（测试计量技术及仪器专业论文）wmps测量系统发射器扫描平台转速控制.pdf

y 15 3 ( ) 6 ( ) ( ) w m p s 测量系统发射器扫描平台转速控制 s p e e d c o n t r o lo ft h et r a n s m i t t e rs c a n n e ro f w m p s m e t r o l o g ys y s t e m 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：巢鑫 指导教师：杨学友教授 天津大学精仪学院 二零零八年八月 摘要 在现代工业测量中，大尺寸测量成为了一个越来越重要的趋势。本文阐述了 一种新型的应用于工作空间内的多任务实时扫描激光角度交汇测量系统w m p s ( w o r k s p a c em e a s u r e m e n tp o s i t i o ns y s t e m ) 的工作原理。 本文主要研究了两种控制w m p s 测量系统中发射器匀速扫描的策略：p i d 算 法控制电机转速和锁相环p l l 控制电机转速。 p i d 算法控制策略通过在p i c 单片机中嵌入p i d 算法，并利用m a t l a b 通过 r s - 4 2 2 实现串口通讯，不仅方便了p i d 参数整定的图形化调节，而且可以将实 时采集到的转速值用于后续测量环节，实现了对电机转速的精确控制。 锁相环p l l 控制策略通过s t k 6 2 1 7 专用电机转速控制芯片，利用p l l 鉴频 和鉴相的原理，实现了电机转速的锁定，从而达成了w m p s 测量系统扫描平台 匀速扫描的目的。 全文给出了两套方案的设计过程和实现过程，并分别进行了电机转速控制实 验。最后，对实验现象和实验结果进行分析，比较了两套方案的优势和缺陷，并 提出了改进的办法。 总之，两套设计方案方便实用，可靠性强，并且能保证一定的精度，满足 w m p s 系统的测量要求。 关键词：p i d 控制器p i c 单片机锁相环p l l 电机控制电机转速控制 a b s t r a c t l a r g es c a l em e a s u r e m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti ni n d u s t i a l m e a s u r e m e n td u r i n gm o d e mt i m e s i nt h i st h e s i s ，am u t l i t a s kr e a l t i m ea n dh i g h l y a c c u r a t em e t r o l o g ys y s t e mu s e di nw o r k s p a c ei si n t r o d u c e d ，w h i c hi sc a l l e d w m p s ( w o r k s p a c em e a s u r e m e n tp o s i t i o ns y s t e m ) t l l i st h e i ss t u d i e dt w op l a n so fc r e a t i n gc o n s t a n t - s p e e dd cm o t o rc o n t r o l l e rt o m a k es u r et h et r a n s m i t t e rs c a n n e ro fw m p sw o r k sw e l l t h e ya r ep i da l g o r i t h m c o n t r o l lm e t h o da n dp l lm o t o rc o n t o r l lm e t h o d p i dc o n t r o l l e rr e a l i z e dt h ec o n s t a n t s p e e ds c a n n e rb ye m b e d d i n gt h ep i d a l g o r i t h mi nt h es i n g l e c h i pp i c l8 f 2 4 8 1 1 1 em e a s u r e ds p e e dd a t ai ss e n tt om a t l a b b ys e r i a lc o m m u n i c a t i o n , w h i c hn o to n l yh e l p st h ep i dt u n i n g ，b u ta l s oh e l p f u lt ot h e f o l l o w i n gm e a s u r i n gs t e p s p l lc o n t r o l l e ri sa c c o m p l i s h e db yu s i n gah y b r i di cs t k 6 217w h i c hi sad c m o t o rd r i v e rw i t hc o n s t a n t s p e e dd i g i t a ls e r v oc o n t r o l l e r i tu s e sap l lc i r c u i tf o r p r e c i s em o t o rc o n t r o lt om a k e s u r et h es c a n l l e ri sr u n i n ga tac e r t a i ns p e e d i ns u m , t h et w od e s i g n sa r ec o n v e n i e n c ea n dr e l i a b l e t h e yb o t hp r o v i d eac e r t a i n p r e c i s i o nt h a ts a t i s f yt h ew m p sm e t r o l o g ys y s t e m k e yw o r d s ：p i dc o n t r o l l e r , p i c18 fs i n g l e c h i p ，p l lm o t o rc o n t r o l ，m o t o r s p e e dc o n t r o l l e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼盘堂或其他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。 学位论文作者签名：铱鑫签字日期：2 两分年9 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲髯鑫 签字日期：细g 年夕月乡日 翩躲如言谈 签字日期：翮g 年夕月夕日 第章绪论 1 1 引言 第一章绪论 工业测量( i n d u s t r i a lm e a s u r m e m ) 是指在制造工业及其安装工业中，对部件及 产品的形体进行精密的三维坐标测量。包括为了获取三维坐标，进行准直、水准、 几何形状拟合、质量保证审核、静态动态变形监测等而进行的精密测量。其典 型应用领域有：航空、航天、汽车、造船、石油、天然气、钢铁、大型设备的加 工和维护、天线安装与检校、机器人、钢结构、起重机、涡轮机、发电机和装配 架等【l j 。工业测量系统的一个最新发展就是多传感器的集成和综合使用。随着测 量点数量的增加以及测量区域的不断扩大，工业测量将与现在的i n t e r n e t 技术相 结合，逐渐发展成分布式测控网络系统。w m p s 正是这样一个适合大空间大尺寸 测量的高精度分布式测量系统。 w m p s 测量系统将经纬仪网络角度交会测量原理和全球定位系统g p s 概念 结合为一体。与经纬仪系统不同的是，它不是通过度盘来直接测量角度，而是通 过接收红外激光来间接得到角度值。与g p s 不同之处在于，它采用激光发射器 来模拟卫星，不通过距离交会，而是用角度交会的方法。w m p s 测量系统可以自 动快捷的建立三维坐标系；不需要人的肉眼瞄准，能自动测量；可以同时进行多 样化多用户的测量，是一个具有革命性的产品【2 1 。 其中，激光发射器匀速扫描平台是w m p s 测量系统能够实现高精度测量的前 提和保障。扫描平台转速的稳定性将直接决定整个测量系统的精确性，转速误差 会导致整个系统后续测量环节产生误差。针对这一关键问题，本文将重点研究扫 描平台中直流电机转速控制的方法。 1 2 直流电机调速系统发展现状 直流电机是最早出现的电机，也是最早能实现调速的电机。长期以来，直流 电机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的 控制性能，较高的效率，优异的动态特性；尽管今年来不断受到其他电机( 如交 流变频电机、步进电机等) 的挑战，到目前为止，它仍然是大多数调速控制电机 的最优先选择【3 1 。 第章绪论 近年来，直流电机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入 控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使得采用全控型的开关 功率元件进行脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 控制方式已成为绝对 主流。这种控制方式很容易在单片机中实现，从而为直流电机控制数字化提供了 契机【4 1 。 直流电机的转速刀的表达式为： ”：育u - r 公式( 1 1 )”= 公a ll - ll a 妒 式中：u 为电枢端电压；i 为电枢电流；月为电枢电路总电阻；少为每极磁通量； k 为电机结构参数。 由公式( 1 1 ) 可得，直流电机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行 控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速 时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁 线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用 场合都使用电枢控制法。本节主要介绍的就是在励磁恒定不变的情况下，如何通 过调节电枢电压来实现调速。 对电机的驱动离不开半导体功率器件。在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可以分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱 动方式。 线性方法驱动方式是使半导体器件工作在线性区。这种方式的优点是：控制 原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小；但是功率器件在线性区工 作时会将大部分电功率用于产生热量，效率和散热问题严重，因此这种方式只用 于数瓦以下的微小功率直流电机的驱动。 绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体器件工作在 开关状态，通过脉宽调制p w m 来控制电机电枢电压，实现调速【5 1 。 利用开关管m o s f e t 对直流电机进行p w m 调速控制时，电机的电枢绕组两 端的电压平均值u o 为： u 。= 等冬芸：每u s ；口u s 公式( 1 2 ) 1 1t 1 2 j 式中：t l 为m o s f e t 导通时间；t 2 为m o s f e t 截止时间；r 为周期；仅为占空比。 占空比表示在一个周期t 里，开关管导通的时间与周期的比值。当电源电压 魄不变的情况下，电枢的端电压的平均值乙b 取决于占空比a 的大小，改变a 值 就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是p w m 调速的原理。 在p w m 调速时，占空比a 是一个重要参数。以下3 种方法都可以改变占空 比的值： 2 第一章绪论 定宽调频法：保持t l 不变，只改变t 2 ，这样使周期t ( 或频率) 也随之改变。 调宽调频法：保持t 2 不变，而改变t l ，这样使周期t ( 或频率) 也随之改变。 定频调宽法：使周期t ( 或频率) 保持不变，而同时改变t l 和t 2 。 前两种方法由于在调速时改变了脉冲的周期( 或频率) ，当控制脉冲的频率 与系统的频率接近时，将会引起振荡，因此这2 种方法用得很少。目前，在直流 电机的控制中，主要使用定频调宽法。 p w m 控制信号的产生方法有4 种： 分立电子元件组成的p w m 信号发生器：用分离的逻辑电子元件组成p w m 信号电路。它是最早期的方式，现在己被淘汰。 软件模拟法：利用单片机的一个i o 引脚，通过软件对该引脚不断地输出高 低电平来实现p w m 输出。这种方法占用c p u 大量时间，使单片机无法进行 其他工作，因此也逐渐被淘汰。 专用p w m 集成电路：从p w m 控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产 专用的p w m 集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了有p w m 信号发生功能外，还有“死区调节功能、保护功能等。在用单片机控制直 流电机中，使用专用p w m 集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠。 单片机的p w m 口：新一代的单片机增加了许多功能，其中包括p w m 功能。 单片机通过初始化设置，使其能自动地发出p w m 脉冲波，只有在改变占空 比时c p u 才进行干预。这是目前获得p w m 信号的主流方法 1 3 本文意义及主要工作 在传统的生产制造过程中，产品以及生产设备的尺寸经常是靠工人们手持卡 尺、卷尺等工具完成测量或者完全依靠个人经验来保证，这样的结果不仅影响精 度和生产效率，有时还会因个人的主观因素产生偏差。所以在自动化程度愈演愈 烈的今天，生产制造业对测量手段现代化的需求越来越高，除了要保证高精度的 测量之外，还需要测量设备可以在生产现场进行测量，并且其实时性和自动化程 度也是人们普遍关注的问题【6 】。 w m p s 测量系统正好满足了大尺寸测量发展趋势的需求，它具有众多优点， 测量范围大、精度高、多目标实时在线测量等，能够实现全自动的加工、检测和 监控。 美国的a r c s e c o n d 公司在上世纪九十年代就在g p s 的启发下开发了第一套 w m p s 系统，称为i g p s 【7 j ，1 7 1 并于2 0 0 0 年成功应用于美国波音公司的装配飞机 和导航钻孔机器人工作上。比利时的m e t r i s 公司成功收购a r c s e c o n d 公司之后开 第一章绪论 发的星群3 d i 系统处于世界领先水平，测量空间范围从几十米到几百米。如果采 用4 个以上的基站，1 0 米测量空间内，其精度能够达到0 1 2 5 m m 。 在国内，这方面的研究较少，主要集中在研究机器人室内导航定位问题，且 大多数都是基于无线网络定位，精度较低。目前国内市场上没有类似的产品，学 术界也没有出现过相关的文献成果，可以说w m p s 测量系统在国内还处于刚刚 起步的阶段。如果我们通过自身的研发改进，早日将实验成果做成工业产品，将 会有无限广阔的市场前景。同时，对于推动我国的大尺寸测量，工业制造业的发 展将具有深远的影响。 本文的工作重点是解决w m p s 测量系统发射器的关键技术，实现扫描平台恒 转速控制。根据p w m 信号调速的原理，利用p i d 算法和锁相环p l l 技术来实 现对占空比的控制，给出了主要基于软件的p i d 算法控制策略和主要基于硬件的 p l l 控制策略。其中，p i d 算法控制策略需要完成发射器扫描平台电机控制系统 硬件设计，p i c 单片机软件设计，p i d 控制器设计以及利用m a t l a b 实现p i c 单片 机跟上位机之间的串行通信。通过串行通信将测量的转速值实时传送给上位机， 用m a t l a b 作图显示电机运行情况并可以直观的进行p i d 控制器的参数整定，并 将上位机的控制信号返回给p i c 单片机。p l l 控制策略需要完成s t k 6 2 1 7 芯片 p l l 控制功能，p i c l 8 f 2 4 8 转速测量及串行通信功能，m a x 7 2 1 9 驱动数码管实 时显示测量转速，同时也使用m a t l a b 作出转速曲线图，以供实验观察转速稳定 性。 本文主要完成以下几个方面的内容： 1 深入理解w m p s 测量系统的工作原理，熟悉整个系统的测量方法，测量 过程。根据测量原理给出发射器扫描平台的设计要求，设计原则。 2 完成p i d 算法控制，主要包括： a ) 完成扫描平台电机伺服系统的硬件设计，包括电机的驱动模块，转 速控制模块以及串行接口模块，制成硬件线路板。 b ) 熟悉p i d 算法原理，通过在p i c 单片机中嵌入p i d 算法实现对电机 转速的调控，完成p i c 单片机整体软件设计以及m a t l a b 软件设计。 c ) 结合硬件电路板，对各个功能模块加以调试，完成p i d 算法转速控 制实验，并对实验结果进行分析。 3 完成锁相环p l l 控制，主要包括： a ) 完成s t k 6 2 1 7 专用p l l 电机控制芯片外围电路设计，包括基准晶振 的选择，相位补偿参数的选择，放大器工作点设定等，完成电路原 理图并制成硬件线路板。 b ) 利用p i c l 8 f 2 4 8 测量电机编码器反馈的转速值，并将转速通过r s 4 2 2 4 第一章绪论 串口发送给上位机利用m a t l a b 作出转速曲线图。同时，将转速值送 人m a x 7 2 1 9 驱动l e d 数码管显示实时转速。 c ) 完成m a x 7 2 1 9 显示驱动程序和m a t l a b 串行通信及作图程序的软件 编写。 d ) 结合硬件电路板，对各个功能模块加以调试，完成p l l 电机转速控 制实验，并对实验结果进行分析 4 对比两种控制策略的实验结果，分析各自的优势和缺陷，同时提出改进 的办法。 第二章州p s 测量系统 第二章w m p s 测量系统 传统的大尺寸测量方法，在测量范围、测量效率和测量糟度各方面都难以满 足日益发展的工业测量需求，w m p s 测量系统在继承传统大尺寸测量的优点基础 上，利用新的测量方式即基于角度交会的光电扫描式多站测量方法，可以支持 多目标，高精度实时测量，能完全实现自动化测量，在航空航天、汽车、轮船等 大尺寸装备制造领域有广泛的应用。 2 i 系统组成 w m p s 系统主要包括发射嚣，传感器，接收器，放大器，无线接收装置，算 法软件等。 发射器发出对人眼无伤害的激光信号 传感罂接收激光模拟信号，并传给放大器 接收器接收来自放大器的数字信号，并转化成角度信息 角度信息通过无线网络传到中央计算机，通过软件将角度信息处理成准 确的位置和方位信息 用户用第三方软件( 如c a d 等) 来处理这些位置和方位信息 2 2 工作原理 髟。斟 图2 - 1 测量方法示意图i 发射器产生两个激光平面在工作区域旋转。每个发射器有特定的旋转频率， 第二章w m p s 测量系统 大约在3 0 0 0 转每分左右。根据接收器所能接收到的激光，它能够对水平角及垂 直角进行测量( 如图2 1 ) 。通过几个不同发射器的结合，可以计算测量点的x y z 位置。测量一个点所需要的最少发射器数量是2 个。发射器越多测量越精确。为 了提高测量精度，建议一个测量点至少能接收到四个发射器的信号。 w m p s 在完成设置后可以自动建立坐标系统。原点位于第一个发射器的中 心，x 轴指向第二个发射器。整个系统通过比例尺或者矢量测量棒进行标定。这 些标定工具具有精确的名义尺寸。操作人员可以将坐标系统转移到指定位置。接 收器和工件连接在一起。接收器有两种连接方式，有线和无线。接收器得到位置 数据发送到应用软件。可以对多个接收器进行实时测量跟踪，一个系统可以由多 名操作人员共享。 2 3 角度测量方法 发射器能够生成3 种信号：两路围绕发射器头的红外激光扇形光束和一路红 外l e d 的波束。这些光信号能够利用光电检测器而转化成定时脉冲信号。发射 器头的旋转速度可以单独设置，并允许有差别。此外，发射器的速度被连续跟踪， 以便把定时区间转化成角度。如图2 2 所示，两个从旋转的发射器头发出的扇束 在垂直方向上为3 0 。为了测量垂直角度，只需要在两路激光脉冲之间定时即 可【9 1 。垂直角度的确定如下： 已知扇束角度； 确定激光扇面1 、2 到达接收器的定时差； 已知发射器的转速。 水平角的测量需要一个水平指数，它由在发射器头旋转的同一点上的l e d 光束发射产生，如图2 3 所示。水平角度的确定如下： 已知扇束角度： 光束和激光脉冲之间的测量时间； 已知发射器的转速。 在测量模型的建立中用到了以下的基本原理： 一个平面能用它的法矢量描述； 从发射器到接收器的光柬能够用发射器坐标减去接收器坐标所产生的 矢量描述； 当光束的矢量与平面法向的点积为零时，这条光束在平面内。 第二章w m p s 捌量菜统 圈2 - 2 垂直角测量 姆 莓i i 函 图2 - 3 水平角测量 由上一节的测量原理可知，垂直角和水平角的测量都需要知道发射罂扫描平 台的转速。这个转速应该是尽量保持恒定的，这是整个测量系统能够完成精确测 量的前提和基础，同时也是发射器设计中的关键技术。 2 4 本章小结 本章简要介绍了w i v e s 测量系统的组成，工作原理，水平角和垂直角的测量 方法，指出了转速控钳是整个测量系统的关键技术，为下文发射器的设计要求、 设计原则的制定提供了理论依据。 了盆k 第三章p i d 算法控制策略 第三章p i d 算法控制策略 p i d 算法控制策略是一种广泛应用于各种自动化控制场合的经典控制方法。 本章详细说明了将p i d 算法控制策略应用于扫描平台转速控制的实现过程。 3 1 电机伺服系统 一套完整的伺服系统至少包括驱动设备( 驱动器、运动控制卡等) 、执行设 备( 电机、减速箱、丝杠等传动机构) 和反馈设备( 编码器、光栅、限位开关等) ， 从而可以实现速度与位置等的闭环控制【1 0 】。 由第二章介绍的w m p s 的测量原理，发射器的设计应该遵循以下原则： 发射器整体结构紧凑合理，体积小巧，便于安装与拆卸 发射器的转动部分不应有太多的负载，否则会产生过大的转动惯量，对于转 动的平稳性产生不良影响 理想情况下可以用电池供电，脱离电源线的束缚，方便灵活安装 另外，发射器需要发出对人眼无害的激光扇面，因此，在发射器的转动部分 会有一定的光学结构，用于分光分束。这些结构会成为电机转动时的负载，需要 估算出输出转矩。电机选型时一般考虑电机的额定功率、供电方式、转速、输出 扭矩、电机的直径和长度等参数。本系统选择了由德国、瑞士和美国三大电机公 司组成的f a u l h a b e r 微电机制造国际集团生产的型号为2 6 4 2 w 0 2 4 c r 直流有刷电 机，并配备了减速箱及编码器，以满足本设计的要求。 3 1 1 直流电机 直流电机包括直流有刷电机和直流无刷电机。有刷电机具有结构简单、成本 相对低廉等优势，但由于采用的机械式换向系统，换向器与电刷之间必然存在摩 擦，所以直接影响到电机的性能。有刷电机最常见的损坏原因就是换向系统的磨 损与氧化，这将导致接触不良，继而性能大打折扣直至无法启动。同时，有刷电 机的换向火花不可能完全消除，因此必然存在电磁干扰。无刷电机可以看成是由 电子开关线路、永磁同步电机和位置传感器组成，用电子换向取代了传统的机械 接触式换向系统。与有刷电机加电即转不同，无刷电机必须采用驱动器驱动( 部 分产品将驱动电路至于电机内部，但功能较为单一) ，同时由于无刷电机结构相 9 第三章p i d 算法控制策略 对复杂，因此使用的简单性和成本方面不如有刷电机 1 l 】。 不少使用者对于有刷电机的性能和寿命等存在顾虑，因此更倾向于选择无刷 电机。其实由于有刷电机控制简单，价格低廉等优势，在国内的机器人和自动化、 医疗等多方面的应用中，有刷电机所占的份额仍然遥遥领先。 本实验中要求扫描平台的转速不宜过高( 约3 0 0 0 r p m ) ，根据实验室实际情况， 采用了更适用于低速场合的有刷电机。f a u l h a b e r 公司的有刷电机在各项指 标中都出类拔萃，其采用斜绕方式的空心杯转子，没有齿槽效应，拥有非常轻的 重量，这使得转子转动惯量极小。同时，其采用的铜碳结构换向系统，既确 保了在重载下的性能，也延长了使用寿命，在2 4 小时不停的生产线上，通常可 以使用5 年以上。 2 6 4 2 w 0 2 4 c r 直流有刷电机的主要特性如下【1 2 】： 名义电压 u n = 2 4 伏； 最大输出功率 p 2 一= 2 3 2 瓦； 外形尺寸直径= 2 6 毫米；长度l = 4 2 毫米； 空载电流i o = 0 0 5 8 安； 空载转速n o = 6 4 0 0 转分； 堵转转矩m h = 1 3 9 毫牛木米； 3 1 2 减速机构 在系统设计初期，发射器的转速不宜过高，3 0 0 0 r p m 以下比较理想，太高的 转速将导致接收器产生比较严重的信号叠加，对于数据处理软件算法的负担加 重。而且，电机需带动扫描平台上的光学结构旋转，电机的输出转矩越大，则转 动起来更有力，更能带动越多的负载。减速箱恰好能起到既降低转速，又增加输 出转矩的作用。考虑到电机的空载转速为6 4 0 0 r p m ，因此选用减速比为3 7 1 ：l 的 行星减速箱2 6 1 系列，能将实际输出转速降为1 7 0 0 r m p 左右。同时，电机和减 速箱组件的输出转矩，理论上等于电机的输出转矩乘以减速箱的减速比再乘以减 速箱效率( 本系统需用的减速箱型号效率约为8 8 ) ，由此，实际输出转矩又提 高了3 2 倍左右，大大增强了电机的带负载能力。 减速箱通常有一定的回差，选用的减速箱空载回差值为小于等于1 度。这意 味着，减速箱输出轴旋转1 度以内，电机有可能根本没动：同样，电机旋转一定 角度( 具体角度与减速比有关) ，减速箱输出轴也有可能根本没动。本系统选用 的i e 2 5 1 2 编码器对电机的定位精度达0 1 8 度以内，远小于减速箱回差，所以其 精度已经足够。 目前为消除减速箱回差等所带来的误差，普遍采用的是一种被称之为“复位 l o 第三章p i d 算法控制策略 消除”的方式，因为如果系统始终朝着一个方向运动，则回差仅在启动时可能存 在【1 3 1 。 “复位消除”的具体方法如下图所示： ii 卜 坠型茎宣垫堕必0 朝着a 点运动。 ii li ii ii ii l 一2 、到达a 之后，改变方向运动到o 并停止，系统启动完成。 _ - _ x a ：o 图3 1“复位消除”示意图 上图示意的是，系统仅要求对o 点进行精确定位，启动后朝着x 轴方向进 行运动。我们可以让电机启动时先反向越过原点o ，然后改变方向后运动到原点 停止待命。这种方法的缺点在于会增加运动的复杂程度并需要给系统预留一定的 启动时间。 3 1 3 编码器 编码器作为反馈器件在各种伺服系统中，往往是不可或缺的。f a u l h a b e r 电机 可连接的编码器种类繁多，本系统了选用了型号为i e 2 5 1 2 的磁电式编码器，它 具有体积小巧、分辨率高等显著特点。与光电编码器相比，磁电式的编码器使用 寿命长，没有元件老化，对尘土、污染及光线不敏感。 i e 2 系列内置编码器由开有齿形槽的电磁码盘及特殊混合电路组成。每个齿 槽齿顶和齿根之间电磁场的差异，通过集成电路中的传感器转换成电信号。此电 信号经过专门的电路处理，输出带9 0 。相差的两路方波信号，其分辨率高达 5 1 2 l r 。该系列编码器集成到c r 系列电机中，而长度仅仅增加了1 4 n u n 【1 4 】。 目前的驱动器广泛采用了一种 被称之为“四倍频”的技术，可以将 编码器的分辨率提高四倍【1 5 】，【1 5 1 这 是因为如图3 2 所示，一个完整的编 码器信号周期有a 、b 、c 、d 四个 临界点可被进行采样。不考虑四倍频 因素，则编码器所输出的脉冲信号与 电机的速度、位置对应关系如下： -，叫明_ ?。j ab c d 图3 - 2 “四倍频”技术示意图 电机的速度( r p m ) = 脉冲信号的频率( h z ) * 6 0 分辨率； 第三章p i d 算法控制策略 电机的位置( 角度) = 脉冲信号的个数* 3 6 0 分辨率； 电机的旋转方向：a 通道信号超前b 通道，电机正转，反之则表明电机反转。 需要注意的是，f a u l h a b e r 伺服系统的编码器均安装在电机轴上，实际所反映 的是电机的转速、位置和方向而并非减速箱，根据电机所配的减速箱不同，减速 箱所输出的速度、位置均不同且可能反向。 编码器输出的信号为方波，兼容t t l 电平。电平的跳变需要一定的时间，也 就是所谓的上升沿和下降沿时间，大约为o 1 微秒。如果电机转速过快、编码器 输出信号的频率过高，则电平有可能来不及跳变，随着电机的速度不断提高，最 终输出波形将趋近于一条水平线，从而不能真实反映出电机的速度和位置等。因 此编码器存在一个频率响应上限，或称之为截止频率。i e 5 1 2 的截止频率为 1 6 0 k h z ，由此可换算出，其可跟踪的电机最高转速为1 8 7 5 0 r p m ，完全可以满足 测量要求。 3 2p i d 算法控制策略整体构架 通过在m i e r o c h i p 公司生产的p i c 单片机中嵌入p i d 算法，实现p i d 控制器。 同时，p i c 单片机能输出占空比可控的p w m ( 脉宽调制) 信号，再经过光耦隔 离，然后通过控制m o s f e t 场效应管的导通和截止，从而控制了电源电压加在 电机两端的时间，驱动电机在不同的有效电压下以不同的转速转动。另一方面， p i c 单片机通过i o 口直接采样电机内置i e 2 5 1 2 编码器反馈回来的脉冲信号， 计算出电机的实时转速调用p i d 算法产生输出控制量并转换成相应的占空比，及 时更新占空比寄存器，输出新的p w m 控制信号，从而实现了对电机转速的实时 调控。同时，在每次的采样完成之后，p i c 单片机会将实时的转速值，通过r s 4 2 2 串行通信传输给上位机，供上位机完成迸一步的处理，并将新的控制指令返回给 单片机。整个系统的框图如下： i 计算机p p 一光耦隔离hm o s f e t _ 一电机 i c 萱 片 机 编码器 图3 3电机驱动及控制系统框图 1 2 第三章p i d 算法控制策略 3 3p i c l8 f 2 4 8 简介 m i c r o c h i pt e c h n o l o g y 是一家将技术、工程、制造和营销资源集中于其协同产 品线的公司。m i c r o c h i p 产品具有体积小巧、功能集成、易于开发的特点。m i c r o c h i p 已经在嵌入式控制解决方案领域中建立起了自己的领先供应商地位。 p i c l8 f 2 4 8 6 j 是m i c r o c h i p 公司推出的一款增强型8 位单片机，采用精简指 令集( 砌s c ) 的设计，有两级流水线，最高运行频率可达1 0 m i p s ，能够满足系 统对实时性的要求；指令总线1 6 位宽，数据总线8 位宽；单片机内部有2 m b 的 程序存储器，4 k b 的数据存储器：自带8 * 8 硬件乘法器；中断资源丰富，提供 1 8 个中断源，两个中断优先级，并且中断优先级可配置。p i c l 8 f 2 4 8 单片机配备 了丰富的外围模块，极大地简化了单片机外围电路设计。同时，m i c r o c h i p 公司 为p i c l 8 f 系列单片机提供了强大的指令集，共7 7 条指令，绝大部分指令为单字 ( 2 个字节) 节，单周期执行，应用代码的存储压缩率高，指令执行效率高。 以上特性保证了p i c l8 f 2 4 8 单片机完全能够嵌入p i d 算法c 语言代码。用c 语言编写程序不仅有良好的阅读性和可维护性，也保证了平台的可移植性。 p i c l 8 f 2 4 8 单片机还能输出1 0 位占空比可控的p w m 信号，用于驱动电机不 仅简单方便而且精度很高。同时，p i c l 8 f 2 4 8 单片机具有可软件选择的8 位或1 6 位定时器计数器模块t r m 0 和t r m l ，能够精确测量电机编码器反馈的脉冲数， 并根据定时时间计算出电机实时转速，满足转速测量的需要。另外，p i c l 8 f 2 4 8 单片机有专用的串行通信引脚，可以方便的连接r s 4 2 2 串行通信芯片实现于上 位机的通信。 综上，选用p i c l8 f 2 4 8 单片机作为整个p i d 算法控制系统的核心，不仅有效 的降低了成本，同时也极大的方便了系统的整体设计。 3 4 常用串行通信协议 一、r s - 2 3 2 - c r s 2 3 2 c 是美国电子工业协会e i a 制定的一种串行物理接口标准。r s 是英 文“推荐标准”的缩写，2 3 2 为标识号，c 表示修改次数。r s 2 3 2 c 总线标准设 有2 5 条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。 、 在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需要几条信号线就可 以实现，如一条发送线，一条接收线及一条地线。 r s 2 3 2 c 标准规定的数据传输速率为每秒5 0 、7 5 、1 0 0 、1 5 0 、3 0 0 、6 0 0 、 1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 、9 6 0 0 、1 9 2 0 0 波特。 第三章p i d 算法控制策略 r s 2 3 2 c 标准规定，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电容负载，通信距离将受此电 容限制，例如，采用1 5 0 p f m 的通信电缆时，最大通信距离为1 5 m ；若每米电 缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是r s 2 3 2 属单端 信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于2 0 m 以内 的通信。 二、r s 4 8 5 r s - 4 8 5 总线，在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用r s 4 8 5 串行 总线。 r s 4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线 收发器具有高灵敏度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信号能在千米以外得 到恢复。 r s - 4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发 送电路须由使能信号加以控制。 r s 4 8 5 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用r s 4 8 5 可以 联网构成分布式系统，其允许最多并联3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 三、r s 一4 2 2 r s 4 2 2 和r s 4 8 5 总线电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接收，不 需要数字地线。 差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是二者与r s 2 3 2 的 根本区别，因为r s 2 3 2 是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线。发送 线和接收线三条线( 异步传输) ，还可以加其他控制线完成同步等功能。 r s 4 2 2 通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而r s 4 8 5 只能半双 工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。r s 4 2 2 和r s 4 8 5 在 1 9 2 k p b s 下能传输1 2 0 0 米旧。 本设计中选用能够全双工通讯且传输距离远的r s 4 2 2 串行通信标准，保证 控制信号和测量数据能够在上位机与p i c 单片机之间快速准确的传输。 3 5 电机驱动控制电路 本设计中p i c 单片机外接1 0 m h z 晶振，并在m i c r o c h i p 芯片专用开发工具 m p l a b 中用h s p l l 模式烧写至4 0 m h z ，通过p w m 模块输出频率为9 7 6 k h z ， 占空比可调的p w m 信号驱动光耦开断，再驱动p 型m o s f e t 的导通截止来控 制电机两端的有效电压，驱动电机转动。 为了得知电机的实时转速，设置t m r 0 模块工作在定时器模式下，定时时间 1 4 第三章i i d 算法控制策略 为1 0 m s 。在测速模式中，t m r l 模块开始以1 6 位方式计数i e 2 5 1 2 编码器反馈 回来的转速脉冲信号，每当定时时间到产生定时器中断，本次计数结束。根据定 时时间换算成实时转速( 转秒) ，并作为输入量调用p i d 算法，之后p i d 控制器 输出调整后的占空比值，再经过移位调整，将此值更新到1 0 位占空比寄存器中。 测速1 0 0 次后结束，将这1 0 0 次的转速值通过r s 4 2 2 以1 9 2 k b p s 的速率发送给 上位机。如此，一次完整的测量及传输过程结束，p i c 单片机等待上位机的下一 步控制指令。系统的电路原理图及p c b 图如下： v c c c 1 4 厂0 1 心 i l u 1 r a c l a p op i c l 埋1 8r a 01 氇6 。 r a lr b 5 i 毡上r b 4 r a 3r b 3 r a 4r b 2 r & 5r b l v s sr b 0 o s c lv d d o s c 2 触6v s s r c 0r c 7 压 r c lr c 6 厂r x r c 2l 配5 r c 3r c 4 图3 _ 4p i c l 8 f 2 4 8 各引脚连接图 图3 4 中l e d 0 ，l e d l ，l e d 2 为p i c 单片机等待模式，测速模式及停止模 式指示灯，a 和b 为两路编码器反馈脉冲信号，可以根据相位关系判断电机转 动方向。本设计中只需要电机朝一个方向转动，因此只用到了b 路信号来计数。 v d d 图3 - 5 光耦隔离及m o s f e t 驱动电路 一一一一一一笛一孔一抬一勉一一一一一一一一一一 a 一 一一一一一。一一。 第三章p i d 算法控制策略 訇3 5 中的光耦型号为4 n 3 7 ，典型导通和截止时间为2us ，最大导通和截止 为1 0 us ”。m o s f e t 采用p 沟道增强型场效应管1 r f 9 6 3 0 ，最大导通和关 间为1 0 n s u 。其中u o u t 直接输出接电机正端r 8 是一个击穿电压为2 0 v 敏电阻，当电机两端电压小于2 0 v 时，它相当于一只关死的阀门，流过它 流极小。当电压超过2 0 v 时流过它的电流激增，形成短路，相当于阀门 。如此便可以保证电机两端电压不超过额定值2 4 v 。d 8 是续流二极管，在 两端电压突变时提供续流，避免烧坏电机， 圈3 - 6 串行通信芯片m a x 4 8 9 e 连接图 蛩3 - 6 是利用m a x 4 8 9 e 芯片实现r s - 4 2 2 传输的引脚圈，输出的r x + 图3 - 7 电机伺服系统p c b 圈 b 源部分用了月型滤波，保证直流供电的稳定性，以免电流跳动引起的转速 ，j 2 为i e 2 - 5 1 2 编码器的接口，给编码器提供5 v 供电，同时计数其反馈回 永冲信号。 第三章p i d 算法控制策略 3 6p i d 控制器简介 3 6 1p i d 控制器背景知识 p i d 控制器响应闭环控制中的差值信号，并尝试调节控制量，来实现期望的 系统响应。被控参数可以是任何可测量的系统量，例如速度、电压、电流或股价。 p i d 控制器的输出可以控制一个或多个将影响受控系统量的系统参数。在此应用 中的速度控制环直接控制p w m 占空比。p i d 控制器的好处是可以通过调整一个 或多个增益值并观察系统响应的变化，凭经验进行调节。 数字p i d 控制器以周期性采样间隔执行，假设控制器的执行频率足够高，足 以正确地控制系统。在本应用中，由于机械时间常数的原因，电机速度变化相对 较慢，所以此应用中的速度控制器以中等事件速率( 1 0 0 h z ) 执行。数字p i d 算 法可以表示为【2 1 】： p o u t ( t ) = k p 奎e ( t ) + k i 术p ( 卅k d 木 e ( t ) - e ( t - 1 ) 】 公式( 3 一1 ) 基本偏差e ( o ，表示当前测量值与设定目标间的差，设定目标是被减数，结 果可以是正或负，用于决定p i d 控制器的调整方向。这是面向比例项用的变 动数据。 累计偏差p 例= p + p p j j + p p 到+ + e 例，这是我们每一次测量到的偏差值 的代数和，考虑到他的正负号运算，这是面向积分项用的一个变动数据。 基本偏差的相对偏差p 例一e e - j ，) ，用本次的偏差减去上一次的基本偏差，用于 考察当前控制对象的趋势，作为快速反应的重要依据，这是面向微分项的一 个变动数据。 三个基本参数： ，p 、k i 、k d ，是做好一个控制器的关键常数，分别称为比例 常数，积分常数和微分常数，不同的控制对象需要选择不同的数值，还需要 经过现场调试才能获得比较好的效果。 由公式( 3 1 ) 可得上一次的计算值： p o u t ( t - 1 ) = 印幸e ( t - 1 ) + k i 唪p ( f - 1 ) + 尉宰 e ( t - 1 ) - e ( t - 2 ) 】公式( 3 - 2 ) 两式相减得增量法计算公式： p o u t ( t ) 一p o u t ( t 1 ) = k p 拳 p o ) 一e o 1 ) + k 木e ( t ) + k d 木p o ) 一2 宰e ( t - 1 ) + e ( t 一2 ) j 公式( 3 3 ) 增量算法就是相对与标准算法的相邻两次运