多电机同步控制

1、精选优质文档-倾情为你奉上论文题目：电机同步控制模块设计（软件）专 业：电气工程及其自动化指导老师：黄梦涛 （签名） 本 科 生：李大威 （签名） 摘 要多电机同步控制广泛应用于工业生产中。论文以两台电机的同步为研究对象，采用主从式的控制结构，设计了一个两台小功率低电压直流电机的同步控制系统，两台直流电机采用PWM技术调速。为了提高控制精度，采用了带速度反馈的闭环调速系统，选用单片机C8051F040作为控制器。为了能够根据需要改变电机的转速以及实时显示两台电机的速度，我们还建立了单片机和上位机之间的串行通信。设计的核心是用C语言编程实现了PID控制算法。为了增加PID算法的自适应性，设计中整

2、定了多组控制参数，并给出了控制结果。关键词：多电机同步，PWM，C语言，PID算法专心-专注-专业SUBJECT ：The software design of Multi-electric motors synchronism control moduleSpecialty ：Electrical Engineering and AutomationInstructor：Huang Mentao （Signature） Name ：Li Dawei （Signature） ABSTRACT Multi-electric motor synchronism control system has

3、 been widely used in the industrial manufacture. Taking the synchronization of two engines as research object, a synchronous control system for two DC motors, which work on small power and low voltage, is designed in this paper. It has a Master-slave structure. The speeds of the two DC motors are re

4、gulated with the technology of PWM. In order to improve the control precision, a closed loop speed control system with a speed feedback is adopted, while the single chip computer C8051F040 is selected as the controller. We also establish a serial communication between the single chip computer and a

5、PC, so it is easy to set up the motors speed you want and show the real-time speeds of them. The core of the design is to realize the PID algorithm, using the C language to program. In order to improve the PID algorithms adaptability, several group control parameters are set in the design, and their

6、 control effects are given.KEY WORDS：Multi-electric motor synchronism, PWM, C language, PID 目 录前 言直流电机是最早出现的电机，也是最早能实现调速的电动机。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态性能，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位，是大多数调速控制电动机的最优选择。PWM是控制数字化的基础，用PWM技术控制直流电机方法简单，能实现宽范围内的速度和位置调整，如今已成为主流的直流电机调速方式。多电机同步控制问题在工业生产中的许多场合已成为一个突出的难题。在多台电机驱动系

7、统中，采用传统的机械长轴虽然能够准确地保持电机同步，但其缺点日益显著，如各电机的工作状态相互影响，彼此之间存在严重的耦合作用，通过链、齿轮、轴等多级链接机构后含有积累误差，使用范围也受到限制，某些场合已不能满足现代控制的需要。采用电的方式控制多电机的同步是一种有效的解决手段，人们对这方面已作出了大量的研究。对多电机的同步控制结构有并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制、偏差耦合控制等多种控制理论，控制方法除了常规的PID外，还有各种现代控制理论，包括神经网络、模糊控制、专家系统等，将它们与PID控制相结合更衍生出多种控制理论。在本设计中以C8051F040单片机为控制器，设计了一个两台

8、小功率低电压直流电机的主从式同步控制系统，设计任务是从电机能够跟踪主电机的实时速度，主电机的速度可以通过上位机设定，然后传给单片机去调节。设计的目的是尝试用改进的PID控制算法，用C语言编程去实现两台电机的速度同步，并达到一定的控制精度，简单地探讨一下实际应用中对多电机进行同步控制的基本方法。PID控制是最早发展起来也是应用最广泛的控制规律之一，由于其原理简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。但其不足之处是对非线性、不确定性系统的控制效果不理想。本设计采用了数字PID算法，为了提高控制精度，对于不同的速度段，整定了多组控制参数，以提高P

9、ID算法的自适应性。软件设计中一个关键的任务是为电机的速度设定一个合适的控制参数，为了方便查看一组控制参数下的控制效果，我们通过中断程序运行，在调试环境下查看实时的电机速度，多次查看并记录下这些数值。通过对这些数据的分析，反复的调整控制参数，直到满意为止。对最终控制结果的分析表明，主电机速度的调整精度和从电机跟踪的精度都能达到期望的水平。 第一章 多电机同步控制方案及硬件电路 本章主要对目前多电机同步的两种基本控制结构以及直流电机PWM调速的发展概况和原理做了一些介绍和分析，确定了本系统两台直流电机的主从式同步控制结构，给出了直流电机的驱动电路和速度反馈电路，并对控制器C8051F040单片机

10、的优点作了介绍。1.1 多电机同步控制结构在工业生产中，传动控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常有多个轴需要传动控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种传动系统中，目前存在的同步控制技术包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制、偏差耦合控制。这里对并行控制和主从控制这两种基本的控制方式作一下简单的介绍和比较，并选择了主从式的双电机同步控制结构。1.1.1 并行控制 并行控制是一种基于同一定值控制的并联运行方式，这是一种最简单的同步控制方法。并行式适用于每个单独系统的控制目标基本一致的情况，要求伺服系统具有良好的速度稳定性。调速系统采用同一给定电压，其控制结构图如图

11、1.1所示。采用并行运行方式的同步控制系统其优点在于启动和停止阶段系统的同步性能很好，但是由于整个系统相当于开环控制，当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间将会产生同步偏差，同步性能很差。控制器电机1控制器电机2 图1.1 并行控制系统结构图1.1.2 主从控制主从控制是一种基于跟踪随动原理的串联运行方式。以双电机为例，主从同步控制系统的结构图如图1.2所示。在这种控制方式中，主电机的输出转速作为从电机的转速参考值。由此可推断，任何加在主电机上的速度命令或是负载扰动都会被从电机反映并且跟随，但是任何从电机上受到的扰动却不会反馈回给主电机，也不会影响到其他的从电机。主从式特点是从系统跟踪主系

12、统的输出，大大增加了其控制策略的稳定性，但存在跟踪滞后。这种控制方式要求伺服系统具有良好的跟踪性能，主要应用在对速度或者位置的同步精度不是很高的工业生产中。控制器控制器电机1电机2 图1.2 主从同步控制结构图本系统设计的电机同步控制为了提高抗干扰能力，在一台电机速度受到外部扰动或人为干扰时两台电机仍能保持速度的同步，采用了带速度反馈的主从式的控制结构，一台电机作为主电机，一台为从电机，主电机的输出即转速作为从电机的输入，主电机的输入根据需要设置。为了提高主从电机的抗干扰能力以及从电机对主电机的跟踪精度，在设计中尽可能地改善了数字控制电路。1.2 PWM调速原理与发展概况 目前用大功率晶体管控

13、制的PWM永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用最为广泛的驱动形式。这种装置能实现宽范围内的速度和位置控制，较常规的驱动方式，如晶体管线性放大驱动，电液驱动或晶闸管驱动，具有无可比拟的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高。PWM装置一跃成为现代伺服驱动系统的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视。国外于上世纪60年代已开始注意PWM伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服系统，70年代中后期较为广泛地应用在中等功率的直流伺服系统上，到了80年代，PWM驱动在直流伺服系统中的应用已经普及。现在从国外引进的高精度伺服系统大都采用PWM伺服系统，各工业先进国家竞相发展PW

14、M伺服机构。国内一些高校，研究所和工厂在上世纪70年代末相继开展了PWM系统的研究，在一定范围内达到了工业推广水平，应用于数控机床，精密机床的进给，机器人驱动装置及精密速度控制器中，也用于军用雷达天线驱动，火炮和导弹发射架驱动等快速跟踪高精度伺服系统中。但由于受到能制造的大功率晶体管的电流及电压等级的限制，国内仅能做到几十瓦到几十千瓦，电压达到220伏。PWM驱动原理是就是直流斩波原理，利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源。按一个固定的频率来接通和关断，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电动机电枢上的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电机的转速。

15、因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。PWM输出波形如图1.3所示，周期为T，一个周期内的导通时间为t，则加在电机两端的平均电压为： （1-1）其中，= t /T称为占空比，为电源电压，本电路中采用12伏。 图1.3 PWM原理图直流电机的转速与电机两端电压成正比，而电机两端的平均电压与控制波形的占空比成正比，占空比越大，电机转得越快，当占空比为1时，加在电机两端的平均电压最大，电机转速也就最大。1.3 直流电机驱动电路直流电机PWM驱动电路使用最广泛的就是单极性H型桥式电路，这种驱动电路可以很方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动这四种电机运行状态。单极性H型

16、桥式驱动电路结构图如图1.4所示，它由4个开关管和4个续流二极管组成，采用单电源供电。当电动机正转时，V1开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V2开关管则受PWM反向控制信号控制，V3保持常闭，V4保持常开。当电动机反转时，V3开关管根据PWM控制信号同步导通或关断，而V4开关管则受PWM反相控制信号控制，V1保持常闭，V2保持常开。M 图1.4 单极性H型桥式驱动电路当电机在较大负载下正转时，电机两端平均电压U大于感应电动势E。在每个PWM周期的导通区间，V1导通，V2截止，电流经V1、V4从A到B流过电枢绕组。在每个PWM周期的关断区间，V2导通，V1截止，电源断开，在自感应电动势的

17、作用下，经二极管VD2和开关管V4进行续流，使电枢中仍然有电流流过，方向是从A到B，这时，由于二极管VD2的箝位作用，V2实际不能导通。当电动机在进行减速运行时，平均电压U小于感应电动势E。在每个PWM周期的导通区间，在感应电动势和自感应电动势的共同作用下，电流经二极管VD4、VD1流向电源，方向是从B到A，电动机处于再生制动状态。在每个PWM周期的关断区间，V2导通，V1截止，在感应电动势的作用下，经开关管V2和二极管VD4仍然是从B到A流过绕组，电动机处于耗能制动状态。 当电动机轻载或空载运行时，平均电压U等于感应电动势E。在每个PWM周期的导通区间，V2截止，电流先经VD4、VD1流向电

18、源，当减小到零后，V1导通接通电源，电流改变方向，沿V1、V4流动。在每个PWM周期的关断区间，V1截止，电流先是沿VD2、V4续流，当续流电流减小到零后，V2导通，在感应电动势的作用下，电流改变方向，沿开关管V2和二极管VD4流动。因此，在一个PWM周期中，电流交替呈现再生制动、电动、续流电动、耗能制动四种状态。我们所用的驱动芯片是L298N。L298N是SGS公司的产品，内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的两台电机。且价格便宜，对本电路来说是经济合适之选。本设计中的硬件电路原理框图如图1.5所示。其中驱动部分的原理图如图1.6所示。

19、图1.5 系统硬件电路原理框图 图1.6 驱动电路原理图 图1.7 速度反馈电路 1.4 速度检测电路测速元件是闭环调速系统中的关键元件，为了扩大调速范围，改善电动机的低速平稳性，要求测速元件低速输出稳定，波纹小，线性度好。常用的测速元件有模拟式测速元件和数字式测速元件。模拟式测速元件通常采用测速发电机；数字式测速元件采用光电式脉冲发生器。数字测速元件具有低惯量低噪声高分辨率和高精度的特点，有利于控制直流电机。在现代驱动控制系统中，为了提高速度反馈检测精度，正在摒弃直流测速发电机加A/D转换器的方案，而采用光电码盘直接数字测速的方案。本系统采用增量式光电旋转编码器测量电机的速度。将光电编码器与

20、电动机相连，当电动机转动时，带动码盘旋转，便发出相应的信号。光电编码器由光源，光电转盘，光敏元件和光电整形放大电路组成。光电转盘与被测轴连接，光源通过光电转盘的透光孔射到光敏元件上，当转盘转动时，光敏元件便发出与转速成正比的脉冲信号，为了判别电机的转向，光电编码器输出两路相隔90度电脉冲角度的正交脉冲。利用光电编码器进行数字测速的常用方法有两种：M法和T法。（1）M法测速：M法又叫定时计数法，是用计数器记取规定时间内光电编码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，测量编码器光栅所产生的脉冲数来获得被测的速度值。设编码器光栅每转一圈发出的脉冲数为Z，且在规定的时间T内，测得的脉冲数

21、为M，则电机每分钟转数为：n=60M/ZT （1-2）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编码器的制造精度，以及编码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： （1-3）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法测速适用于高速段。（2）T法测速：T法又叫定数计时法，是用定时器记取光电编码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。设编码器光栅每转一圈发出的脉冲数为

22、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编码器光栅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： （1-4）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： （1-5）低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频脉冲个数多，误差小，故T法适用于低速段。我们采用M法测速。所采用的光电编码器光栅每转一圈发出1000个脉冲。设电机工作在额定转速下，即n=500转/分，则在0.1秒的采样间隔内，计数器所应接受到的标准脉冲个数为M=500/60*0.1*1000=833个，可以看出，精度还是较高的

23、。本设计中速度反馈回路的原理图如图1.7所示。1.5 控制器本设计选用手头上的C8051F040单片机为系统的控制器，C8051F040单片机执行效率高，片上可利用资源丰富，为以后系统功能的扩展留有余地。Silicon Laboratories公司出品的C8051F系单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，具有与MCS-51完全兼容的指令内核。该系单片机采用全新的CIP-51内核，采用流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令执行效率。C8051F040单片机是该系中功能最全最具代表性的一款。具有控制系统所需的所有的模拟和数字外设。其主要特

24、性如下：(1)片内看门狗、定时器、VDD监视器和温度传感器；(2) 一个12位、100ksps和一个8位、500ksps的A/D转换器；(3) 两个12位D/A转换器；(4)4K字节的片内RAM和64KB可在系统编程的FLASH存储器；(5) 5个通用的16位定时器；(6)具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；(7)硬件实现的SPI、SMBUS和两个UART串行接口； (8)控制器局域网(CAN2.0)控制器, 具有32个消息对象；(9)全速、非侵入式的在线调试接口；(10)引入交叉开关配置，可灵活地将外围设备配置到P0P3口。C8051F040单片机是真正能独立工作的片上系统（S

25、OC）。除具有标准8051的端口外，C8051F040还有4个附加的8位端口，每个端口都可以配置为推挽输出或开路输出。最独特的改进就是引入了数字交叉开关，允许将内部数字资源映射到P0口，P1口，P2口，P3口，这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口和所需数字资源的组合。其MCU能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设，所以其功耗很低。片内JTAG调试支持功能允许对安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。在系统调试比采用标准MCU仿真器要优越的多，因为这一技术能保证精确模拟外设的性能。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点，单

26、步，观察点，运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行，当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设都停止运行，以保持同步。FLASH编程非常方便，可以在Silicon Labs集成开发环境（IDE）下通过JTAG接口进行编程，不需要专用编程器或适配器。每个MCU都可在工业温度范围（-45到+80度）内用2.73.6V的电压工作，端口I/O、RST、JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。正是由于这些优点以及极高的模拟和数字集成度，对各种要求小体积，高集成度精确测量的场合而言，C8051F040实为理想选择。1.6 通信模块本设计中为了能够人为的设定电机的转速

27、及观察两个电机的实时速度，采用了RS232串行通信方式实现计算机与单片机的通信，通过计算机的操作界面可以很方便地完成这些任务。利用C8051F040单片机内部集成的UART控制器，很容易进行串行通信。计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯两种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。RS-232-C接口（又称EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔

28、系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号电平和信号内容加以规定。在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系：逻辑“1”的电平是-5-15V，逻辑“0”的电平是+5+15V。噪声容限为2V,即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高至-3V的信号作为逻辑“1”。实际上，RS-232-C的25条引线中有很多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用常用的39条引线。PC机上的RS-2

29、32串行接口有两个COM1和COM2，一般都是9针的接头，这个接头为公接头。由于RS-232电平和单片机内TTL逻辑电路产生的电平是不一样的，因此，PC机与单片机之间必须经过一定的电路转换逻辑电平。单片机C8051F040内部有两个增强型全双工UART,一个增强型SPI总线和SMBUS协议，这些串行总线都完全用硬件实现，都能向微处理器申请中断，因此需要很少CPU的干预。我们采用UART0与上位机通信。第二章 PID控制方法 本章分析了PID的控制规律，推出了数字式增量PID控制算法，介绍了两种克服积分饱和的方法以及抑制干扰的措施。重点介绍了PID控制参数的实用的整定方法。2.1 PID控制方法

30、介绍PID控制是迄今为止最通用的控制策略，有许多不同的方法以确定合适的控制器参数，根据现代理论的观点，PID调节器具有本质的鲁棒性、符合二次型最优控制选型原则、且具有智能化的专家特色。PID调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器。PID控制是比例积分微分控制的简称，本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的控制算法，最早出现在模拟控制系统中，通过硬件（电子元件，气动和液压元件）来实现。控制器系统原理图如图2.1所示。现 在过 去未 来对 象 图2.1 模拟PID控制系统原理图PID的三种控制规律可以组成不同的线性控制器。在电力传动控制系统中，常采用的串联校正控制装置有比例

31、微分（PD）控制器、比例积分（PI）控制器及比例积分微分（PID）控制器。由PD控制器构成的超前校正可以提高稳定裕度并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI控制器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，但快速性不佳；用PID控制器实现的滞后-超前校正兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能。连续控制系统中的模拟PID控制规律为: （2-1）式中, u ( t ) 控制器的输出 e ( t ) 控制量的偏差 Kp 比例系数 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数(1) 比例环节比例环节对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数Kp可以减小静差，但过大会使系统的动态质量变坏，引起输出量震荡,甚至导致系统不稳定。(2) 积分环节为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。如果积分时间常数Ti大，则积分作用弱，反之为强。增大Ti将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分环节的代价是降低系统的快速性。 (3) 微分环节为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋势进行控制，使