毕业答辩-实验轨道小车运动控制系统设计.ppt

实验轨道小车运动控制系统设计,答辩人：指导教师：,主要内容,一、课题来源,中南大学高速铁路建造技术国家工程试验室,实验轨道小车运动控制设计完成轨道车运动控制部分方案设计，能够达到系统的参数要求。,运动控制研究现状,单片机：单片机价格低，但是要搞一个复杂的自控系统，其工作量之大难以想象，硬件软件都会极其复杂，且由于它的价格优势，在批量的产品上还是有一定优势。运动控制卡：运动控制卡采用C语言或VB等编程，需要用户有上位机编程语言基础，主要用于多轴运动控制。PLC逻辑控制器：系统构成灵活，扩展容易，使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，开发周期短；能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强。设计就基于PLC完成实验轨道小车运动控制系统,二、运动控制方案的总体设计,启动加速段为5米（不含车身长度），最高加速到4m/s；在25米长的试验段内，数控电瓶车应能在1m/s4m/s的速度范围内任意设定并稳定运行，运行平稳度要求在0.1m/s内；刹车段长度为5米（不含车身长度），数控电瓶车应能在该段内完成刹车直至完全静止；车轮直径偏差不得大于0.1mm；两车轴平行度偏差不得大于0.5mm；数控电瓶车的轮距为575mm;控制系统采用PLC为主控元件，触摸屏为人机交互设备，触摸屏可以设定车速，显示运行距离，设定启动时间，设定运行距离，设定刹车位置数控电瓶车采用电瓶供电，供电电压96V；数控电瓶车动力采用无刷直流电机，功率为47kw；数控电瓶车控制系统具备紧急停止按钮，在紧急状态时，能在5米内完成刹车至静止状态。,1、数控电瓶车技术规格要求,二、运动控制方案的总体设计,车体、驱动装置、蓄电池和充电装置、控制系统、安全保护装置,2、实验轨道小车结构示意图,3、总体方案运动控制反馈系统构成图,二、运动控制方案的总体设计,二、运动控制方案的总体设计,运动控制系统流程图,电压调速的原理：永磁无刷直流电机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为Vc对应的最高转速；那么Vc以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。若直流无刷电机控制系统的调速电压范围：0VVcV，电机额定转速0n额定r/m，则电机转速与调速电压V的关系如图所示：,二、运动控制方案的总体设计,二、运动控制方案的总体设计,4、运动控制策略的选择,直接变加速反馈控制,调速电压Vc-t图运行速度v-t图,优势：直接变加速反馈控制中a由0amax，对设备冲击较小不足：启动距离对恒加速度启动时过长，可能达不到启动运行距离的参数要求；实际情况下小车的运行速度v与调速Vc电压对应关系不符合理论情况下对应关系,二、运动控制方案的总体设计,4、运动控制策略的选择半闭环一次反馈控制,优势：保持最大加速度amax，小车能在最短的时间内加速到运行速度Vmax值不足：实际情况下小车的运行速度v与调速Vc电压对应关系不符合理论情况下对应关系,调速电压Vc-t图运行速度v-t图,二、运动控制方案的总体设计,4、运动控制策略的选择半闭环实时反馈控制,优势：避免了运行速度v与调速电压Vc对应关系不符合理论情况下对应关系的情况，并且能在最短时间内加速到amax不足：可能存在系统响应时间跟不上调速速度，对电机调速控制器和机械系统驱动时出现间歇停顿性启动运行行为等问题,调速电压Vc-t图运行速度v-t图,t/s,t/s,允许,三、运动控制系统的硬件选型设计,1、系统的电气组成,三、运动控制系统的硬件选型设计,2、相关元件的选型PLC逻辑控制器,AFPXC14控制单元,状态显示LED、输入/输出显示LED、RUN/PROG.模式切换开关、USB连接器(B型)、模拟量电位器、编程口(RS232C)、电源输入端子台、输入用通用电源输出端子台、扩展盖、连接扩展插件的连接器、扩展I/O单元、扩展FP0适配器连接用连接器、电池盖、DIN导轨安装推杆(左右钩),PLC系统的I/O通道分配表,三、运动控制系统的硬件选型设计,2、相关元件的选型编码器触摸屏,MK803J-1024B-LM5增量型旋转编码器实物图,增量编码器位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，断电重启后需重新寻找零位置。性能：电源电压Vcc526、每分钟最大转速5000r/min,触摸屏替代传统的控制面板和键盘的智能化操作显示器。功能作用：监视、控制、数据处理。GT01性能：输入电压24DC、可登陆画面数约160个、通信（编程）串口RS232。,GT01触摸屏实物图,三、运动控制系统的硬件选型设计,2、相关元件的选型直流无刷电机控制器直流电机,MC3系列电动平车用控制器实物图,GC-90系列中功率高速直流无刷电机实物图,MC3系列直流无刷电机控制器是可用于为三相无刷电机提供封闭回路的换向控制信号的控制装置，同时利用模式还可对电机速度进行控制并对电机进行必要的保护，调速电压范围DC0VDC5V。,GC-90系列中功率高速直流无刷电机产品特点是无炭刷和无火花、转速调整范围大、效率高且转矩大、启动电流小，噪音低、体积小，重量轻、高可靠性的双霍尔出线方式。性能：额定电压96V，额定转速3000rpm。,三、运动控制系统的硬件选型设计,3、硬件设计的电气原理图,四、运动控制系统的软件设计,1、可编程逻辑控制器的软件基础本设计的程序是在松下编程软件FPWINGR环境中开发设计的。在FPWINGR中，有符号梯形图、布尔梯形图和布尔形式非梯形图等三种编辑模式。编程软件就可以向PLC下载或从PLC上载所编写的应用程序。在程序运行时还可以对PLC的运行情况进行监控，或通过强制命令对对PLC进行调试。,松下编程软件FPWINGR编程界面,四、运动控制系统的软件设计,2、PLC程序编程思路第二章2.3.2中对半闭环一次反馈控制分析可知，需求出加速、匀速两个阶段各段所需电压Vc对应的数值M0、M1。,电机转速n与调速电压Vc的关系图,Vc与对应的D/A数值N关系图,输出电压U需要数值N,则:,结合式(1-1),四、运动控制系统的软件设计,2、PLC程序编程思路,再求出小车轮子速度v与电机转速n的关系：轮子转速n=（r/m），其中d为数控小车轮子直径,电机转速经过1：10的传动比传到轮子的主轴上，即n电机=10n=则v=（1-3），将式（1-2）带入式（1-3）中得即即（1-4），式（1-4）表示的是小车运行速度v与调速电压Vc对应数值N的关系式。加速阶段以最大恒定加速度amax加速，故电机转速应该为n额定，小车以获得最大amax，结合（1-2）则该阶段Vc对应的数值M0=N=2000。匀速运行阶段即小车运行速度值v设定时，Vc则需跳转对应调速电压，即调速电压对应的数值为M1，结合式（1-4）有M1=N=。,四、运动控制系统的软件设计,2、PLC程序编程思路,控制系统软件图,四、运动控制系统的软件设计,2、PLC程序编程思路,半闭环一次反馈运动控制程序流程图,四、运动控制系统的软件设计,2、PLC程序编程思路,半闭环实时反馈运动控制程序流程图,四、运动控制系统的软件设计,3、触摸屏人机界面开发,TerminalGTWIN编程主界面,四、运动控制系统的软件设计,3、触摸屏人机界面开发,触摸屏控制流程图,触摸屏主界面图,五、运动控制系统的现场调试,实验轨道小车运动控制系统的现场调试画面,在控制柜外部嵌入式的触摸屏界面设定运行速度和运行距离，初次调试为检测小车是否能正常启动运行和各项基本功能运行是否正常，故分别设定的v和s很小。小车能够正常启动、各项基本功能正常运行后，然后对检测系统实际运行速度和运行距离的精度。,五、运动控制系统的现场调试,1.半闭环一次反馈控制程序的测试,将几组测试数分别对实验轨道小车进行测试，检测小车在指定调速电压下实验轨道小车实际运行速度v与理论下的运行速度v的比较如表所示：,五、运动控制系统的现场调试,1.半闭环一次反馈控制程序的测试下面将对设置的Vc值与小车实际测试速度v用Mtalab软件进行曲线拟合，只针对调速范围14m/s进行拟合，拟合曲线图形如图所示。,Matlab可以得出拟合曲线函数为LinearmodelPoly1:f(x)=p1*x+p2,p1=1.584(1.522,1.647)；p2=-0.7882(-0.9333,-0.643)其中f(x)为调速电压Vc，x为小车实际测试运行速度v。则在程序数据处理部分需改变程序，用调速电压Vc与小车速度v的线性关系取代调速电压Vc与电机转速n的线性关系。,五、运动控制系统的现场调试,1.半闭环一次反馈控制程序的测试,将改动后的程序进行实际测试,测试结果如表，检测小车在指定调速电压下实验轨道小车实际运行速度v与理论下的运行速度v的比较如表所示：,结论：结果符合设定运行速度值与实际运行速度值的误差达到要求的0.1m/s且制动误差在0.03m，符合设计参数要求,五、运动控制系统的现场调试,2.半闭环实时反馈控制程序的测试,和半闭环一次反馈控制程序的测试一样，都是将几组指定运行速度值v即对应电压调速电压Vc数据对实验轨道小车进行测试，但结果一启动便发现轨道小车出现了间歇停顿性启动运行行为，运行过程晃动过大，运行情况不稳定，不符合设计参数要求即运行速度值的误差达到要求的0.1m/s。即该控制不符合设计要求。,总结,本设计中通过比较三种控制策略：直接变加速闭环反馈控制、半闭环一次反馈控制和半闭环实时反馈控制，然后选出后两种是比较符合实验轨道运动控制系统设计要求的进行后面的程序开发。并且介绍了相关硬件的选型设计、软件的开发和实现，在最后进行了现场的调试发现半闭环反馈控制是比较符合的设计要求的。半闭环一次反馈控制系统达到了运行速度在0.1m/s，运行比较平稳，并且运行距离的误差在0.03m。该控制系统操作还是比较方便的，但是也存在一些问题，比如后退时可以设定成点动后退等