基于MCU的通用控制器设计

学士学位论文 基于 通用控制器设计 院 系 : 学 号 : 专业名称 : 学生姓名 : 指导老师 : 起讫日期 : 设计地点 : 东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 使 用 授 权 声 明 东南大学有权保留本人所送交毕业（设计）论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 东南大学本科生毕业设计（论文） 基于 通用控制器设计 摘要 :电机控制器的发展朝着集成化和通用化的方向发展着。目前，电机控制专用集成电路芯片技术已经比较成熟，电机控制专用集成电路芯片的种类也十分齐全，但在通用性上还显得不足。而且，电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料丰富，但是又很分散，需要花时间收集整理、分析消化，研究电机的通用控制器很有必要。 本次设计先用 制器进行仿真，计算，包括参数整定，加深 对控制器和离散算法的认识，再进一步探索双闭环反馈的控制器算法。然后在基于 电机控制电路中进行检验，以便进一步优化算法。 这次设计的通用控制器其通用性主要体现在两个方面：一是 制器结构的通用性即可以选择单闭环，双环，甚至三环控制，对不需要的控制只需要将该参数设置为 0；二是 数的通用性，即可以很方便的对 数进行调整，以适应实际的需求。 就目前的研究结果来看，理论研究基本完成，亦根据实际情况拟合出了电机转速与占空比之间的函数关系，将这种关系应用在简单的单闭环控制中取得了很好的效果，在不 使用这种关系，亦对 数进行了整定，还需要进一步检验 法对实际电机控制的效果，提高其通用性。 关键词 ;用控制器； 真 东南大学本科生毕业设计（论文） is At of is it it of to of is In is to ID to a on an of is a of on is in to of is in ID is a a is of ID in to is a is on is in a a of of ID it in 南大学本科生毕业设计（论文） 1 目录 1、 绪论 . 3 言 . 3 究 现状与发展趋势 . 3 课题 的研究目的和主要研究内容 . 4 2、 直流电机调速控制系统分析及 真 . 5 理分析 . 5 流电机基本调速方法与 . 5 流电机调速系统 . 6 真 . 7 机控制系统数学模型的推导 . 7 真 . 8 统离散化 . 17 态空间法与串行算法模拟并行的探索 . 19 态空间法的启示 . 19 法的探索 . 20 3、 实践设计篇 . 22 体方案设计 . 22 件部分 . 23 发板 . 23 机驱动电路 . 23 交编码器测转速 . 24 压电源电路 . 25 件模块 . 26 成子程序 . 26 口模块 速度给定与速度显示 . 27 度测定与方向判断子程序 . 28 法模块 . 28 4、 实践检验篇 . 30 物连接图 . 30 线拟合方法确定占空比与空载电机转速的关系 . 30 单闭环控制试验 . 33 法试验 . 34 二次 法试验 . 35 5、 总结与改进 . 38 东南大学本科生毕业设计（论文） 2 结 . 38 进的一些思路 . 38 致谢 . 40 参考文献 . 41 东南大学本科生毕业设计（论文） 3 基于 通用控制器设计 1、 绪论 言 运动控制系统是以机械运动的驱动设备 电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统，这类系统控制电机的转矩，转速和转角，将电能转换为机 械能，实现运动机械的控制。 纵观运动控制系统的发展历程，交，直流两大电气传动并存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使他们所处的地位，所起的作用不同，但他们始终是随着工业的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展，在相互竞争，相互促进中，不断完善并发生着变化。由于历史上最早出现的是直流电动机，所以 19 世纪 80 年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。直到19 世纪末，出现了交流电动机，这才使得交流电气传动在工业中逐步得到广泛应用。 随着生产技术的发展，对电气传动在启制动，正反转以及调速精度，调速范围，静 态特性，动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能好，从 20 世纪 30 年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的，由最早的旋转交流机组控制发展为放大机，磁放大机控制；再进一步，用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的 制电路实现数字化的直流调速，使系统的快速性，可靠性，经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛，然而由于直流电动机具有电刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护 麻烦，使用环境受到限制等缺点，并且很难向高转速，高电压，大容量发展，逐渐显示出直流调速的弱点。 普遍应用于恒速运行场合的交流电动机，可以弥补直流电动机的不足。于是人们又开始了新一轮交流调速的研究。仅对占传动总量三分之一强的风机，水泵设备而言，如果改恒速为调速的话，就可以节电 30%左右。近三四十年来，随着电力电子技术，微电子技术，现代控制理论的发展，为交流调速产品的开发创造了有利条件，并实现了产品的系列化。从调速性能看，完全可与直流调速系统媲美 1。 现代电动机自动控制的真正的发展是以电力电子器件的发展和应 用为基础的。而微处理器的应用使电气传动控制技术再次发生了巨大地变革，使用微处理器实现数字化控制不仅可以简化控制硬件，而且可以加入人工智能对系统运行状态进行诊断，这对电气传动控制系统的发展产生了深远影响 2。 究 现状与发展趋势 微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制东南大学本科生毕业设计（论文） 4 电机完成各种新颖的、高性能的 控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。 对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机 ,则要利用微处理器控制电机 的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。高性能的微处理器如 数字信号处理器 )的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基 础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如 的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。 采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。 当前基于单片机设计的控制器门类繁多，且多为实用性和针对性很强的控制器，有基于改 进模糊控制等算法的中央空调的控制器 3，有复杂的基于 片机针对机床自动变速箱的通用控制器 4，也有简单的仅仅依靠按键与数码管显示的 51 单片机控制器 5。 课题 的研究目的和主要研究内容 电机控制器的发展朝着集成化和通用化的方向发展着。目前，电机控制专用集成电路芯片技术已经比较成熟，电机控制专用集成电路芯片的种类也十分齐全，但在通用性上还显得不足。而且，电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料丰富，但是又很分散，需要花时间收集整理、分析消化。 本课题着力于研究电机控制器的 通用化开发。利用 写在一定领域具有通用功能的控制器程序，借鉴 信号流图，研究通过下载设定的参数 ， 在 序的解释下 ， 实现其控制功能的通用性 。本 设计的通用性主要展现在两个方面：一是 制器结构的通用性即可以根据反馈的情况选择单闭环，双环，甚至三环控制；二是参数的通用性，即可以很方便的对数进行调整，以适应实际的需求。 由于采用近几年最最主流的 处理器，应用新控制理论和方法，使实现实时控制成为可能，并且增加了系统功能和柔性。具有控制灵活，智能化水平高，参数易修改等优点，从 而达到很高的控制精度和良好的稳定性。东南大学本科生毕业设计（论文） 5 2、 直流电机调速控制系统分析及 真 理分析 流电机基本调速方法与 流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉；但缺点是效率低，机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。 30 年代末期，发电机 种控 制方法可获得较宽的范围，较小的转速变化率和调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大，占地多，效率低及维修困难。近年来，随着电力电子的迅速发展，有晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统以取代了发电机 的调速性能远远超过了发电机 别是大规模集成电路技术以及计算机的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度，动态性能，可靠性有了更大的提高。电力电子技术中的 大功率器件的发展取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。 直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为 E （ 式中： 电枢供电电压（ V）， a I 为电枢电流（ A）， 为励磁磁通（ a R 为电枢回路总阻 ， 电势系数 由（ 可见，直流电动机调速方案可有以下三种。 于电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。 磁调速虽然能实现平滑调速，但其调 速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。 压调速可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用 6 7。 对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱动方式。绝大多数情况下采用开关驱动方式。这种方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 控制电动机的电枢电压，实现调速。 东南大学本科生毕业设计（论文） 6 图 2速控制和电压波形图 图 2利 用开关管对直流电动机进行 速控制的原理图和输入输出电压波形图。 电动机的电枢绕组两端的电压平均值 0U 为 12110 )( )0(（ 式中： 为占空比，它表示了在一个周期 T 内，开关管道通的时间与周期的比值， 的取值范围为： 10 由公式（ 知，当电源电压 不变的情况下，电枢电压的平均值 0U 取决于平均值 0U 取决于占空比 的大小，改变 值就可以改变端电压的平均值，达到调速的目的，这就是 在 速时，占空比 是一个重要参数。以 下 3 种方法都可以改变占空比的值。 （ 1）定宽调频法：保持 1t 不变，只改变 2t ，使周期与频率也随之改变。 （ 2）调宽调频法：保持 2t 不变，只改变 1t ，使周期与频率也随之改变。 （ 3）定频调宽 法：使周期保持不变，同时改变 1t ， 2t 。 前两种方法在调速时，改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会产生震荡，因此很少用。目前主要用定频调宽法 8。 流电机调速系统 本次试验选用的是小功率的直流电机，根据本次设计的要求，仅对与本实验相关部分的理论进行阐述。 直接发出指令，产生信号，改变直流电机 电枢端电压，达到调节电机速度的目的。优点是结构简单，缺点是不能同时满足调速范围和静差率的要求，机械特性软，调速范围窄。应用于静差率要求不高的无级调速场合。 转速反馈电压与转速指令电压相比较形成偏差电压，偏差电压作为输入信号，后与开环电路东南大学本科生毕业设计（论文） 7 相同。该方法的优点是：与开环系统相比，机械特性较硬、静差率较小、一定静差率的调速范围提高了；缺点是起动和堵转电流过大，对电机换向不利。改进提高措施：加偏差调节器或限流措施。目前，有三种改进措施：增加电流截止负反馈环节电压负反馈代替转速负反馈的单 闭环直流调速系统、以电压负反馈加电流补偿控制代替转速负反馈。 流双闭环调速系统 直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为 在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。 在实际工作中 ,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是 在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。在设计过程中，为了实现转速和 电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 在双闭环调速系统的基础上，在电流环内再加电流变化率内环或电压内环构成两种三环调速系统。增加了电流变化率内环，提高了电流环的响应速度，使起动过程的转速和电流更接近理想波形，进一步改善了电机的起动性能 9。 其他调速系统诸如：有环流可逆调速系统、无环流可逆调速系统。 真 机控制系统数学模型的推导 对直流电机，有 东南大学本科生毕业设计（论文） 8 电枢电压平衡方程 ： （ 转矩平衡方程为 ：30( 00 （ 式中： 枢电压（ V）， e 电枢反电势（ V）， a i 电枢电流（ A)， 枢电感（ H）， a R 电枢电阻（ ）， 每极磁通（ n 转子转速（ r/ 0直流电机电势常数， t 2 转矩常数， P 为电机极对数， N 为电枢总导体数， a 为并联支路数， T 电磁转矩 ， 载转矩 ， J 转速惯量 。 对 采用拉氏变换得 电枢电流 eu i aa a 1/1 /1（ 转子转速 n 与动态转矩 之间的传递函数为n L 1（ 考虑到 ，at 的辅助关系，并引入机电常数 ， 可求得精确模型的传递函数： 1/1 a LT1 机控制系统的数学模型 真 （ 1） 制器的理论探索 1） 制器结构如下图 2南大学本科生毕业设计（论文） 9 图 2制器，积分环节， 微分环节 2） 以一个单闭环的控制系统为例，分析 制器各参数在系统中的作用。 1G 2G 3G 4 图 2闭环控制系统 其中 0 0 1 7 9 ,0 7 ,10 1 7 ,10 0 1 6 4 54321 编写 M 文件（见附录），观察 环节参数变化时，系统阶跃响应的变化，根据图 2析得：0 0 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1 0 . 1 2 0 . 1 4 0 . 1 6 0 . 1 8 0 . 20501001500 . 10 . 52410S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )文） 10 图 2-5 比例调节作用：小稳态误差，提高控制精度。但随着重时造成系统的稳定性破坏。 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3020406080100120140160100502520101S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )不同值时的阶跃响应 积分调节作用：对稳态起控制作用，改善系统的稳态特性，提高系统的稳态控制精度，但积分 过 强稳定性随着下降，严重时造成系统不稳定，一般和比例项配合使用。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1001020304050607080901000 . 0 20 . 10 . 512S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )-7 不 同值时的阶跃响应 微分调节作用：对动态控制作用，可以加快动态响应，上升快，超调小，具有预调节的作用，一般与比例项组合使用。 3）用 制器校正系统 利用 教材 10上的 一组 电机参数和速度负反馈参数，建立了如下的电机模型： 东南大学本科生毕业设计（论文） 11 0 0 1 6 4 s 10 1 s 1 9 2 机开环系统 传递函数为 对其进行性能分析，阶跃响应见图 2 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 2 0 . 2 5 0 . 3 0 . 3 5050100150200250S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c ) 开环系统阶跃响应 开环系统阶跃响应的性能指标为： 南大学本科生毕业设计（论文） 12 0 0 以上数据可知，单纯的电机系统响应速度太慢，动态性能不佳，且不具有抗干扰性。 针对这一系统，我们将进行 参数设计和优化改进，对上述系统引入速度负反馈环节和节器。 0 0 1 6 4 s 10 1 s 1 9 2 1 7 闭环电机控制系统模型 0,0,1 系统的开环传递函数为： 数整定法 1112有 很多 种， 工程上最常用的有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法。现以临界比例度法为例进行参数整定。 这是目前使用较多的一种方法。它是先通过试验得到临界比例度 k 和临界周期 ,然后根据经验公式求出控制器各参数值。具体做法如下 : 把控制器的积分时间放到最大 ,微分时间放到零 (相当于切除了积分和微分作用 ,只使用比例作用 ) 。 2. 给定一个阶跃信号 ,观察由此而引起的测量值振荡。 3. 针对其开环系统作根轨迹图，根据 图像显示，可预测临界比例度 K 的大致范围。 东南大学本科生毕业设计（论文） 13 - 1 0 0 0 - 5 0 0 0 500- 5 0 0- 4 0 0- 3 0 0- 2 0 0- 1 0 00100200300400500R o o t L o c u sR e a l A x i 系统根轨迹图 R o o t L o c u sR e a l A x i 0 - 4 0 - 3 0 - 2 0 - 1 0 0 10 20175180185190195S y s t e m : s y sG a i n : 1 8 . 3P o l e : - 0 . 0 7 6 7 + 1 8 9 iD a m p i n g : 0 . 0 0 0 4 0 5O v e r s h o o t ( % ) : 9 9 . 9F r e q u e n c y ( r a d / s e c ) : 1 8 9图 2轨迹图与虚轴交点 东南大学本科生毕业设计（论文） 14 4. 根据已确定的 K 值，代入闭环系统，进行微调，从大到小逐步把控制器的比例度减小 ,看测量值振荡的变化是发散的还是衰减的 ,如是衰减的则应把比例度继续减小 ;如是发散的则应把比例度放大使系统产生等幅震荡，如下图，此时的比例系数叫临界比例度 k =1/荡周期为 sT k 178266444 图 2临界震荡时 数设置界面 S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )00 200 300 400 500 600 700 800 900 1000020406080100120140160180S y s t e m : s y sT i m e ( s e c ) : 2 6 6A m p l i t u d e : 1 6 2S y s t e m : s y sT i m e ( s e c ) : 4 4 4A m p l i t u d e : 1 6 3图 2统临界震荡图 5. 参考参数整 定表 2到参数 东南大学本科生毕业设计（论文） 15 表 2界比例度法参数整定表 由表 2计算得，对 制器 0 04 6 0 82 i 0 78*1 i n ,4 78*6. 通过上述步骤得到的四个参数，还要到系统中实际运行，检验控制效果，必要时进行反复调整，直至获得满意的控制效果。 临界比例度整定法又称为“闭环振荡法” ,它的特点是 :不需要求得控制对象的特性 ,而直接在闭合的控制系统中进行整定 ,适用于一般的控制系统，但对于临界比例度很小的系统不适用 . 我将上述结果代入闭环系统，其阶跃响应见图 2不稳定系统，还需进行二次整定。 图 2一次整定 数设置界面 调节作用 比例度 积分时间 微分时间 比例 2k 比例积分 比例微分 比例积分微分 0.5 东南大学本科生毕业设计（论文） 16 . 0 0 5 0 . 0 1 0 . 0 1 5 0 . 0 2 0 . 0 2 5 0 . 0 3- 2 0 0 0- 1 5 0 0- 1 0 0 0- 5 0 005001000S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )一次整定后系统的阶跃响应 数二次整定 二次整定时，其 原理与试凑法类似，只是有了前面的基础从而在一定程度上避免了试凑参数时的盲目性 , 具有有很强的针对性。二次整定得到的 数数值为 图 2次整定得到的 数 东南大学本科生毕业设计（论文） 17 在该参数下系统的阶跃响应为 0 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 10102030405060708090100110S t e p R e s p o n s eT i m e ( s e c )次整定后系统的阶跃响应 二次整定后系统阶跃响应的性能指标 0 行前