（电工理论与新技术专业论文）直流电机计算机控制综合平台数据采集与接口研究.pdf

徭；熙_ _ ：! ! 蔓烈 西“z t 太晕萌t 论盘 a b s t r a c t m e c h a t r o n i c s i s d e v e l o p e dr a p i d l y i nr e c e n t y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n t o f m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g yr e q u i r e sas t u d e n tt op o s s e s sb o t hm e c h a n i c a la n dc o n t r o l k n o w l e d g e ，a n dt o b ea b l et oc o m b i n et h e mi n s t u d ya n dp r a c t i c e s u b j e c t s0 1 1 c o m p u t e rc o n t r o l a r ei m p o r t a n tt ot h es t u d e n t s k n o w l e d g ec o n s t r u c t i o na n dt h e i r f u t u r ew o r k f a c i n gt h e h i s p e e dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e n e c e s s i t y t o i n t e g r a t e i tw i t ht r a d i t i o n a lm e c h a n i c s ，t e a c h e r ss h o u l d a d o p t n e w t e a c h i n gm e t h o d st oi m p r o v e t h et e a c h i n gr e s u l ta n d d e v e l o ps t u d e n t sa b i l i t yt h r o u g h c a s es t u d y i no r d e rt oa s s i s ti n t e a c h i n g ，c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m f o rd cm o t o ri s p u t f o r w a r di nt h i s p a p e r t h ew h o l ed e s i g ai s b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do f m o d e md e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y w i t ht h ea i do fe d at o o l s ，m o d e m e l e c t r o n i cc i r c u i ta n ds y s t e md e s i g nt h e o r y , s o m ek e yp r o b l e m si nt h ed e s i g na r c r e s o l v e d ，s o m ec i r c u i t sa r es i m u l a t e d ，s ot h ee f f i c i e n c yi sg r e a t l yi m p r o v e d t h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h eo u t p u td r i v i n gs y s t e ma r ed e s i g n e de m p h a t i c a l l yi nt h i s p a p e r i t sb a s e d o np c p a r a l l e lp o r ta n di m p l e m e n t e dt h r o u 曲s o f t w a r ea n d h a r d w a r e t h ei n t e r f a c eo ft h i ss y s t e mi sd e s i g n e di ns e r i a la n dp r e s e n t e di nd e t a i li nt h i sp a p e r , f o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nd a t ac o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l s y s t e m w h a t sm o r e ，t h ef o r m a t i o n so f i n t e r f e r e n c ew i t he l e c t r o n i cc i r c u i ts y s t e ma r e a l s oa n a l y z e da n de f f e c t i v ec o u n t e r m e a s u r e sa r es u g g e s t e d s t u d e n tc a ng r a s pt h ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n i q u e ，c u l t i v a t et h ea b i l i t yo fc o n t r o l t h e o r ya p p l i c a t i o na n di m p r o v e t h ec o m p r e h e n s i o no fm e c h a t r o n i c sw i t ht h ea i do ft h e s y s t e r nw ei m p l e m e n t k e y w o r d s ：m e c h a t r o n i c s ；c o m p u t e rc o n t r o l ； d a t a a c q u i s i t i o n ；o u t p u td r i v i n g ； e d a ；i n t e r f a c e ； 第1 i 砸 瓣要点主蔓杰曼 i 地工业走雪旃士话盘 第一章绪论 机电一体化技术是指在机械技术、电子技术、控制技术、计算机技术、信息 技术和检测技术等多种技术相互交叉、渗透和支配下。以系统的观点进行有机组 合而形成的综合性技术。随着机电一体化技术的发展，机械与控制融合越来越紧 密，而作为其主要部分之一的计算机控制技术也显得越来越重要。 微电子技术直接推动微型计算机急剧发展，二者带动着整个高新技术群体飞 速发展，并迅速转化为巨大的经济效益：高新技术渗透到传统产业。深刻改变着 传统产业，机电一体化正是在这场新技术革命中产生的新兴领域。机电一体化产 品的功能，除了精度、动力、快速性外，更需要自动化、信息化、智能化，而要 实现这些功能，就必须在机电一体化产品的设计中更多地融合进计算机与信息技 术、系统技术、自动控制技术、传感与检测技术、伺服传动技术等技术【”。 国外机电一体化技术的研究、推广、应用工作已开展了许多年，并渗透到工 业、经济、军事和社会生活各个领域，国内也正在如火如荼的推广应用机电一体 化技术。如各高校工科类专业都丌设了机电一体化技术课程，该课程具有很强的 系统性和实用性，试验环节是该课程不可分割的重要组成部分，必须理论联系实 际，通过丌设一系列面向实际应用的试验，才能使学生加深对机电一体化涵义的 理解，进而掌握机电一体化系统的设计方法。 通常的试验设备要么着重研究直流电机速度控制理论，要么着重研究计算机 控制理论，没有将二者有机结合起来，不能更好的反映机电一体化内涵，不便于 学生理解掌握机电一体化的本质。如何把直流电机速度控制理论与计算机控制理 论结合起来，使二者较好的融合于某一平台，这是本文要讨论解决的主要问题。 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 计算机控制的优点 随着微电予技术的发展，微机功能的不断提高以及电力电子、计算机控制技 术的发展，电气传动领域日1 现了以微机为核心的数字控制系统。计算机的发展可 以使复杂的控制规律较方便的实现，以计算机为核心的数字控制技术成为自控领 第1 页 蕊曼点z 蔓蔓曼 i 北工让土晕龋士话土 域的主流，也给直流电气传动的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更薪的 发展阶段【扪。与传统控制系统相比，计算机控制具有以下独特优点： ( 1 ) 对被控对象电动机的各种状态量可以实现快速、宽范围、高分辨 率、高精度的检测，为高性能传动系统的实现提供了基本条件； ( 2 ) 由计算机控制的各类电力电子功率变换装置可以使电动机有接近理想 的可控供电电源，为提高传动系统的性能提供了保证； ( 3 ) 以计算机为核心的控制装置可以完成包括复杂计算和判断在内的高精 度运算、变换和控制。软件的模块化结构可以方便的对应用程序实时增加、更改、 删减，当实际系统变化时也可以彻底更瓶，软件控制的这秘灵活性大大增强了控 制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得以实现； ( 4 ) 使用计算机可以显著改善和提高控制装置的可靠性。集成电路和大规 模集成电路的平均无故障时间大大长于分离元件电子电路； ( 5 ) 精心设计的计算机控制装置体积小、重量轻、耗能少，能降低硬件成 本。 现代科学技术的迅速发展，新兴学科的不断出现和高精尖技术广泛用于生产 实践，自动控制技术与各个领域的结合和渗透也越来越紧密，特别是近年来微电 子技术的飞跃发展，使得计算机控制的实现变得更加方便、可靠、价廉。在许多 工业生产过程中，由于采用了微机控制而获得了显著的社会经济效益。各类机电 一体化产品和系统的出现，深刻地改变了人们的设计思想，改变了人们对机械工 程的认识和对机械工程师知识结构的要求。其主要表现是： ( 1 ) 在计算机技术、传动与控制技术新进展的推动下，机械技术已经取得 了长足的进步； ( 2 ) 机械技术已成为多学科的交叉点和融合点； ( 3 ) 机械自动化意味着现代机械技术正在向精密化、智能化、集成化和系 统化方向发展。 面对这一形势，不仅是自动化专业的学生，而且机械专业的学生也急需掌握 自动控制技术和计算机控制技术，以便用于旧设备的技术改造或新设备、新产品 的研制) j ：发。 1 2 2 计算机在机电一体化中的地位 i in i 算机微型化乖i 信息处理功能的增强，以微型机为核心已成为机f 乜一体 化系统的t 要构成形念。计算机技术的巨大进步促进了工业机电体化变革，从 甲期的机械电予化转变为机械微电子化和机械计算机化。在机电一体化系统r h 微裂计算机收集和分析处理信息，发出各种指令去指挥和控制系统的运行，还提 第2 甄 瓣曼也曼蔓蔓曼 j 北工业太晕硕士话土 供多种人机接口，以便观测结果、j l ：【视运行状态，实现人对系统的控制和调整。 微型计算机在机电一体化系统中的功用大致如下： ( 1 ) 对机械工业生产过程的直接控制。其中包括顺序控制、数字程序控制、 赢接数字控制； ( 2 ) 对机械生产过程的监督和控制。如根据生产过程的状态、原料和环境 因素，按照预定的生产过程数学模型计算出最优参数，作为给定值以指导生产的 进行，或直接将给定值送给模拟调节器，自动地进行整定、调整，传送至下一级 计算机进行直接数字控制； ( 3 ) 对车间或全厂自动生产线的生产过程进行调整和管理： ( 4 ) 直接渗透到产品中形成带有智能性的机电一体化新产品，如机器人、 智能仪器等。 机电一体化系统的微型化、智能化、安全、可靠、低价、易于操作的特性都 是采用微型计算机技术的结果，微型计算机技术是机电一体化中最活跃、影响最 大的关键技术。 1 2 3 机电一体化试验平台研究现状和发展趋势 近年来，随着电子计算机和自动控制技术的发展，电机与电力电子装罨构成 的控制设备相结合逐步发展成机电一体化产品，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机电一体化及自动化学科发展的必 然趋势。电力电子技术、电机控制、计算机控制等课程是机电一体化的重要内容， 试验环节则是这些课程不可分割的重要组成部分，因此，有必要加强试验教学， 丌发配置全面、功能齐全、结构紧凑、使用方便、体积小而适应面广。且有扩展 能力的新型试验装置。国内已有不少单位和学校作了可贵的探索1 4 - 6 1 ，比如：上 海工程技术大学研制了d g s y 一1 型多功能试验系统，可为电力电子技术、电机 控制类提供2 0 多个试验；上海铁道大学研制了多功能自控系统试验仪，可进行 赢流调速试验和位置随动试验；一k 海交通大学研制了j d k 一2 型机电一体化教学 试验装置，该装置由以单片机为核心的控制板和设有直流电机、机械本体的系统 底板两人部分组成，可进行直流电机位置、速度等控制；淮阴工业专科学校丌发 了山单片机控制的微型铣床和大中型数控机床，可以完成数控原理和电机控制试 验。这些试验系统的丌发，极大的方便了学生对机电一体化相关知识的学习，学 q i 通过槲应试验的训练，可以加深、巩同理论知识，更好掌握各电力电rr 乜路、 稠速系统的调试方法，培养和提高实践动手能力、分析和解决问题的独_ 奇= 一亡作能 力。 似是，这些试验系统大多都采用大量的硬件模拟电路，如晶体管、各种线性 第3 砸 静要点主蔓生篁 面北工业上学确士论土 运算电路等，或者以单片机作为主控单元来实现电机各控制功能。由于单片机及 硬件模拟电路自身的局限性，系统在数据处理、图形显示、控制的实时性等方面 并非尽善尽美；元件长时间工作后可能会老化，易于受外界干扰影响，致使系统 的运行特性也随之变化；无法兼顾系统的快速性和准确性两方面要求，难以达到 最佳效果；同时这些系统与计算机控制理论结合也不是很紧密，不便于学生学习 理解计算机控制理论。 近年来，计算机技术得到了突飞猛进的发展，微型计算机的运算速度、图形 处理能力、管理能力都有了极大的提高，并且价格再下降，同时各种控制软件 层出不穷，以计算机为核心的控制装置可以完成包括复杂计算和判断在内的高精 度运算、变换和控制，软件的模块化结构可以方便的对应用程序实时增加、更改、 删减，当实际系统变化时也可以彻底更新。软件控制的这种灵活性大大增强了控 制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方法得以实现，对被控 对象电动机的各种状态量可以实现快速、宽范围、高分辨率、高精度的检测， 为高性能传动系统的实现提供了基本条件；由计算机控制的各类电力电子功率变 换装置可以使电动机有接近理想的可控供电电源，为提高传动系统的性能提供了 保证；故在许多领域，计算机控制将陆续代替常规控制器。 1 3 机电一体化综合平台构建 一个较完善的机电一体化系统。应包括以下几个基本要素：机械本体、动力 与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。可以将这些部分 归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组 成要素；这些组成要素内部及其之问，通过接口耦合、运动传递、信息控制、能 量转换有机融合集成为一个完整系统。 基于以上原理，本综合平台的机械本体选用一适当尺寸的铁板作为底板，所 有的电路板以及电机和传动装置都安装在该铁板上，铁板上安装有横梁，电机和 转轴都安装在横梁上； 本综合平台的动力驱动部分山功率放大器从电源获取驱动电动机按照设定 规律运转所需的能量： 本综合平台传感测试部分为直流测速电机、旋转电位器、光电码盘、槽盘等 测试装置，检测系统运行中的各种参数及状态，并转换为合适的电信号，代输到 信息处理部分，经分析、处理后产生相应的控制信息： 本综合平台控制及信息处理部分由计算机、模拟电路、逻辑电路、数掘采集 电路、i ，0 接 1 等组成。 鹅4 呃 瓣弛点蔓烈 i 北工业太葶硪t 话主 1 4 本文研究目的和意义 机电一体化的发展表明，自动控制、计算机控制、电子技术等学科对机械学 科本身的渗透已非常深入，电机控制也更多的由模拟控制转向直接数字控制，高 校迫切需耍一种结构紧凑、操作方便、容易控制、便于维护、安全可靠的试验装 置，能更好地综合多方面技术，辅助讲解机电一体化内容，使学生通过理论与实 践相结合的直观操作，很快提高对机电一体化系统的感性认识和理性认识。 本文旨在利用计算机控制中的直接数字控制理论，结合必要的机械技术和电 子技术以及自动控制技术，设计合适的系统，以便于学生更好的理解掌握机电一 体化相关学科知识，并分析其环节和系统组成，从实际出发，以应用为目的，以 实例来加深对理论知识和各种概念的理解。 1 5 本文主要研究内容 本文综合运用机电一体化技术和直流调速及直接数字控制原理，完成如下 内容设计： ( 1 ) 设计一机械装置，主要为传动机构： ( 2 ) 设计相应的传感测试装置，完成各被控参数和状态的检测； ( 3 ) 设计电路驱动模块，实现电机驱动及各信号的放大和调理： ( 4 ) 设计数据采集系统，实现数据的采集、存储、转换等功能； ( 5 ) 设计接口模块，实现各控制信号及数据的传送、存储、输入输出等功 能。 1 6 本章小结 机械技术、直流调速、电子技术及计算机控制是机电一体化的重要内容， 它们和机屯一体化技术有着十分密切的关系。而试验环节则是有效学习这些 相关知识不可缺少的部分，由于目前国内试验装置的局限性，迫切需要新的 综合试验平台，以便于配合高校教学和学生学习。本章分别介绍了机电体 化技术的概念、组成部分、发展现状和发展趋势，并介绍了机电一体化综合 、卜台的研究现状，提出构建了一种新的综合平台，并阐述了研究木平台的i i i 的和意义及主要研究内容。 第5 页 繇黜z 上矗要 i “工址上学龋t 俺盘 第二章平台设计方案研究 2 1 引言 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 机电体化学科发展的必然趋势。由于机电一体化技术强调整体最佳化，其核心 是控制理论，因此本综合平台应以控制理论为核心，以机电一体化传动系统为主 线，以直接数字控制为手段展开设计，其主要内容应包括： ( 1 ) 直流伺服电机位置信号和速度信号的测量、采集与处理： ( 2 ) 直流伺服电机开闭环控制、速度控制： ( 3 ) 输入输出部分接口电路的设计； ( 4 ) 平台机械部分的设计。 本章将针对以上问题提出实现本机电一体化综合平台功能的设计方案，设计 方案将围绕机电一体化系统的组成要素和组成原则展开。 2 2 平台各组成部分介绍 2 2 1 平台设计原理概述 由于本综合平台设计目的主要是为方便高校讲解、学生学习理解机电一体化 的基本原理和系统组成以及相关学科知识，藉此提高学生运用机电一体化技术解 决实际工程问题的能力，也为他们今后的学习与发展打下良好基础，故本平台应 尽量多的包含机电一体化系统中的共性关键技术，如：机械技术、计算机与信息 技术、系统技术、自动控制技术、检测技术、伺服传动技术，不求面面俱到，但 必须突出重点，尤其是与工业领域密切相关的技术。 高校教学大纲的调整要求用尽量少的学时传授尽量多的知识，这就要求本综 合平台应密切联系教材，确保多数教学内容可结合试验教学进行讲解，使学生能 够理论联系实际，加深对机电一体化内容的理解，并培养提高学生的实际动手能 力和分析综合能力，从而既减少学时，又扩大传授知识的容量，解决教学学时不 够的矛盾。 因为机电一体化的核心是控制理论，故本综合平台不应只采用电予显示或i u 路模拟的方法，而要将计算机、电子与机械结合起来，更多的运用控制理论、讲 第6 负 曼艘z 麒曼 哥此工业太学硪t 话盘 解控制理论。我们知道，学习任何一门新技术都包括两个过程：首先学习理论， 即要搞清楚、弄明白理论知识是什么；其次学习怎么运用这些新知识、新技术为 生产实践服务。实践在这两个过程中起非常重要的作用，而试验是最常见的宴践 形式。木文所设计的综合平台应既能通过试验来验证控制理论，更要能通过试验 来模拟、构造类似工程实际问题的系统，所以本平台必须集计算机、机械、电子 及控制技术于一体，使之更接近于工程实践。 试验系统的一个显著特点是要求使用简便、容易控制操作，使学生通过理论 与实践相结合的直观操作，能巩固所学知识，很快提高对所学理论的认识。同时 从维护角度来看，要求最好体积小、重量轻、安全系数高、造价低，以便于维护。 现在各种控制软件层出不穷，为了延长本综合平台的生命周期，本平台硬件 电路应具有通用性，系统升级和功能扩展应主要在软件上实现。基于计算机的强 大功能和虚拟仪器技术，本文用软件代替了大部分传统硬件电路来实现直流电机 各控制功能。 2 2 2 平台结构框图 本综合平台主要由电机模块、检测反馈装置、输入输出接e l 模块、微型计算 机控制装置、直流电源和外部参考电压给定装置等组成，系统框图如图2 1 所示。 图21 系统组成框削 因为主要研究电机直流调速控制原理，故本平台采用直流电源，以提供系统 n i 常工作所需电压。维持各硬件电路和电机正常工作。电机工作时其速度、位胃 等参数经适当的检测采集电路检测采集后传送到计算机，计算机巡回检测这些参 数，根据规定的控制规律进行运算，然后发出控制信号经反馈通路直接挖制直流 电机，使之按预定规律运动。为了提供更多的输入信号模型，使平台更具有般 性本5 i 台还设计了外部参考输入信号。 第7 页 鳓曼业z 蔓杰曼 j 北工业土晕磺士铪盘 223 框图各部分工作原理概述及要求 一、电机模块 包机模块组成框图如图2 2 所示。 数 悃等 据 q 巫一 采 集 与 接 ii 一 l | 笙| 2 2电机模块组成框图 电机模块主要运用直流电机调速原理【7 1 ，丌环调速系统当电流连续时，有 月：u d o - l d r( 2 21 ) c c 式中，n 为转速，单位为r m i n ；u d 。为整流装氲理想空载整流电压，即电机理想 空载电压，单位为v ；厶为电枢电流，单位为a ；c c 为电动机电势常数，单位为 v m i n r ：r 为电枢回路总电阻，单位为0 。 理想空载时电动机转速为 n ：坠：k p k , u o - ,( 2 2 2 ) ”o p，1r 7 工程实际模型引入了电压放大器( 放大系数为凰) 和触发器及整流装置( 电 压放大系数为疋) ，故电枢端电压为现。= 墨u o p ；因为本平台主要是验证控制 原理，为了简化系统结构，可去掉调速回路中的触发器整流装置，控制电压信号 经放大后直接加到电动机上，即本平台中u d 。= k p 【，0 口，理想空载时电动机转速为 ：了k p u o p ( 2 2 3 ) o eo c 由l 二式可知，改变作用在i 乜动机电枢两端的电压，就可以实现直流电机的速 度调节。 但足开环控制实际稳态转速降落会大大超过允许的转速降落，不能满足生产 一r 艺要求，为改善系统动态性能，通常要采用闭环负反馈控制。 t q p 生产中常引入直流测速发电机，其输出电压与电动机的转速成i f 比， 经放人器转换后作为与转速成正比的负反馈电压嘛，该反馈电压“与转速给定 电r r 砜+ 相比较后得偏差电j 丘碥，经放大调节后加到电动机两端，达到控制 第8 页 籀曼出景美丧曼 哥北工业太荤硒t 话盘 电动机转速的目的。本平台为了实现闭环控制，同样也要引入直流测速电机。 二、检测反馈单元 检测反馈单元包括位置检测反馈和速度检测反馈，这些反馈装冕又包括模拟 控制和数字控制部分。 模拟控制反馈装置主要有测速发电机和旋转电位器。在自动控制系统中直流 测速发电机常用作检测元件，它的基本工作原理与一般直流发电机相同。如图 2 3 所示。 图2 3 他激直流测速发电机 在恒定磁场下，旋转的电枢导体切割磁通产生的空载感应电势为 e ：p q o n x 1 0 - jh ：胁( 2 2 4 ) 6 0 a 式中，e 为空载感应电动势，单位为v ；p 为极对数：壬为每极磁通，单位为 w b ；n 为电报绕组总导体数：a 为电枢绕组并联支路对数；n 为转动速度，单位 为r r a i n ；k 为比例系数，单位为v m i n r 。 空载时，直流测速发电机的输出电压与其转速成正比关系。 测速发电机的基本功能是将机械转速转换为电信号，其输出电压与转速成正 比，测速发电机与电动机安装在同一根轴上，主要反馈与电动机转动速度成正比 的电压信号；输出电位器主要反馈与电动机位置成正比的电压信号，因为电动机 转速比较高时，电动机的位置变化率将会很大，不便于精确测量，故应设计一减 速机构，可把旋转电位器安装到术级减速轴上。 数字控制反馈装置主要有绝对式编码器和光电数字转速检测器【8 】口 绝对式编码器用来测定位置信号。需要设计讨数系统，光敏元件通过旋转码 箍给一系列脉冲，从而测量出旋转的角位移量。其原理为：在表面光洁的圆盘 一k 按一定舰律涂上黑色不透光材料，则白色区域表示高电平“1 ”，可以止光源透 射过去，以便通过接收元件转换为电脉冲；黑色区域表示低电平“0 ”，光源无法 透射过去，故接收元件转换为低电平脉冲。每个数码通道都要设茕一个光源，如 发光二极管。码盘安装在电动机转轴上即可。码盘对应的二进制数可以表示f 【i 动 机的位胃，这组二进制数每次改变时，都只有位发生变化，便于光电接收装置 较准确的接收电脉冲。 第9 页 谚曼点三蔓点曼 i 地工盐太母鞲士话支 数字法检测电机速度利用了光电原理，光电数字式转速检测原理大致可分两 种。一种方法是依据距离分割原理，另一种方法是依据时间分割原理a 后者结构 比较复杂，而前者结构比较简单，本文采用前者。此时被测转轴的转动速度为 n ：6 0 n( 2 2 5 ) p t 式中，n 为被测转轴的转动速度，单位为r m i r an 为计数器的读数，单位为r ； p 为转动圆盘扛的标记数；t 为计数时间，单位为r a i n 。 三、数据采集和接口电路 数据采集系统包括硬件和软件两部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部 分。硬件基本组成如图2 4 所示。 多 弋r 计 路 算 模 拟 机 开 接 关 【i 厂_ j 控制电路辛 幽2 ，4 数据采集系统硬件基本组成 利用传感器把非电量转变为模拟电信号( 如电压、电流等) ，但由传感器转 换得到的电信号通常幅值非常小，而大多数a d c 的满量程输入为5 1 0 v ，故应 引入前置放大器，以满足a d c 的满量程输入要求。又由于信号在通过传感器和 其它电路元器件时可能会引入与信号无关的噪声，故应引入滤波器以消除噪声干 扰。 在数据采集系统中，通常要采集多个物理量，可采用多路巡回检测技术，即 引入多路模拟开关实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路 信号，利用控制电路可以控制确保某时刻只有路模拟输入通道被选通，其它 所有模拟通道均断开，故在控制电路的控制作用下，只需一套采样保持电路、 a d 转换电路就可以实现所有模拟量的采集。 d j 于集成电路设计和制造技术的飞速发展，现在许多a d c 都已经集成了多 路模拟丌关、采样保持器以及部分控制电路，并且各种极性、量程、精度的高 速a d c 层山不穷，价格大大降低，极大地方便了各种数据采集系统的设计，术 综合平台可以选用高速a d c 以代替传统数据采集系统中的多路模拟= r ：关剃采样 保持器以及部分控制电路。 数据传送有串行传送和觉：行传送两种方式。并行通讯是指数据的各位同时进 鳓要点三蔓矗曼 i 北z 让土学旃士话土 行传送，其优点是传送速度快，缺点是有多少位数据就需要多少根传输线；串行 通讯是指数据一位一位的按顺序传送，其突出优点是只需要一根传输线，缺点是 传送速度较慢。以前受集成电路制造工艺发展的限制，并行转送方式是主流，串 行传送方式仪用于远距离传送中，但是随着集成电路制造工艺的发展，器件的速 度大为提高，串行传送的速度有了很大的发展，已经可以达到数m b p s ，其应用 已不再受传送速度的限制，因此各大半导体公司加大了串行接口集成电路的丌发 力度，开发了大量功能各异的串行接口芯片。这些芯片与并行接口芯片相比，具 有引脚少、芯片体积小、接口线少等优点，其应用也越来越广【9 j 。 串行外围接口s p i 是一种同步串行通讯接口，这通讯接口采用单独的三根 信号线( c l k 、d i 、d o ) 传送数据及同步时钟，可以实现全双工通信；出c s 片 选线实现多机通信或扩展多片s p i 芯片。在启动一次传送时由主机( 或c p u ) 产生8 个脉冲传送给从机( 或接口芯片) 作为同步时钟，数据由d o 移出，d i 移入。 本平台对数据传输速度要求不是非常严格，从布线、调试及可靠性的角度考 虑，可以选择用传输速度稍慢一点，但转换精度足够商的串行式元器件来代替传 统的并行式器件，本平台选择串行输出a d c 。可供选择的种类有很多，常用的 有m a x i m 公司在9 0 年代中后期推出的串行a d c ，它们体积小、精度高、功能 强、使用方便。 随着科学技术的发展，直流电动机脉宽调制( p w m ) 调速系统也得到了越 来越广泛的应用。所谓脉宽调制( p w m ) 是指：通过改变电动机电枢电压接通 或断丌时间的比值( 即占空比) 来控制电动机速度【1 0 l 。 在脉冲作用下，当电动机通电时，速度增加；电动机断电时，速度逐渐减 小。只要按照一定规律改变通断电时间，就可以使电动机速度达到一定的稳定性。 p w m 调速系统在生产中应用越来越广泛，基于上述原理本平台设计了p w m 调 速环节，占空比的设定和脉冲宽度发生器均由计算机软件编程实现。通过软件改 变占空比，从而得到需要的平均速度，用以控制直流电机。 因为驱动控制电动机的是模拟信号，而计算机只能处理数字信号，故还应引 入d a c ，以实现计算机直接数字控制电动机。 综合以上原理，本数据采集系统的输入输出接口装置框图如下页图2 ，5 所示。 2 3 平台机械本体和控制电路规划 2 3 1 平台机械本体规划 i f 台机械部分主要包括机械传动部分、执行元件和负载部分、被控量检测郝 第1 1 页 瓣拟三蔓走曼 i 北z 业土季颇士话安 分，其摹本组成框图如图2 6 所示。 d o u t 卜 _ 一 一d a d c 卜 一 。l卜_ 一 p c1 片 2 叫 电 选3 - l d a c 机 端 i 驱 动 叫。b 一 模 一 块 一i ”p ! 一 一 叫。l 接fj 框图；i 。 5 接口模块框图 图6直流【u机模块机械部分框图 2 2 平台控制电路规划 一计算机控制单元 第页盘 曼也芒蔓点堂 i 北z 让土季旃士话主 试验窜通用的计算机已经具有很高的运算速度，可以作为本平台的丰控单 元，它根掂反馈单元送来的信息，经过处理给出控制信息送到d a 环节，诅：控 制系统中扭负控制再现、控制规律算法实现、屏幕显示和数据处理等功能。 二、d a 转换电路 d a 转换电路主要承担将计算机输出的数字控制量转换为模拟量，直接驱动 直流电动机，它应与计算机兼容，转换时间要尽量短。 三、a d 转换电路 a d 转换电路主要承担数据采集功能，将各传感器测到的模拟信号转换为计 算机能处理的数字信号，它也应与计算机兼容，转换时间也要尽量短，转换精度 要尽量高。 四、接口电路 要把采集到的被控量经a d 转换电路转换后送到计算机去运算、处理，同 时计算机经过运算、处理后发出的控制信号也要送到d a 转换电路变换为模拟 驱动信号，这必然涉及到计算机与各硬件电路之问的通信问题。所以要设计合适 的接口电路，以实现c p u 与硬件电路之间的高效通信。 五、输出驱动电路 d a 转换环节送来的控制信号为单极性信号，面电动机要求的控制信号应该 为双极性信号才能实现电动机的正反向速度或位置控制，故必须设计输出驱动电 路以提供合适的控制信号。 六、反馈单元 要实现直流电机的速度控制和位置控制，就必须检测电动机的速度和位置， 而速度信号和位置信号都不是电信号。在电路中无法直接处理，故必须设计速度 传感器和位置传感器，将这些非电量转化为电信号。并回送到计算机，计算机根 据这些信息产生控制信号，实现闭环控制。 2 4 本章小结 本章围绕机电一体化系统的组成要素和组成原则，结合电机速度控制技术、 计算机科学及自动控制技术从整体上提出了本平台的设计思想和平台构成要素， 给了平台结构框图，简要分析了各部分工作原理，并提出了平台各个模块的功 能要求和没汁思路以及电路规划。 帮1 3 页 要点妻薹杰兰 i 北工廿五擘阜士话盘 第三章平台设计方法 3 1 引言 机电一体化系统的种类不同，其设计方法也不同。现代设计方法与用经验 公式、图表和手册为设计依据的传统设计方法有所不同，现在。无论是机械本体 设计，还是控制电路设计，都已大量采用计算机作为辅助设计手段，大大提高了 设计速度和质量，尤其是电路设计中e d a 技术的应用和大量高性能e d a 综合工 具的推出，更是极大地提高了设计速度和质量，减少了重复劳动，缩短了设计周 期，使设计者把更多的时间和精力放在系统设计和优化上。本章将结合现代控制 系统和控制电路的设计方法，提出本综合平台控制系统设计方法和控制电路设计 方法。 3 2 控制系统设计方法及步骤 控制系统的设计既是一个理论问题，又是一个工程问题。它包括自动控制理 论、计算技术、计算方法，也包括自动检测技术与数字电路，是一个多学科的综 合应用。首先必须具有一定的硬件基础知识。这些部件不仅包括各种微型机、单 片机、存储器及o 接口，而且还包括对仪器或装置进行信息设定的键盘及开关、 检测各种输入量的传感器、控制用的执行装置、与微型机及各种仪器进行通信的 接口，以及打印和显示设备等。 其次，需要具备一定的软件设计能力。能够根据系统的要求，灵活地设计出 所需要的程序，这些程序主要有数据采集程序、a d 、d a 转换程序、数码转换 程序、数字滤波程序、标度变换程序、通信程序等以及各种控制算法等等。 第三，具有综合运用知识的能力。必须善于将一个比较复杂的设计任务从功 能上划分成许多便于实现的组成部分。设计控制系统的一般原理是先选择和组织 硬件，以构成最小系统。其次，当硬件、软件之间需要折中协调时，通常解决的 办法是尽量减少硬件，以便使系统的价格降到最低，并应满足设计中各方面对软 件的要求“。 微型机控制系统设计方法和步骤主要包括以下几方面【1 2j ： ( 1 ) 设计控制系统总体方案。包括系统的要求，控制方案的选择以及各参 数的测量范围： 第1 4 _ 贞 曼舵童生曼 叠北z 业太母龋士话土 ( 2 ) 选择各参数检测元件及变送器； ( 3 ) 建立数学模型及确定控制算法； ( 4 ) 系统硬件设计，包括接口电路、逻辑电路及操作面板； ( 5 ) 系统软件设计，包括管理、监控程序以及应用程序的设计： ( 6 ) 系统调试及试验。 下而针对以上控制系统 设计方法具体阐述本综合平台的设计方法。 3 2 1 控制系统总体方案的确定 确定控制系统总体方案是进行系统设计最重要、最关键的一步。一般地。应 主要根据被控对象的要求来设计确定系统的总体方案。由于被控对象多种多样， 而要求计算机完成的任务也千差力别，所以确定控制系统的总体方案时必须根据 元器件的要求，结合具体被控对象而定【1 3 1 。 一、确定控制系统方案 由于本综合平台主要以直流电机为控制对象，实现各种常用的控制规律，显 然本平台应采用闭环控制系统；又本平台拟运用计算机巡回检测直流电机的各个 参数，并经采样、模数转换后根据数据采样值和预先编好的控制程序计算控制量， 发出控制信号去直接控制系统，故整个系统应采用直接数字控制( d d c ) 方法。 二、选择检测元件 在确定方案的同时，必须选择好检测元件，它是影响控制系统精度的重要因 素之一，本平台选用测速电机、旋转电位器实现模拟信号检测，选用码盘和槽盘 实现数字检测。 三、选择执行机构 执行机构是计算机控制的重要部件之一。执行机构的选择一方面要与控制算 法匹配，另方面要根据被控对裂的实际情况决定。 本平台选电动机做执行机构，它具有响应速度快、计算机控制算法容易实现 等优点，通常可以作为计算机控制系统的主要执行机构。 四、选择输入输出通道 汁算机控制系统的通道数通常应根据被控对象参数的多少来确定，选择时应 考虑以下一些问题： ( 1 ) 被控对象参数的数量； ( 2 ) 各输入输出通道足串行操作还足并行操作； ( 3 ) 各通道数据的传递速率； ( 4 ) 各通道数据的字长及选择位数。 这部分内容将在本文第四章数据采集系统讲述。 第1 5 丽 瓣然三烈曼 罾北工址走学鞲士艳盘 五、画出整个系统原理图 上述工作完成后，最后要画出完整的控制系统原理图，原理图应包括各种传 感器、变送器、外围设备、输入输出通道等。 3 22 控制算法的选择 控制系统总体方案确定后，采用4 - 么样的控制算法才能使系统性能满足要 求，这是非常关键的问题。 常见的控制算法有直接数字控制、数字化p i d 控制、模糊控制等。这三种控 制算法各有优缺点，分别适用于不同的情况。当被控对象的数学模型能够确定时， 可采用直接数字控制：如果被控对象非常复杂，虽然可以建立系统的数学模型， 但由于被控对象环境的影响，许多参数经常变化，很难进行直接数字控制时，最 好选用数字化p i d 控制；模糊控制则是近年来新发展起来的控制算法，它非常灵 活，只要根据试验数据找出f u z z y 控制规律，便能达到所要求的控制效果【1 4 1 。 直接数字控制系统d d c 的构成如图3 1 所示。 图3 1甄接数字控制系统组成框图 所谓直接数字控制是指：计算机通过测量元件对一个或多个物理量进行巡回 检测，经采样、a d 转换后将其转换为数字量，再根据采样值和内部预先编制好 的控制规律算法算出控制量，最后发出控制信号直接去控制执行机构，使各个被 控量达到预定要求【1 5 i 。 d d c 系统中，计算机直接作为闭环控制回路的一个部件直接控制系统，它 不仅能完伞取代原来的常规模拟控制器，实现多回路的p i d ( 比例、积分、微分) 调节，而h 不需要改变硬件，只通过改变程序就能有效地实现较复杂的规律，如 阿馈控制、非线性控制、自适应控制、最优控制等f 1 6 】。 直流电机已有十分成熟的数学模型，本平台选用直接数字控制算法。 第1 6 页 嘞曼蛇蔓走曼 i 北z 。土学龋t 话主 3 2 3 控制系统硬件设计 整个控制系统硬件电路设计方法和步骤如图3 2 所示。 首先应针对所设计的任务、要求和条件，根据已掌 握的知u 和资料，从全局着眼，将总体功能要求合理地 分配给若二f 个单元乜路，1 画出一个能表示各单元功能 和总体工作原理的框图【1 7 l 。 设计单元电路前必须明确对各单元电路的要求，拟 定出单元电路的性能指标，由于各个不同的单元电路之 间存在配合问题，故要尽量少用或不用电平转换之类的 接口电路，并尽量使各单元电路采用统的供电电源， 以使电路简单、可靠。在具体设计时，可以选用成熟的 先进电路，也可以选用与设计要求比较接近的电路进行 适当的改进。 电路设计过程中必然要对一些参数进行计算后才能 挑选元器件，这样就要求必须深刻理解电路工作原理， 才能正确选用合适的公式或图表，以获得满意的计算结 果。得到计算结果后，选择元器件时应留有足够裕量。 明确设计任务和要求 j 选择总 ：方案 j 设计单元电路 j 计算参数 选择元器件 控制l n 路设计 圈3 2 硬竹设计方法框糊 由于集成电路可以实现众多单元电路甚至整体电路的功能，所以，在选择元 器件时，只要能实现设定功能，就优先选用集成电路，以减小体积和成本，简化 设计方案，提高可靠性，使安装、维护、调试更加方便。本平台设计选用了大量 的集成电路元器件，大大简化了电路的设计和调试。 3 3 控制电路设计方法 3 3 1 电子系统设计方法的发展 要完成一件电子产品必须经过设计、初步验证、制造、成品等步骤。一定要 确保设i ：l 和初步验证这两个步骤毫无错误，才能将电路设计图往下移至印刷电路 板设计或是制造部门来做更进一步的处理。 与t j t a j 的初步验证方法多是将设计完成的电路图接成面包板、万用板或采刷专 用的焊接板，通过手工连线装配，检查无误后，使用电源、信号发生器、示波器、 l 乜表等 nf 仪器来进行电路测量，评估电路性能，加以验证。若性能与设讨值不 符时，需调换参数重新调试测量，直到符合设计要求为止。如果电路非常复杂， 第1 7 页 嬲三蔓走兰 i 北工 土学颇士话盘 尤其是面对集成电路时，采用上述传统方式就极其困难。这种做法有不少缺点。 首先，制作电路板既耗时、费力又损失材料：其次，制作完成后经验证如果有错 误，就得先花费大量时间弄清是设计有错误还是制作有错误，于是电子工程师常 常为了解决一些和设计理念无关的问题而大伤脑筋，尤其现在集成电路发展一| 二i 干罩，一件产品动辄数十万个晶体管，传统制作电路板来验证的方式已经完全不 可行了，必须借助计算机辅助设计技术才能较好的完成电路设计，当前e d a 在 电子工程设计中发挥了重要作用。 随着电子技术和计算机的迅速发展，电子系统的设计手段也经历了手工设 计、计算机辅助设计和电子设计自动化( e l e c t r o n i c s d e s i g n a u t o m a t i o n ，e d a ) 三 个阶段，现代电子系统设计的关键技术e d a 技术具有设计成本低、设计周 期短和优化设计等一系列优点，已成为电子系统设计必不可少的工具和手段。 电子设计自动化( e l e c t r o n i c sd e s i g n a u t o m a t i o n ，e d a ) 是指以计算机为工作 平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果， 将电路设计中的各种工作都交给计算机协助完成，进行电子产品的自动设计。利 用e d a 工具，电子设计工程师可以从概念、算法、协议等丌始设计电子系统， 大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计 出i c 版图或p c b 版图的整个过程在计算机上自动处理完成。因此，诸如电路图 ( s c h e m a t i c ) 的绘制、印刷电路板( p