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1. 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FPGA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MCU AVR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。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LMD18200T LMD18200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）：LMD18200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.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。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，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。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 a)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S给电动机M供电;开关S打开时，直流电源供给M的电流被切断，M经二极管续流，电枢两端电压接近为零。如果开关S按照某固定频率开闭而改变每周期内的接通时间时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速目的。脉冲波形见图3.8b)，其平均电压为: 式中T为脉冲时钟; 为接通时间; 为PWM电压的占至比();可见，在电源与PWM波的周期T固定的条件下，可随的改变而平滑调节，从而实现电动机的平滑调速。3.2.2直流调速系统单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。一般采用的反馈有两种方式：一：在电动机轴上装一台测速发电机SF，引出与转速成正比的电压与给定电压比较后的偏差电压Us，经过放大器FD，产生触发装置CF的控制电压，用以控制电动机的转速，如图3. 6所示。二：直接通过光电编码盘对轮子转数进行计数，然后将计数的速度值反馈回主MCU，然后MCU在根据测得的速度值进行相应控制，这两种方式都只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。 图3. 6采用转速反债的单闭环调速系统由于采用测速发电机进行测速成本较高并且电路复杂，所以在本系统中，我们采用光电编码盘进行测速，光电编码盘的读数做为反馈对整个系统进行单闭环控制，在电机具体的调速方式上，我们采用的方法是“恒速”控制，即在控制过程中，先设定一个标准的速度值，这个标准速度值就是下一步电机的目标值，控制系统的任务就是不管外界条件的变化要保证两个电机都以我们设定的速度值运行，这样就实现了电机的速度伺服控制。3.2.3 实现算法的选择方案一：采用最原始的查表操作。就是在控制系统里面建一个表，将外界各种情况下电机的运行状况都预先存放在表中，然后根据前端反馈回来的速度值跟单片机中存放的表中的情况比较，然后输出对应的控制信号。对于大多数单片机控制系统来说，可能都采用这种方式，这种方式编程简单，并且执行速度快，但其有一个致命弱点就是实时性差，只能用在固定的场合，如果外界条件发生变化，这种控制方式也就失效。方案二：采用实时计算的方法控制电机。在这种方式中单片机采集速度信号，然后根据反馈的速度值进行相应计算，得出不同的输出值控制电机，这种方式因为实时性好，适应性强，并且控制精确等优点已被大量应用在工业生产中，技术已相当成熟。其中应用最为广泛的是PID算法（比例 积分 微分），该算法通过比例、积分、微分调节控制系统，不仅能够快速调节系统，使系统能够尽快进入稳态，而且还能够消除系统的稳态误差、预判断系统的发展趋势，提前纠正系统误差，因此，PID算法能够实现非常精确的控制。并且其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便，不需要精确数学模型。但是如果想完全实现这种算法，需进行大量的实时计算，包括乘加等浮点数运算，因此对处理器要求较高，一般要求有大容量、速度高、并且硬件资源丰富的处理器，对于本文的电机速度控制，一般PI控制即可达到满意的调节效果，因此我们采用积分分离的PI增量式控制算法，在一个扫描周期内采集轮子的速度信号值，然后通过PI控制算法实时算出下一阶段的PWM量，如此不断刷新处理，使轮子总是保持定速前进，从而实现电机的速度伺服控制。PI算法计算公式如下： =p*(E(K)-E(K-1)+Ki*EK-EK-1,在程序中我们采用如下公式 其中为本次PWM输出量，为上一周期PWM输出量，为本次计算的PWM增量，Kp为比例系数，Ki为积分系数，为本次速度实际值与标准值的差值，为上次速度实际值与标准值的差值。 采用PI控制算法中的重点是比例系数A，积分系数B的设定，我们在设计过程中不断实验，不断测试，最终测出了最合适的系数。4软件设计4.1软件思路 在该系统中，MCU需要完成的工作主要有键盘扫描、液晶显示、速度计数、PI控制计算、PWM量输出等。我们的处理方法是在主程序中完成键盘扫描和PWM量输出，在定时器中断程序中完成速度输入值的刷新、PI控制量的计算、以及液晶显示的刷新等操作，我们通过一个定时器定时，另外两个定时器分别对左右轮子计数，如此可测出左右电机的实际转速。在设计过程中我们使用C语言编程，采取模块化的设计方法。4.2程序流程图 主程序流程图 定时器中断程序流程图入中断开始 关闭两个计数器，读两个电机速度计数值中断初始化 液晶初始化进行PI计算输出量N有键按下液晶显示刷新键扫描，判键值Y两电机计数值清零输出PWM量中断返回PI算法流程图e=Setpoint-Count更新E（K-1）NYePI运算Out=e*K+out返回5 最终设计 5.1完成情况 通过本系统可实现对直流电动机的速度闭环控制，控制电动小车基本实现匀速直线运动。并且键盘输入、液晶显示等模块都工作正常，对于位置伺服控制，只能部分实现，控制电动小车无参照走正方形图形。 5.2操作说明我们所做的电机伺服控制系统实现的主要功能是对电机通过闭环反馈，实现电机的速度伺服控制，其操作流程如下：首先启动整个控制系统，通过键盘输入固定的速度值，按“确定”键后电动小车将按照输入的固定速度值前进，如果外界条件的变化引起了轮子的速度发生变化，我们的控制系统将对轮子转速进行自动调整，使两个轮子始终按照输入的固定速度前进，如此在外观表现上则是电动小车始终以匀速直线前进。小车前进一段距离后将自动停止，停几秒钟之后将自动后退，按原路以原速直线返回出发点。从而实现电机的速度伺服控制。5.3性能指标 测试后基本功能实现，能够在短距离内以各种速度实现匀速直线运动，基本达到速度的闭环伺服控制，但由于PI算法自身的局限性、单片机处理速度的限制性以及我们自身机械加工精度不是太高等方面的因素，导致了电机的控制精度不是太高，在短的距离内这种误差可以忽略，但运行距离较远时则误差较大，以下是该运动控制器的性能指标因为我们在控制系统中测得的速度值以及输入的设定速度值都是以计得的脉冲数来显示的，并没有转换成实际的标准单位显示，固在此表中的所有数据都是以脉冲数为单位的，实际转换距离为： 1个脉冲=0.028CM控制工作电压5V 动力工作电压12V最低速度1个脉冲/100ms最高速度99个脉冲/100ms调节性能比较 速度值（个脉冲/100ms）不经过调节的误差（cm/m）经过调节后的误差（cm/m）106.30.5307.50.7509.51.36011.61.88014.02.1由上表可见该控制器对电机性能的调节效果是相当显著的，经过控制器调节后电机性能明显改善。5.4误差分析:1: 物理构架造成的误差。由于本系统采用正三角形构架,后面的从动轮起到了舵轮的作用。因此会造成一些误差.2:电源供电误差.因为直流伺服电机在启动瞬间的电流要求很大。电源会出现短暂的供电不足的情况,造成误差。3:算法参数误差。参数不够精准造成的误差。 4：系统误差。系统因为机械加工精度等原因造成的系统误