（机械电子工程专业论文）直流电机计算机控制综合平台驱动模块及控制软件设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文 ! 骥兰羔走曼 摘要 机电一体化产品质量和技术水平的高低是当今世界衡量一个国家实力和国际 地位的重要标志。机电一体化技术是多种技术的有机结合，是一门实践性很强的 学科。机电一体化技术以自动控制技术为主要支撑技术，其产品的执行部件大多 为各种类型的电动机，所以对电机的控制是机电一体化技术的一项重要内容。直 流电机具有良好的机械特性，易于实现各种控制规律，同时直流传动控制系统的 一些理论仍然是交流传动的基础。本文基于直接数字控制技术，提出了一种新型 的直流电机控制综合平台，目的在于充分利用现有的实验室计算机资源，以较少 的投资和简单的实验设备让使用者了解直流电机控制和自动控制技术中的一些基 本概念和基本原理。 平台由直流电机、机械减速装置、驱动模块、工o 接口电路、各种传感器件 和安装了控制软件的个人计算机组成，软硬件通过计算机并行口进行通讯，其内 核采用计算机控制技术，对用户来说既可以作为模拟控制器，也可以实现数字控 制器。本文主要完成了电机驱动模块硬件电路的设计制作和控制软件的设计。硬 件电路按功能分为多个模块，每个模块单独进行设计。在设计过程中，使用 o r c a d p s p i c e 对电路进行了仿真并在文中给出了仿真结果，然后利用p r o t e l9 9 s e 制作电路板并通过了调试。软件则采用虚拟仪器技术，在微型计算机上实现信号 发生器、多通道示波器和控制器的功能，文中给出了软件的设计思想和设计过程。 软件在w i n d o w s9 8 操作系统下进行调试，能够正常运行。 本文最后设计了几个典型的实验让使用者掌握平台的使用方法，并利用实验 来进行软硬件联合调试。文中给出了实验的结果波形，证明平台基本上实现了所 要求的功能。 关键词：机电一体化直流电机自动控制直接数字控制虚拟仪器 西北工业大学硕士学位论文 曼生曼蔓点曼 a b s t r a c t t h e q u a l i t yo f m e c h a t r o n i c sp r o d u c t sa n dt h ed e v e l o p m e n tl e v e lo fm e c h a t r o n i c s t e c h n o l o g yh a v e b e e ni m p o r t a n ts i g n sw h i c h w e i g h t h es t r e n g t ha n ds t a t u so fa c o u n t r y i n t e r n a t i o n a l l y m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g yc o n s i s t s o fv a r i e dt e c h n o l o g yo r g a n i c a l l y , a n di ti sac o u r s ew h i c he m p h a s i z e st h e i m p o r t a n c e o fe x p e r i m e n t sv e r ym u c h m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g yi sm a i n l ys u p p o r t e db ya u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dt h e e x e c u t a b l e p a r t s o fi t s p r o d u c t s a r e m o s t l y d i f i e r e n tk i n d so fe l e c t r o m o t o r s s o c o n t r o l l i n ge l e c t r o m o t o ri s a ni m p o r t a n tc o n t e n to fm e c h a t r o n i c st e c h n o l o g y d c m o t o rh a sg o o dm e c h a n i c a lc h a r a c t e ra n di sa d tt oa c c o m p l i s hv a r i e dc o n t r o lr u l e s a n d s o m et h e o r i e sa b o u ti t sc o n t r o l l i n ga r es t i l lt h eb a s i so fa cm o t o rc o n t r 0 1 b a s e do n d i r e c td i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e w t y p eo fs y n t h e t i c p l a t f o r mf o rd c m o t o rc o n t r 0 1 i t sg o a ll i e si nf u l l yu t i l i z i n gt h er e s o u r c e si nl a b sa n d m a k i n g u s e r su n d e r s t a n dt h eb a s i cc o n e e d t sa n dp r i n c i p l e sa b o u td cm o t o rc o n t r o la n d a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t hl e s si n v e s t m e n ta n ds i m p l ed e v i c e s t h e p l a t f o r m c o n s i s t so fad c m o t o r , ad e c e l e r a t i n gm e c h a n i s m ，ad r i v i n gu n i t ，a n i oc i r c u i to fi n t e r f a c e ，s e v e r a lk i n d so fs e n s o r sa n dap cw i t hc o n t r o ls o f t w a r e t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ec a nb ei m p l e m e n t e do nt h e b a s i so fp c p a r a l l e lp o r t t h i sp l a t f o r mu s e sc o m p u t e r c o n t r o lt e c h n o l o g yt or e a l i z ei t s f u n c t i o n s ，b u tf o ru s e r si tc a na c h i e v ea n a l o g u ea n dd i g i t a lc o n t r 0 1 t h i sp a p e rf i n i s h e s m a i n l yt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r 0 1s o f t w a r e t h eh a r d w a r ec i r c u i ti s d i v i d e di n t os o m em o d u l e si na c c o r d i n gt of u n c t i o n 。w h i c ha r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y d u r i n gt h ec o u r s eo fd e s i g n i n g ，w eu s eo r c a d p s p i c et os i m u l a t eh a r d w a r ec i r c u i t a n ds u p p l ys i m u l a t i o nr e s u l t si nt h ep a d e r t h e nw eu s ep r o t e l9 9 s et om a k ec i r c u i t b o a r d sw h i c h p a s s t e s ti n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h e s o f t w a r e e m p l o y s v i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y a n da c h i e v e st h ef u n c t i o n ss u c ha s s i g n a lg e n e r a t o r , m u l t i c h a n n e l o s c i l l o g r a p ha n dc o n t r o l l e ro nc o m p u t e t h ed e s i g nt h o u g h to ft h e s o f t w a r ea n dd e s i g nc o u r s eo ft h es o f t w a r ea r ep u t t i n gf o r w a r di nt h i s p a p e r t h e s o f t w a r ei st e s t e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fw i n d o w s9 8o p e r a t i n gs y s t e ma n dc a nr u n n o r m a l l y i nt h el a s tp a r to ft h i sp a p e r , s e v e r a lt y p i c a le x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e df o ru s e r st o m a s t e rt h e u s i n gm e t h o do ft h ep l a t f o r m w i t h t h e e x p e r i m e n t s ，w ec a nt e s t t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea tt h es a m et i m e w es u p p l yt h er e s u l t so f e x p e r i m e n t st op r o v e t h a tt h ep l a t f o r mc a n b a s i c a l l yr e a l i z et h er e q u i r e df u n c t i o n s k e y w o r d s ：m e c h a t r o n i c s ；d cm o t o r ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；d i r e c td i g i t a lc o n t r o l v i r t u a li n s t r u m e n t 西北_ t 业大学硕士学位论文 要点三曼走曼 第一章绪论 1 1 引言 机电一体化是在以微型计算机为代表的微电子技术、信息技术迅速发展，向 机械工业领域迅猛渗透，机械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合应用机 械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、接口技术、电 力电子技术及软件编程技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标 和优化组织结构目标，以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础，对 各组成要素及其间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理 进行研究，使得整个系统有机结合与综合集成，并在系统程序和微电子电路的有 序信息流控制下，形成物质和能量的规则运动，在高功能、高质量、高精度、高 可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术。 机电一体化系统在国防军事装备、民用设备和生产过程中大量存在，机电产 品质量和技术水平的高低，已是当今世界衡量一个国家实力和国际地位的重要标 志【2 】。因此，要想真正提高我国的科技水平，必须大力发展我国的机电一体化技术。 传统的机电产品在设计过程中不考虑或少考虑电器与机械的内在联系，基本 上是根据机械的要求，选用相应的驱动电机或电气传动装置。机械和电气装置之 间的界限分明，以硬性的机械连接为主，其控制系统采用机械加电气的方式，基 本上是利用电磁和机械装置实现各种控制，不仅体积庞大，而且控制精度差，装 置复杂，不易维护。机电一体化产品与传统的机电产品相比，它将机械技术、电 子技术、自动控制技术、计算机技术、传感器技术等有机地融合在一起，使控制 系统的体积缩小、功能却显著增强，精度、速度等方面都有很大的提高。机电一 体化作为一种先进的技术，与传统的设计方式相比，也有很大的不同。传统的设 计方式中，机电一体化技术中所采用的各种技术无论在设计阶段还是在制造阶段 都是分开进行的，既不强调彼此的内在联系、相互作用和影响，也不要求作业顺 序的并行，而在机电一体化设计中则将这些技术在设计和制造阶段有机地结合起 来，综合地进行设计和制造，采用的是横向集成 3 】。 机电一体化技术是各学科的综合，是各门学科发展到一定阶段的产物，由于 其涉及到的各学科工程实践性质都很强，这就决定了它是一门实验性很强的学科。 因此，如何做好在机电一体化技术学习中的实验安排就成为一项重要的工作。机 电一体化技术实验环节不但可以使我们对其有一个直观的认识，提供多种机会进 嚣就王堑夫举颡士掌襞论文 黪篓建曼妻麦差 行实际操佟练习，在理论与实践糖结合方匿褥剩金西躬镁练，增强对耪技术发震 的适应能力，而且还可以培莽嶷验者的工程设计能力、实践动手能力以及团队协 作精神。如果采用合适的实验系统，还可以使之成为科学研究中的一个激爱工具p l 。 1 2 机电一举讫系统综合乎台研究魏状及发展趋势 近年策，随着电子计算机糊自动控制技术的发展，电机与电力电子装置构成 的控制设胬相结合逐步发展成为机电一体化产品。将传统电机与现代电力电子技 术、计算机科学及自动控制技术相结合已成为电气工程及自动化学科发展的必然 趋势。税怠髂 艺绘藉统斡枫城产盈菊亲了较本戆鼹变革器重大豹效益，袭产盈 结褥、垒产方式秘营理落铡发生了深裁静交纯，围露可鼓键避撬械工鼗以至整个 国民经济的谶步，推动我国机械工业再次腾飞。 机电体化技术所涉及的备个学科都有很强的实践性质，因此窳验环节是机 电一体化技术发展中不可分割的重要组成部分。为适应机电一体化技术发展的需 要，藏艨该将漂商孤立鹣穰类、电类实验有瓿她结合起来。美国、澳大秘亚、台 湾等蘧豹大学草已开设了惑瞧一舔纯实验，梵学生蠢行设计襄壤台蘸橇构摄餐了 良好鹃条件，获得了较好的教学效果。 目前，国内许多高校的燕验设施仍停留在原柬的分立学科的教学上。各种实 验的目的仅着重于本学科的内容，相互之间联系不大，造成了各学科理论和实践 上豹脱节牡】。裁各学科实验寒讲，大多仍采用传统黥仪器仪表装置，操佟复杂，不 易掌握，实骏露往茬需要丈量辫踺蘑迸嚣谣试，浪费了嚣舞，效果落不好。髦蓊 诲多实验装甏帮是基于数学横鼙建立鲍，在实际系统静基磕上透过强爨靛麓纯霹 处理，提取出系统的数学模型，然后使用集成瀛辫放大器制成实验电路，产生实 验结果。搬然理论结果非常令人满意，但由于忽略了许多次要因素，所以与实际 系统有一定的差距。因为实验不能直接观察到实际系统的工作情况，实验者对实 嚣系统麓认识费溜簿蜜在理论模墼泠爱。 理在许多麓校已经开始注意枫宅一薄纯系绞实验乎台静磋究，并且已经并发 出了一缝较为实用的系统投入使用。如北京科技大学机电工程研究所于2 0 0 0 年研 制出的“机电系统教学实验白”，它是一种用于漪等教育、职业教育，、成人教育等 各层次机电专业或机械工程与国动化专业教学的实验设备，既可以用于专业课教 学，毽可以瘸子教学实践、生产实习翻毕业设计等数学环节。该设餐为台模拟 麓蠡魂勰王生产线，敲台了飘辕、气魂、p l c 控粼、交流谣速帮终感嚣譬按术， 是一台熟型的机电一体纯产黼两j 。还有如j e 京工业大学机械工程与应愆电子技术学 院于1 9 9 9 年开发的机电一体化综合实验系统，它出多功能实验台、m p s 物流自动 2 嚣鳇工韭大学硕士学位论文 黪基艇差妻妻 生产线、p l c 控制系统和诗嚣橇及瞬络管理系统缀藏。整个系统集佟戆器技术、 电子电气技术、p l c 技术、装配技术、传动技术、机械技术等为一体，不仅可以 进行各单科知识的学习和实践，而且还可以进行机电一体化系统的综合训练 ”。 随着机电一体化的形成，所采用的控制技术已经向数字化、智能化方向发展。 极褫技术瓣毫子鼓术、控割按术、信惑投零豹臻会强盏紧密，从两搜钒电产瑟或 系统送入了骜雏亿静薪戆健。未来静瓿电一落纯按期系绞平台也必然囱多学科聚 合的方向发媵1 8 , 9 。机电产业慰国民经济的第一支楗产业，为提高机电产品的竞争 力，机电专业技术人员不能默守原来的专业分工，必须成为掌握机电液气等专业 的多学科的复合型人才。 近年来，出于计算机控制在季且电一忱技术中驹葶| 入，使得机电一体化技术有 了痿豹飞跃。鑫魂控翱技术楚穰迄一俸位技术戆熬爱支撵技术，一簸橇宅一落 乏 产品都怒蠢幼控制的。随着计簿机技术的迅猛发滕，自动控制越来越趋向于计算 机控制。而数字控制较之模拟控制又有许多突出的优点，因此未来的控制必然向 数字化的方向进步。在此基础上，机电一体化系统综合平台也必然向计算机控制 的方向发髅，通过实验不但可以让使用者掌握有关机电一体化技术的戆本理论知 谖稆设诗方法、经瑟麸设诗裂翻终完成褪逮一终纯系统装置豹整令遵麓，在实践 中培养剑新能力、想象力和秘学技能，而且应该熊够了解枫电一体化技术的发展 趋势以及戴中的实用技术1 1 0 l 。 1 3 本文目的及意义 目前，黼校正在开展面向2 t 世纪的教学内容秘谍程体系改革。这场改革的核 心是实施潦质教育，其特点之一就是注重能力的培养。所以，这场改革极大地触 动了以培养学生动手能力和创新能力为主的实验教学领域。传统的实验教学体系， 其内容、方法、手段等都与全面实施素质教育，大力培养创新能力不相适应，因 越实验教学菠革势在必行。 在这鹜景下，藏要处疆好税电一俸仡教学审熬实验安羲 目嚣。麟决此目题 的一个方法就是采用机电一体化控制系统平台。机电体化控制系统平台技术含 量高、操作难度大、耗时长，必须把它视为一个系统工程，结合其它课程的实验 内容，合避地解决实验内容和时间的分散与集中、课内与课外的关系，分时、分 教安排除段经实验内容，最终完成整个实验。 帮毛毫一俸仡技术疆控铡技术为主要支撑按零，蠢魏宅一嚣纯产蘸懿主要撬萼亍 部件大多数为各种类型的电动机，因此，实现电丰几的自动控制已是大势所趋。 直流电机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、起动、制动和正反 3 西北工业大学硕士学位论文 然主羔杰蔓 转等，并且易于实现各种控制规律，同时直流传动控制系统的一些理论仍然是交 流传动的基础。因此目前在传动领域，尤其在对自动控制要求较高的场合中仍然 大量使用直流电机”l i 。 生产技术的进步和科学技术的发展，要求有更加复杂、完善的控制装置，以 期达到更高的精度、更快的速度和更大的效益。然而，若用常规的控制方法，潜 力却是有限的，难以满足如此高的性能要求。由于电子计算机的出现并应用于自 动控制，才使得自动控制技术发生了巨大的飞跃。因为计算机具有精度高、速度 快、存储量大，以及具有逻辑判断的功能等，所以不但可以实现模拟控制的大部 分控制规律，而且还可以实现用模拟技术无法实现的高级复杂的控制算法，获得 快速精密的控制效果。同时，以脉宽调制技术为代表的电机数字驱动技术也在迅 猛发展，将计算机应用于这一领域正好可以发挥其在数字控制方面的优势。微电 子技术和计算机技术的发展，为计算机控制技术的发展和应用奠定了坚实的基础。 如今完全可以这样说，没有微处理器的仪器不能称其为仪器，没有微型机的控制 系统更谈不上现代工业控制系统。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电 力电子开关器件和传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控 制技术的深入发展，电气传动装置目新月异地更新换代，直流传动系统也在不断 地更新和发展。 本文基于直接数字控制技术及虚拟仪器技术，提出了一种新型的电机控制系 统平台，目的在于通过少量的实验设施及简单的操作使实验人员了解电机控制的 基本方法，并培养使用者在机电一体化技术中的基本操作能力。本平台通过一个 直流电机控制模块，采用计算机控制电机拖动来模拟一类机电一体化系统，可以 让使用者对机电控制系统的原理和基本应用有全面的了解。使用者面对的是一套 真正的机电一体化系统，能够让理论和实践完整地结合起来。如果忽视计算机本 身，还可以把本平台作为模拟控制系统，只需自行选择合适的参数，便可以完成 常用的多种控制规律，让使用者对自动控制系统有深入的理解 1 “”】。 本文在设计过程中，充分考虑了我国国内现状，利用现有的计算机资源，通 过少量的实验器材连接，可以在较少的投资下完成一个机电控制系统的大多数功 能。在机电一体化系统中，所测量的数据量往往是多通道的，而且要求各种数据 波形能同时显示，以利于对比，但传统的实验仪器如示波器、脉冲发生器等，所 能产生和测量的信号通道是有限的。本平台摒弃了传统的仪器仪表，利用虚拟仪 器技术来模拟真实的仪器，可以在计算机上产生各种控制信号并在屏幕上进行显 示。另外本文采用直接数字控制技术，通过简单的外部电路及微型机的通用i o 接 口，构造了一个具有机电控制系统基本功能的实际系统，因此可以让使用者对系 统的控制及实验过程有一个直观的认识。本平台不但可以用作教学实验系统，还 可以通过添加新的程序模块来实现和验证一些新的功能。 4 西北工业大学硕士学位论文芝艇羔主要 1 4 本文主要工作 本文纂于计算机控制技术和虚拟仪器技术，宓现了虚拟控制实验滋软件。借 助于虚拟控制实验室软件、i o 接口电路、驱动模块和一个简单的数字擞示电路， 本邀瓠控涮平台哥淤在计算瓤上实霹实瑷热下功筑： ( 1 ) 作为函数发生器，在灞要时产生各耱不阉形式的信号。例如，阶跃输入 信号、正弦波输入信号； ( 2 ) 提供一种宽范围、不间的、可调的模拟控制结构。例如，开环控制结构 或p i d 控制； ( 3 ) 嘏貘控裁壹滚逛枧鹣数字驱动谊号，鳃敝滓宽度调制售号，裂趱数字式 传感器与数字驱动相结合，可黻实现各静鬣簿静数字控制器； ( 4 ) 作为八通道示波器，用来显示各种不同的控制信号。例如，外部输入信 号和位置输出信号等等。 平台的外部硬件电路可以嶷现对电机转速和能麓反馈信号进行数据采集的功 能，同时可以实现对软件产生懿控制信号进彳亍放大稳转换等功艉。数援电路剐可 菇壹接蕊溅惫筏憨转速蘩援。 本平台w 以作为直流电机模拟控制和数字控制的实验装置。 西北工业大学硕士学位论文 醮曼曼燃 第二章平台设计方案确定 2 1 引言 机电控制系统的设计是综合运用各种知识的过程，不同产品所需要的控制功 能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。由于采用微机作为机电一体化系统或 产品的控制器，因此其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式 和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面 的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。 通常，在设计过程中要解决以下一些问题： ( 1 ) 专用与通用的抉择。专用控制系统适合大批量生产的机电一体化产品。 在开发新产品时，如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，也只有专用控 制系统才能做到。对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在 不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系 统比较合理。通用控制系统的设计，主要是合理选择主控制微机机型，设计与其 执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件的问题。实际上， 这就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。 ( 2 ) 硬件与软件的权衡。无论采用专用还是通用控制系统，都存在此问题。 有些功能如运算与判断等，适合用软件来实现；而大多数情况下对于某种功能来 说既可以用硬件来实现也可以用软件来实现。这时控制系统中的软件和硬件的合 理组成一般要依据经济性和可靠性来决定。如果采用分立元件，则可考虑使用软 件来简化硬件电路：如果能采用通用l s i 芯片来组成所需的电路，则最好采用硬 件，以减少软件设计的工作量。 2 2 平台设计原理 2 2 1 平台功能分析 本文采用直接数字控制及虚拟仪器技术，利用通用微型计算机产生控制直流 电机的各种信号，通过通用i 0 接口将信号输出。i 0 接口电路将输出信号转换为 模拟信号，经过驱动模块的放大和隔离，驱动电机运行。 电机运行过程中，传感器将电机的转速、位置等信号转换为电信号，电信号 6 西北工业大学硕士学位论文 曼芝_ 三童婕 在驱动模块中经过必要的处理后传递给i o 接口电路。i o 接口电路将此信号转换 为数字信号，然后通过通用i o 接口把数字信号传入微机内，实现数据采集。计算 机利用软件将采集到的数据根据所需的控制规律进行处理后，再由i j 0 接口输出转 换成模拟信号去控制电机运转，形成闭环控制。 当讨论数字控制时，我们认为已经知道如何用数字控制器直接替代模拟控制 器。其中包括如何利用a d c 系统和d a c 系统实现模拟量和数字量间的转化。但 这个转换过程不但增加了成本，而且产生许多问题。比如模拟信号在时间和幅值 上均是连续的，而数字信号在时间和幅值上均是离散的，因此只有在分辨率的整 数倍处二者幅值才相同，并且只有在采样时刻处的幅值才是已知的。另外，采样 的频率也是一个问题，当信号的频率较高时，采样频率就要求很高，在有些情况 下，这难以实现。如果计算机能够直接用逻辑信号驱动控制系统而不是先将逻辑 信号转换成模拟量再去驱动控制系统，如果测量装置也能处理数字信号，则所有 问题都比较容易解决了。这就是电机控制系统采用数字式驱动的意义所在。直流 电机以脉宽调制控制为代表的数字驱动技术已经日益成为电机控制的一个发展方 向，因此本平台也可以通过计算机及外部电路实现直流电机的脉宽调速功能。 为了便于实验者观察电机运转情况，需要方便地得到电机的位置和转速。因 为不能直接通过传感器的电信号观测到电机的位置和速度，所以需要在平台中增 加速度和位置显示装置。位置可以在电机轴上安装刻度盘直接得到，转速则需要 额外增加显示装置。 由于电机转速较高，如果直接显示电机的转速，在精确到1 r m i n 时也要有四 位显示才能满足需要，这将使得数显电路过于复杂。数显装置只是为了方便使用 者观察实验时电机的运转情况，精度不必很高，所以平台的机械部分设计了一个 减速器，这样数显装置只需三位即可，也保护了检测元件。 在电机工作过程中，空载和负载的情况是不同的，为了能够模拟真实的电机 工作，需要在电机上加上负载。如果采用机械负载，整个装置的体积将大大增加， 而且也增加了平台的成本。因为本平台主要是实验用，无需采用真实的负载，也 不影响使用者对此的理解，所以平台采用一个电路来模拟实际的机械负载，与机 械负载的效果是一样的。 2 2 2 平台结构框图 基于上一小节的功能分析可以看出，平台要完成上述功能，需要有以下几个 部分：机械装置、数字显示电路、电机驱动模块( 带有位置和速度检测装置) 、i 0 接口电路和安装在个人计算机上的控制软件。本文的主要工作是数字显示电路和 驱动模块的设计以及控制软件的编制。 数字显示电路的输入是反映电机转速的脉冲信号，由光电码盘来检测，输出 西北工业大学顾二b 学位论文要点三蔓土曼 则是七段数码管的显示，由三位七段数码管组成。 驱动模块电路由功率放大模块、脉宽调制控制电路、位置检测电路、速度检 测电路、数字检测电路及负载电路组成。功率放大模块把由i ，o 接口电路输入的控 制信号放大后驱动电机运转；脉宽调制控制电路把由i o 接口电路输入的脉宽调制 信号转换为直流信号，再经由功率放大模块去驱动电机运转：位置检测电路和速 度检测电路把传感器产生的信号进行隔离和放大，然后输出到i o 接口电路，由i o 接口电路采集到计算机内进行处理；数字检测电路的功能是一样的，只是它把电 机的转速和位置转换为数字信号；负载电路用来模拟电机运行时的负载。平台的 硬件框图如图2 1 所示。 模拟控制部分 输i 位置检测】 巨堕 i 0 筇 减速器卜_ 1 电机1 | 速度检测|接口 i 一 电路 l 1 、 机械部分 数字控制部分 、陬稠 型皇堕i 负载电路 l 脉宽调制1 。 i 控制电路 1 一叫数显模块 驱动模块 图2 13 f 台硬件框图 为实现平台所需的功能，控制软件需要完成以下一些任务：按照控制规律的 要求产生所需要的信号，即用作信号发生器；按照控制规律的要求对采集到的数 据进行处理并把处理后的结果输出，即完成各种控制器的功能；能够将系统控制 过程中的各种信号实时地显示出来，即用作示波器。此外，为了使软件能够正常 运行，还要求完成一些辅助功能，如模拟函数发生器和示波器的面板，显示传递 函数框图，与硬件电路进行通讯等等。由此，软件的框图如图2 2 所示。 图2 2 平台软件框图 蕊北工业丈掌颤士学位论文 受芝! 童圭曼 2 3 平台设计方案确定 由于一般实验室中都拥有较高档次的微型计算机，且软件资源非常丰富，所 以为了减小平台的硬件开销，节约成本，充分剥耀现有的诗算机资源，本平台采 爱镦鍪诗冀蔽控潮，著虽掰蠢憝磺箨控裁穰控麓溪律实瑗缘塞诗冀毒晁软 譬来完成， 外接电路只糟来实现信号的采集、转换、输入、输出和放大等功能，不涉及任何 控制及信号处理的内容。根据这些可以初步确定本平台的设计方案。 2 3 1 平台硬件的设计方案 驱动泡鼹模块由功率效大摸块、位菱瑟速凌撩测电爨、数字羧测瞧跨、默宽 调制控翎魄潞和受载电路组成，按下来将分割讨论各部分的设诗方案。 功率放大模块用来把i o 接口电路输入的控制信号进行电压和功率放大。工业 应用中这部分电路大多数是采用电力电子元器件做成整流电路，把交流电转换 为直流电来驱动电机【1 ”】。本平台的主要目的在于控制的实现，而不在于真正的 毫捉驱动，翔栗热上交流电源歉整流装置，成本鞠季搴积都会大大增秘，鑫然没有 必要。毒虑溺这些请况，功露毅大模块攘采麓模缀放大电路来实现。这一帮分采 用分立元件时对装置的散热j e 常有利，同时成本也比较低，所以决定采用分立元 件组成功率放大模块。 位置和速度的检测是实现闭环控制所必须的。能够实现对电机的位置和速度 进行检测的传感器俘有很多秘，既有数字式的也鸯模拟式豹。因为我们既要实现 模毅量懿蔽镶阙巧，遣要实袋数字量豹反溃 l l 环，掰戮瑟静传感嚣磐帮要溺虱。 前面已经提到，为了方便使用者观察电视的逡转情况，希望能够疆接观察到 电机的转遮和位置。电机轴的位置只需在电机轴上安装刻度盘就可以得到，而电 机轴的转遵则要采用测量装鬣才可以。上面提到的模拟转速测量装鼹主要为实现 模拟量的闭环控制之用，稽艘是很高的，但不便于实现数字显示。鳓为我们还要 矮到数字羧澍器，这霉要反获转速霸位置数数字臻号，这一售号索逡合俘为数 字显示豹输入，所以要使弼数字检测电路。戴泡路得到的转速信息一楚用来示范 数字控制；一是用来实现转逋的数字显示，所以精度要求不高。 为了能够实现p w m 控制，要求对计算机产生的p w m 信号进行处理和转换， 成为直流电以驱动电机运行。工业上一般是利用大功率晶体三极管的开关状态来 实现p w m 信号，电压是方波焉电流基本是恒定斡。本平台功率握对较小，电机电 压较氯，翔莱莱雳工监应曩 瓣方法，至少需要嚣令功率晶体管释续滚= 极管，成 本高、体积大【l ”，不宜采用。因此，本文采用一密模拟电路，做成脉宽调制控制 电路。计算机仍然产生p w m 信号，但电机电枢两端的电压不采用交畿电压，而利 9 西北工业大学硕士学位论文 醮曼蔓主曼 用脉宽调制控制电路转换为相应的直流电压，再由功率放大模块将此电压放大后 驱动直流电机运转，既降低了成本，也减小了体积。使用者观察到的只是计算机 上显示的脉冲波形，不必考虑加在电机上的是何种电压。这样做与p w m 调制器的 功能是完全一样的，而在电路实现上非常简单，也不影响使用者对此的理解。 前面提到为了使电机能够模拟真实的负载情况，要加上一个负载电路。考虑 到增加机械负载将使平台的体积过于庞大。因此用一个模拟电路通过增加电机电 枢电流的方法作为电机的负载。 2 3 2 平台软件的设计方案 平台软件主要用来完成整个平台的控制和结果显示，是平台的核心部分。 w i n d o w s 操作系统是微型计算机中使用最广泛的操作系统，基于w i n d o w s 操 作系统的软件资源非常丰富，而且国内大多数微机用户均对w i n d o w s 操作系统比 较熟悉，习惯于在w i n d o w s 操作系统的界面下进行各种操作，因此平台的控制软 件决定采用基于w i n d o w s 操作系统的窗口界面形式，并利用w i n d o w s 环境下的开 发软件来实现。w i n d o w s 操作系统本身是一个多任务抢先式的操作系统，但不是 一个实时的操作系统，同时w i n d o w s 本身不再象d o s 那样支持程序对硬件的直接 操作，它把用户程序和硬件隔离开来。本平台要实现对电机的实时控制，就不可 避免地要对硬件进行操作。在w i n d o w s9 x 下实现对硬件的操作已经很复杂，而在 纯3 2 位的操作系统如w i n d o w sn t 和w i n d o w s2 0 0 0 中，要对硬件操作就要编制设 备驱动程序了，这一工作是比较复杂的”。为简化软件的设计，软件采用基于 w i n d o w s9 8 操作系统的窗口界面，此时主要的任务是软件工具的选择。 自动控制系统中，最常用的典型信号是直流、阶跃、正弦和斜坡信号，因此 信号发生器至少要能产生以上四种信号。为保证软件的实时性，要在每个采样点 处产生一个数据，并在采样周期之内送到微机的i o 口中。为了实现电机的数字控 制，还要能够产生电机的数字驱动信号( 也就是p w m 信号) ，软件的这一部分也 相当于一个信号发生装置。 信号处理模块用来对采集到的数据按照控制规律进行实时处理后，再送给驱 动模块去控制电机。对于计算机控制系统，每种控制规律都可以用多种算法来实 现，而信号的处理又是系统控制中的核心部分，因此选用速度快、精度高的算法 是很重要的。因为许多先进的算法都已经有现成的程序，所以如果自己解决算法 问题，工作量大且许多工作是浪费时间。对于常用的控制规律，可以采用当前使 用比较广泛且公认比较高效的算法。如果工具软件中能自带算法，一般说来都是 在软件发行时已经比较成熟且通用的算法，能满足大多数场合的要求，因此可以 直接选用 2 。如果要自行设计控制规律，可以自己进行算法的选择并编程实现。 因此，控制软件要做成模块化的以便于将来进行更新和升级。 1 0 西北工业大学硕士学位论文 要点j 羔点曼 示波器模块用来将各种中间信号在显示屏上实时显示，以便于操作者观察控 制过程。这一部分涉及在计算机上绘制动态图形的内容。许多程序语言都带有屏 幕绘图的功能，但动态绘图的功能则有强有弱，需要选择合适的开发工具。 接口模块是软件和i o 接口电路之间传输数据的通道，同时也是保证系统实时 性的关键模块。它不仅要保证信号处理模块在一个采样周期内实现数据的采集、 处理和发送，还要实时产生i o 接口电路的各种控制信号，以保证硬件电路时序的 正确性。示波器模块需要把各种中间信号以波形的形式显示出来，而它所使用的 数据也要在接口模块控制下保留并进行显示。接口模块设计的主要内容是端口的 选择及控制时序的实现，后者要依据i o 接口电路来定。 2 4 平台软件及硬件规划 2 4 1 平台硬件的规划 驱动电路模块中的各部分是做在一块电路板上的，这主要是为了使操作者在 与i o 接口电路连线时方便，同时各种功能做在一起，让人一目了然。数显模块是 为了让操作者方便地了解电机的转速情况，因此单独做成一块电路板，放在既不 影响实验，又可让人方便地看到其数字显示的地方。 电路板规划好之后，还要进行设计工具的选择。制好一块电路板，不仅要完 成原理图的设计，还要完成电路板的设计。为了提高设计效率，减少工作量，有 时还要进行必要的仿真。目前用于电路原理图、电路板设计和模拟、数字电路仿 真的软件有很多，我们选用的是目前广泛使用的p r o t e l9 9 s e 和o r c a d 9 1 。前者 用于电路原理图设计和电路板布线，后者用于对设计好的电路进行仿真。两种软 件相互之间有接口，使用起来非常方便。 2 4 2 平台软件的规划 平台软件的设计有三种方案。第一种是采用通用的w i n d o w s 编程语言，如v c 、 b u i l dc + + 等。这些语言是微型计算机上广泛使用的编程语言，功能非常强大，几 乎可以实现任何功能，而且使用起来非常灵活；但由于通用性很强，这些语言并 不着重于某些专业功能，它们所提供的控件都是通用的w i n d o w s 窗口界面 2 。2 3 1 。 第二种是采用专用的图形化编程语言，目前最常用的是美国国家仪器公司推出的 基于g 语言的虚拟仪器软件开发工具l a b v l e w 。l a b v i e w 是图形化的编程语言， 设计者无需编写任何文本格式的代码就可以实现虚拟仪器的功能，是一种工程师 语言。它提供了丰富的数据采集、分析及存储的库函数，控件非常多而且实用i 2 4 】。 西北工业大学硕士学位论文 g 然点蔓盘曼 但它是一种基于图形化的编程语言，尽管它所提供的控件非常丰富，属性也尽可 能做到完整，不过这些资源终究是有限的。因此，使用l a b v i e w 虽然可以提高平 台软件的设计效率，简化功能的实现，但缺乏灵活性。第三种是采用基于某种通 用语言的专用编程工具。这些工具软件是基于某种通用的计算机语言，而专用于 某一工程领域的编程工具。它所提供的编程语言就是通用的计算机语言，而编译 环境则是按自身的特点而设计的。因此，平台软件的设计决定采用美国国家仪器 公司开发的虚拟仪器软件开发平台l a b w i n d o w s c v i ，它是一种基于c 语言的开发 工具。c 语言的使用非常广泛，功能强大，而l a b w i n d o w s c v i 的函数库和控件都 非常丰富，使用起来方便灵活。 1 2 两北工业大学硕士学位论文 要点j 羔盘曼 第三章平台设计方法 3 1 引言 随着电子技术和计算机技术的发展，现代电子设计越来越依赖于计算机，传 统的手工设计和绘图早已不能满足需要。本文不但涉及到硬件电路的设计，而且 还有电路板的布线和制作，同时在设计过程中为保证电路能够正常工作，减少调 试期间的工作量，还要在电路板制作之前进行电路功能的仿真。因此，在平台的 设计过程中选择合适的软件工具就变得非常重要，这不但可以大大提高我们的设 计效率、缩短开发周期，而且还可利用计算机来对电路进行仿真验证，比之人工 设计过程，其可靠性不可同日而语。 与硬件发展相适应，控制软件的设计也变得越来越重要。由于计算机上的软 件资源越来越丰富，操作系统也不断发展，使得软件对硬件的支持功能日益强大。 合理地选择开发软件可以充分地利用计算机的硬件资源，缩短开发周期，使软件 结构更加合理，功能更加完善，减少软件调试过程中的错误。 上一章中我们己经确定了本平台的设计方案，并且选定了准备使用的开发工 具和技术。这些开发工具和技术在相关领域中广泛使用，具有很多的优点。 3 2e d a 技术应用 所谓电路设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，e d a ) 指的就是将电路 设计中的各种工作都交由计算机来协助完成。因此，电路图的绘制、印刷电路板 的制作和布线、模拟电路和数字电路的仿真等琐碎的设计工作都可以由计算机来 完成。在电路原理图的设计过程中，不可避免地要进行修改的工作，如果采用手 工绘图，修改起来既耗时又费力，相信有过手工制图经验的人一定会有同感。但 如果使用e d a 工具软件，则不但制图时美观大方，修改起来也十分方便。又如电 路制版工作，这一过程非常繁琐又容易出错，出错时查找也极为不易。采用e d a 工具软件时，不但制出的图版线路清晰合理，而且查错轻松方便。电路设计自动 化将是未来技术发展中不可阻挡的潮流【2 1 。 3 2 1p r o t e i9 9 s e 简介 p r o t e l9 9 s e 是一套建立在p c 环境下的e d a 电路集成设计系统。事实上，p r o t e l 1 3 西北工业大学硕士学位论文 曼点苎羔圭要 设计系统是世界上第一套将e d a 环境导入w i n d o w s 环境的e d a 开发工具，一向 以具有高度的集成性和拓展性著称。p r o t e l 9 9 s e 是p r o t e l 公司出品的基于w i n d o w s 的设计系统的最新版本，它具备了所有在m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统中使用的应 用程序所应该拥有的特性，具有良好的图形接口，各种资源可以共享。用户可以 安心地将鼠标、显示器、打印机等设备的驱动接口交给w i n d o w s 处理，而将精力 专注于真正的设计工作弘。 p r o t e l 设计系统有五个主要的e d a 程序部分。如图3 1 所示，包括基层主控 环境、电路绘制程序、印刷板制作程序、软件模拟程序和可编程逻辑单元程序。 电路绘制程序主要负责电路图的绘制、元件属性和仿真参数的设置，以及启动并 生成网络列表( n e t l i s t ) 等各种报表