（机械电子工程专业论文）基于tcpip协议的交流电机远程控制系统设计.pdf

摘要 基于t c p i p 协议的交流电机远程控制系统设计 姓名：罗三强 导师：张传海，郁建平 东南大学 摘要 电机可以说是工业自动化控制系统中应用最典型最广泛的执行器件。其中交流电机具有结构 简单、成本低、工作可靠、维护方便、效率高等优点。因此，人们一直在对交流电机的控制方法进 行研究，并且发明了许多性能优异的控制方法。但是，目前基于这些控制技术的应用系统基本上采 用的是现场控制的方法，以提高电动机的动态性能为主，硬件大多数选用的是普通的8 位或1 6 位微 处理器，因此，不容易进行功能扩展，难以实现网络化和远程控制。然而，随着电子技术的发展， 信息技术，计算机控制技术和网络技术的结合正在逐步应用于工业自动化领域，采用网络技术的远 程控制方式是未来的发展趋势之。 论文首先介绍了交流电动机控制系统的发展和现状分析了多种远程控制方法的特点以及采用 以太网控制的优点。 其次，论文介绍了多种嵌入式操作系统的特点以及选用3 2 位嵌入式微控制器的优势。在此基础 上，完成了系统的硬件设计部分。然后，详细地介绍了嵌入式系统开发过程中常用的串口调试方法 以及c l i n u x 平台下的软件开发模式。 随后，介绍了交流电机远程控制系统的软件设计，包括u c l i n u x 环境下s o c k e t 通信软件设计， 交流电动机直接转矩控制的实现。 最后，论文对全文进行总结，并提出了进一步研究的展望。 关键词：以太网，嵌入式系统，“c i i n l l ) 【，直接转矩控制 东南大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fa ce l e c t r o m o t o rr e m o t ec o n t r o is y s t e m b a s e do nt c p ，i pp r o t o c o i n 枷e l u os 龃g - q i 帅g s u p c r v i s or = z h a n gc h u 卸- h a i ；y uj i 加一p i n g s o u t h e 嬲tu n i v e r s 时 a b s t r a c t e i e c n d m o t o rc a nb er e g 盯d e d 船m o s tl y p i c a le x e c u t i v ea p p a m t l j sw h i c hi sm o s tb m a d l y 吣c di nm e i n d u s t 叮a u t o m a t i z a t i o ns y s t e m a ce l e c t m o t o rh 雏s u c ha d v a f l t a g e 如s i m p l es n l j c t i l r e ，1 a wc o 巩 e x c e j j e n lc r e d i b i 】j yo f w o r k ，c o n v e n i e n c eo f m a i n t c n a n 嫣h 培he 历c i e n c ya n ds oo n n e r e f o 陀，t b ec o n 订o l m e t t l o do fa ce l e c t r o m a t o ri sc o m i n u o u s i yr e s e a f c h e d s om o r ea n dm o r ec o n 仃o lm e t h o d so fb e n 盯 p e r f b m l 柚c eh a v e b e e ni n v e n t e d h o w e v e la l m o s ta l lt h e 印p l i c a t i o ns y s t e mb 越e do nt h e s ec o n 姐) i m e 也o d sa r e 吣u a j j ym a d eu s co fj o c a l j o nc o n 仃o j t h e ya r em a j n l yt oe n h 卸c ed y l l 枷j cp e m 脚a j l c eo f e l e c 廿o m o t o lt h eh a r d w a r es e l e c t e di sa l w a y s0 r d i n a r y8b i to r1 6b i tm i c r 叩r o c e s s o ls ot h e 如n c t i o n a l e x t e f i s i o no f t l l e mi sv e r yd i 塌c u l 吼 f u r t h e rm o r e ，t l l e r ea r em a n yd j 塌c u l t i e si nn e t 、v o r kc o n n e c 矗o n s 柚d r e m o t ec o n 打d i h o w e v e lw i t l ld e v e j o p m e 玎o fe l e c 枉d n i c 把c h n o j o g mc o m b j n a t i o no f 姗m u n j c a 6 0 n t e c h n 0 1 0 阱c o m p u t e rc o n t r o lt c c | 1 1 1 0 l o g ya n dn e 咖r kt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l yb e i n g 印p l i e dt 0i n d u s 仃y a u t o m a t i z a t i o nd o m a i n r e m o t ec o n t r o lm o d ew i t hn e n a r et e c h n o l o g yi so n eo fd e v e l o p m e n td i r c c t i o ni n t h e 如m r e i nt h i sp a p e lt t 屺e v o l u t i o na n da c t u a l 时a ce l e c t r o m o t o rc o n t r o ls y s t e mi sf i r s t l yd i s c u s s e d t h e n ，n o t o n l yt h ec h a m c t e r i s t i co fm a r l yr e m o t ec o n t m lf n e t l l o d s ，b u ta l s om ea “a n t a g eo fc o “仃o ls y s t e mb 邮e d 蚰 e t h e n l e tj sa | t a i y s i s e d 8 e c o n d l y ，t h ec h a m n e ro fm a n ye m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma n dt h e 碉v 椭g eo f 吣j n g3 2 b 协 e m b e d d e dm i c r o c o n 仃o l i e ra 陀 n 删u c e d b 蓝e do nt h ei n 仃o d u c t i o n ，t h i sp a p e rt a k e 血ed e s i g no ft h e e m b e d d e ds ”晒nh a r d w a r e t h e n ，t h em e 幽o dt 0d e b u ge m b e d d e ds y s t c m s e a lr n o n i t o ba n dt 1 e s o f t w a r e d e v e i o p i n gm o d eu n d e rt 1 1 e 心：1 i n u xe n v i r o n m e n ta r ed e s cr i b e di nd e t a i la sw e l l s u b s e q u e n t l y ，t l l es o f t 、v a r ed e s i g no ft h ea ce l e c t r o m o t o rr e m o t e c o n t r o is y s t e mi si n 删u c e d ， i n c i u d i n g 伍es o c k e t c o m m u n i c a d o nu n d e rp c i i n u xe n v i r o n m e n ta n da ce i e c t r o m o f o rd i r e c tf o r q u e c o n 廿0 1 f i n a y ，ac o n c l u s i o ni sg i v e na n dt h ed i r e c t i o nf o rt h ef u t u r er c s e a r c hi sp u tf o n v 0 r d k e yw o r d s ? e t b e m e t ，e m b e d d e ds y s t e m ，旺= 】j n u x ，d i r e c l t o r q u ec o n t r o j l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，论文中不包含其它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。 研究生签名：璺丝 日期： 1 吨譬? ，口。6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 名蟛缸和期： i f o 毛 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 交流电机控制系统的发展和现状 电机控制系统主要分为速度控制和位置控制两大类。传统的电气传动控制系统一般是指速度控 制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、交通等工业部门。对于位置 控制系统，目前国际上较多采用运动控制这一名称。运动控制系统通过伺服驱动装置将给定指令变 成期望的机构运动，一般功率较小，并有定位要求和频繁起制动要求的特点，在导航系统、雷达天 线、数控机床、加二：中心、机器人、打印机、复印机、磁记录仪，磁盘驱动器、自动洗衣机等领域 得到广泛应用。 从1 9 世纪9 0 年代初第一条三相输电线路建成到2 0 世纪6 0 年代末，电力工业的发展大体形成 这样的格局，即9 9 9 9 9 的电能由同步电机发出，6 0 7 0 的电能通过各种电机加以利用。在电机用 电中，交流电机占8 0 左右，其中大多数为异步电动机直接拖动。在其余2 0 需要变速运行的高性 能传动系统中，直流电机由于控制简单、调速平滑、性能良好，一直占据主导地位。然而，直流电 机结构上存在的机械换向器和电刷，使它具有一些难以克服的固有缺点如造价偏高维护困难， 寿命短，单机容量和最高电压都受到一定的限制等等。事实上，从2 0 世纪3 0 年代起，不少国家就 开始无换向器电机控制系统的研究，但由于条件限制，进展不大。2 0 世纪7 0 年代初，一场石油危 机席卷全球，工业发达国家投入大量人力、财力研究节能措旋。人们发现，占电机用电量一半以上 的风机、泵类负载是靠阀门和挡板来调节流量和压力的，其拖动电机一般工作在恒速状态，从而造 成了大量的电能浪费。如果用改变电机转速的方法调节风量和风压，在压力保持不变的情况下一 般可以节电2 0 一3 0 。在工业化国家，经济型交流电机调速装置已经大量的使用在这类负载上，成 为重要的节能手段。同时，随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展，高性能的交流电机控制系 统也出现了，经过近十几年的不断努力，性能得到了很大改善，成本还在下降。人们期望随着技术 的不断成熟，它将在几乎所有的i ：业应用领域中取代直流电机控制系统。 由于交流电机控制系统的种种突出优点国外大学和公司投入大量的人力、财力加以研究，并 在2 0 世纪8 0 年代已经推出了一系列商品化的交流电机控制系统，我国也有许多单位在研究、开发 和引进交流电机控制系统的技术、元器件和装备。为迸一步提高交流电机控制系统的性能，有关研 究工作正围绕以下几个方面展开”1 ： 1 采用新型电力电子器件和脉宽调制( p w m ) 控制技术：电力电子器件的不断进步，为交流 电机控制系统的完善提供了物质保证，尤其是新的可关断器件，如双极结型晶体管( b 丌) 、金属氧 化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的实用化，使得高频化p w m 技术成为可能。目前电力电子器件正向高压、大功率、高频化、组合化和智能化方向发展。如果说 计算机是现代生产设备的大脑的话那么上述电力电子器件及其装置则是手足( 电机) 动作的肌肉 和神经，即实现弱电控制强电的关键所在。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三 种。电流型变频器的优点在于给同步电机供电时可以实现自然换相，并且容量可以做得很大。但对 于应用广泛的中小型异步电动机来说，其强迫换相装置则显得过于笨重。因此，p w m 电压型变频器 在中小型电机控制系统中无疑占主导地位。目前已有采用m o s f e t 和【g b t 的成熟产品。开关频率 可达1 5 2 0 k h z ，实现无噪声驱动。值得注意的是，目前国外正加紧研制新型变频器，如矩阵式变频 器，串、并联谐振式变频器等也开始进入实用阶段，预示着新一代电机控制系统即将产生。 2 应用矢量控制技术及现代控制理论：交流电机是一个多变量、非线性的被控制对象，过去的 电压，频率恒定控制都是从电机的稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均不理想。2 0 世纪 7 0 年代初提出的用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，不但控制各变量的幅值，同时控制其 东南大学顽：l 学位论文 相位，并利用状态重构和估计的现代控制概念，巧妙的实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控 制，从而促进了交流电机控制系统走向实用化。目前国外用变频电源供电的异步电动机采用矢量控 制技术已经成功的应用于轧机主传动、电力机车的牵引系统和数控机床中。此外，为解决系统复杂 性和控制精度之间的矛盾。又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制和定子磁 场定向控制等。尤其自从计算机用于实时控制后，使得现代控制理论中各种控制方法得到应用如 二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制，可提高系统的动态性能，滑模( s l i d i n g m o 如) 变结构控制可增强系统的鲁棒性状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息白适 应控制则能全面地提高系统的性能。 3 广泛应用计算机技术。随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得 到很大提高，这使得以单片机为控制核心的全数字化控制系统取代以前的模拟器件控制系统成为可 能。计算机的应用主要体现在两个方面一是控制用微机，交流电机数字控制既可以用专门的硬件 电路，也可以用总线形式，如s t d 、v m e 、m u l l i b u s 和g e s p a c 总线等，加上通用或单片微机模 板组成最小目标系统。对高性能运动控制系统来说，由于控制系统复杂，要求存储多种数据和快速 实时处理大量的信息，可以采用微处理器加数字信号处理器( d s p ) 的方案，除实现复杂的控镧规 律外也便于故障监视、诊断和保护、人机对话等功能的实现。计算机的第二个应用就是数字仿真 和计算机辅助设计( c a d ) 。仿真时如发现系统性能不理想，则可用人机对话的方式改变控制器的参 数、结构以至控制方式，直到满意为止。这样得到的参数可以直接加在系统上，避免了实际调试的 盲目性及发生事故的可能性。目前已有多种软件包，可用于指导系统的设计。 4 开发新型电机和无机械传感器技术。各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要 求。电机设计和建模有了新的研究内容，诸如三维涡磁场的计算、考虑转子运动及外部变频供电的 联接、电机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等问题。为了更详细地分析电机内部过程如绕 组短路或转子断条等问题，多回路理论应运而生。为了对电机实现计算机实时控制，一些简化模型 也脱颖而出。目前在小功率运动控制系统中得到重视和广泛应用的是永磁同步电机，其物质基础是 具有较大剩磁和矫顽磁力的新型永磁材料( 钐钴) 、钕铁硼) 的迅速发展。开关磁阻电机与反应式步 进电机相类似，在加了转子位置检测后可以有效地解决失步问题，可以方便的起动、调速或点控， 成为未来伺服系统的一颗新星。一般来说，为了满足高性能交流传动的需要，转速闭环控制是必不 可少的。为了实现转速和位置的反馈控制，需用测速发电机或光电码盘( 增量式或绝对式) 来检测 反馈量，对于方波同步电机控制系统来说，还需要检测磁极位置。目前同时满足上述全部要求的 传感器件无疑是解算器( r o i v e r ) 了。但由于速度传感器的安装带来了系统成本的增加、体积增大、 可靠性降低、易受工作环境影响等缺陷，使得成本合理、性能良好的无速度传感器交流调速系统成 为近年来的一个研究热点。该技术是在电机转子和机座上不安装电磁或光电传感器的情况下。利用 检测到的电机电压、电流和电机的数学模型推测出电机转子位置和速度的技术，具有不改造电机、 省去昂贵的机械传感器、降低维护费用和不怕粉尘与潮湿的影响等优点。 l - 1 2 交流电机控制系统的类型 不论是同步电机还是异步电机，采用矢量控制技术及新的控制方法后，系统性能均能大大提高， 可望取代直流电机在电气控制领域中的主导地位。目前典型的已经应用或正在研制的高性能交流电 机控制系统有以下几种： 1 同步电机控制系统 ( 1 ) 无换相器电机控制系统：采用交一直一交电流型逆变器给普通同步电机供电，整流及逆 变部分均由晶闸管构成，利用同步电机电流可以超前电压豹特点，使逆变器的晶闸管工作在自然换 相状态。同时检测转子的磁极位置，用以选通逆变器的晶闸管，使电机工作在自同步状态故又称 自控式同步电机控制系统。其特点是直接采用普通同步电机和普通晶闸管构成系统，容量可以做得 很大，电机转速也可以做得很高，如法国地中海高速列车即采用此方案，技术比较成熟。其缺点是 由于电流采用方波供电，而电机绕组为l e 弦分布，产生的低速转矩脉动较大。 2 第一章绪论 ( 2 ) 交一交变频供电同步电机控制系统：逆变器采用交一交循环变流电路，由普通晶闸管组 成，提供三相正弦电流给普通同步电机。采用矢量控制后可以对励磁电流进行瞬间补偿。因此系统 动态性能优良，已经广泛应用在轧机主传动控制系统中。其特点是容量可以很大但调速范围有一 定的限制，只能从1 2 同步速往f 调。 ( 3 ) 正弦波永磁同步电机控制系统：电机转子采用永磁材料，定子绕组仍为正弦分布绕组。 如果通以三相正弦交流电可以获得较理想的旋转磁场，并产生平稳的电磁转矩。采用矢量控制技 术使d 轴电流分量为零，用q 轴电流直接控制转矩，系统控制性能可以达到很高的水平。缺点是需 要使用昂贵的绝对位置编码器，采用普通增量式码盘实现上述要求虽有一些限制，但采用一定措施 后仍是可能的。目前研究的重点放在如何消除齿谐波及p 删控制等造成的转矩脉动。 ( 4 ) 方波永磁同步电机控制系统：方波永磁同步电机控制系统又称为无刷直流电机控制系统， 转子采用永磁材料。定子为整距集中绕组以产生梯形波磁场和感应电动势，如果通以三相方波交 变电流，当电流和感应电动势同相位时，理论上可以产生平稳的电磁转矩。其主要特点是磁极位置 检测和无换相器电机一样，非常简单，选通及系统控制容易实现。其缺点是由于定子电感的存在， 实际上电流达不到理想的方波，在换相时刻的迭流现象会造成转矩脉动，对系统低速性能有一定的 影响。 2 异步电机控制系统 ( 1 ) 坐标变换矢量控制系统：所谓矢量控制，即不但控制被控量的大小，而且还要控制其相 位。在b l a s c h e k e 提出的转子磁场定向矢量控制系统中。通过坐标变换和电压补偿，巧妙地实现了 异步电动机的磁通和转矩的解耦和闭环控制。此时参考坐标系放在同步旋转磁场上，并使d 轴和转 子磁场方向重合，于是转子磁场q 轴分量为零。电磁转矩方程得到简化，即在转子磁通恒定的情况 下，转矩和q 轴电流分量成正比，因此异步电动机的机械特性和他励直流电动机的机械特性完全一 样，得到了方便的控制。为了保持转子磁通恒定，就必须对它实现反馈控制，因此人们想到了利用 转子方程构成磁通观测器。由于转子时间常数t r 随温度上升变化的范围比较大，在一定程度上影响 了系统的性能，目前提出了很多t r 实时识别的方法，使系统的动静态特性得到了一定的提高。 ( 2 ) 转差频率矢量控制系统：有时为了简化控制系统的结构，直接忽视转子磁通的过渡过程， 即在转子方程中，令r d = l mi s ，于是得到d 轴电流，而q 轴电流可以直接从转矩参考值即转 速调速器的输出中求得，这样构成的系统，磁通采用开环控制，结构大为简化。且很适合电流型逆 变器或电流控制p 删电压型逆变器供电的异步电动机控制系统。进一步简化，即只考虑稳态方程后 还可以得出转差频率控制系统和开环的电压频率恒定的控制系统，其精度虽然不高，但在量大面广 的风机、水泵负载调速节能领域中得到广泛的应用。 ( 3 ) 直接转矩控制：在致力于发展异步电机矢量控制技术的同时，各国学者并没有放弃其它 控制思想的研究。1 9 8 5 年，德国学者m d e p e n b r o c k 首次提出了直接转矩控制的理论，随后日本学 者i t “a h a s h i 也提出了类似的控制方法，并获得了令人满意的控制效果。与矢量控制不同，直接 转矩摒弃了解耦地思想，取消了旋转坐标变换，简单地通过检测定子电压和电流，借助于瞬时空间 矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得到的差值。实现磁链和转矩的直接控制。 与经典矢量控制相比，直接转矩控制有以下几个主要特点： ( a ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电机的磁链和转矩。 它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效和转换；即不需要模仿直流电机的控制也不需 要为解耦简化交流电机的数学模型。它省去了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。因此，它所需要 的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电机的物理过程能够做出直接和明确 的判断。 ( b ) 直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而 磁场定向矢量控制所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电机的转子电阻和电感。因此直接转 矩控制大大地减少了矢量控制技术中控制性能容易受参数变化影响的问题。 东南丈学硕j j 学位论文 ( c ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制其它物理量， 使问题变得特别简单明了。与著名的矢量控制的方法不同它不是通过控制电流、磁链等量来间接 控制转矩，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想的正弦波，也不 专门强调磁链完全理想圆形轨迹。相反从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果 因此它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形的磁链轨迹的概念。 ( d ) 直接转矩控制技术对转矩实现直接控制。其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩 检测值与转矩给定值进行滞环的比较，把转矩的波动限制在一定的容差范围内，容差的大小。由滞 环调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的 实际状况，它的控制即直接又简化。对转矩的这种直接控制方式又称之为“直接自控制”。这种“直 接自控制”地思想不仅用于转矩控制。也用于磁链量的控制和磁链自控制，但以转矩为中心来进行 综合控制。 综合上面所述，直接转矩控制技术，是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控制 交流电机的转矩，借助于双位模拟调节器产生p 删信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换，其控制思想新颖，控制结构简单，控制手段 直接信号处理的物理概念明确。该控制系统的转矩响应迅速，是一种具有高静态和高动态性能的 交流调速方法。 1 1 3 问题的提出 目前，基于上述控制技术的应用系统基本上采用的是现场控制的方法，以提高电动机的动态性 能为主，硬件大多数选用的是普通的8 位或1 6 位微处理器。因此，不容易进行功能扩展和升级以及 一些高级功能的实现。尤其重要的是，对于网络的支持不足难以实现网络化和远程控制然而 随着电子技术的发展及其应用技术的进步，信息技术，计算机控制技术和网络技术的结合正在逐步 应用于工业自动化领域，采用网络技术的远程控制方式是未来的发展趋势之一。目前，国际上以电 机为控制对象的远程控制系统大多数是采用串行通信的方式来交换数据的，常用的串行通信接口电 气标准有：r s 2 3 2 、r s 一4 8 5 等，它们在使用中具有抗干扰能力差、传送距离短、传输速度低，节点 数少、不容易形成网络化等缺点。虽然国外某些大公司也推出了一些基于现场总线技术的远程控 制器。但是其使用成本高，并且需要专门的开发工具。而直接对终端执行装鼍使用t c p ，i p 协议实现 远程控制的应用还很少见。因此设计一种传输速率高、传送距离远、节点数多、抗干扰能力强、容 易组成网络的远程电机控制系统是未来电机控制器的研究方向之一。 1 2 课题的研究意义 我们知道以太网( e m e m e t ) 是目前最流行的局域网体系结构，它具有开放性、低成本、相当高的 传输速率、广泛应用的软硬件支持等明显优势。而最近几年，以太网正在从不同的途径进入到工业 自动化和自动控制市场，应用范围也有很大的扩展。这是因为信息网络的飞速发展，要求企业从现 场控制层到管理层能实现全面、无缝的信息集成，以太网具有这方面的潜力。随着互联网技术的普 及与推广，以太网通信速率的提高和交换技术的发展，使得它受到了全球的拥护和软硬件的支持， 并得到了迅速的发展和普及。同时以前限制以太网用于j i ：业控制的通信不确定性也得到了有效的解 决。因此，基于以太网的工业控制网络成为工业控制系统的发展趋势。而以太网最典型的应用形式 是e t h e m 竹p t c p ，i p ，即灵活的e t h e m e t 低层加上几乎己成通用标准的网络传输协议t c p ，i p ，使得以 太网能够非常容易的集成到以i n t e m e t 和w c b 技术为代表的信息网络中。随着一些技术性问题如实 时性、互操作性等的逐步解决以太网正逐步向现场级深入发展并尽可能的和其它网络形式走向 融合。正是基于以上情况，本课题设计了一种基于t c p ，i p 协议和以太网技术的远程交流电机控制系 统，| 三【满足未来的使用要求。 4 第一章绪论 1 3 论文的主要任务和内容 本课题是设计一种基于t c p i p 协议和以太网技术的远程交流电机控制系统，包括硬件电路与软 件实现二个方面，它结合了网络技术、控制技术、嵌入式系统等多方面技术。是一种跨专业的机电 一体化系统，主要由处理器芯片、存储模块、网络模块、功率放大及驱动模块和其余外围辅助电路 等部分组成。为此，本课题将着重完成以下工作： l 、以太网通讯模块的设计； 2 、嵌入式操作系统的选择与移植： 3 、u c l i n l l ) 【环境下网络通信的实现： 4 、处理器及其存储电路设计； 5 、功率放大及驱动电路的设计； 6 、电机的直接转矩控制的实现。 7 、其余外围辅助电路的设计。 东南大学硕士学位论文 第二章电机控制器的总体方案 2 1 控制器的选型比较 2 1 1 常用控制器的特点分析 1 d s p d s p ，又称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理运算的微处理器，d s p 芯片除具备 普通微处理器的高速运算和控制功能外针对高速数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处 理操作，在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都作了较大的改进。其主要特点如下”： ( 1 ) 采用哈佛结构或改进的哈佛结构。 ( 2 ) 专用的硬件乘法器 ( 3 ) 多个功能单元。 ( 4 ) 专用的寻址单元。 ( 5 ) 指令系统的流水线操作。 ( 6 ) 片内存取器。 ( 7 ) 特殊的指令集。 ( 8 ) 快速的指令周期。 ( 9 ) 强大的片内硬件配置。 基于d s p 控制器构成的电动机控制系统事实上是一个单片系统，因为整个电动机控制所需要的 各种功能都可由d s p 控制系统来实现。因此，可以大幅度的缩小目标系统的体积，减少外部器件的 个数，增加系统的可靠性。另外，由于各种功能都通过软件编程来实现，因此，目标系统升级容易、 扩展性、维护性都好。同时，d s p 控制器的高性能使最终系统即可以满足那些要求比较低的系统， 更可以满足那些对系统性能和精度要求较高的场合的需要。然而，其缺点是开发工具通用性差，价 格昂贵，操作系统移植困难，不太容易实现网络化及远程控制。 2 工控机 工控机的功能十分强大，它有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、方便的软件环境，但 由于工控机的成本高、体积大、所以一般只用于大型系统。 3 在通用计算机上用软件实现的控制系统 在通用计算机上，利用高级语言编制相关的控制软件，配合驱动电路板、与计算机进行信号交 换的接口板，就可以构成个电机控制系统。这种实行方法利用计算机的高速度、强大运算能力和 方便的编程接口，可实现高性能、高精度、复杂的控制算法；同时，控制软件的修改也很方便。然 而，这种实行方法的一个缺点在于系统的体积过大，难以应用于工业现场；而且，由于通用计算机 本身的限制，难以实现实时性要求高的信号处理算法。一般来说，这种系统实现方法可用于控制软 件的仿真研究或用作上位机，与下位的实时系统一起构成两极或多级控制系统。 4 利用专门芯片实现的电机控制系统 为了简化电动机模拟控制系统的电路，同时保持系统的快速响应能力，一些公司推出了专用电 动机控制芯片。这些专用电动机芯片构成的电机控制系统具有响应速度快、系统集成度高、使用元 器件少、可靠性好等优点：同时，专用电动机控制芯片的价格便宜，进一步降低了晟终成本。然而t 受专用控制芯片本身的限制，这种系统的缺点也是很明显的，主要包括。1 ： ( 1 ) 由于已经将软件算法固化在芯片内部，虽然可以保证较高的系统响应速度，但是降低了 系统的灵活性，不具有扩展能力。 ( 2 ) 受芯片制造工艺的限制，在现有的电动机专用控制芯片中所实现的算法一般都是比较简 单的。 6 第二章电机控制器的总体方案 ( 3 ) 由于用户不能对专用芯片进行编程，因此，很难实现系统的升级。 ( 4 ) 受芯片本身算法的限制这种系统的控制精度一般都很低，难以用于那些高精度的场合。 5 以可编程逻辑器件为核心构成的电机控制系统 由于f p g c p l d 等可编程逻辑器件的发展人们可以利用a l t e r a 、x i l i n x 等公司提供的产品， 使用这些公司提供的系统开发软件或y h d l 等开发语言，通过软件编程实现某种电机控制算法，然后 将这些算法下载到相应的可编程器件中，从而以硬件的方式实现最终的电机控制系统。利用可编程 逻辑器件实现的电机控制器具有如下优点： ( 1 ) 系统的主要功能都可以在单片f p g a c p l d 器件中实现减少了所需要的元器件个数。缩 小了系统体积。 ( 2 ) 可编程逻辑器件一般具有系统可编程的优点，因此，以之为基础构成的目标系统具有较 好的扩展性和可维护性通过修改软件并重新下载到相应的目标板上的相关器件中，就可以实现系 统升级。 ( 3 ) 由于系统以硬件实现。响应速度快，可实现并行处理。 ( 4 ) 开发工具齐全，容易掌握，通用性强。 然而，这种系统实现方法的缺点也是很明显的，例如，尽管可编程逻辑器件可以实现任意复杂 的控制算法，但算法越复杂，可编程逻辑器件内部需要的晶体管门数就越多。按照目前的芯片制造 工艺，可编程逻辑器件的门数越多价格就越贵。因此，考虑到目标系统的成本，一般使用可编程 逻辑器件实现较简单的算法，构成较简单的电机控制系统。 6 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器( m i c r o c d n t r o l l e ru i n t ，m c u ) 又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系 统集成到一块芯片中去。嵌入式微控制器一般是以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成了 r o l i e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时器计数器、w a t c h d o g 、i 0 、串行口、脉宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s hr 肌、e e p r o m 等各种必要的功能和外设。为适应不同的应用要求。一般一个系列的单片 机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封 装。这样可以使单片机最大限度的和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少了功耗和成本。微 控制器的晟大特点是单片化体积大大减少，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目 前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制 器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 l 、p 5 1 x a 、m c s 一5 l 、 m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、m c 6 8 h c 0 5 l l 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 、数目众多的a r m 芯片等。在这些嵌入式 微控制器中，又以以r 栅为内核的微控制器具有体积小、功耗少、成本低、性能好和性价比极高等 特点得到广泛的应用，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于a 刚体系结构的通用芯片、或 者在其专用芯片中嵌入a 跚的相关技术，目前，a i i m 芯片广泛应用于无线产品、p d a 、g p s 、网络、 消费类电子产品、s t b 、智能卡及工业控制系统。 a 脚处理器目前有5 个系列的产品：a 删7 、a r m 9 、a i m 9 e 、a 删l o 和s e c u r c o r e 。其中a 刚7 是低 功耗的3 2 位核最适合应用对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的a 跚7 t d 眦、 a r m 7 t d m i s ，以及适用于开放平台的a 删7 2 0 t 和适用于d s p 运算及支持j a v a 的a r m 7 e j 等。a 脚7 t 删i 处理器是a r m 7 处理器系列成员之一，是目前应用虽广泛的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器。它具有 如下主要特点： ( 1 ) 成熟的大批量的3 2 位r i c s 芯片。 ( 2 ) 最高主频达到1 3 0 m i p s 。 ( 3 ) 功耗极低。 ( 4 ) 代码密度很高，兼容1 6 位的微处理器。 ( 5 ) 得到广泛的操作系统支持，包括w i n d o w sc e 、p a l mo s 、s y m b i a no s 、l i n u x 以及业界 领先的实时操作系统。 ( 6 ) 众多的开发工具。 东南大学硕士学位论文 ( 7 ) 即a 仿真模型。 ( 8 ) 优秀的调试机制。 ( 9 ) 业界众多领先的i c 制造商生产这类芯片。 ( 1 0 ) 提供o 2 5 u m 、0 1 8 u m 及0 1 3 u m 的生产工艺。 ( 1 1 ) 代码与a 删9 、a r m 9 e 、a 跚1 0 e 系列兼容。 ( 1 2 ) 指令流水线。a r 耵t d m i 使用3 级流水线以提高处理器指令的流动速度。流水线允许几 个操作同是进行，以及处理和存储系统连续进行操作。 ( 1 3 ) 存储器访问。a 蹦7 t d m i 核是冯诺伊曼体系结构，使用单3 2 位数据总线传送指令和 数据。只有加载、存储、和交换指令可以访问存储器中的数据。 ( 1 4 ) 存储器接口。a 跚7 t d m i 的存储器接口被设计成在使用存储器最少的情况下实现其潜能。 速度的关键控制信号是流水作业，以允许在标准低功耗逻辑下实现系统控制功能。这些控制信号方 便了许多片内和片外存储器技术支持快速突发( b u r s t ) 访问模式的开发。 ( 1 5 ) 嵌入式i c e r t 逻辑。嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i 核提供了集成的在片内调试支持。 可以使用嵌入式i c e - r t 逻辑来编写断点或观察断点出现的条件；嵌入式i c e r t 逻辑包括调试通信 信道( d e b u gc o u n i c a t i o n sc h a i l n e l ，d c c ) 。d c c 用于在目标和宿主调试器之间的信息传送。嵌 入式i c e r t 逻辑通过j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 测试访问口进行控制。 2 1 2 控制器的确定 在控制器的选型上，由于基于a 蹦7 t d m i 的3 2 位微控制器以其优越的性能，强大丰富的开发调 试手段，相对低廉的价格，使越来越多的嵌入式开发工程师选择了3 2 位嵌入式微控制器。基于以下 几个方面的考虑： 首先，考虑实现以太网通信的需要。u c l n u x 不能被移植到8 位和1 6 位处理器，这样在8 位或 1 6 位处理器上运行t c 跏p 协议软件j 【作量太，在有成熟协议栈软件的今天花大量时间和精力去编 写实现t c p ，i p 协议意义不大。3 2 位的a r m 系列微控制器则很好的支持p c l i n “，在c l i n “环境 下实现网络通信难度大大降低，在u c u xf 进行s o c k e t 编程实现网络通信和在l i n l l ) 【环境下一样， 开发工作量小。 其次。考虑到工业控制现场的需要。随着工业控制系统的发展有越来越多的信号和数据需要 进行分析处理与传输这对系统的运算速度和多任务提出了更高要求，采用3 2 位微控制器可以很好 的满足实际需要。 另外随着i c 技术的发展，3 2 位微控制器有着更高的性价比符合技术发展的潮流。同时， a r m 处理器系列在业界已得到非常好的应用。目前，基于w i n d o m 的a r m 开发工具种类繁多，界 面友好大大方便a r m 开发并且同系列处理器升级换代带来的嵌入式软件移植工作量非常小。 因此选用3 2 位微控制器作为交流电机的主控单元能够更好的满足工业自动化领域未来的需求。 所以在本课题选用s a m s u n g 公司生产的a r m 系列微控制器s 3 c 4 4 b o x 作为系统的主控单元。 2 2 远程通信方案选择 2 2 1 通信方法分析 数据通信涉及两台数字设备之间进行数据传送的问题。常用的数据通信方式有两种：并行通信 数据的所有位同时传送：串行通信数据的各位一位一位的顺序传送。在计算机系统内部或 与距离非常近的外部设备进行通信时，而且，要求传输率较高时一般都通常采用并行传输的方式， 其特点是：传输速度快效率高，但需要多根传输线。在与距离较远的外部设备进行通信时。数据 第二章电机控制器的总体方案 往往采用串行通信传输的方式，其特点是：只需要一对传输线，因而大大的节省了传输数据线及 其相关的设备，成本低。 2 2 2 常用的远程通信方法及其特点 1 r s 一2 3 2 一c r s 一2 3 2 串行端口在p c 机开始时代就是p c 机的标准接口，目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信工业中 应用最为广泛的一种串行接口。i i s 一2 3 2 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。 r s 一2 3 2 遵循r s 一2 3 2 一c 标准，r s 一2 3 2 一c 标准是在保证计算机硬件和软件有着同样的可移植性的基础 上发展起来的。所以理论上计算机设备可以方便的和其它r s 一2 3 2 一c 的设备之间进行通信。美国电 子工业协会( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e i a ) 把r s 一2 3 2 - c 定义为：“在数据终端设各 和数据通信设备之间是使用二二进制数据交换的接口”。r s 一2 3 2 一c 标准是一种硬件协议，用于连接 d t e ( d a t at e r m i n a le q u i p m e n t 。数据终端设备) 和d c e ( d a t ac c m u n i c a t i o n se q u i p m e n t 数据通 信设备) 两种设备。r s - 2 3 2 c 定义包括以下几方面“1 ： ( 1 ) 接口的机械特性， ( 2 ) 电气信号特性， ( 3 ) 交换功能特性。 r s 一2 3 2 一c 采用2 5 针连接器，阳极( 插头) 接d t e ，阴极( 插座) 接d c e 。虽然本标准没有规定连 接器的实际类型，但工业上对d 一2 5 类型的连接器实行了标准化。在电气方面，i s 一2 3 2 _ c 作了一下 规定： ( 1 ) 驱动器上的负载电容不超过2 5 0 0 p f 。 ( 2 ) 驱动器上的负载电阻在3 k 7 k 之间。 ( 3 ) 在指定负载下，数据信号的传输率( 或波特率) 低于2 0 0 0 b p s 。 ( 4 ) 相对于信号地线，r s 一2 3 2 一c 线的最高电压不超过1 5 v 。 ( 5 ) 驱动器能产