凌波基于以太网的远程运动控制系统设计与实现

学校代码： 11059 学 号： Hefei University毕 业 设 计 （ 论 文 ）BACHELOR DISSERTATION论文题目： 基于以太网的远程运动控制系统 设计与实现 学位类别： 工学学士 学科专业： 计算机科学与技术专升本专业 作者姓名： 凌 波 导师姓名： 完成时间： 2017 年 5 月 本科生毕业设计（论文）诚信承诺书本人慎重承诺和声明：我承诺在毕业论文撰写过程中严格遵守学院及系部有关规定，恪守学术规范，在指导教师的安排与指导下独立完成所规定的毕业论文工作，决不弄虚作假，不请别人代做毕业论文或抄袭别人的成果。所撰写的毕业论文是在指导老师的指导下自主完成，文中所有引文或引用数据、图表均注解并说明来源，如有违规行为发生，我愿承担一切责任，接受学院及系部的处理。学生（签名）：2017 年 月 日I基于以太网的远程运动控制系统设计与实现中 文 摘 要对于我国自动化生产线生产效率慢、耗费大量劳动力、无网络化等问题，为了解决以上问题开发了基于以太网的远程运动控制系统。该系统通过以太网控制无刷直流电机模拟生产线解决生产线运行过程中控制高效、网络化控制、以及生产线安全问题等。自动化生产线网络化控制，自动化生产线重点是对无刷直流电机控制。我们需要设计对应的无刷直流电机控制器，模拟自动化生产线的场景。无刷直流电机控制器具有较好的调速功能，无刷直流电机是以电子换向器取代机械换向器 3。在控制无刷直流电机的基础上，更进一步通过网络进行控制电机的运行状态。电机的控制器上加上传统的正转、反转、停止的按钮，同时加上旋钮电位器调速。网络方面需要通过以太网转串口模块 ENC28J60 以太网收发芯片，该模块特点是通过 SPI 总线直接和单片机连接。通过 UIP 协议实现 TCP 或是 UDP 的通信，预留一个供 web 访问的端口。通过网页和无刷直流电机控制器通信实现对无数直流电机控制，无刷直流电机控制器的主控芯片是 STM32F103C8T6（简称 STM32） ，STM32 是主流的32 位微控制器，通过 STM32 利用 6 路互补 PWM 脉冲对无刷直流电机进行调速，控制器内部驱动时加上电流环、速度环，通过两个 PID 实现对电机更好的位置控制。网页 WEB 作为上位机主机，电机控制器则作为下位机从机，主机控制从机网络作为两者通信的媒介。网页上位机上也是通过虚拟按钮的形式控制电机的正转、反转、电机的转速、以及电机的移动步数，以折线统计图的形式显示电机的运行速度，细微调节电机的移动步数，和电机供电系统的电压电流。无刷直流电机的控制器是利用已有硬件电路知识设计的原理图、PCB 图，其中原理图PCB 都是通过 Altium Designer 09 绘制的。通过 PCB 印刷厂打样制造出来，通过烙铁焊接把所需的元器件全部焊接在上面，实现毕业设计要求的动手能力。另外对驱动无刷直流电机的选型，根据自己电路的设计参数选了一个功率 60W 的 57 系列无刷直流电机（台湾东元电机） 。关键词： STM32；PWM；PID；ENC28J60；WEBIIThe Design and Implementation of Remote Motion Control System Based on EthernetABSTRACTIn order to solve the above problems, we have developed a remote motion control system based on Ethernet for the production efficiency of Chinas automated production line is slow, consuming a lot of labor force and no network. The system through the Ethernet control brushless DC motor simulation production line to solve the process of running the production line control efficient, network control, and production line security issues.Brushless DC motor network control, for brushless DC motor control we need to design the corresponding brushless DC motor controller. Brushless DC motor controller has a better speed control function, brushless DC motor is an electronic commutator to replace the mechanical commutator. In the control of brushless DC motor on the basis of further through the network to control the motor running. The motor controller with the traditional forward, reverse, stop the button, plus the knob potentiometer speed. The network needs through the Ethernet to the serial port module ENC28J60 Ethernet transceiver chip, the module is characterized by direct connection with the microcontroller through the SPI bus. Through the UIP protocol to achieve TCP or UDP communication, set aside a port for web access. Through the web and brushless DC motor controller communication to achieve countless DC motor control, brushless DC motor controller master chip is STM32F103C8T6 (referred to as STM32), STM32 is the mainstream 32-bit microcontrollers, through the STM32 using 6 complementary PWM pulse on the brushless DC motor speed, the controller drive with the current loop, the speed loop, through the two PID to achieve a better position control of the motor. Web WEB as the host computer host, the motor controller is the next machine from the machine, the host control from the machine network as a communication medium. The position of the web is also controlled by the virtual button in the form of forward, reverse, the speed of the motor, and the number of moving steps of the motor. The speed of the motor is displayed in the form of a broken line chart, the number of moving steps of the motor, Voltage and current of the motor power supply system.Brushless DC motor controller is the use of existing hardware circuit knowledge design schematic diagram, PCB diagram, which schematic PCB are drawn through the Altium Designer 09. Through the PCB printing plant proofing manufacturing, through the soldering iron to the required components all welded to the above, to achieve graduation design requirements of hands-on ability. In addition to the selection of brushless DC motor selection, according to their own circuit design parameters selected a power 60W 57 series brushless DC motor (Taiwan TECO motor).KEY WORDS: brushless dc motor;pwm;stm32;pid;webIII目 录中 文 摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪论 .11.1 自动化生产线的动力电机 .11.2 无刷直流电机 BLDC 电机与传统电机比较 .11.3 以太网控制与工业控制 .11.3.1 以太网工业发展趋势 .21.3.2 以太网控制自动化生产线背景 .21.4 嵌入式以太网与 WEB 技术 .21.5 研究意义 .2第二章 系统分析 .42.1 需求分析 .42.2 可行性分析 .4第三章 系统硬件设计 .63.1 系统的硬件电路 .63.1.1 微控制器的选取 .73.1.2 供电电源电路 .73.1.3 MAX232 电平转换电路 .83.2 系统反馈控制电路 .83.2.1 电压反馈电路 .93.2.2 电流反馈电路 .93.3 无刷直流电机驱动的原理 .103.4 逆变器驱动的原理 .103.5 以太网收发器 ENC28J60 模块 .113.6 电机控制器工作流程 .12第四章 控制软件设计 .134.1 系统控制软件 .134.1.1 主程序初始化 .134.1.2 电机驱动程序 .144.2 电机霍尔的编码 .154.3 电机驱动的 PWM .154.4 电机控制的电流环 .164.5 电机控制的速度 PID .174.6 电机控制通信协议 .174.7 网页 WEB 控制界面 .18第五章 系统调试 .195.1 硬件调试 .195.2 软件调试 .195.3 综合系统调试 .21第六章 系统测试 .216.1 测试方法 .21IV6.2 测试结果分析评价 .21结 论 .22参考文献 .23致 谢 .24附 录 .26合肥学院计算机科学与技术系毕业论文1第一章 绪论1.1 自动化生产线的动力电机自动化生产线发展至今，现国内的自动化生产线还是比较落后的，简单的依靠电机的转动完成生产线的功能。这种生产线效率低下、耗费大量劳动力、浪费能源，因此自动化生产线需要进一步再发展。自动化生产线自动化控制是对于电机选型以及电机控制两个方面 3。国内现有的 BLDC 控制器都是通过传统的人工开关启动的,现有的设备还没有完全做到自动化控制。另外新型永磁材料的出现，BLDC 电机的制作成本大大降低了。另外这几年功率驱动元件、驱动控制方案等较以往都取得很大的成就。未来几年电机控制领域会大范围的淘汰以往的有刷直流电机或是单相交流电机，传统的家电领域大多是使用这两类电机。BLDC电机的电能转化效率高，在未来的几年不仅会应用生产线上还会应用于其他的不同领域 1。1.2 无刷直流电机 BLDC 电机与传统电机比较自动化生产线可以运用的电机的种类很多，现在主要的有步进电机、无刷直流电机、有刷直流点击等。本文对比的是无刷直流电机和传统有刷直流电机两类。电机是一种把电能转换为机械能的电磁装置。电机的主要作用是产生驱动转矩，作为电器和各种机械的动力源。电机的种类繁多，但是按照电源供电的种类区分分为直流电机和交流电机两类。这里我们重点作为比较的是有刷直流电机和无刷直流（BLDC）电机两种，有刷直流电机在结构上有个电刷换向器，通过电刷换向器进行换向实现工作；无刷直流电机则是通过霍尔传感器把转子位置反馈回控制电路，获得正确的相位位置是驱动无刷直流电机的必要条件。无刷直流电机的优点是寿命长，结构简单，控制电机的效率也更高。有刷直流电机的电刷决定了电机的寿命，并且电机在换向的时候容易产生电火花。因此无刷直流电机（BLDC）会应用的很多领域，比如汽车、机器人等都会用到 2。1.3 以太网控制与工业控制嵌入式的发展随着技术的更新，半导体行业的不断进步，软件算法的成熟。嵌入式的在不断完善系统的时候，也开始将嵌入式产品加入到网络中。大多数的系统还是单一存在的，没有加入到网络中。信息技术不断发展与传统的工业控制技术日益密切结合，可以说嵌入式加入网络发展是必然的。信息技术的大潮，互联技术的革新，可以说影响到我们身边的每一个人。我们的吃穿住行都紧密的联系起来。工业技术的发展自工业革命后，网络的发展又再一次的冲击。国外嵌合肥学院计算机科学与技术系毕业论文2入式以太网的发展已经有半导体科技公司，开始提供网络服务技术。我国在嵌入式以太网的发展还处于初级阶段，全世界都知道嵌入式以太网是我们工业再次长足发展所必须的。1.3.1 以太网工业发展趋势以太网控制自动化生产线，通过网络的的形式控制工业自动化生产线。以太网简单的来说是局域网的一种，是互联网基础的一环。利用以太网控制工业自动化生产线可以说是，网络控制自动化生产线，这是网络控制中的一小步。但是结合工业再发展的趋势，以太网控制自动化生产线是必然的。以太网作为当下最通用的局域网协议，以太网应用在通信的诸多设备中。以太网连接控制自动化生产线，因为在局域网中不用互联网中的网络攻击问题。简单的局域网系统可以控制生产线的操作流程，高效简洁是以太网的一大亮点 4。1.3.2 以太网控制自动化生产线背景自动化生产线最早起源欧美国家的工业革命流水线，其意是利用流水线完成工业生产。工业革命至今，人们确实利用简单的自动化流水就做出很多非凡成就。但是自动化生产线在我国发展还是比较缓慢的。国内的自动化流水线就是简单的利用传统电机的正转、反转、停止，完成仅有的生产操作。甚至于一些中下城市还在利用手工，完成一些本该是机械完成的工作。我们国家的发展在工业自动化生产线发展这一块还是有所欠缺，比如先进的汽车自动化生产线是进口发达国家的产品，进口成本高昂、维修服务成本高等。因为我国的工业发展起步较晚，在这个背景下我们应当赶上工业再次发展的机遇。以太网控制自动化生产线，在以后将彻底和我们的网络结合起来，符合现代的互联网工业大潮 5。1.4 嵌入式以太网与 WEB 技术Web 浏览器是我们平时和互联网打交道最常用的工具之一，日常生活中人们的看新闻、购物、查阅资料等无不通过浏览器来完成。嵌入式以太网和 Web 技术相结合，将成为信息技术行业的新浪潮。Web 浏览器和我们的嵌入式以太网结合，这样我们个人常用的 3C 数码产品就能对嵌入式产品做出控制。人们就可以利用 PC 上的 web 浏览器、智能手机上的浏览器进行操作。实质上我们的嵌入式以太网产品就是一个小型服务器，嵌入式 web 服务器是我们对 web 浏览器定制的。Web 浏览器是嵌入式以太网的可视化图形窗口，操作者是 web浏览器操作完成嵌入式以太网的功能。1.5 研究意义基于以太网的控制自动化生产线的运动状态，这在工业上还是没有的。工业生产发展的合肥学院计算机科学与技术系毕业论文3要求可能不是要求最先进的科技技术，而是要求稳定、安全、可靠。正是基于以上问题，在现在网络安全成熟的情况下，通过网络进行控制正在成为趋势。现在的工业发展已经由早期的机械控制，转变成电子控制。在这里电子控制领域加入了网络化控制操作，这在我们的生活中已经越来越成为可能。我国的工业发展起步晚，根基不厚。我们要赶上在互联网大时代发展的工业自动化生产线，在未来世界占有一席之地。反观我国工业现状，我们由劳动密集型大国正在向科技制造大国转变。人力劳动力曾是我国快速发展的优势，但是这些优势正在消失。我们不得不大力发展我们的工业科技进步 9。综上所述，本文研究意义主要包括以下几点：（1）传统生产线与先进的 BLDC 电机优缺点，BLDC 电机必将取代传统电机。（2）以太网作为当今应用最广泛的局域网协议，应用到很多的设备中，应用到工业自动化生产线是必然的。（3）PC 通过 Web 浏览器操作控制界面，简单高效常用等特点。关于工业生产线改造对工业生产效率，对于国家工业发展有一定的意义。合肥学院计算机科学与技术系毕业论文4第二章 系统分析2