数字位置随动控制系统的设计.doc

计算机控制系统课程设计 题目： 数字位置随动控制系统设计 学 院： 电气与信息工程学院 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 目录一、 题目说明2二、 设计要求.2三、控制系统的工作原理说明2四、控制器设计3五、组成系统的主要硬件 51、信号发生器52、角度采样 (电位器 )53、通讯电路94 、电机9六、系统软件10七、PID前馈补偿控制实验 10八、结束语11参考文献12一、题目说明利用位置传感器和直流电动机的位置随动系统，见图a。该系统是利用位置传感器形成位置环，由所选定的单片机来完成数字控制器。手柄角度盘直流电机位置给定位置反馈A/D转换单片机驱动电路电源键盘输入 图a全数字位置随动系统示意图二、设计要求：定位精度0.4。定位过程超调量10%。输入阶跃、速度、加速度转角信号时，调节时间为250ms。三、控制系统的工作原理说明：1 系统结构与工作流程本文设计了一种电流 、位置双闭环反馈控制系统 。如图 1所示 ，硬件系统包括了信号发生器 、TM$320LF2407 (以下 简称 F2407)控制器 、电机驱动 、电机及负载 、电流采样 、角度采样和通讯电路几个模式。 图1 整体电路功能框图为了更好地模拟工业中实际的随动系统 ，采用 SPCEO61A 作为信号发生器 ，F2407通过ADC 单元采样SPCE061A产生的波形 ，作为系统的被跟踪信号。F2407的 ADC单元(ADIN2、ADIN4)采样反映通过机的电流值和电机转动角度值的电压信号 ，作为系统的反馈 。F2407通过串口SCl单元实时向PC机发送系统状态信息。一方面 ，PC机实时显示系统状态曲线 ，创造了良好的人机界面 ，实现了对系统状态的实时监控。另一方面可以保存统状态信息 ，为系统建模及控制算法研究提供了试验数据 。每个采样周期开始 ，DSP首先采样给定信号 、位置反馈信号和电流反馈信号 ，然后执行随动系统的 PID等控制策略计算输出加在电机两端的 PWM 电压信号量 ，最后通过电机驱动芯 A3952进行功率放大，驱动电机转动 ，实现随动控制。 四、控制器设计： 核心控制器电动机的数字控制既要求控制器有强大的 I0控制功能 ，又要求控制器有高速的信号处理能力以实现实时控制。因此 ，需要采用将高速运算和高控制能力相结合的电动机控制专用芯片 。 美国Tl公司开发的数字信号处理器 TM$320LF2407，是 一 款高性能 、低功耗 、高性价比的 16位定点 DSP芯片 ，是电动机控制的专用芯片。F2407芯片最高运算速度达 40MIPS，ADC最小转换时间为 500ns，非常适合电机的实时控制。芯片还集成 了电动机控制所必需的可增加死区且灵活多变的多路 PWM信号发生器 、测量电机转动位置的 16通道 1O位高速高精度 AD转 换器 ，以及用于测量电动机速度的正交编码脉 冲(QEP)电路。 可以调整事件管理器的定时器的寄存器值设定 PWM 工作方式 和频率 ，改变比较寄存器值改变 PWM占空比，输出占空比可调 PWM 控制信号。本文设定 PWM12通道输出频率为 1OK 的 PWM 波 ，改变 CMPR6寄存器值 ，输出符合典型信号要求的连续 PWM控制信号。可以调整 ADC排序寄存器值设定模拟通道转换顺序 ，改变事件管理器的定时器寄存器值改变采样周期 ， 并由 ADC 结果缓冲寄存器保存采样值 。本文使用 ADIN2、 ADIN4、ADIN6口采样 ，采用定时器 2周期中断设定采样周期为 10ms。AD 转换中电压范围与数字量的关系为 ：0V对应于 00H，33V 对应于 3FFH。 五、组成系统的主要硬件： 1、信号发生器 全数字随动系统的研究 ，需要研究系统对典型信号的跟踪 效果 。本文采用凌阳16位单片机 SPCE061A，通过软件设计和简易的硬件电路 ，产生多种被跟踪 信号 ，包括各机随机信号和典型信号 (阶跃函数 、斜坡 函数 、脉 冲函数和正弦函数等)。图 2 信号发生器电路功能框图 SPCEO61A 工作电压 26V3，6V， 最大工作速率达 49152MHz，内置 2K字 SRAM、32K FLASH，32位通用可编程输入输出端口，2个 1O位 DAC (数一模转换)输出通道。DSP F2407控制 061A的 l0A端 口电平 ，形成波形类 型和参数 ，触发外部中断 EXT2进行同步调试 ，通过 DAC2输出波形。信号发生器电路功能框图如图 2。 由于凌 阳 SPCE061A单片机 DAC输出为电流输出，最大输出电流为3mA，为 得到ON3V的电压信号，需要将输出电流 信号通过 1Kn 变阻器 ，转变为电压信号 。外部放大电路作用是改变波形幅度；采用 RC低通滤波电路 ，滤除 DAC转换过程中形成的阶梯波高频分量 。2、 角度采样 (电位器 ) 随动系统中测角位移的方法很多 ，常用的有电位计 、差动变压器、微同步器 、自整角机等 ，本文采用 的是 电位计测角 位移的 方法 。 随动系统的稳态精度很 大程 度取 决于位置检测元件 。我们采用符合美国军标的 WDD35D精密导电塑料电位器 ，阻值 1K 欧姆 ，独立线性度为 O1。由于测量电位器电压上有高频干扰 ，在电位器输出端并联一个小电容，滤掉高频干扰 。 24 电机驱动与电流采样 直流电机驱动电路使用 最广泛 的就是 H型全桥式电路 ，为了使电路简化 ，采用集成有桥式电路的电机专用 驱 动 芯 片 A3952，使用方便 ，且性能比较稳定可靠 。芯片内部结构如图 3。 A3952是一个 直接将脉宽 调制信 号(PWM)转变为 驱动电流信号的芯片。它可以工作于输出电流+2A，电压 50V。内置的 离线脉宽调制电流控制电路可以用来调整最大负载电流到期望 值 ，当负载电流超过峰值时 ，关断驱动器 ，以保护驱动电路本身和电机 ，实现过流保护。内部还包括了滞后的高温掉电 ，滤波二极管，和电流交叉保护等电路 。 由 A3952芯片内部结构知 ，通过 Rs上的电流与电机电流相等。选用 5W、O47o水泥电阻 Rs，采样Rs上的电压值计算电机工作电流值 ，形成电流负反馈 ，同时也可以从软件上实现过电流保护。驱动电路 如图 4所 示，为保护 DSP，在 DSP与 A3952 之间加了反门保护。A3952直接将 PWM和 DIR控制量信号进行合成与放大 ，驱动直流力矩电机工作，实现控制命令 。图 4中的 Ai620输出至放大滤波电路后再由 DSP的ADIN4采样。 3、通讯电路 采用 MAX232串口通信标准电路，连接 DSP串口通信接口 SCI模块与PC机串口，实现数据串行通讯。保存发送数据到tt 文件 ，用于在 matlab中数据处理分析。 4、 电机 选用永磁式直流力矩电机 ，型号为 70LY53。具体参数值有堵 转 电 压 ：Uf=27V，满额电流 ：If=226A，堵 转力矩 ：Mf- O627Nm，最大空载转速 ：Nf=900rmin。 由此可知它属于低速直流伺服电动机 ，堵转力矩大 ，空载转速低 。 计算得电机转动角度对电枢电压的传递函数如下 ： 0(s)一 1Ko 丽 一可 ； 采用系统辨识的理论，得到参数值为：Ke=O2812；Tm=O7534。 六、系统软件 系统软件主要分三部分 ：一是上层软件 ，即数据保存和显示界面 ，保存显示系统状态信息 ；二是 DSP上的底层软件 ，包括控制程序和通讯程序 ；三是信号发生程序 。 DSP控制器中断程序流程图如图 5所示 。 信号发生软件设计 ，采取建表查表的方式 ，以产生正弦波为例 ，图 6是正弦波形输出流程图 ，其他波形的形成原理大致相同。 七、PID前馈补偿控制实验 PID调节法是位置随动系统中一种常用的控制方法 。本文应用 了基于前馈补偿的 PID控制算法 。PID前馈控制结构如图 7所示 ，图中的 G(S)即广义被控对象 ：电机及负载。 前馈控制是直接按照给定信号对输出信号进行控制 ，计算机仿真可以得到误差全补偿 ，即 E(S)=O 。但是实际系统往往比较复杂 ，不可能求得确切的传递函数 ，只能对实际系统作近似的描述得到近似的全补偿 。计算机对控制系统进行matlab仿真 ，得到控制效果好的PID调节参数值 ，再写入实际控制系统进行实验。对实际系统 ，当给定值信号 rin是幅值为4-1(约4-574度的角度量 )，周期为 2s，频率 0，5Hz的正弦波时 ，测得实际电机输出角度信号 yout 跟踪曲线如图 8，四分之一 周期时间后 ，两 者基本吻合 ，系统有很好的动态特性和稳态性能。此时 PID调节参数 ：kp=80、ki= 15、kd=8。曲线 yout在 四分之一周期 的超调是由起始位置控制量信号的突变引起的，而曲线在偏差后快速趋于稳定。 八、结束语数字随动系统中，主要运用了直流电机，A/D转换，单片机，驱动电路，硬件中主要包括信号发生器，角度采样，直流电机，通信电路。软件主要用DSP进行控制。快速性是系统设计的主要要求 ，本文采用全数字化的电