基于嵌入式无轴传动控制器研制.doc

西安科技大学硕士学位论文基于嵌入式无轴传动控制器研制姓名：魏礼鹏申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：杜京义2011 Subject ：Development of the Shaftless Drives Controller Based on Embedded Specialty ：Control Theory and Control Engineering Name ：Wei Lipeng （Signature） Instructor：Du Jingyi （Signature） ABSTRACT Shaftless driven technology is a new, interdisciplinary integrated technology, which spans domains within mechanical engineering, control theory, communication theory and transmission technology. Shaftless driven technology can replace Mechanism transmission to realize exact transmission. So shaftless driven technology plays an important role and has capacious application foreground in printing, mechanical processing and other fields that need synchronized transmission. Firstly, the paper in-depth and comprehensive researches the shaftless driven technology. According to the structural features of the shaftless driven technology designs the overall program of the system. On the basis, the paper complete shaftless driven controllers hardware circuit design, its contains LM3S615 chip control circuit design; motor drive circuit design; speed detection circuit design; liquid crystal display circuit design; key circuit design. Secondly, analysis of the master-slave synchronization structure and the parallel synchronization structure from their advantages and disadvantages. Take all factors into consideration, the paper choose parallel synchronization structure to synchronization control. The software design of the controller use PID control algorithm, and improve the algorithm according to actual situation. Using speed difference compensation method to improve the precision of speed synchronization, using PID control with dead zone algorithm to eliminate the system oscillation caused by frequent adjustment, using digital filtering technology to filtering the interference and noise in the deviation signal in order to improve the accuracy of the PID control algorithm. After testing for the experimental platform, the system is stable and has a good control effect. Finally, for the problems of the PID control algorithm implement synchronizing control, the paper adopts based on implicit generalized predictive control algorithm to improve. In the paper, discuss basic structure and theory of the implicit generalized predictive control algorithm. Using implicit generalized predictive control algorithm to acquire optimal control law, in other words, according to input and output data directly identification and acquirement the parameters of the optimal control law, simplify the control algorithm. Through a non-minimum phase system mathematical model simulation to analyze the main parameters of the generalized predictive impact the system. According to DC servo motors parameters derive the motor mathematical model. Using implicit generalized predictive algorithm and PID algorithm simulate the model. Through comparison of the experimental results, based on implicit generalized predictive control improve the system dynamic response and stability, it has good control performance. Key words: Shaftless driven Synchronized control PID control Generalized predictive control Thesis : Application Research 1绪论 1 1 绪论 无轴传动技术是一门新兴的、跨学科的综合型技术，是传动技术、控制技术、通信技术和机械技术等技术的结合。无轴传动具有传动精度高、成本低、结构简单、传动比范围宽、调整方便等优点，因此可以替代传统的机械传动实现准确的传动关系。无轴传动技术在印染、纺织、造纸等要求实现多轴同步传动的领域有着广阔的应用空间1。 1.1 无轴传动控制系统概述 无轴传动是指由电机取代中间机械传动装置，直接为负载提供动力的一种传动方式。无轴传动又被称为电子轴传动或独立传动，是指在机器传动关系中，没有主电动机及传动主轴的构件，可以用多个电动机分别向各主要机组传递动力，各电机之间由先进的控制系统进行跟踪和平衡的传动方式。无轴传动具有以下优点2： (1) 系统的传动精确高。无轴传动技术避免了传统机械传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，实现了直接驱动，获得了一致公认的高精度、高速度运动和极好稳定性的好评。 (2) 系统智能化、自动化。全数字化包括伺服驱动内部控制的数字化、伺服驱动到数控系统接口的数字化和测量单元的数字化。原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论中的先进算法得到实现。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大提高了设备的自动化和智能化水平。 (3) 最大限度降低成本。由于减少了大量的齿轮，机械惯量变小，所以无轴传动系统可以更快地改变速率，更好地发挥无轴传动技术调整快速的优势，由于只需要改变参数不需要改变机械结构就能满足不同条件的成产需要，因此减少了调机时间及机器升速和降速过程，从而大大减少了废品率，提高了效益。 (4) 开放性和灵活性。无轴传动系统可以为每个传动部位提供精密分度，使传动部位预先达到确定的位置，减少机器调整时间。机器齿轮、传动轴的取消，减化了机器结构，增加了操作空间，使机器的维修、操作更方便。 (5) 各机组互不干扰。传统的机械传动，用传动轴把各机组联接起来，一个机组有振动，会通过机械轴传递到其他机组，影响其他机组的正常工作。无轴传动从根本上解决了这个问题，各机组都是独立传动，互不相连，互不干扰。 (6) 远距离技术支持。随着计算机技术和网络技术的广泛应用，使行远程诊断和调整及其技术服务成为可能，可实现远程控制软件的升级，还可以收集、分析生产、机器操作和调整的数据、优化生产管理、提高机器调整和操作水平。 尽管无轴传动有这么多的优点，但也不是尽善尽美的，它也有如下缺点3： 西安科技大学硕士学位论文 2 (1) 无轴传动要求控制元器件的质量高、运行稳定可靠、电网电压稳定。在采用直流电动机进行驱动和调速时，要求机器外电源频率稳定，减少各种干扰，需要配备专门的电源处理设备。否则难以达到理想的要求。 (2) 电子控制的复杂程度明显增加，要求有较高水平的电气调整和管理人员。 (3) 电子元件的测试及安装时间增加，对机械部件及电子元件，如解码器、机械接头、印刷辊筒等要求更高更严格。 随着相关技术的完善和发展，无轴传动技术将会得到不断的改善和提高，以更好的满足人们的需求。 1.2 无轴传动技术的应用 近年来，无轴传动技术开始以其杰出灵活的工作方式为世界范围内的工业生产所应用，其中无轴传动技术在印刷机中的应用最为典型。本文就以印刷机中的应用为例，阐述无轴传动技术的原理和特点。 由于印刷产品的特殊要求，印刷机械对于可重复性的套印精度至关重要。这一点决定了印刷设备的任何单一部件的运行都必须保证完全一致的协调4。印刷机的无轴传动是指印刷机的每个机组，甚至是每个滚筒或辊子的动力都是相互独立的，分别采用单独的伺服电机，按照运动控制器发出的程序指令进行驱动，从而保证各机组间同步运转的传动方式。图1.1是使用无轴传动系统的卷筒纸印刷机结构示意图。 图1.1 无轴传动的卷筒纸印刷机 在整个机器的前面部分、后面部分、拉纸辊机构等每一个机构中，均设置了无轴驱动伺服电机。前面部分可通过浮动辊控制位置。为了保持后面部分的稳定，通过控制转矩使后面部分的转速与纸带的速度同步，以便获得稳定的张力。通过以上措施控制整体纸带的牵拉。 无轴传动可以简化印刷机的传动装置，省去了皮带传动尤其是齿轮传动机构，机器运转和操作、安装调试、维护保养等以每个色组为一个单位，结构简单，运转平稳，即1绪论 3 使在高速的情况下也能保证印刷质量。而且操作方便，节省时间。同时，因为去掉了驱动组合装置，从而大大降低了印刷机的制造成本5。 另外，工程中的许多机械设备或系统，例如，大型同步轧机、三峡工程中使用的升船机、纺织工厂中的纱绽、冶金工厂中的多轴辊道等机械设备，都要求它们的回转轴有接近相同的速度或有相同的相位，即所谓的同步，这就需要采用适当的方法来满足它们的工作要求。这类问题一般统称为多轴传动系统同步问题，是无轴传动技术在具体行业的不同应用。 1.3 无轴传动控制系统国内外的研究动态及发展趋势 无轴传动技术在许多传统印刷设备，如轮转印报机、凹印机和柔印机上的应用，引起了许多业内人士的关注。自从1980年Koren提出交叉祸合控制器以后，许多科学工作者围绕多机协调控制理论展开了进一步的研究，己经深入到速度和转角（位置）双重同步的多电机协调控制。Kulkarni和Srinivasan详细分析了交叉祸合补偿控制策略，并于1989年提出了最优控制方案；TomiZuka等又将自适应前馈控制用于交叉藕合控制器中，以提高瞬间响应和抗干扰能力；Koren和Lo针对一般性的轨迹曲线提出了变增益交叉藕合控制6。近年来，除了使用传统的PID控制之外，有许多科学工作者把H控制、变结构控制、模型参考自适应控制、神经网络与遗传算法、内模控制等大批的现代控制理论的控制方法7应用到多电机协调控制中，取得了很好的效果。 主要的多电机控制算法如下：基于PID控制的多电机同步控制算法，PID控制是通过比例积分微分(PID)控制对转速同步误差进行调节，是最简单的一种闭环同步控制方式，对于简单，要求精度不高的被控对象中有着广泛的应用，易实现，操作简单。但由于多台电机的同步控制中受控过程的非线性、时变性、随机干扰性以及对象模型不确定性等因素存在，传统的PID反馈控制难以得到精确的结果。基于模糊控制的多电机同步控制算法8，模糊控制系统不依赖于精确的数学模型特别适用于复杂系统或过程与模糊对象主体，因此它兼有计算机控制系统的特点。对控制对象的干扰具有较强的抑制能力。模糊控制在综合经验规则时，不可避免要忽略一些因素，特别是控制规则含有不一致甚至错误成分，影响控制成分。基于自适应控制多电机同步控制算法，自适应控制是一种反馈控制系统，采用主从工作方式，当系统受到不平衡负载或扰动影响时，其参数或性能发生较大变化时，通过检测主动轴和从动轴之间的误差。根据设计自适应控制的规律，通过调整主动轴与从动轴控制器的参数，来协调电机，从而使其速度上达到一致，具有鲁棒性强，同步误差小的优点。基于神经网络多电机同步控制算法，神经网络是一大规模并行分布处理非线性动力系统，也正是它的非线性动力学复杂性，才在更高层次上体现了人脑的智能行为，并为智能控制提供了新途径。神经网络在控制中的作用一般可分为充当对象模型和控制器两种作用，神经网络控制的特点之一是其非线性，它的自西安科技大学硕士学位论文 4 学习、自适应性使其同线性系统的自适应控制有相似之处9。但是多电机同步控制系统对于实时性的要求限制了神经网络的应用。滑模变结构和鲁棒多电机同步控制算法，滑模变结构控制器的优点是不需要知道准确的系统的数学模型，而只需要了解系统的参数及外来扰动变化的大致范围，并且具有降阶，解藕的功能，能较好的解决系统的动态，静态特性之间的矛盾，控制规律简单。当滑模变结构控制一旦进入滑模状态，系统状态的转移就不再受系统原有的参数的变化和外来扰动的影响，具有完全的自适应和鲁棒性。但是，滑模变结构控制不可避免的存在抖振现象，即系统的状态轨迹以一定的频度和幅度来回穿越滑模切换开关线的现象。抖振对系统的影响是：破坏滑模存在的条件，因而动态过程有可能出现超调和过渡过程时间加长现象；系统状态高频抖动，容易激发振荡，造成运动不平滑并加大能量损耗10。H状态变量鲁棒控制法始于80年代初期，其特点是:在设计控制器时便考虑到对象模型可能发生的变化，这样控制器就适用于一类具有共同特点。控制对象的广义专递函数G(S)在虚轴上无交点，满足实的、正则的、且在实的左半平面无零/极点(主要指右半平面零极点)的对象。采用H控制方法和变结构奇异值方法为代表，正逐步形成了鲁棒控制系统的完整体系。滑模变结构、H控制虽然效果比较好，但是由于算法复杂，在应用中有一定的难度11。 经过近几年科学技术的飞速发展和进步，无轴传动技术有如下发展趋势12：同步控制策略的提高。印刷设备的无轴传动控制系统中各运动单元轴驱动电机的同步协调控制是核心的问题，其控制策略的优劣直接影响着印刷机的稳定性和可靠性。设备机电特性参数的辨识、分析与控制。高速是印刷设备的发展重点，优化高速控制可使伺服机构处于最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。因此，基于系统整体建模的加速度控制曲线选择、伺服机电参数的辨识优化等是今后研究的热点。 1.4 课题研究的意义和内容 无轴传动印刷机已成为当今印刷行业的主流，但是无轴传动技术的基础理论明显落后于工业生产，所以其具有的优势还难以在工业应用中充分发挥出来13。目前，国内各厂家所采用的无轴传动系统都以国外产品为主，价格昂贵且核心技术都由国外掌握。随着近几年国内对无轴传动技术的研究越来越多，市面上也有各种型号的国产无轴运动控制器，但是大多数功能单一，可控轴数少，控制精度较差，其产品档次仍然和国外同类产品有较大差距。自主开发无轴传动控制器，掌握无轴传动的核心技术，能够提高国产无轴传动设备的竞争力。因此研究无轴传动技术具有重要的理论意义和实用价值。 论文的主要内容为： 第一章 绪论。本章介绍了无轴传动的概念、特点、应用以及国内外研究现状；阐述了本课题研究的意义和内容。 第二章 控制器硬件设计。本章首先对无轴传动技术进行了全面、深入的研究和探1绪论 5 讨，针对无轴传动技术的结构特点设计了系统的总体方案，实验平台中控制器核心为LM3S615芯片，对直流伺服电机的特点、直流伺服电机的调速原理和PWM调速原理进行了理论分析。其次对直流伺服电机驱动器模块进行了设计包括PWM光耦隔离电路和L298N驱动电路，从理论上分析了数字测速技术，根据实际条件速度测量时选择了M测速法，在此基础上设计了速度检测电路。最后设计了核心控制芯片LM3S615的控制电路包括电源电路模块、JTAG调试电路模块，完成了外围电路的设计包括液晶显示模块、按键模块。论文中给出实际电路图或原理框图，最终完成了电机控制平台的硬件搭建，为后面软件调试提供了硬件基础。 第三章 控制器软件设计。本章首先对系统的编程环境和软件设计的基本原则做了简单的介绍，无轴传动系统中良好的控制策略和控制算法是多个电机按要求稳定同步运行的保障，因此对无轴传动控制的平行式结构和主从式结构进行了理论描述，并对两种控制结构各自特点进行了对比，结合实际情况选择了并行式结构对电机进行同步控制，从而保证电机良好同步运行。其次用流程图对系统的基本模块进行了说明，在速度同步控制算法中采用了速度补偿方法提高了系统速度同步精度和抗干扰能力，速度调节时采用带有死区的PID控制算法来消除由于系统频繁调节所引起的振荡，在测速模块设计中采用了数字滤波技术减少干扰对有用信号的影响，从而提高数字PID控制算法的精度，改进控制系统的性能。最后给出了硬件实验结果并对硬件实验结果进行了分析。 第四章 基于隐式广义预测同步控制仿真。本章首先深入分析了和讨论了广义预测控制算法的基本结构和原理，同时指出了这种常规预测控制算法面临的困难及存在的问题。在此基础上利用隐式广义预测控制求取最优控制律，即根据输入输出数据直接辨识求取最优控制律中的参数，简化了控制算法。通过对一个非最小相位系统数学模型进行仿真来分析广义预测中主要参数对系统的影响。然后对直流伺服电机的数学模型进行了理论推导，根据直流伺服电机的额定参数计算出角速度和电压的传递函数并对其进行离散化处理。最后采用隐式广义预测控制算法和增量式PID控制算法对直流伺服的电机数学模型进行了仿真，通过对两种算法的仿真实验结果比较，基于隐式广义预测控制使系统动态响应变快、速度跟踪性能得到提高和速度同步误差减小，具有较好的控制性能。 第五章 总结与展望。总结概括全文内容，指出论文的主要成果，并指出了论文的不足，同时进一步展望了无轴传动技术的发展趋势以及继续研究的方向。 西安科技大学硕士学位论文 6 2 控制器硬件设计 无轴传动控制系统的关键在于系统控制平台的搭建和控制算法的实现。其中软件算法和实现方式相对比较丰富，硬件实验平台是控制系统的基础也是整个系统的关键。硬件平台的主要功能实现单元包括：电机驱动模块；速度检测模块和执行伺服电机。本文研究的无轴传动技术问题是自印刷机引出的但研究的目的并不是仅仅针对印刷机的，而是侧重无轴传动技术本身。所以为了方便研究，需要搭建了一个实验平台，作为本文理论研究的硬件基础以及软件算法实施平台。 2.1 系统总体设计方案 针对无轴传动控制系统的结构特点，设计了由ARM芯片控制的同步传动控制平台，即用光电传感器作为电机转速或转子位置的测量工具，以单片机为核心设计控制器实现两台电机的转速同步并将转速在液晶上进行显示。实验平台示意图如图2.1所示。在多电机同步运动控制中，受控的电机可以是直流电机、交流异步电机或者永磁同步电机等。该实验平台是以两台直流伺服电机同步为例，分析了无轴传动控制系统的多电机同步的特性和控制方式。 图2.1 实验硬件平台 图2.1中M0、M1是需要控制的两台直流伺服电机。单片机、驱动器和相应的光电传感器组成的闭环回路实现速度的闭环控制。同时控制器通过光电传感器反馈的转速对电机进行同步监测并进行速度调整，实现同步控制算法。 2.2 控制芯片LM3S615 Cortex-M3是首款基于ARMv7-M架构的处理器，是专门为了在微控制器，汽车车身系统，工业控制系统和无线网络等对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高系统性PWM0 脉冲 脉冲 控制电压 控制电压 负载 芯 片 光电传感器1 光电传感器0 驱动器 M1 M0 PWM1负载 键盘输入 液晶显示 2 控制器硬件设计 7 能而设计的，它大大简化了可编程的复杂性，使ARM架构成为各种应用方案的上佳选择14。系统的低成本设计思路是围绕着如何实现低功耗、低成本、高精度展开的。通过全面的分析，确定选用美国的德克萨斯州奥斯汀Luminary Micro的Stellaris（群星）系列微控制器LM3S615。 LM3S615是Luminary公司生产的一款基于CortexTM-M3v7M架构设计的32位ARM处理器，该芯片是针对工业应用方案而设计的，采用LQFP-100封装，其内部集成了丰富的控制功能模块及多种通信接口模块，芯片工作具有休眠模式，功耗低，可用电池供电。适用于远程监控、电子贩售机、测试和测量设备、网络应用和交换机、工厂自动化，包含ARM Cortex-M3 MCU内核、嵌入式Flash和SRAM、一个低压降的稳压器、集成的掉电复位和上电复位功能、模拟比较器、10位ADC、SSI、GPIO、看门狗和通用定时器、UART、I2C、运动控制PWM、正交编码器输入。提供的各处丰富的外设功能，直接通向管脚，不需要特性复用，并且品种齐全，价格较低。正是基于上述LM3S615高速强大的实时处理能力，以及其片内所集成的为电机控制应用面优化设计的丰富的外围部件等特点15，本文所设计的直流伺服电机控制系统选用LM3S615作为整个系统的控制核心。 2.3 直流伺服电机 2.3.1 直流伺服电机的特点 直流伺服电机的工作原理、基本结构、内部电磁关系和普通直流电机相同，这里不再介绍。只是由于用途的不同，它又有与普通直流电动机不同的特性及特点。直流伺服电机的优点16： (1) 起动转矩大，因此可以做到快速响应。 (2) 机械特性和调节特性线性度好。 (3) 有宽广而平滑的调速范围。它既能以每分钟数千转的高速运行，也能以每分钟只有几十转或几转的低速运行。 (4) 功率范围宽，功耗小，特别是永磁式直流伺服电机更具有体积小、重量损耗小、效率高及结构简单等优点。 但是，由于换向装置的存在而使其有如下缺点： (1) 轴上的摩擦转矩大，由摩擦产生的噪音大。 (2) 由于换向而产生无线电干扰。 (3) 低速运转不稳定。在电枢电压很低时，由于摩擦转矩不稳、齿槽效应使E波动大等因素，低速运行时不稳定性不如力矩电动机。 西安科技大学硕士学位论文 8 2.3.2 直流伺服电机的调速原理 为了提高效率和保证产品的质量，要求生产机械能以最合理的速度进行工作，这样就要对电机进行调速控制。直流电机的转速n与其他参数的关系如公式2.1所示。 aaEUIRnC= (2.1) 式中，aU电枢供电电压(V) aI电枢电流(A) R电枢回路总电阻() 励磁磁通(Wb) EC电势系数 由公式2.1可见，改变aU、R这三个参数中的任何一个都可以使转速得到改变。所以直流电机有三种基本调速方法17： (1) 改变电枢回路电阻调速：在电源电压及磁通为额定值的条件下，在电枢回路中串入调速电阻进行调速。机械特性公式为： 2()aaTaTeeemUIRRRRUnMKKKK+= (2.2) 相应的曲线如图2.2所示。 图2.2 改变电枢电阻调速特性 改变电枢回路电阻调速的特点：转速只能在低于额定转速的范围内调节，经济性不好，调速指标不高，调速范围不大，而且调速是有级的，平滑性不高，所以这种方法一般不使用。 (2) 改变励磁磁通调速：在电源电压为额定值且电枢回路不串电阻的条件下，在励磁回路中串入可调电阻进行调速。机械特性公式为： 2aeemRUnMKKK= (2.3) 2 控制器硬件设计 9 相应的曲线如图2.3所示。 图2.3 改变磁通的调速特性 改变励磁磁通调速转速的特点：只能在高于额定值的范围内调节，可无级调速，调速平滑，控制方便，但调速范围过小。 (3) 改变电源端电压调速：在保持磁通为额定值且电枢回路不串电阻的条件下，调节电源电压来进行调速。机械特性公式与式(2.3)相同。机械特性曲线如图2.4所示。 图2.4 改变电源电压的调速特性 这种调速方法可以实现无级调速，并且它是通过减少输入功率来减少输出功率从而降低转速的，因此低速运行时也不会增加功耗，在整个调速范围内都比较经济。本文就采用此控制法。 2.3.3 PWM调速原理 近年来，在高精度的伺服系统中，人们越来越多的注意和重视采用大功率晶体管脉宽调制伺服系统。它采用晶体管脉宽调制型开关放大器（以下简称PWM放大器）作为调速系统的功率输出级，对负载执行电动机提供必要的驱动功率。作为一种控制调速方案，PWM放大器电动机调速系统有很多的优点，因此在调速系统中占一席之地，应用较为广泛18。 西安科技大学硕士学位论文 10 图2.5是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。在图2.5(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端电压为sU。1t时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为零。2t时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图2.5(b)所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值Ua为： 11120sasstUtUUUttT+=+ (2.4) 1tT= 式中，为占空比。 MUsUiVDV1Uatt1t2TtUiUs (a) 原理图 (b) 输入/输出电压波形 图2.5 PWM调速控制原理和电压波形图 占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间长短与周期的比值。的变化范围为01。由式(2.4)可知，在电源电压Ua不变的情况下，电枢的端电压的平均值Ua取决于占空比的大小，改变占空比的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PWM调速原理。 在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下三种方法都可以改变占空比的值： (1) 定宽调频法：保持tl不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。 (2) 调宽调频法：保持t2不变，而改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。 (3) 定频调宽法：使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 2 控制器硬件设计 11 2.4 直流伺服电机驱动器设计 2.4.1 H桥驱动原理 电路得名于“H桥式驱动电路是因为它的形状酷似字母H。H型开关电路有四个三极管和四个二极管构成桥式电路，4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠，图2.6为H桥驱动电路原理图。 Q1Q2Q3Q4VD2VD3VD4VD1MVCCM+_ABUg1Ug3Ug2Ug41324 图2.6 H桥驱动电路原理图 在H桥驱动电路原理图中，4个晶体管的基极驱动电压分为两组1Q和4Q同时导通和关断，其驱动电压41UgUg=；2Q和3Q同时动作，其驱动电压132UgUgUg=。 (1) 正向运行 第一阶段，在0t1t期间，1Ug、4Ug为正，1Q、4Q导通，2Ug、3Ug为负，2Q、3Q截止，电流dI沿回路1流动，电动机M两端电压SABUU+=。 第二阶段，在1ttT期间，1Ug、4Ug为负，1Q、4Q截止，2VD、3VD续流，并钳位使2Q、3Q保持截止，电流dI沿回路2流通，电流方向不变，电动机M两端电SABUU=。 (2) 反向运行 第一阶段，在0t1t期间，2Ug、3Ug为负，2Q、3Q截止，1VD、4VD续流并钳位使1Q、4Q截止,电流dI沿回路4流通，电动机M两端电压SABUU+=。 第二阶段，在1ttT期间，2Ug、3Ug为正，2Q、3Q导通，1Ug、4Ug为负，使1Q、4Q保持截止，电流dI沿回路3流通，电流方向不变，电动机M两端电压SABUU=。 从上面可以看出电机在正向运行或反向运行时电枢电压反向改变了两次，但是电机西安科技大学硕士学位论文 12 电枢电流方向不变。输出平均电压aU为： ()SSSSaUUTtUTtTUTtU1212111= (2.5) 由公式(2.5)可以看出，改变PWM变换器的占空比即可调节电动机转速，调速时，的可调范围为01。电枢绕组所承受的平均电压取决于占空比大小，当21时，电动机正转；当21时，当电动机反转；当21=时，电机停止。 电动机停止，但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的，这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微震电流，从而消除正、反向时的静摩擦死区。 因此采用H桥电机驱动电路，电机的运转就只需要用三个信号控制：即两个方向信号和一个使能信号。实际使用的时候，用分立件制作H桥式是很麻烦的，好在现在有很多封装好的H桥集成电路，比如L298N，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。而且驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小。因此本次采用L298N作为电机驱动芯片。 2.4.2 直流伺服电机驱动电路 在该实验平台中，控制芯片通过软件产生PWM脉冲，送给驱动器，通过驱动器实现PWM速度调节。电机驱动模块是强电电路，而控制模块是弱电电路，两者不能直接连接，而是通过光耦合器件进行光电隔离。本系统采用光耦器件TLP521-4将输入端和输出端完全实现电气隔离，保证信号的单向传输。抗干扰能力强，工作稳定，无触点，传输效率高19。 由于单片机的PWM端口资源有限，所以先选用PWM0、PWM1先经过逻辑非门（用74CH14实现）得到PWM0和PWM1的相反信号分别为IPWM0和IPWM1。这样就可以满足使用L298N实现双极性输入。为了保证信号在传输过程中不改变逻辑状态，单片机输出的PWM波从两极管的阴极输入，阳极接+3.3V高电平，其中R6、R7、R8、R9为限流电阻，防止对+3.3V电源有较大的电压冲击，降低尖峰脉冲噪声。由于TLP521-4使用+5V电源供电，故输出端接上拉电阻，输出的PWM波形逻辑高电平为+5V，逻辑低电平为0V。光电隔离电路图如图2.7所示。 2 控制器硬件设计 13 TLP521-4200R7200R8200R9200R6PWM0/PD02174HC142174HC14PWM1/PD13.3V5.1KR105.1KR115.1KR125.1KR135VIN2IN1IN3IN4 图2.7 TLP521-4光电隔离电路 由于集成电路集驱动和保护于一体，作为小功率直流电机的专业驱动芯片，使用起来非常方便。在实际应用中，课题设计选择L298N集成电路芯片作为直流伺服电机的驱动芯片。L298N是SGS公司的产品，内部包含了四个通道逻辑驱动电路。它是一种二相和四相电机的专用驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，其内部结构如图2.8所示。从图中可以看出，IN1IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开关，即实现电机的正反转；ENA，ENB引脚则为使能控制端，当ENA，ENB高电平时正常工作，低电平时不工作，SENSEA和SENSEB还可以用来连接电阻以检测电流；OUT1OUT4是信号的输出端，用于控制电机，Vss接芯片电源电压，一般接5V电压，Vs为驱动电压接口，驱动电压可以达到50V。L298N是双极性控制方式，PWM信号是通过输入引脚IN1、IN2、IN3、IN4输入的，根据PWM控制信号的占空比来确定直流电动机的转速和转向。 图2.8 L298N内部结构框图 西安科技大学硕士学位论文 14 L298N管脚主要数据如下20： Vs 负载电源 +2.5V46V； Vss 逻辑电源 4.5V7V； Vi，Ven 输入，使能电压 -0.3V7V； Io 输出峰值电流短时连续3A；直流2A；断续(80%ON，20%OFF)2.5A； Po 总功率 25W； L298N引脚功能： 4脚负载电源的正极； 8脚为负载电源负极； 9脚为内部逻辑控制部分的电源正极； 2和3脚分别接负载1； 13和14脚分别接负载2； 1和15脚分别接电流检测电阻，若不接电流检测电阻，应与8脚相连； 5和7角分别输入标准TTL电平信号，用来控制H桥的开关状态； 10和12角分别输入标准TTL电平信号，用来控制H桥的开关状态； 6脚为使能控制端，控制负载1； 11脚为使能控制端，控制负载2。 LM3S615输出PWM波来控制L298N的输出。其中L298N的逻辑功能如表2-1所示。 表表表表2-1 L298控制逻辑功能控制逻辑功能控制逻辑功能控制逻辑功能 ENA(B) IN1(IN3) IN2(IN4) 电机运行情况 H H L 正转 H L H 反转 H 同IN2(IN4) 同IN1(IN3) 快速停止 L X X 停止 本实验平台设计的直流电机驱动电路如图2.9所示。光耦隔离出来的四路信号分别与L298N的四个输入端口IN1、IN2、IN3、IN4相连接，用于控制直流电机的转向，D1D8为续流二极管，防止电机突然停转时回流，对驱动芯片产生冲击，同时也保护电机；R5，R6为精密的反馈电阻，保护L298N驱动芯片。L298N的四个输出管脚OUT1、OUT2、OUT3、OUT4接两个直流电机M0和M1。 2 控制器硬件设计 15 D1123456JP5Header 6IS EN A1OUT12OUT23VS4IN15EN A6IN27GND8VSS9IN310EN B11IN412OUT313OUT414IS EN B15L1100uFC10.1uFC2100uFC40.1uFC3D2D3D4D5D6D7D8IN1IN2IN3IN45V12VM0+M0-M1+M1-0.5R140.5R15 图2.9 L298N直流电机的驱动电路 2.5 速度检测模块设计 2.5.1 数字测速技术 速度反馈环节是无轴传动系统中不可缺少的组成部分。要实现速度反馈控制，首先就必须实现对速度的检测。在实际的电机调速系统中，常用的测速技术是数字测速技术。数字测速技术的三个指标为分辨率、精度和检测时间。检测时间体现了测速环节的实时性能，对闭环控制系统的稳定性具有很大的影响。 数字测速的常用方法有两种21：一种是在固定的时间内对脉冲进行计数，即测量的是脉冲的频率，这种方法称为M法；另一种是计算两个脉冲之间的时间间隔，即测量的是脉冲的周期，这种方法称为T法。具体介绍如下: (1) M法。M法又叫定时计数法，是用计数器记取规定时间内测速传感器输出的脉冲个数来反映转速值，即在规定的时间间隔T内，测量光电传感器所产生的脉冲数来获得被测的速度值。设电机每转一圈发出的脉冲数为Z，且在规定的时间间隔T内，测得的脉冲数为M，则电机每分钟转数为： 60MnZT= (2.6) 将转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测量误差率，反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。M法测速误差率取决于测速传感器的制造精度，以及西安科技大学硕士学位论文 16 测速传感器输出脉冲前沿和测速时间采样脉冲前沿不齐所造成的误差等，最多可以产生一个脉冲的误差。因此，M法测速误差率的最大值为： 6060(1)1100%60MMZTZTMMZT= (2.7) 由上式可知，误差率与M成反比，即脉冲数越大，误差越小，故M法只有在被测转速较高时，才有较高的测量精度。测速适用于高速段。 (2) T法。T法又叫定数计时法，是用定时器记取光电传感器输出脉冲一个周期内的高频时基个数，然后取其倒数来反应速度值，即测量相邻两个脉冲的时间间隔来确定被测速度。设电机每转一圈发出的脉冲数为Z，定时器的时基是一已知频率为F的高频脉冲，定时器的起始和终止由光电传感器脉冲的两个相邻脉冲的起始沿控制。若定时器的读数为M，则电机每分钟的转速为： 60FnZM= (2.8) T法测速的误差产生原因与M法相仿，定时器的计数M最多存在一个脉冲的误差，因此，T法测速误差率的最大值为： 11%1006060)1(60=MZMFZMFMZF (2.9) 低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频