基于labview的电机控制以及混合式步进电机分析.docx

基于labview的直流伺服电机控制Jianying Liu Department of Electrical Engineering. Inner Mongolia Vocational College of Mechanical &Electrical Technology Huhhot,China YPengju Zhang Computer & Information Engineering College Inner Mongolia Normal University Huhhot,China Fei Wang China National Aero-Technology Import & Export CorporationPeking,China （这篇论文展示了运用PID控制算法来位置控制直流伺服电机。PID控制器的设计基于labview程序，同时直流伺服电机的时间位置控制器采用了数据采集设备。所有的代码都是建立在labview系统的实时开发系统和下载应用程序的实时控制器上。）1 介绍根据需求，直流伺服电机的转动，利用国家仪器数据采集板，labview应用软件，和总线扩展平台（labview）实现。我们在labview实时开发系统中编写所有的代码，同时下载实时代码在平台上来控制嵌入式应用。伺服系统一般由传统的比例微分控制器所控制。在工业控制中PID控制器是一个反馈循环装置。该装置接受命令，减去实际值得到一个“差”。这个差值是用来计算出一个新的输入值使得系统数据可以达到或者维持在一个标准值。PID控制器不同于其他简单的控制算法，为了令系统更加的精确稳定，基于历史数据和出现率的差异它能够调整输入值。一个PID反馈回路可以保证系统稳定，但其他的控制方法可能导致系统有稳定性误差或者重复进程，这可以由数学方法来证明。2 系统描述基于labview的直流伺服电机控制系统是设计用来分析他们的作品。系统软件可以通过使用labview程序来进行开发。在控制系统中所有的变化都可以观察到，用户的命令也可以同时接收。A 数据采集我们怎样才能发送一个信号（例如控制信号）同时我们如何才能读取输入的信号（例如一个反馈信号）数据采集（数据采集系统）是用来获取数据的。我们使用scb-68屏蔽输入输出盒的68-pin连接器连接。B SERVOSTAR伺服电机驱动放大器Labview虚拟仪器读取电机合理的电压值是用户输入的以及电机的实际电机得到反馈后的电压值。SERVOSTAR的模拟输入是有差别的，即两个输入值收到的信号是要相减得到一个差值。这个差值是用来指挥其余的系统。这种类型的输入具有很高程度的噪声免疫力，同时在许多情况下，系统之间允许地面隔离。这种模拟输入也有一个数字低通滤波器来防止高频率的噪声进入系统。C 直流电机模型和参数KOLLMORGEN GOLDLINE DDR D063A-22-1210达到很高转矩密度的结合，大直径，长度短，和大量的磁性杆可以被用来作为一个灵活的索引，提供可编程，快速，索引远远超过吞吐量的传统机械或者可变磁阻技术索引。它也可以用来替代机械传动齿轮箱，例如正时皮带，齿轮齿条式减速器。在控制系统中，D063A-22-1210 DC直流伺服电机得以使用。这种直流电动机具有以下参数。峰值电流18安培控制电流4.6安培最大速度300转1000转有效值%268反电动势计算%50转子惯量0.008636最小电感24.52毫亨电机磁极16忽略磨擦作用后，系统数学模型如下（S）V (S)=Kts(JLs2+JRs+KEKT)D 平台实时控制器使用了国家仪器PXI-8196实时控制器，NI PXI-8196技术嵌入计算机是一种高性能系统技术兼容的系统控制器。NI PXI-8196控制器使用最先进的包装材料，结合标准输入输出功能在单一单元中起着至关重要的作用。PXI-8196实时控制器具有以下参数2.0GHz因特尔奔腾760处理器与labview实时57千赫单回路部署平台labview实时应用集成硬盘，软件，串口周边10/100/1000(千兆以太网)手机双通道DDR2内存标准2个醉倒扩展接口/34槽和4个USB接口E RSI58系列编码器RSI58编码器是凹空心轴编码器，欧洲工业标准的58毫米直径。不同标准的空心轴，空心轴的凹孔仅21毫米深。这样的设计允许编码器有一个轴安装连接器。编码器可以直接安装应用程序，当停止扭转时课防止编码器旋转。模型的脉冲输出可到5000，最大频率为200千赫。它提供3或者6个输出以及电缆连接。3 PID控制器的分析比例积分-衍生物是工业上应用最常见的控制算法。我们可以使用此方程简单的表示该控制算法在连续时间上的应用。Y()=K(+1Ti0tedt+Td+dedt) pc labview-based controller proportional actualdesired action positionposition + integral + analog AMP DC motor- action + output (servostar)- NI DAQ derivative action digital input encode NI DAQ RSI58 Figure 1. the block diagram of proposed PID controller structureA 比例动作Ypk=K*(k)B 积分作用在积分作用中，当出现一个过程变量或者设定点时梯形积分被用来避免产生急剧变化。积分作用的非线性调节引起过量。误差越大积分作用越小，这体现在以下公式。YI(k)=KcTii=1kei+ei-12t11+10e(i)2SPmg2C 微商作用 在微商作用中，在设定点的突变使得微商作用于滤过的过程变量而避免派生除去，因此选择偏导数作用。Ydk=-KCTdt(PVfk-PVf(K-1)Yk=Ypk+Yl+Yd(k)对于制定的控制输出范围来说，实际控制器的输出是有限的。积分和校正的算法是，有利于抗饱和以及无干扰，应用于手动到自动和自动到手动的转换。当任何参数变动时，该算法能防止控制器输出突然变化。经典协调程序，称为QUARTER-DECAY比法，例如开环。4 LABVIEW程序一种基于labview的伺服控制系统被建立用来运行PID算法并分析他们的作品。本控制系统的目的是：减少稳态误差停留时间最小化上升时间最小化不超量Labview实时开发系统在windows上运行，就像labview。你在这个环境下开发所有的代码，同时下载实时代码在硬件目标上运行嵌入式应用。嵌入式labview实时应用系统没有用户界面，因此他们必须有一个主机电脑生成用户界面。5 总结通过数字控制器的制定和实施，利用labview和NI DAQ数据采集装置可以成功的实施无刷直流电机位置控制。我们设计labview程序来成功的运行它。在程序中，我们需要调整控制器的参数。有许多种精心制作的PID调谐技术来使得运营任务更加简单的实现。这儿有一个简单的方法来是你快速上手。设定KP 从KP=0,KI=0和KD=0开始，增加KP直到输出量开始超过规定铃声响起为止。设定KD 增加KD直到超出量减少到一个合理的程度。设定KI 增加KI直到最终误差等于0。5 参考文献1 BridgeVIEW and Labview, “PID Control Toolkit for G Reference Manual,” January 1998 Edition Part Number 320563B-01 2 National Instruments, “Fuzzy Logic for G toolkit Reference Manual,” March 1997 Edition Part Number 321511A-01 3 Graham C. Goodwin, Stefan F. Graebe, Mario E. Salgado,“ Control System Design, ” Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 2001 4 Tang K.S., Kim Fung Man, Guanrong Chen, Kwong S.,“An optimal fuzzy PID controller,” Industrial Electronics,IEEE Transactions on , Volume: 48 , Issue: 4 Aug. 2001Pages:757 765 5 K. J. Astrm, T. Hgglund, C. C. Hang, and W. K. Ho,“Automatic tuning and adaptation for PID controllersAsurvey,” in Adaptive Systems in Control and Signal Processing, L. Dugard, M. MSaad, and I.D. Landau, Eds.Oxford, U.K.: Pergamon, 1992, pp. 371376. 6 National Instruments “DAQ M Series User Manual” November 2006 Edition Part Number 371022G-01 7 Danahermotiom “Frameless Brushless Motor Mounting and Installation” November 2003 Document Number A-BL-012-07 Rev 4 8 Danahermotiom “SERVOSTAR S- and CD-Series Position control” November 2003 Document Number P-SS-001-13 Rev 4 Old number (ASYU007H) 9 National Instruments “PXI User Manual” March 2005 Edition Part Number 371445A-01 混合式步进电机的动态特性分析和电力变换器的控制（摘要）加州大学伯克利分校 Kang，Seong Gu一个先进的考虑磁饱和集中参数模型开发用于分析五相混合式步进电动机。空气间隙透过率的计算是作为磁动势的功能应用和使用二维有限元确定电机位置的方法。二维有限元的集中参数模型协助提供了一种形成连续函数解决扭矩特性的方案。与实验结果相比较即使在操作范围内发生了严重饱和，静态扭矩的计算也显示准确。为了集中参数模型的成功，对每个磁操作条件评估出准确的渗透率是必须的，这也可以通过二维有限元方法来实现。因此，渗透率的计算中一个准确而稳定的二维有限元方法在集中参数模型里起着至关重要的作用。一个有限元模型不仅需要定子和转子齿的几何参数，还需要非线性磁化曲线所代表的材料特性。渗透率的有限元方法计算对于磁化曲线的斜率显示非常敏感。二维有限元方法中在空气间隙区域建模必须小心，因为磁能和机械能之间的能量转换发生在空气间隙中。事实上空气间隙的长度只有五十微米，对于形状明显的方形元素是不够的，还有在每个转子的位置网格的定子和转子侧必须匹配也使得建模困难。这解释了为什么一个完整的混合式步进电机的三维有限元模型在文献中是如此的稀少。三维有限元方法比集中参数模型更加有优势，尽管建模困难但是没有了集中参数模型的限制它可以被用于普遍的结构。集中参数模型结果和三维有限元结果都与实验结果相比较了，它们的优缺点也都进行了讨论。在五相下可以进行包括半步，全步和步进的几种操作。因为激发输入是一系列的脉冲信号，不管是哪种操作模式下五相高速系统的响应都是阶跃响应。这也是为什么阶跃响应分析已经成为了五相高速系统这一领域中最重要的课题之一。为了有效的处理这一课题，一种线性的动态模型已经建立。最初的动态模型，具有高度非线性，是简化了用来鉴定例如共振频率和阻尼效应等五相高速电机动态特性的基本元素。结果表明，驱动电路和相绕组线圈的阻抗对于共振频率和阻尼效应的影响很大。因此，设计五相高速电机系统最重要的步骤之一就是选择合适的电阻值。众所周知，永磁电机包括步进电机的动态特性具有非线性特点。在许多工业应用中，非线性系统动力学被视为线性系统动力学中线性化关于运行稳定的状况。基于线性化模型，系统的稳定性可以用现有的线性系统理论来进行研究。然而，这个线性模型，可能导致不符合实际的结果，因为在大范围的系统状态里这个实际的非线性系统可能会有不同于局部以及整体的稳定特性。因此，在步进电机的研究中保持非线性研究是必要的。由于混合式步进电机是由一个开环回路控制器控制，一个稳定的线性电源是首选。在步进电机中使用最常见的整流器是降压型直流转换器，因为通过脉宽调制控制它提供了稳定的输出电压。为了使步进电机输出的电流维持在一个稳定的水平，一个反馈控制器是必须的。为此，一种稳定的PID控制器正研究中，在简化电机负载中使用电源转换器系统的传递函数。在电源转换器中开关元件具有固有的非线性特点，同时它们的特性在控制方程中也不容易观察。然而，这种非线