运动控制系统设计

摘要运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行的运动控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用RS232或者DNC方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系。关键词：运动控制，伺服控制，，电源双极性，PWM直流调速控制，protus仿真引言直流电机的定义：将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。任务分析1设计方案1.1概述采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1） 主电路线路简单，需用的功率器件少。2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3） 低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。4） 若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5） 功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。6） 直流电流采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中，已完全取代了V-M系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。1.2双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制

PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。总体方案简化图如图1所示。Id图1双闭环调速系统的结构简化图1.3桥式可逆PWM变换器的工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆PWM变换器电路如图2所示。这是电动机M两端电压uab的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图2桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图3所示。

O*Ug2O图3PWM变换器的驱动电压波形O*Ug2O图3PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：U=U=-U=-U。在一个开关周期内，当0<t<t时,品体管VT、VT饱和导通而VT、VT截止，这时U=U。当t<t<T时VT、1 4 3 2 ABs on 1VT截止，但VT、VT不能立即导通，电枢电流i经VD、VD续流，这时4 3 2 d 2 3UAB=-U。UB在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，t>:，则UA的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，t=:，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为T_t onT如果定义占空比p=。，T则在双极式可逆变换器中调速时，p的可调范围为0〜1相应的y=—1~+1。当p>1时，y为正，电2动机正转；当p<1时，y为负，电动机反转；当p=1时，y=0，电动机停止。2 2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等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1） 电流一定连续。2） 可使电动机在四象限运行。3） 电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4） 低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。1.4电源采用双极性脉宽调制放大电路图2举出了一个实际的标准双极性PWM功率放大器。它是一个典型的H型功放，四个功放管分别采用NPN型达林顿管TIP122和PNP型达林顿管TIP127。PWM脉冲信号通过光电耦合器件4N35加到晶体管的输入端。4N35的作用是把控制电源与驱动电源隔离，以免驱动器电源不稳定影响整个控制系统；同时，4N35的输出端还提供功放管的基极驱动电流。系统的工作过程如下：当PWM1端变为低电平且PWM2端为高电平时，功放管Q2/Q3导通，Q1/Q4截止，电流从电机两侧的B点流向A点，此时电机正转;反之，反转。二极管D1、D2、D3、D4是续流二极管，在晶体管切换时提供电流通路，并联在二极管两端的电阻和电容也起续流作用。PWM1和PWM2是两路控制信号。如果加上如图3所示的信号，则构成单极性功放电路。PWM信号由8051单片机的定时器产生，由P1.0输出。P1.1的高低电平代表电机的正反转。四个功放管采用MOS管。当电机要求正转时，单片机的P1.1输出高电平信号，该信号分为三路：第一路接与门Y1的输入端，使与门Y1的输出由PWM决定，所以开关管Q1栅极受PWM控制；第二路直接与开关管Q4相连使Q4导通；第三路经非门连接到与门Y2的输入端，使与门Y2的输出为0，结果开关管Q2截止。从非门输出的另一路信号与开关管Q3的栅极相连，其低电平信号也将使Q3截止。类似地，电机要求反转时，单片机P1.1输出低电平信号，各功放管的导通与截止与电机正转时正好相反。双极性PWM电路中，PWM1和PWM2两路控制信号通常不是严格对称的，造成切换过程中有一个小的时间延迟Tw，如图4所示。Tw实际上是功率管的开关时间，考虑时间延迟的目的是为了防止H桥同侧的功放管在开关切换时短路。1.5PWM调速系统的静特性由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下U=Ri+L虬+E (0<t<t)sddt ondiU=楫+L了+E (t<t<T)按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是Ud=yU，平均电流用"表示，平均转速n=E/C，而电枢电感压降L乌的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成dtyU=RI+E=RI+则机械特性方程式n=-Rl=n—CCd02.电路设计2.1系统总体电路图猜想直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。2.2电机PI转速调节器电路Cn图3PI转速调节器2.3系统中的部分程序设计软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序设计主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如图所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1口生数据送到PWM信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空比进而控制电机的转速。

#include<absacc.h>#include<intrins.h>**************************//********自定义变量********/#defineuintunsignedint//自定义变量#defineucharunsignedcharchargw,sw,bw,qw;ucharj;//定时次数，每次20msucharf=5;〃计数的次数sbitP10二P「0;sbitP11二P「1;sbitP12=P「2;sbitP13二P「3;sbitP14二P「4;sbitP15二P「5;sbitP16二P「6;uchark;//PWM输出波形1//PWM输出波形2//正反转〃加速//减速〃停止//启动uchart; 〃脉冲加减/***************主函数********************/main(void)(TMOD=0x51;//T0方式1定时计数T1方式1计数TH0=0xb1;//装入初值20MSTL0=0xe0;TH1=0x00;//计数567TL1=0x00;TR0=1;〃启动t0TR1=1;〃启动t1}}/*****************延时函数*************************/delays()(uchari;for(i=5000;i>0;i--);}/************************************************//*********t0定时*中断函数*************/voidt0()interrupt1using2(TH0=0xb1;〃重装t0TL0=0xe0;f--;if(k==0)(if(f<t)P10=1;elseP10=0;P11=0;}else(if(f<t)P11=1;elseP11=0;P10=0;}if(f==0)(f=5;}j++;if(j==50)(j=0；x=TH1*256+TL1; //t1方式1计数，读入计数值TH1=0x00;TL1=0x00;x++;display();}}/****************按键扫描**************/key()(if(P12==0) //如果按下，(while(!P12)//去抖动display();k=~k;}if(P16==0) 〃启动(while(P16==0);IE=0x8a;}if(P13==0) 〃加速(while(P13==0);t++;}if(t>=5)t=5;if(P14==0)//减速(while(P14==0);t--;}if(t<1)t=1;if(P15==0) 〃停止(while(P15==0);EA=0;P10=0;P11=0;}}2.4系统调试在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。经过多天的努力探索，也经过老师的指导，大部分问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。总结这次软件调试，让我认识到了做软件调试的基本方法与流程:（1） 认真检查源代码，看是否有文字或语法错误（2） 逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查（3） 找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功2.5系统仿真仿真软件选择Proteus，在Proteus中画出系统电路图，当程序在KeilC中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进行仿真的文件。将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节。若不成功，则重新回到软件调试步骤，进行软件调试。找出错误所在，更正后重新运行系统。硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进行。在仿真的过程中也遇到了很多问题，比如元件选择、电路设计等，在元件选择方面，有的芯片是我以前学习的时候所没有遇到过的，所以在寻找和使用的过程中也遇到很多麻烦，但经过自己的努力，并借鉴从互联网上找到的资料，我逐渐掌握这些元件的使用方法和原理，为系统设计和仿真提供了良出的基础。另外，在进行仿真的时候，也经常出现程序没有错误了，但是仿真通不过的情况，这些大部分原因是在管脚定义上，很多系统仿真的问题都出在这。经过这段时间的努力，使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步的认识，也为系统的成功奠定了基础。在kiel中编写和调试程序CEAoeOtA-S-PWMp-s-EU^00/Hpl3pA-AOaeOeEe!4ZExOU"»"2aaA-00,O3120090806022321-E上-lJ-TM1-E上-lJ-TM一-<-_»-<一琏_<-4导出电路原理图导出电路原理图自动化w班欧英刚312009080602232U3[r~ a：自动化w班欧英刚312009080602232U3[r~ a：：：勰仿真电路图*.27/\\'tL.」□■11超调量=[Y(tp)—Y(8)]/Y(8)x100%本设计中给定值Y(8)=3；Y(tp)=3・43。超调量=(3.43-3)/3*100%=14.50%14.50%<20%故符合设计要求结论本课程所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片机为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。而在软件方面，采用PLD算法来确定闭环控制的补偿量也是由数字电路组成的直流电机闭环