电机伺服控制系统的研究与开发

电机伺服控制系统的研究与开发11. 总 体 设 计 思 想 该系统是针对直流电动机开发设计的智能控制器。包括人机交互界面（键盘跟 LCD 显示器） 、主 MCU 控制模块以及电机驱动三大部分。该系统的主要功能是实现电机的速度伺服控制。首先通过键盘输入标准速度，两个电机都将以此速度为标准进行调速，电机在运行过程中将一直保持此速度匀速前进，如果由于外界条件的变化使得电机速度发生变化，该控制系统将自动进行调速，直到达到标准速度为止。电机在运行过程中将运行状况实时显示在 LCD 上，直观清晰。整个系统采用的是闭环控制，对数据的处理也是采用实时计算的方法，能够适应各种不同的外界条件。电路采用高速微处理器实现智能控制，内建 PI 运动控制数字模型，可控制电机的转速转向以及行驶距离，功能齐全，集成度高，体积小，工作稳定可靠，能为电机运动精密控制方面提供完整的解决方案。既可作为运动系统的智能驱动模块使用，也可单独对运动系统的各种运动功能进行精确的控制。根据对控制系统的基本要求，做出如图 1 的系统设计方案。直流伺服电动机驱动模块 直流伺服电动机显示模块键盘输入 速度检测图 1：系统结构图 2 各 模 块 方 案 选 择 与 论 证2.1 MCU 的 选 择方 案 一 .采 用 FPGA（ 现 场 可 编 程 门 列 阵 ） 作 为 系 统 的 控 制 器电机伺服控制系统的研究与开发2FPGA 可 以 实 现 各 种 复 杂 的 逻 辑 功 能 ， 规 模 大 ， 密 度 高 ， 它 将 所 有 器 件集 成 在 一 块 芯 片 上 ， 减 少 了 体 积 ， 提 高 了 稳 定 性 ， 并 且 可 应 用 EDA 软 件 仿真 、 调 试 ， 易 于 进 行 功 能 扩 展 。 FPGA 采 用 并 行 的 输 入 输 出 方 式 ， 提 高 了 系 统的 处 理 速 度 ， 适 合 作 为 大 规 模 实 时 系 统 的 控 制 核 心 。 但 是 ， FPGA 的 成 本 相对 较 高 ， 同 时 本 系 统 用 到 各 种 延 时 程 序 ， FPGA 的 编 程 难 度 较 大 ， 同 时 由 于 芯片 的 引 脚 教 多 ， 实 现 硬 件 电 路 板 布 线 复 杂 ， 加 重 了 电 路 设 计 和 实 际 焊 接 的 工 作 。方 案 二 .采 用 DSP 控 制 器TMS320LF247 芯 片 作 为 DSP 控 制 器 24x 一 族 TMS320LF24x 系 列 的 新 成 员 ，是 TMS320C2000 平 台 下 的 一 种 定 点 DSP 芯 片 ， 几 种 先 进 的 外 设 被 集 成 到 芯 片内 ， 形 成 了 真 正 的 单 芯 片 控 制 器 ， 是 一 种 低 成 本 ， 低 功 耗 ， 功 能 强 大 的 电 机 运动 数 字 化 控 制 升 级 产 品 。 其 CPU 芯 核 为 16 位 ， 运 算 速 度 是 30MIPS 之 间 。6 路 脉 宽 调 制 PWM 输 出 ， 可 用 于 变 频 调 速 系 统 中 对 电 机 的 控 制 。 3 路 捕 获 单元 CAP， 可 用 于 纪 录 脉 冲 的 宽 度 ， 从 而 可 以 为 FFT 算 法 提 供 时 间 基 准 以 及 与转 速 测 量 用 的 光 栅 编 码 器 接 口 ， 以 测 量 电 机 转 速 。 但 是 ， DSP 的 成 本 较 高 ，同 时 由 于 芯 片 的 引 脚 教 多 ， 配 载 芯 片 种 类 繁 多 ， 实 现 硬 件 电 路 板 布 线 复 杂 ，加 重 了 电 路 设 计 和 实 际 焊 接 的 工 作 。 而 且 编 程 较 为 负 载 ， 难 度 较 大 。方 案 三 .采 用 ATMEL 公 司 的 AVR 系 列 单 片 MCUAVR 单 片 机 废 除 了 机 器 周 期 ， 抛 弃 复 杂 指 令 计 算 机 （ CISC） 追 求 指 令 完备 ； 采 用 精 简 指 令 集 ， 以 字 作 为 指 令 长 度 单 位 ， 将 内 容 丰 富 的 操 作 数 与 操 作 码安 排 在 一 字 之 中 （ 指 令 集 中 占 大 多 数 的 单 周 期 指 令 都 是 如 此 ） ， 取 指 周 期 短 ，又 可 预 取 指 令 ， 实 现 流 水 作 业 ， 可 高 速 执 行 指 令 。AVR 单 片 机 硬 件 结 构 采 取 8 位 机 与 16 位 机 的 折 中 策 略 ， 即 采 用 局 部 寄 存器 存 堆 （ 32 个 寄 存 器 文 件 ） 和 单 体 高 速 输 入 /输 出 的 方 案 （ 即 输 入 捕 获 寄 存器 、 输 出 比 较 匹 配 寄 存 器 及 相 应 控 制 逻 辑 ） 。 这 样 ， 既 提 高 了 指 令 执 行 速 度 ，克 服 了 瓶 颈 现 象 ， 增 强 了 功 能 ； 又 减 少 了 对 外 设 管 理 的 开 销 ， 相 对 简 化 了 硬 件电机伺服控制系统的研究与开发3结 构 ， 降 低 了 成 本 ,同 时 内 部 RAM2kBit,ROM8KBit。 故 AVR 单 片 机 在 软 /硬 件 开 销 、 速 度 、 性 能 和 成 本 诸 多 方 面 取 得 了 优 化 平 衡 ， 是 高 性 价 比 的 单 片 机 。综 上 所 述 ， 考 虑 到 性 价 比 及 编 程 易 实 现 性 ， 我 们 在 MCU 上 选 择AT90S8535 单 片 机 。2.2 直流电动机驱 动 模 块 的 选 择对 直 流 电 机 的 驱 动 可 以 选 择 如 下 几 种 方 式方案一.采用大功率场效应管组成的H型全桥式电路采用四个大功率场效应管组成 H 型全桥式电路,可控制电机的双向运动以及变速运动. 该驱动电路是使用最广泛的一种电机驱动电路，成本小,可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图 1 所示。 全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状态，S1、S2 为一组，S3、S4 为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当 S1、S2 导通时，S3、 S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当 S3、S4 导 通时，S1、S2 关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。电机伺服控制系统的研究与开发4方 案 二 .采 用 SGS 公司的集成芯片 L298N采用 SGS 公司的集成芯片 L298N。它是恒压恒流双 H 桥电机芯片,可同时控制两台直流电机,输出电流可达到 2 A。L298 内部集成桥式电路，每一组 PWM 波用来控制一个电机的速度，另外有专用的方向口控制电机的正反转，一个芯片内包含有 8 个功率管，这样简化了电路的复杂性，控制比较简单，电路也很简单，但采用该种驱动芯片驱动电流较小，不能驱动大功率的直流电机，而且该种驱动芯片散热量较大。 方 案 三 .采 用 NS 公 司 的 直 流 电 机 专 用 驱 动 芯 片 LMD18200TLMD18200 是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的 H 桥组件。同一芯片上集成有 CMOS 控制电路和 DMOS 功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统,其峰值输出电流高达 6A ,连续输出电流达 3A ,工作电压高达 55V,还具有温度报警和过热与短路保护功能。因此我们在选用该方案作为我们的电机驱动方案.其工作原理如下:首先通过充电泵电路为上桥臂的 2 个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个 300kHz 左右的工作频率。可在引脚 1、11 外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚 2、10 接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚 2 到引脚 10；反转时电流的方向应该从引脚 10 到引脚 2。电流检测输出引脚 8 可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚 9 输出，当结温达到145 度时引脚 9 有输出信号。 LMD18200 芯片原理图（如下图）：电机伺服控制系统的研究与开发5LMD18200 工作电路原理图（如下图）：2.3 速度检测模块作为闭环控制系统来说速度值的检测在系统中是非常必要的，通常速度的检测方式有以下几种：方 案 一 . 采用光电编码器采用光电编码器作为速度检测元件,它可输出3路脉冲信号A、B 和Z。其中,A 和B 是两个频率变化且正交(即相位差为90) 的脉冲,当它由电机轴上的光电编码器产生时,电机的旋转方向可通过检测两个脉冲序列中的哪一列先到来确定,电机的转速可由脉冲数和脉冲频率来决定。这样把光电编码器输出的数字脉冲送入MCU进行处理即可得到电机的转速和转向。该种方式的优点是精确度高,检测全面.电机伺服控制系统的研究与开发6方案一:采用霍尔传感器测速采用此方式对电动小车进行速度测量,在电动小车的轮子上安装霍尔传感器,轮子每转过一圈,霍尔传感器给出一个脉冲信号,MCU进行计速,此种方式的缺点是精度太差.在整个系统中我们采用光电编码器作为速度反馈，因为我们采用的是高精度的伺服电机,内带光电编码器(12线),电机减速比为1:65,所以用自带的光电编码器最小分辨精度可达1MM,对于运动控制系统来说已经足够. 2.4 数据显示模块对于显示部分，我们有两套方案。方案一：使用数码管(LED)显示。数码管显示简单方便，价格低廉，但是由于本题目要求可以显示多种数据，所以用数码管显示不够方便，人机界面不够良好。方案二：使用液晶（LCD）显示.液晶（LCD）显示数据多,不需占用太多的IO口,可以完整的显示整个系统的所有信息，并且控制方便、显示清晰直观。所以我们选择方案二，充分利用LCD的优势。2.5 数据输入模块由于系统要求用户能够任意输入速度值，这对输入方式有了更高的要求。方案一：拨码开关组合输入这是我们在常用的仪器上最常见的输入方式，其优点也很明显，但是由于数据输入的量大,用拨码开关操作，过于繁琐和复杂。方案二：使用按键与专用的接口芯片构成键盘。现在市场上有很多专用键盘与LED控制芯片，利用这种芯片可以方便的构成键盘，并可以附带数码管显示，但控制部分要另外附加资源，也需要对这种专用接口芯片有充分了解，且代价较高，所以放弃这个方案。方案三：矩阵键盘输入矩阵键盘容易制作、使用方便，输入精确，且实现方便。我们自制了2*6的矩阵键盘，外接电路简单，很方便使用。电机伺服控制系统的研究与开发7比较以上各个方案的优缺点，以及我们现有的条件，数据输入采用方案三。2.6 机 械 构 架 方 案方 案 一 ： 使 用 舵 机 。 机 器 人 的 后 轮 为 驱 动 轮 ， 前 轮 为 舵 机 比 例 控 制 。 后轮 使 用 齿 轮 差 速 器 配 合 转 向 （ 消 除 转 向 时 产 生 的 轮 差 ） ， 这 样 的 设 计 可 极 大的 提 高 机 器 人 的 稳 定 性 。 但 是 在 这 种 方 案 中 由 于 前 轮 由 舵 机 控 制 ， 受 其 设 计 所限 旋 转 的 角 度 只 能 小 于 60 度 ， 不 可 能 实 现 90 度 的 直 角 转 弯 ， 机 器 人 在 转向 时 会 存 在 转 弯 半 径 。 这 就 限 制 了 机 器 人 的 实 际 活 动 能 力 ， 因 此 ， 在 本 设 计 中机 器 人 的 机 械 构 架 放 弃 该 方 案 。方 案 二 ： 驱 动 转 向 功 能 合 并 。 前 轮 即 充 当 主 动 轮 又 肩 负 转 向 轮 的 功 能 。两 前 轮 相 互 独 立 ， 分 别 由 两 个 电 机 驱 动 ， 有 各 自 的 减 速 系 统 ， 后 轮 采 用 万 向 轮结 构 ， 起 支 撑 作 用 随 前 轮 运 动 。 使 用 此 种 方 案 不 仅 不 会 降 低 机 器 人 的 稳 定 性 ，而 且 大 大 的 提 高 了 它 的 灵 活 性 以 及 适 应 性 。 从 而 满 足 了 我 们 的 设 计 初 衷 。方 案 三 ： 采 用 菱 形 车 架 结 构 ， 驱 动 轮 在 中 间 。 前 轮 和 后 轮 为 辅 助 轮 肩 负支 撑 的 功 能 ， 前 轮 和 后 轮 由 一 个 杠 杆 连 接 可 以 自 动 调 整 高 度 ， 从 而 ， 提 高 车 体的 灵 活 性 ， 适 应 不 同 的 工 作 环 境 ； 中 间 两 个 轮 为 驱 动 轮 肩 负 驱 动 与 转 向 的 功 能 ，完 成 车 体 的 所 有 动 作 。因 此 ， 我 们 选 取 方 案 二 为 实 际 操 作 方 案 。如 上 所 述 ， 我 们 的 运 动 控 制 系 统 采 用 AT90S8535 为 MCU， 通 过 3*8键 盘 输 入 数 据 ， 整 个 系 统 的 状 况 通 过 LCD 液 晶 实 时 显 示 ， 通 过 LMD18200集 成 芯 片 驱 动 直 流 伺 服 电 机 。3伺服电机的控制策略 3.1 伺服电动机简介本系统所使用的是伺服电动机。下面主要以此为例介绍一下伺服电动机的基本工作原理。伺服电动机又称执行电动机,分为直流伺服电动机和交流伺服电动机 , 直流伺服电机的基本结构与普通直流电机相同，不同点只是它针对伺服控制系统而带有速度或位置反馈装置，以便满足快速响应的要求。 直流伺服电机的主要结构包括定子和转子两部分。定子和转子之间由空气隙分开。定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，它的组成部分由主磁极、换向极、机座、端盖和轴承等。转电机伺服控制系统的研究与开发8子的作用是产生感应电动势或产生机械转矩以实现能量的转换，它的组成部分有电枢铁心、电枢绕组、换向器等。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应，并且其精度更高，可控性更强，一般通过改变伺服电动机的电枢电压Ua来控制直流伺服电动机的转速。3.2 伺服直流电机控制策略对直流伺服电机转矩的控制完全依赖于对定子电流的控制。所以控制逆变器输入方波电压的幅值即可控制电动机的转速。在控制方波电压幅值，亦即调速中，我们采用了闭环控制的 PWM (Pulse Width Modulation)控制技术。所谓调速，是指在某一具体负载情况下，通过改变电动机或电源参数的方法，使机械特性线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。调速具有两个方面的含义:一是能在一定范围内“变速” 。如图 3.5 所示，电动机负载不变时，转速由 变到 或 ，ance这就是“变速”调速.二是“恒速” ，当生产机械在某一速度下运行时，总要受到外界的干扰(如负载的变化)，为了保证工作速度不受干扰的影响，也要进行调速。例如由于负载的增加，电动机的转速就要降低，为维持转速恒定，就得调整电动机转速，使其回升，并等于或接近原来的转速。如图 3.5 中的 就属于“恒速”调速。bn图 3.5 调速与机械特性的关系3.2.1 脉宽调制调速基本原理 电机伺服控制系统的研究与开发9a)原理图 b)波形图3. 8 脉宽调制调速系统原理图脉宽调制调速系统中的主电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM (Pulse Width Modulation)变换器。脉宽调制变换器就是采用脉冲宽度调制的一种直流斩波器。直流斩波调速最早是以它显著的节能效果应用于直流电动机中，但是由于它的某些缺点，未能在工业中推广。自从晶体管迅速发展之后才使得脉宽调速更容易实现，而且性能更好。因此，将脉宽调速推广到一般工业中取代晶闸管整流调速有着广阔的前景。只是由于器件容量的限制，目前直流 PWM 调速还只限于中、小功率的系统。随着器件的发展，它的应用领域必然会日益扩大。例如品闸管的生产水平己经达到 4500V，2500A，组成 PWM 变换器，可以用来驱动上千瓦的电动机。图 3.8a)是脉宽调制调速系统原理示意图。虚线框内的开关 S 表示脉宽调制器，调速系统的外加电源电压 为固定的直流电压，当开关 S 闭合时，直流电流经过sUS 给电动