可知，轉(zhuǎn)速控制是無(wú)靜差，而且設(shè)計(jì)要求空載開(kāi)啟轉(zhuǎn)速超調(diào)量，所以可校正成典Ⅱ型系統(tǒng)，所以轉(zhuǎn)速調(diào)整器ASR也采取PI型，其傳輸函數(shù)能夠?qū)懗上率剑菏街修D(zhuǎn)速調(diào)整器百分比系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)整器超前時(shí)間常數(shù)。對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)作近似處理，可得出轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖，圖6所表示。n(s)Unn(s)Un*(s)/αeq\f(KN(τns+1),s2(T∑ns+1))圖6轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖轉(zhuǎn)速調(diào)整器各參數(shù)計(jì)算：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：。轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：。根據(jù)跟隨和抗擾性能全部很好標(biāo)準(zhǔn)，取，則ASR超前時(shí)間常數(shù)為從而求出轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益最終可求出ASR百分比系數(shù)為檢驗(yàn)近似條件：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率：。電流環(huán)傳輸函數(shù)簡(jiǎn)化條件為滿足近似條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足近似條件。當(dāng)初，，不能滿足設(shè)計(jì)要求，因?yàn)橐陨鲜前淳€性處理，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)前提，所以應(yīng)該按ASR退飽和情況重新計(jì)算超調(diào)量。所以超調(diào)量為5系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)硬件電路關(guān)鍵包含有：以三相橋式整流器為主主電路，PWM功率放大驅(qū)動(dòng)電路，電流、速度檢測(cè)電路和以51單片機(jī)為關(guān)鍵數(shù)字控制器等多個(gè)單元電路組成，各個(gè)單元電路設(shè)計(jì)以下。5.1主電路設(shè)計(jì)主回路設(shè)計(jì)關(guān)鍵是：三相交流電源經(jīng)三相橋式整流變換為電壓恒定直流電源，然后經(jīng)過(guò)直流PWM變換器得到可調(diào)直流電壓，最終供給直流電動(dòng)機(jī)使用。整個(gè)主回路組成圖所表示。其中，從圖7中能夠看出，采取是電壓源型逆變器，直流步驟采取大電容C1來(lái)濾波，從而使得輸出直流電壓波形比較平直，在理想情況下可視為內(nèi)阻為零恒壓源。因?yàn)殡娙軨1容量很大，當(dāng)突加電源后，后造成短路，從而形成比較大充電電流，會(huì)降低整流二極管壽命，嚴(yán)重可能燒毀，所以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(yùn)行中造成無(wú)須要損耗，可在限流電阻R1兩端并入延時(shí)開(kāi)關(guān)K，將其短路即可。圖7主回路電路圖5.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)從上述原理可知，產(chǎn)生高壓側(cè)燜雞驅(qū)動(dòng)電壓前提是低壓側(cè)必需要有開(kāi)關(guān)動(dòng)作，所以本系統(tǒng)采取是雙極性脈寬調(diào)制功率放大器。PWM驅(qū)動(dòng)原理圖圖8所表示。因?yàn)閂T1~VT4是作為開(kāi)關(guān)用大功率晶體管，只工作在截止和飽和狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)VT1、VT4導(dǎo)通，反轉(zhuǎn)則VT2、VT3導(dǎo)通。而D4、D5、D9、D10則為續(xù)流二極管，關(guān)鍵起到保護(hù)作用，預(yù)防VT1~VT4被反向擊穿。因?yàn)榭刂苹芈肥侨蹼?，而主回路卻是強(qiáng)電，所以在二者之間加入了起隔離和抗干擾作用光電耦合器。圖8PWM驅(qū)動(dòng)原理圖5.3檢測(cè)電路設(shè)計(jì)檢測(cè)回路關(guān)鍵包含電流、電壓、速度檢測(cè)，其中電流、電壓檢測(cè)須由A/D轉(zhuǎn)換通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量再送入單片機(jī)中進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理，轉(zhuǎn)速檢測(cè)直接使用數(shù)字測(cè)速。電流檢測(cè)電路關(guān)鍵組成部分包含霍爾電流傳感器（TA）CSM100LA，A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路則由施密特整形電路和裝在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上光電編碼盤(pán)組成，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)速和電脈沖頻率成固定百分比關(guān)系，所以將光電編碼盤(pán)輸出電脈沖經(jīng)施密特整形電路整為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平，再送入單片機(jī)兩個(gè)外部中止，然后利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器來(lái)不停反復(fù)捕捉相鄰兩次速度脈沖，最終從兩次觸發(fā)時(shí)間差算出轉(zhuǎn)速。5.4數(shù)字控制器設(shè)計(jì)數(shù)字控制器是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵，AT89S52單片機(jī)測(cè)試數(shù)字控制器關(guān)鍵。前面已經(jīng)計(jì)算出電流、轉(zhuǎn)速調(diào)整器參數(shù)，所以能夠得到二者傳輸函數(shù)，一次能夠先按模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)整器，然后采取離散化，就能夠得到數(shù)字控制器散發(fā)，也就是模擬調(diào)整器數(shù)字化。數(shù)字控制器采取PI調(diào)整算法，將測(cè)得電流、轉(zhuǎn)速數(shù)字量送入單片機(jī)中，經(jīng)過(guò)測(cè)得轉(zhuǎn)速和預(yù)置轉(zhuǎn)速相比得到差值，然后單片機(jī)經(jīng)過(guò)對(duì)差值進(jìn)行PI運(yùn)算得出控制量，再經(jīng)過(guò)IO口輸出四路PWM控制信號(hào)，最終達(dá)成控制電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)。數(shù)字控制器設(shè)計(jì)關(guān)鍵是單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，單片機(jī)最小系統(tǒng)圖9所表示。整個(gè)系統(tǒng)總電路圖見(jiàn)附錄。圖9單片機(jī)最小系統(tǒng)6調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)控制規(guī)律是利用軟件實(shí)現(xiàn)，全部硬件須由軟件來(lái)實(shí)施管理，經(jīng)過(guò)軟硬件相互結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)軟件有主程序、初始化子程序、中止服務(wù)子程序和PI算法子程序組成。6.1主程序主程序設(shè)計(jì)成循環(huán)形式，將預(yù)置轉(zhuǎn)速和實(shí)際測(cè)得轉(zhuǎn)速相比較，得到一個(gè)差值，然后將差值進(jìn)行PI運(yùn)算得到電流調(diào)整器輸入值，再將輸入值和實(shí)際測(cè)得電流值相比較，又得到一個(gè)差值，最終將差值進(jìn)行PI運(yùn)算得到控制值，最終利用控制值改變輸出PWM信號(hào)占空比，最終達(dá)成控制電機(jī)轉(zhuǎn)速目標(biāo)。主程序框圖圖10所表示。圖10主程序框圖6.2初始化子程序初始化子程序功效關(guān)鍵是完成器件工作方法設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量初始化等。初始化子程序框圖圖11所表示。6.3中止服務(wù)子程序中止服務(wù)子程序設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵部分，用來(lái)完成實(shí)時(shí)性強(qiáng)功效。比如PWM控制信號(hào)生成、狀態(tài)檢測(cè)和數(shù)字PI調(diào)整等。中止服務(wù)子程序關(guān)鍵包含了轉(zhuǎn)速調(diào)整中止服務(wù)子程序、電流調(diào)整中止服務(wù)子程序。圖11初始化子程序框圖圖12轉(zhuǎn)速調(diào)整中止服務(wù)子程序框圖進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)整中止服務(wù)子程序后，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，再計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)速，完成轉(zhuǎn)速PI調(diào)整，最終開(kāi)啟轉(zhuǎn)速檢測(cè)，為下一步調(diào)整做準(zhǔn)備。中止服務(wù)完成以后須恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，從而使得被