（检测技术与自动化装置专业论文）风向监测及角度自纠偏新型旗杆的设计开发.pdf

中文摘要 从1 9 9 7 年香港回归交接仪式开始，在室内升旗时普遍采用在旗杆顶端加装吹风装 置的方式使国旗飘扬。随着我国0 8 北京奥运会的成功举办，1 0 年上海世博会拉开帷幕， 备受关注的室外升旗仪式骤然增多，仅在旗杆顶端加装吹风装置己无法应对室外风场风 速风向时变性的特点，即便是在我国政治权利中心天安门广场上，诸如国旗卷杆等现象 经常发生，在我国日益受到国际社会关注的今天，以上情况所产生的负面影响是巨大的， 对旗杆结构进行重新设计和调整成为必然。本文在伺服控制、机械、通信、传感器及防 雷等方面进行了分析和研究，针对室外风速风向时变性设计了一套具有风速风向监测及 角度自纠偏功能的新型旗杆控制系统。 论文首先详细论述系统的各部分构成以及伺服系统和机械系统的设计，特别是伺服 电机的选型和减速机减速比的计算和匹配过程。其次是传感器的使用和选型，从课题提 出以来，传感器的选型一直是设计成败的突破点，在系统设计经历从主动测风到被动探 测的变化过程后，传感器随之确定。接下来便是系统软件的设计，编写p l c 程序，整定 p i d 参数，利用v b 软件编写系统上位机监控界面。最后完成系统样机的组装和调试。 经过对样机的室外实地测试，该系统可实现被动探知风速风向变化并随之转动的设 计目的，由于样机体积有限并未加入电加热和避雷设备，但其仍可在风速降低时完成自 行解缆和吹风等要求动作。重新设计后的旗杆系统具有成本低，效率高，可靠性好，推 广性较强、应用效果好等特点。希望以后可以在现实旗杆中进行测试和改良并最终得到 应用。 关键词：偏航控制系统；旗杆；p i d ；伺服系统 t h ew i n dg e n e r a t i n gd e v i c eo nt h et o po ft h ef l a gp o s ta l o n eh a sp r o v e du n a b l et o m a n a g et h et i m e v a r i a n ta n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s o fw i n dv e l o c i t ya n d d i r e c t i o no u t d o o r s e v e ni nt h ef l a gr a i s i n gc e r e m o n i e sa tt i a n a n m e ns q u a r e ， f l a gb e i n gt a n g l e dw i t ht h ef l a gp o s ti sn o tu n c o m m o n a l t h o u g ht r i v i a la tf i r s t s i g h t ，s u c ht h i n g sw i l lu n d o u b t e d l yh a v e - an e g a t i v ee f f e c to nt h ep u b l i ci m a g e o f o u rn a t i o n s ot h er e d e s i g na n da d j u s t m e n to ft h ef l a gp o s ts t r u c t u r ea r e n e c e s s a r yt os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ad e t a i l e dd e s i g na n dr e s e a r c hc o v e r i n g c o n t r o l ，m a c h i n e r y , c o m m u n i c a t i o n ，a n ds e n s o r s h a sb e e nc o n d u c t e di nt h e t h e s i sw r i t i n gp r o c e s s c o n s i d e r i n gt h et i m e v a r i a n ta n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s o fw i n dv e l o c i t ya n dd i r e c t i o n ，an e wk i n do ff l a gp o s tc o n t r o ls y s t e mw h i c h f e a t u r e sw i n dv e l o c i t ya n dd i r e c t i o nd e t e c t i o na n da n g l es e l f - c o r r e c t i o n i s d e v e l o p e d t h et h e s i sf i r s te l a b o r a t e st h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ed e s i g n o ft h es e r v os y s t e ma n dt h em e c h a n i c a ls y s t e m ，l a y i n gs p e c i a le m p h a s i so nt h e s e l e c t i o no ft h es e r v om o t o r , a n dt h ec a l c u l a t i o na n dm a t c h i n go ft h er e d u c t i o n r a t i oo ft h er e d u c e r t h et h e s i sp r o c e e d st od i s c u s sa b o u tt h eu s ea n ds e l e c t i o no f s e n s o r s t h es e l e c t i o no ft h es e n s o r sh a sb e e nt h ed e c i s i v e f a c t o ro ft h e s u c c e s s f u ld e s i g n t h es e l e c t i o no fs e n s o r sb e c o m e sc l e a ro n l ya f t e rt h es y s t e m d e s i g nh a su n d e r g o n et h et r a n s f c i r m a t i o nf r o ma c t i v ew i n dd e t e c t i o n t op a s s i v e w i n dd e t e c t i o n t h e n ，t h et h e s i sd e s i g n st h es y s t e ms o f t w a r e ，p r o g r a m st h ep l c ， f i x e st h ep i dp a r a m e t e r s ，a n dd e v e l o p st h em o n i t o ri n t e r f a c eo ft h eu p m a c h i n e t h ef i n a ls t a g ei st h ec o n s t r u c t i o na n dt e s to ft h ep r o t o t y p e o u t d o o rt e s to f t h ep r o t o t y p ep r o v e ss u c c e s s f u l ，a n dt h es y s t e mr e a l i z e st h ep u r p o s eo ft h e d e s i g no fp a s s i v e l yd e t e c t i n ga n df o l l o w i n gt h ec h a n g eo ft h ew i n dd i r e c t i o n d u et ot h el i m i t e ds p a c ea v a i l a b l ei nt h ep r o t o t y p e ，e l e c t r i ch e a t e ra n dl i g h t n i n g r o da len o ti n c l u d e d t h es y s t e mc a nr e a l i z es e l f - u n m o o r i n ga n db l o w i n gw i n d w h e nt h ew i n ds p e e ds u b d u e s t h es y s t e mf e a t u r e sl o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hr e l i a b i li t y , a n dw i d ea p p l i c a b i l i t y t h es y s t e mw i l lb ep e r f e c t e di nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：y a wc o n t r o ls y s t e m ；f l a g p o l e ；p i d ；s e r v o m e c h a n i s m i v 日三茸 日刊k 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题的研究背景2 1 3 课题主要研究工作2 1 4 课题的创新点4 第二章新型旗杆控制系统总体方案5 2 1 风速风向监测及角度自纠偏系统结构及组成5 2 2 传动系统设计5 2 2 1 减速器概述5 2 2 2 二级齿轮减速器的结构及特点6 2 2 3 展开式二级圆柱齿轮减速器6 2 2 4 传动装置的运动和动力参数计算7 2 2 5 步进电机特点8 2 2 6 步进电机的选型9 2 3 步进电机驱动系统的设计1 0 2 3 1 概述1 0 2 3 2 步进电机驱动系统的组成1 1 2 3 3 步进电机驱动器的特点1 2 2 3 4 两相混合式步进电机驱动电路1 2 第三章超声接近传感器感知风速风向的实现与验证1 5 3 1 智能控制的发展1 5 3 1 1 控制理论的产生发展和所面临的挑战1 5 3 1 2 传感器技术的应用1 6 3 2 超声波接近方案的设计一1 7 3 2 1 系统通过超声传感器完成纠偏动作的工作流程1 7 3 2 2 超声波接近传感器工作原理1 8 3 2 3 超声波接近传感器发射电路1 9 3 2 4 超声波接近传感器接收电路2 0 3 3 超声波接近传感器的实际应用与测试2 l 3 3 1 超声接近传感器性能描述2 1 v 息 5 4 1p t 0 输出的配制方法 5 5 串行通讯技术 5 5 1r s 2 3 2 与r s 4 8 5 5 5 2 串行通信的信号定义与编码 5 5 3 工作模式 5 5 4 传输速度 v i 毖 筋 衢 拍 打 四 n 弛 弘 弘 i ； 的 们 们 们 虬 铊 铊 鹳 舛 必 必 钉 的 印 5 5 5 串行通信端口的比较5 1 5 5 6 工控机与p l c 以及传感器的连接5 2 第六章试验样机制作调试及监控界面设计5 3 6 1 试验样机的制作5 3 6 1 1 机械部分5 3 6 1 2 电气部分5 5 6 2v b 的应用及系统软件组成5 5 6 2 1v i s u a lb a s i c 的主要特点5 6 6 2 2 系统组成5 6 6 2 3 监控中心软件系统的总体结构5 7 6 2 4 上下位机的服务结构5 7 6 2 5 运行模式5 7 6 2 6 系统特点5 8 6 3 管理级监控软件的设计5 8 6 4 监控中心界面设计5 9 6 5 监控软件接收程序6 1 第七章总结6 5 参考文献6 7 致谢7 1 v i i v i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 升国旗对大家来说是一件非常平常的事情，但大家可能都遇到过这样的情况：升旗 的时候由于风向与升旗方向不一致导致升旗手在升旗过程中不能很好的将国旗抛出甚 至被国旗圈在其中，下午降旗时因为一天当中风向的不断变化使国旗牢牢缠死在旗杆顶 端，前来降旗的棋手更是满头大汗，狼狈不堪，以上的情形若出现在大型严肃的场合， 引起的负面效应不言而喻。 为了避免以上情况的发生，使国旗始终迎风飘扬，本文设计了一套具有风速风向监 测及角度自纠偏功能的新型旗杆控制系统。以旗杆为研发对象，针对户外风速风向问 题设计了可以实时调整角度与风向一致的角度纠偏及自行解绕系统。它是一个被动 调整系统，当风向改变使国旗偏离原点大于9 0 度时，飘扬的旗帜触发设置在旗杆 顶端的超声波接近传感器，控制系统根据超声波接近传感器的信号，按一定的逻 辑控制规律控制伺服系统将整个旗杆底座旋转相应度。当风速降低小于某一值时， 国旗处于自然垂直状态，这时旗帜会触发设置在旗杆某处的超声波接近传感器， 系统趁机进行解缆动作继而自动出风是国旗飘扬；本系统冬天还可以通过电加热 来消除霜冻干扰；后期还加入防备设备，用以避免雷击和电磁干扰。 本课题涉及控制、机械、伺服系统、串行通信、传感器及防雷六个方面。 控制方面：由于风场中的风向随时会发生变化，且因风向具有离散性和存在湍流作用， 受其影响，无法用精确的数值来描述其具体状态，难以建立精确的数学模型n3 。课题前期 反复试验各种风速风向传感器并配合模糊p i d 控制，但效果均不能达到预期效果，旗杆 角度纠偏及自行解绕系统是一个典型的非线性系统，由于风向的这种模糊性，最终采用 被动对风方式进行控制。 机械方面：由于课题设计为旗杆连带基座整体旋转，体积和质量都非常庞大，因此 需要设计一套齿轮减速装置配套伺服电机实现控制目的。 传感器的选型：由于旗杆的局限性和特殊使用场合，根本不可能在其上安装风向标 和风速仪，因此选择一套既美观小巧又能快速准确传递风速风向信号的传感器成为本课 题的又一亮点。 伺服系统：伺服驱动系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统， 例如数控机床等。伺服系统中的驱动电机具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等 特点。满足本系统对电机控制精度要求较高的特点。 串行通信：串行是计算机上一种非常通用的设备通信协议，串行同时也是仪器仪表 造并应用到风电装置中，为绿色环保事业做出应有的贡献。 1 3 课题主要研究工作 通过对风场中风速风向一天中的变化进行监测和分析，充分认识到目前新型旗杆控 制系统存在的技术瓶颈，特别是在采集实时风速j x l 向信息方面遇到极大的技术困难，因 此在这方面做了大量的实验。本论文主要研究方面包括： ( 1 ) 风速风向记录研究及传感器的选型。i j 期否定多种风速风向传感器，曾准备 试用一套超声风速风向仪v a i s a l aw s 4 2 5 。它的测量原理基于超声传输时间。超声探 头从一个探头传送到另一个探头的时间是与风速及超声通路有关。传感器探头之间保持 1 2 0 度的夹角。w s 4 2 5 是美国国家气象中心机械式风速风向仪的替代产品，它无需定期维 护，可有效进行温度、湿度、压力补偿，传感探头内部加热器可有效防止冻雨及冻雪灾 害，适用于航空、公路、铁路、气象、能源等行业，测量范围：风速0 - - - 6 0 m s + 0 1 3 5m s ； 风向o _ _ 3 6 0 度。输出：r s 2 3 2 4 8 5 4 2 2 ，s d i _ 1 2 及模拟输出。响应特性：最大读取速率 1 秒、响应时间0 3 5 秒。常规：工作电压l 1 5 v d c ，1 2 m a ；- i - 作温度：5 5 斗5 5 摄氏 度憎1 。以上技术指标均符合要求，但由于价格及其昂贵，没有办法进行试验，最终也只 2 第一章绪论 能放弃。 导师也提到一种被动感应方式，此方式是将旗杆顶端的圆球脱离出来，做成可以活 动的，在圆球底部设置八个及其敏感的压力传感器，风向吹动旗杆顶端圆球偏离极小一 点距离压力传感器便可感知，但是这套系统稳定性不好把握，特别对加工要求很高，施 工的要求也很严格，后期维护也麻烦，所以也没有被采用。 最终选定基于超声波接近传感器的被动调整系统。常见的非接触接近传感器有电 感式、电容式、光学式、超声波式和微波式等，均具有各自的优点和缺点。电感式由一 个电感线圈产生磁场，当金属物体接近此磁场时，金属物体上产生的紊流电流会产生反 向场并影响振荡线圈的振荡。电感式接近传感器具有结构简单，价格便宜，灵敏度高， 适于工业环境应用及微型化等优点，但也存在只能检测金属物体的缺陷【3 j 。电容式通过 检测物体靠近时引起的两片电容电极间电场变化检测物体接近，可用于检测任意物体且 结构简单、价格便宜。然而电容式接近传感器需要两个电极，不适于微型应用，此外环 境灰尘对其精度的影响也较大【4 】。光学式通常是由一个发射器发射一束激光，一个接受 器接收从物体上反射出的光，从入射和反射光的相位差可以判断物体的距离。红外式利 用红外线反射定位的原理确定物体的接近情况，在实际生活中使用较普遍，技术相对成 熟。但在户外检测特别是太阳光直射的情况下影响较为明显。微波传感器是采用微波技 术，用于探测运动物体的传感器，该传感器主要由用于发送微波及探测移动物体的型腔 和将探测到的运动物体信号转换成a 、b 两相差动输出信号的转换电路两部分组成。由于 微波传感器的高灵敏度和高可靠性。其越来越受到人们的重视，应用领域也在不断地拓 宽嘲j ( 2 ) 目前，p i d 控制及其控制器或智能p i d 控制器( 仪表) 已经很多，产品己在 工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的p i d 控制器产品，各大公司均开发了具有 p i d 参数自整定功能的智能调节器( i n t e l l i g e n tr e g u l a t o r ) ，其中p i d 控制器参数的自动调 整是通过智能化调整或自校正、自适应算法米实现。有利用p i d 控制实现的压力、温度、 流量、液位控制器，能实现p i d 控制功能的可编程控制器( p l c ) ，还有可实现p i d 控制 的p c 系统等等哺1 。p i d 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，本课题采用的 是临界比例法。利用该方法进行p i d 控制器参数的整定步骤如下：首先预选择一个足 够短的采样周期让系统工作；其次仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出 现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；最后在一定的控制度下通过 公式计算得到p i d 控制器的参数。 ( 3 ) 设计一套可以使整个旗杆连带基座缓慢稳定转动的减速齿轮组。由于要 风向监测及角度自纠偏新型旗杆的设计开发 使旗杆稳定缓慢匀速旋转，本文决定使用旗杆连带基座整体旋转方案，但考虑基 座体积和重量庞大，伺服电机无法承受，且要求低速旋转，所以需要设计一套减 速装置。 减速器的种类很多。常用的齿轮及蜗杆减速器按其传动及结构特点，大致可分为三 类：齿轮减速器；蜗杆减速器；行星减速器。本文最终选用二级圆柱齿轮减速器，它 主要由齿轮、轴、轴承、箱体等组成，具有效率高、寿命长、维护简便的特点口3 。 ( 4 ) 研究超声波接近传感器模块与上位机( 工控机) 的串行通讯功能，以及信息 读取，命令显示，数据库存储等功能。 ( 5 ) 由于旗杆一般置于空旷的广场而且比较高，所以必须考虑到防止雷击，地基 内的设备也需要考虑和解决电磁干扰。 1 4 课题的创新点 ( 1 ) 将风力发电中偏航的概念运用到旗杆当中，将原有的升旗方式彻底提高 到一个层次。 ( 2 ) 利用超声波接近传感器被动感知风速风向变化，充分做到美观大方。既 能获得良好的控制目的，又不影响旗杆的整体外形。 ( 3 ) 恒温加热器的加入，传感探头内配备恒温控制加热器，防止冻雨和冻雪形 成。 ( 4 ) 具有自动解缆功能 4 第二章新型旗杆控制系统总体方案 第二章新型旗杆控制系统总体方案 2 1 风速风向监测及角度自纠偏系统结构及组成 风速风向监测及角度自纠偏系统主要由核心控制单元、传感器单元、伺服控制系统 和减速装置四部分组成，如图2 1 所示。此课题的最大特点是利用国旗的随风摆动来被 动感知风速风向，对超声波接近传感器的灵敏度以及施工精度要求很高。核心控制单元 用来接收传感器发回的信号，经过计算确认风向改变或风速小于设定值后，向伺服控制 系统发送命令。伺服控制系统接收到控制信号后伺服电机运行驱动旗杆基座转到指定位 置。系统中用来连接伺服电机和旗杆基座的是减速装置，减速装置的设计合理与否，直 接影响到整个系统的运行。 4 6 2 图2 1 系统结构劁 1 一伺服电机；2 一联轴器；3 一减速装置；4 一旗杆基座；5 一编码器；6 一传感器 2 2 传动系统设计 2 2 1 减速器概述 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大 转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。齿轮减速器是减 速电机和大型减速机的结合。无须联轴器和适配器，结构紧凑。负载分布在行星 齿轮上，因而承载能力比一般斜齿轮减速机高，满足小空间高扭矩输出的需要阳1 。 减速器的种类很多。常用的齿轮及蜗杆减速器按其传动及结构特点，大致可分为三 类9 。： ( 1 ) 齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥一圆柱齿轮减速器 三种。 及高、低速级的中心距总和为2 5 0 - - 4 0 0 m m m 的情况下。三级圆柱齿轮减速器，用于要 求传动比较大的场合。圆锥齿轮减速器和二级圆锥一圆柱齿轮减速器，用于需要输入轴 与输出轴成9 0 度配置的传动中。因大尺寸的圆锥齿轮较难精确制造，所以圆锥一圆柱 齿轮减速器的高速级总是采用圆锥齿轮传动以减小其尺寸，提高制造精度。齿轮减速器 的特点是效率高、寿命长、维护简便，因而广泛应用于大型矿山，钢铁，化工，港口， 环保等领域1 。 2 2 3 展开式二级圆柱齿轮减速器 风速风向监测及角度自纠偏系统减速装置选择展开式二级圆柱齿轮减速机，其 结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度，高速齿 轮布置在远离转矩的输入端，这样，轴载转矩的作用下产生的扭矩变形和轴在弯 矩作用下产生的弯曲变形可部分相互抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象， 用于载荷比较平稳的场合，高速级做成斜齿，低速级可做成直齿n 引。展开式二级 圆柱齿轮减速器的总体布置简图如图2 2 所示 6 第二章新型旗杆控制系统总体方案 图2 2 展开式二级圆柱齿轮减速器的总体布置简图 2 2 4 传动装置的运动和动力参数计算 风速风向监测及角度自纠偏系统中旗杆基座设计重量为1 0 0 0 k g ，基座旋转速度 为l m s ，硬齿面传递系数( 法向系数) 为o 3 6 。 ( 1 ) 电机功率选择： f = 1 0 0 0 1 0 x0 3 6 = 3 6 0 0 w p w ：f v = 3 6 0 0 x 1 = 3 6 k w ( 2 ) 电机转速选择： ”。“ 幽上式可得伺服电机功率应选择大于3 6 k w ( 3 ) 计算总减速比 二级圆柱齿轮减速器设计输出轴齿轮直径为3 0 0 m m 。 齿轮周长为：3 0 0 3 1 4 = 9 4 2 m m 输出轴齿轮转速为：等= 1 0 6 m 9 6 0 rfm i n = 、6 r m 所以可得圆柱齿轮减速器的减速比为：篆筹= 1 5 1 ( 3 ) 计算各轴转速 由上式得输入转速为电机额定转速16 r m ，输出转速为1 0 6r m 。 ( 4 ) 计算输入转矩 输入转矩为电机额定转矩3 9 4 n m 。 ( 5 ) 计算输出转矩 输出转矩为输入转矩减速l 匕= 3 9 4 x1 5 1 = 5 9 4 9 4n m 。 7 风向监测及角度自纠偏新型旗杆的设计开发 步进电机特点 ( 1 ) 步进电机没有积累误差：一般步进电机的精度为实际步距角的百分之三到五， 累积。 ( 2 ) 步进电机在工作时，脉冲信号按一定顺序轮流加到各相绕组上( 由驱动器内 形分配器控制绕组通断电的方式) 。 ( 3 ) 即使是同一台步进电机，在使用不同驱动方案时，其矩频特性也相差很大。 ( 4 ) 步进电机与其它电动机不同，其标称额定电压和额定电流只是参考值；又因 进电机是以脉冲方式供电，电源电压是其最高电压，而不是平均电压，所以，步进 可以超出其额定值范围工作。但选择时不应偏离额定值太远。 ( 5 ) 步进电机所承受的外壳表面极限温度：步进电机外壳温度超高第一步会导致 电机的磁性材料产生退磁，继而导致电机力矩下降甚至于最终产生丢步，因此进电 承受的外壳表面极限温度很大程度取决于电机使用的磁性材料的退磁点，一般情况 性材料的退磁点均在摄氏1 3 5 度以上，个别情况甚至高达摄氏2 0 0 度以上，综合上 知摄氏8 0 - 9 0 度的外表温度对于步进电机来说都属于正常范围口3 | 。 ( 6 ) 伴随电机转速的上升，步进电机的力矩会随之下降：其原因在于当步进电机 时，电机各相绕组的电感会产生一个反向的电动势；电机转速越高，产生的反向电 动势越大。由此作用下，电机随转速( 频率) 的增加而相电流相应减小，最终导致步进 电机力矩的下降。 ( 7 ) 步进电机在低转速情况下依然可以运转正常，但如果电机频率高于某一值是便 无法启动，并有啸叫声产生。因此步进电机有一个重要的技术参数：空载启动频率，即 在空载情况下，能够正常启动步进电机的脉冲频率，如果启动频率高于参考值，则电机 不能正常启动，还有发生丢步或堵转的可能。如果在电机带有负载的情况下，应设置更 低的启动频率。只有在使用较低启动频率使电机正常启动后，再按一定加速过程使频率 升到所需高频( 电机转速从低速升到高速) 。即脉冲频率有一个加速的过程，才可以使 步进电机达到高转速状态4 1 。 ( 8 ) 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联 接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用， 此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0 7 倍，因而电机发热小；并联接法一般在 电机转速较高的场合使用( 又称高速接法) ，所需要的驱动器输出电流为电机相电流的 1 4 倍，因而电机发热较大n 5 1 。 ( 9 ) 混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围( 比如i m 4 8 3 8 第二章新型旗杆控制系统总体方案 的供电电压为1 2 - - - 4 8 v d c ) ，电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如 果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能 超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。 ( 1 0 ) 供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流i 来确定。如果采用线性电源， 电源电流一般可取i 的1 1 1 3 倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取i 的1 5 - - 2 o 倍。 ( 1 1 ) 当脱机信号f r e e 为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子 处于自由状态( 脱机状态) 。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求 直接转动电机轴( 手动方式) ，就可以将f r e e 信号置低，使电机脱机，进行手动操作 或调节。手动完成后，再将f r e e 信号置高，以继续自动控制。 ( 1 2 ) 用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向，只需将电机与驱动器接 线的a + 和a ( 或者b + 和b ) 对调即可。 2 2 6 步进电机的选型 。 步进电机是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的理解：给一个电脉冲 信号，电机前进一步，因此被称之为步进电动机【1 6 1 。相对与模拟的电压信号，步进电机 的控制信号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合。 数 选用步进电机时应注意以下几点： 1 、选择保持转矩，通常情况下保持转矩也被称作静力矩，是指在步进电机通电但并 没有转动时，转子因被定子锁住而产生的力矩。因为保持转矩接近于步进电机低转速时 产生的力矩，并且伴随转速的增加步进电机的力矩也会相应的加速衰减，同理输出功率 也会伴随转速的增加而产生相应变化，因此可以得出衡量步进电机负载能力最重要的参 数之一就是保持转矩。一般情况下在选择步进电机时应选用比实际需要大百分之五十到 百分之百力矩的电机，因为步进电机不能过负载运行，即便是瞬间过载都町能造成失步、 停转或不规则原地来回作动n7 。 2 、上位控制器输入的脉冲电流必须够大( 一般要 1 0 m a ) ，以确保光电耦合器稳定 导通，否则会导致步进电机失步；如果输入脉冲频率过高，会因个别脉冲接收不到，导 致步进电机失步。 3 、启动频率不应太高，应在启动程序中设置加速过程，即从规定的启动频率丌始， 加速到设定频率，否则就可能不稳定，甚至处于惰念。 4 、电机如果未固定好，造成强烈共振，也会导致步进电机失步。 5 、了解步进电机的固有弱点：输入脉冲频率过高，易导致丢步；输入脉冲频率过 9 风向监测及角度自纠偏新型旗杆的设计开发 低，易出现共振；转速偏高时扭矩降低明显。 根据参数计算结果及系统需求选择了两相混合式步进电机如下，具体型号及参数如 表2 1 所示： 表2 1 步进电机选犁及参数表 空载 电相空载相 步驱动保持 运行转动 机相电启动电 重 距 电压转矩 频率 惯量 量 型数流频率感 k g k g c m 2 角 ( v )( n m ) ( 千步 号( a ) ( 步每秒) ( m h ) 每秒) 1 3 0 b 0 9 1 y g 4 5 8 0 21 2 075 51 0 0 0 1 0 4 8 49 81 7 0 2 z 2 3 步进电机驱动系统的设计 2 3 1 概述 步进电机是一个把电脉冲转换成离散的机械运动的装置，其与匹配的驱动器共同组 成一个可控的步进电机运动系统，具有良好的数据控制特性。在接受来自控制器( p l c 、 单片机等可编程处理器) 的工作指令( 开关脉冲信号) 时，其驱动器依据工作指令向定 子绕组有序励磁，使定子内部建立一个实时响应的脉动的、非连贯性变化的磁场，并作 用于周边带有很多小齿的转子，使转子产生旋转运动，即施加一个脉冲，马达转动一 步。在理想的情况下，其转子旋转的速度、累计旋转角度完全同步于控制器输入的脉冲 频率及脉冲数，因而，只需在规定的时间内向步进电机运动系统提供有效的工作指令， 转子将会被准确地驱动到设定的角度位置，在进一步的工作指令到来之前，始终保持在 该位置n 8 。 步进电机的双向驱动、固有的刹车制动性能、可适当调整的输出扭矩、功率控制、 精确的位置度、高分辨率、良好的数字交互界面，且仅采用丌环控制即能达到良好的使 用效果等足其显著的优势。而且与伺服系统比较，其单位体积输出功率大、转动惯量小、 无漂流及起动峰涌现象、无位置累积误差等良好优点，是一种成本低廉的数字控制类电 机。 正由于具备以上固有的优点，在众多领域已奠定了其应用地位，并被广泛应用于需 要控制旋转角度、速度、位置和同步性的诸多领域，如办公室自动化、医疗设备、贩卖 l o 第二章新型旗杆控制系统总体方案 机与售票机、舞台灯光、纺织机械及机械制造自动化等n 9 1 。 2 3 2 步进电机驱动系统的组成 步进电机的输入端并不能直接与交流或直流信号源连接，二者之间需要有步进 驱动器。步进电机驱动器的主要作用是控制步进电机各绕组通电顺序符合驱动器的 值，即电机按照输入的电脉冲控制运转。步进电机驱动系统的性能不仅与步进电机自身 性能有关，而且很大程度步进电机驱动器的优劣起主导作用啪1 。 图2 3 为步进电机驱动器的主要构成，一般由分配器、信号放大与处理、推动级、 驱动级和保护线路等部分组成乜。 图2 3 步进电机控制原理图 环形分配器的作用是收集来自控制器的c p 脉冲，并产生符合步进电机转换表要求 的状态顺序的各相导通或截至信号。每接受一个控制器脉冲，环形分配器就会转换_ 次 输出。与此同时控制器的方向信号也必须由环形分配器来接受，从而决定了是按正序或 者反序转换的输出状态，继而步进电机的转向也随之确定口引。环形分配器可以通过两种 方式实现其功能：首先通过软件实现，环形分配器的功能由存在于单片机系统内部的程 序软件完成，各相绕组导通或截止的并行信号由控制器直接输出，这种方法需要一个存 储环形分配器的输出状态表的区域，一般此区域均在内存r o m 区域丌辟，系统软件按 照步进电机实际运行需要向电机输出口发送按正反转顺序依次从状态表的内容中取出 的信号，最终实现步进电机励磁状态的转换，这种实现方式也被称为并行控制；其次是 通过硬件实现，步进电动机驱动器和控制器之间有两条控制线，一条用来发出时钟脉冲 串，方向电平信号则由另外一条发出，时钟脉冲串和方向电平信号都被送入环形分配器 的输入端，环形分配器再将二者转换成并行驱动信号，用来控制各相绕组的导通与截止， 这种方式的系统构成相对简单，被称为串行控制。 从环形分配器输出的时钟脉冲串信号及方向电平信号又被送入信号放大器与处理 级当中。信号放大器可以将进入的信号加以放大，放大成下一级系统可识别的信号送入 推动级，这个放大过程既需要电压放大，同时也需要电流放大瞳3 l 。实现信号的某些转换、 合成等都足通过信号处理来完成，还可产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而完成对 风向监测及角度自纠偏新型旗杆的设计开发 特殊功能的驱动。 推动级的作用是将较小的信号加以放大，使之成为足以推动驱动级输入的理想信 号。 保护级主要保护驱动级的安全，过流保护、过热保护、过压保护及欠压保护的设置 都是通过保护级进行设置犯们。直接连接到步进电机各相绕组，来自推动级的信号由驱动 级接收，控制电动机各相绕组的导通与截至，同时也可以控制绕组承受的电流及电压。 2 3 3 步进电机驱动器的特点 步进电动机若想满足各种需要的输出，其驱动单元必须可以将足够的电压和电流提 供给电动机绕组，但步进电机驱动器和其他电子设备的驱动器有许多不同之处，其表现 主要有： 1 、各相绕组都采用丌关方式工作，多数电动机绕组供电都采用连续的交流电或直 流电，但步进电动机各相绕组供电方式都是脉冲式，因此其绕组上的电流不是连续的瞳5 | 。 2 、步进电机各相绕组线圈都是直接绕在铁心上的，所以其产生的电感较大。绕组 在通电时会限制到电流的上升率，继而影响到电机绕组电流的大小。 3 、当绕组出现断点时，绕组中已有的电流会被电感中磁场的储能维持住不能发生 突变，结果便是本应被电流截止的相不能立即截止。所以为尽快截止电流，设计了一个 续流回路。当绕组导通和截止时都会产生较大的反电势，特别在截止时反电势将会对驱 动单元器件的安全产生有害的影响。 4 、步进电机运转时会在各相绕组中产生旋转电动势，这些电动势的大小和方向将 会很大程度上影响绕组电流。由于旋转电动势基本上与电机转速成正比，转速越高，电 势便越大，绕组电流相应越小，从而导致电机输出转矩也随着转速的升高而相应下降。 步进电机驱动器线路，首先必须保证绕组有足够的电流和电压及正确的波形，其次 还必须保证功率放大器件的安全运行。除此之外还应有较高的效率、较小的功耗以及较 低的成本。以上也就决定了必须要有设计合理的线路，且需选用合适的功率器件。 2 3 4 两相混合式步进电机驱动电路 在本系统中，步进电机驱动电路采用的方式为斩波恒流驱动方式，采用此驱动方式 保证了当步进电机在低频或者高频工作时，都有恒定的转矩输出啪1 。同时为了使系统的 可靠性得到保证，当控制电路满足应有的功能要求时，还应有相应的保护电路组保障。 风速风向监测及角度自纠偏系统步进电机驱动电路犯7 1 如图2 4 1 2 第二章新型旗杆控制系统总体方案 二二_ 。一 v g g - 旧上+ 1 咿 纠7 i ， r e x e i i 赫 x 眦 h 6 p 1 1 r 吐 p 1 o x i u l p 3 2 p 3 3 p 3 4 p 1 3p 1 5 p 1 2 p i4 o ( r x b p 35 p 31 ( i x 西 1 3 7 图2 4 风速风向监测及角度自纠偏系统步进电机驱动电路 1 3 风向监测及角度自纠偏新型旗杆的设计开发 1 4 第三章超声接近传感器感知风速风向的实现与验证 第三章超声接近传感器感知风速风向的实现与验证 3 1 智能控制的发展 3 ，1 1 控制理论的产生发展和所面临的挑战 自动控制作为一门新兴学科形成和发展于本世纪中期。它是一门交叉学科，涉及到 诸如数学、计算机、信息、电子等众多领域。在很多的技术和社会领域当中自动控制的 应用和影响已经很大普及。若把1 9 3 2 年奈魁斯特( h n y q u i s t ) 所著的关于反馈放大器稳定 性的论文作为起点，的发展才只走过近8 0 年历程。在这期间内，自动控制经历了从经典 控制理论到现代控制理论的过渡，又经历了从现代控制理论到智能控制阶段啪1 。 动态系统是自动控制的研究对象，其中又可分为线性系统和非线性系统、时不变系 统和时变系统、确定系统和随机系统、集中参数系统和分布参数系统、单变量系统和多 变量系统以及连续系统和离散系统。自动控制的目的主要是在给定的指标函数下，充分 利用所有信息，设计控制器使被控系统具有稳定性、最优性、鲁棒性以及快速性，实现 方式尽可能地简单和易于控制。 传统控制理论有一个共同的特点是以被控对象的精确数学模型为基础，也就是洗被 控对象和干扰都要用严格的数学方程和函数表示，一般有直接明确的控制任务和目标， 控制对象的不确定性和外界变化都必须控制在很小的范围内啪1 。其解决问题的基本思路 为：第一，为被控对象建立精确的数学模型，再根据数学模型进行分析，最后控制器的 设计也必须依靠以上数学模型和分析结果。虽然控制理论经历近8 0 年发展，建立了较为 丰富的理论和方法，并在各个领域得到成功应用，但由于诸如非线性系统等相当多的被 控对象并不能用机理分析或系统辨识的方法获得足够精确的数学模型，以至于至今仍然 不能很理想的解决某些问题。 为了使上面所列举的复杂控制问题得到解决，智能控制作为一个新的方向在最近几 年得到很快发展。智能控制结合了传统控制理论、人工智能的理论和技术以及运筹学的 优化方法，它可以仿效人类的智能，有效解决被控对象和环境所具有的高度复杂性和不 确定性，实现对系统的智能控制。智能控制系统以知识库做为基础，具有适应功能、学 习功能以及组织功能。目前智能控制的理论体系并未精确建立，但是在控制领域研究神 经网络控制、模糊控制、专家系统、遗传算法已成为焦点，获得了很多成功的应用；逐 渐成为公认的智能控制方法。 从控制学科的发展历程可以看出，伴随旧问题的解决，还有新问题不断涌现，反过 来又刺激着新概念、新思想和新方法的诞生。在这样一种良性循环中智能控制学科得到 迅速发展。而其发展的动力主要来自三方面的需要： 风向监测及角度自纠偏新型旗杆的设计开发 1 处理越来越复杂的系统的需要； 2 实现越来越高设计目标的需要； 3 在越来越不确定的情况下进行控制的需要。 正是这些需要，使传统的控制方法一次次受到挑战，新思想和新方法应运而生。 3 1 2 传感器技术的应用 感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其水平高低是 衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。传感器产业也是国内外公认的具有发展前 途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为 世人瞩目。传感器产业面临的挑战来源于人类社会迫切要求改变信息摄取的落后现状。 传感技术的落后已成为影响自动化业发展的瓶颈口引。 我国众多自动化方面的专家呼吁：目前复杂系统越来越复杂，自动化已经陷入低谷， 其主要原因之一是传感技术的落后，一方面表现为传感器在感知信息方面的落后；另一 方面也表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。另外，分析仪器产业迫切 需要新型传