基于直流電機(jī)的精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、xx大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)、創(chuàng)作）題目：基于直流電機(jī)的精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 院（系）： 電子信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 入學(xué)時(shí)間： 二00八 年 九 月導(dǎo)師姓名： 職稱/學(xué)位： 導(dǎo)師所在單位： 完成時(shí)間： 二0一二年 五月基于直流電機(jī)的精確定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 為達(dá)到某醫(yī)療控制系統(tǒng)安全、快速、精確定位的技術(shù)要求 ，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性，專門(mén)采用內(nèi)部資源豐富的msp430f149為主控芯片，配合使用高性能帶有光電編碼器的直流電機(jī)。從數(shù)字式直流電機(jī)定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，選取電流，和電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào)，采用pwm調(diào)制作為系統(tǒng)的輸出信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，形成一個(gè)雙閉環(huán)反饋

2、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。并以工程控制中廣泛應(yīng)用的pi算法作為系統(tǒng)的核心控制方案，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高速，精確定位。 關(guān)鍵字：msp430f149；直流電機(jī)；光電編碼器；pwm ；pi控制 design of precise positing system based on dc motor abstract in order to keep an medical control system operating safely,fastly, position accurately, and ensure the stability and reliability , we specifically us

3、e the internal resources msp430f149 as the main chip, in conjunction with high-performance dc motor with optical encoder. base on the mathematical model of the digital dc motor positioning system, we choose the current and the motor speed as feedback signals, using the pwm as the system output signa

4、l, forming a double closed loop feedback speed regulation system to control the motor speed. in order to realize the system of thigh speed and accurate location, we use the extensive application in project the pi algorithm as the core control theory. keywords: msp430f149 ;dc motor; pi ;double closed

5、 loop 目 錄1 引言.11.1 開(kāi)發(fā)背景.11.2 選題的目的與意義.12 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究.22.1 執(zhí)行電機(jī)的選擇.22.1.1 伺服電機(jī).32.1.2 步進(jìn)電機(jī).42.1.3 綜述.52.2 位置和速度傳感器的選擇.62.2.1 光電編碼器.62.2.2 霍耳式傳感器.82.3 直流定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析.82.3.1 直流電機(jī)調(diào)速方法概述.82.3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).103 硬件電路設(shè)計(jì).133.1 直流電機(jī)精確定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì).133.2 msp430f149單片機(jī)系統(tǒng).133.3 隔離與驅(qū)動(dòng)電路.143.3.1 隔離單元模塊.143.3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

6、.153.3.3 過(guò)流保護(hù)模塊.163.4 反饋電路.173.4.1 速度檢測(cè)電路.173.4.2 電流反饋電路.184 控制軟件設(shè)計(jì).184.1 總體程序模塊.184.2 控制算法模塊.195 結(jié)束語(yǔ).20主要參考文獻(xiàn).21致謝.22 引 言 1.1 開(kāi)發(fā)背景 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)是主要的控制執(zhí)行部件，目前在直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動(dòng)機(jī)供電的kzd拖動(dòng)系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動(dòng)一電動(dòng)機(jī)的fd系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步由模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是運(yùn)動(dòng)控制芯片的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨

7、勢(shì)。直流電機(jī)調(diào)速基本原理是比較簡(jiǎn)單的（相對(duì)于交流電機(jī)），只要改變電機(jī)的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見(jiàn)的一種pwm脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入占空比就可以控制電機(jī)的平均電壓，控制轉(zhuǎn)速。pwm控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，pwm控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，pwm控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種pwm控制技術(shù)。1.2 選題的目的與

8、意義對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個(gè)方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于后兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定的精度在所需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没殡S著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使

9、直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢(shì)。 所以本系統(tǒng)在以前的研究背景下，結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用，我們采用適應(yīng)性較強(qiáng)的雙閉環(huán)反饋直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，合理選用系統(tǒng)的各個(gè)執(zhí)行單元，使系統(tǒng)能在負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響下均可以滿足控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度要求的直流電機(jī)控制器。 2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究 一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般是由硬件和控制軟件組成的。一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件主要由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、功率驅(qū)動(dòng)器、傳感器和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)好比人體。電機(jī)是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的元件，功率控制器是產(chǎn)生電機(jī)所需的電流；運(yùn)動(dòng)控制是智能元件，整個(gè)系統(tǒng)

10、的運(yùn)動(dòng)指令由運(yùn)動(dòng)控制器給出；位置傳感器檢測(cè)電機(jī)的位置并將結(jié)果告知控制器，形成閉環(huán)。圖1： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成圖 設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其中控制精度是衡量系統(tǒng)水平的最重要的尺度。一個(gè)高質(zhì)量的系統(tǒng)，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，被控量與給定值的偏差應(yīng)該很小?？紤]到動(dòng)態(tài)過(guò)程y(t)在不同階段中的特點(diǎn)，工程上常常從穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度三個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體要求。 所以要想設(shè)計(jì)一個(gè)滿意的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)從硬件和軟件綜合考慮。其中硬件構(gòu)成由為重要，對(duì)硬件構(gòu)成中的每一部分選擇的好壞，都將決定整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。2.1執(zhí)行電機(jī)的選擇 電機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的主要作用是作為執(zhí)行元件和檢測(cè)元件

11、。執(zhí)行元件是用來(lái)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的；而檢測(cè)元件是將輸出量變換成和輸入量相同的物理量，以便與輸入量進(jìn)行比較。先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)主要用做執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是將控制作用轉(zhuǎn)換成被控負(fù)載的位移信號(hào)。隨動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由各種類型的伺服電機(jī)和減速器構(gòu)成。 控制用電機(jī)廣泛用于辦公自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化相關(guān)機(jī)器、機(jī)器人、數(shù)字控制工具機(jī)、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、量測(cè)機(jī)器、醫(yī)療機(jī)器等，具有良好的響應(yīng)性、可靠性、小型化、高效率，可說(shuō)是與近年代迅速發(fā)達(dá)的電子式驅(qū)動(dòng)電路相匹配的“特殊電機(jī)”.控制電機(jī)為了提高響應(yīng)性，必須以增加轉(zhuǎn)矩。其對(duì)策為轉(zhuǎn)子構(gòu)造采用細(xì)長(zhǎng)化的鐵心、使用高性能磁鐵以增加轉(zhuǎn)矩，減少慣性力矩等。常用的控制電機(jī)有步進(jìn)

12、電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等。 表1: 控制用電機(jī)定位控制性能比較 控制用電機(jī) 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)（開(kāi)環(huán)控制）驅(qū)動(dòng)控制電路簡(jiǎn)單；可靠性高、維護(hù)容易動(dòng)作慢；振動(dòng)大、效率低dc伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路不太復(fù)雜，效率高，動(dòng)作快碳刷需要保護(hù)步進(jìn)電機(jī)（閉環(huán)控制）驅(qū)動(dòng)控制電路比無(wú)刷dc伺服電機(jī)簡(jiǎn)單；響應(yīng)速度快；保養(yǎng)容易效率稍低無(wú)刷dc伺服電機(jī)（ac伺服電機(jī)）響應(yīng)速度與dc伺服電機(jī)一樣快；可靠性高；效率高因控制電路復(fù)雜，價(jià)格稍貴 2.1.1伺服電機(jī) 無(wú)論是位置控制系統(tǒng)還是速度控制系統(tǒng)，均由系統(tǒng)的伺服電機(jī)帶動(dòng)被控對(duì)象做機(jī)械運(yùn)動(dòng)。被控對(duì)象能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)狀況，完全取決于系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其中伺服電機(jī)

13、和被控對(duì)象相聯(lián)系的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)其影響極大。一般根據(jù)整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和控制方案，分析負(fù)載特性和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，并以此作為依據(jù)，來(lái)選擇伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器。具體的做法是由整機(jī)的能力指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)初步確定伺服電機(jī)的功率和力矩，并且負(fù)載折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般小于電機(jī)本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的5倍，最好是差不多相等。然后根據(jù)電機(jī)的電流來(lái)決定伺服驅(qū)動(dòng)器的容量，其中伺服驅(qū)動(dòng)器所能提供的最大電流要不小于電機(jī)的峰值電流，而且調(diào)整中切不可使輸入電流大于伺服電機(jī)的退磁電流。電機(jī)和負(fù)載的慣量之和要小于伺服驅(qū)動(dòng)器所允許的最大慣量。 選擇伺服電機(jī)應(yīng)符合下列基本要求： （1）具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍 （2）具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)

14、節(jié)特性 （3）具有快速響應(yīng)特性 （4）空載始動(dòng)電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 （5）高解析度：定位時(shí)為0.36 對(duì)位置型伺服驅(qū)動(dòng)器的基本技術(shù)要求是：在系統(tǒng)的定位精度上，位置控制系統(tǒng)一般為無(wú)靜差系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)測(cè)量元件的分辨率有限和系統(tǒng)的死區(qū)均可造成系統(tǒng)的定位誤差；對(duì)速度型伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)說(shuō)，基本要求有速度控制精度、速度范圍和階躍特性。 目前主要的伺服電機(jī)包括直流有刷伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和無(wú)刷直流伺服電機(jī)。其中直流有刷電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，種類也最多。具體有傳統(tǒng)型直流伺服電機(jī)、低慣量無(wú)槽直流電機(jī)、寬調(diào)速直流伺服電機(jī)、和直流力矩電機(jī)。這些電機(jī)中主要的技術(shù)指標(biāo)是選擇它們的主要依據(jù)，有以下幾項(xiàng)：（1） 額定功率：電機(jī)在額

15、定狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，從其軸上輸出的機(jī)械功率。（2） 額定電壓：電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組和電驅(qū)繞組上應(yīng)加的電壓。永磁式直流伺服電機(jī)只有額定電驅(qū)電壓。（3） 額定電流：電機(jī)在額定電壓運(yùn)行下，輸出額定功率時(shí)繞組中的電流。額定電流一般就是電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行所允許的最大電流。（4） 額定轉(zhuǎn)速：電機(jī)在額定電壓下，輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速。（5） 額定轉(zhuǎn)矩:電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)矩可以由額定功率和額定轉(zhuǎn)速求出。（6） 最大轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)可輸出最大轉(zhuǎn)矩，它反映了電機(jī)的瞬時(shí)過(guò)載能力。最大轉(zhuǎn)矩一般是額定轉(zhuǎn)矩的5倍10倍。（7） 機(jī)電時(shí)間常數(shù)j和時(shí)間常數(shù)d：分別反映了電機(jī)的兩個(gè)過(guò)渡時(shí)間。j通常

16、小于20ms，d通常小于5ms,令兩者之比大于3.（8） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j(kg):電機(jī)電樞轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（9） 最大電流：對(duì)應(yīng)于可能允許最大輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)電樞電流。 2.1.2步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角或位移與輸入的電脈沖數(shù)成正比，它的速度與脈沖頻率成正比，而運(yùn)動(dòng)方向是由步進(jìn)電機(jī)通電的順序所決定的。步進(jìn)電機(jī)是常用的控制用電機(jī)，分為轉(zhuǎn)子使用永久磁鐵的pm型、利用磁阻變化產(chǎn)生吸力的vr型，以及兼具以上兩者的復(fù)合型、直線動(dòng)作的線性型等。 步進(jìn)電機(jī)的選擇主要考慮步距角、靜力矩及電流三大要素。一旦這三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。（1）

17、 步矩角的選擇：電機(jī)的步矩角取決于負(fù)載的精度要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量應(yīng)走多少角度。電機(jī)的步矩角應(yīng)等于或小于此角度。（2） 靜力矩的選擇：步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩的選擇的依據(jù)是電機(jī)的工作負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種單一的慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載是不存在的。直接啟動(dòng)和直接加速的時(shí)候兩者都有考慮，恒速運(yùn)行時(shí)只要考慮摩擦負(fù)載。（3） 電流的選擇：靜力矩相同的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大?？梢砸罁?jù)矩頻特性曲線圖，判定電機(jī)的電流。 2.1.3綜述 綜上所述，在世界當(dāng)中是選擇步進(jìn)電機(jī)還是伺服電機(jī)，主要視具體應(yīng)用情況而定，

18、簡(jiǎn)單地說(shuō)要確定：負(fù)載的性質(zhì)（如水平負(fù)載還是垂直負(fù)載等），轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速度等要求，上位控制要求（如對(duì)端口和通信方面的要求），主要控制方式是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式，供電電流是直流、交流電源、還是電池供電、電壓范圍、據(jù)此以確定電機(jī)和配用驅(qū)動(dòng)器和控制器的型號(hào)。 表2:步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)和伺服電機(jī)系統(tǒng)的性能比較性能指標(biāo)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)伺服電機(jī)系統(tǒng) 力矩范圍中小力矩（一般在20nm以下）小中大，全范圍 速度范圍低（一般在2000r/min以下，大力矩電機(jī)小于1000r/min）高（可達(dá)5000r/min）,直流伺服電機(jī)更可達(dá) 控制方式主要是位置控制多樣化、可能化的控制方式、位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式 平滑

19、式低速時(shí)有振動(dòng)好，運(yùn)行平滑 精度一般較低，細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高高（具體要看反饋裝置的分辨率） 矩頻特性高速時(shí)，力矩下降快力矩特性好，特性較硬 過(guò)載特性過(guò)載時(shí)會(huì)失步可3倍-10倍過(guò)載 反饋方式大多數(shù)為開(kāi)環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步閉環(huán)方式，編碼器反饋 編碼器類型 光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對(duì)值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型 響應(yīng)速度 一般 快 耐振動(dòng) 好 一般 從以上的分析可以得知，該系統(tǒng)電機(jī)的選型，從功率控制到定位精度等綜合方面的考慮，直流電機(jī)都是最好的選擇。因?yàn)樗鼭M足了小型化、定位精度高、機(jī)械性好等優(yōu)點(diǎn)。2.2位置和速度傳感器的選擇 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中有許多不同的物理量（如位移、加速度、速度、電流等）需要

20、控制和監(jiān)測(cè)。如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始的各種參量進(jìn)行精確而可靠的監(jiān)測(cè)，那么對(duì)機(jī)電的各種控制都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，能把各種不同的非電量轉(zhuǎn)化成電量的傳感器，便成為機(jī)電一體化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，被控變量要么是速度要么是位置，一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體性能，在很大程度上將取決于用來(lái)產(chǎn)生反饋信號(hào)的傳感器類型極其質(zhì)量。 電機(jī)反饋傳感器在很大的測(cè)量范圍內(nèi)決定了一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體能力。傳感器誤差限制了位置或速度的穩(wěn)態(tài)精度，反饋傳感器中的不完美，如粗糙的分辨率以及周期性誤差引起力矩?cái)_動(dòng)。 在本系統(tǒng)中主要用的傳感器有光電編碼器和霍爾式傳感器 2.2.1光電編碼器光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置

21、傳感器，光電編碼器主要是通過(guò)讀取光電碼盤(pán)上的圖案或編碼信息來(lái)表示與光電編碼器相連的電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息。根據(jù)光電編碼器的工作原理可以把光電編碼器分為絕對(duì)式編碼器與增量式編碼器兩種類型。增量式光電編碼器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，價(jià)格低，精度高，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用更為廣泛。在高分辨率和大量程角速度/位移測(cè)量系統(tǒng)中，增量式光電編碼器更具優(yōu)越性。絕對(duì)式編碼器能直接給去對(duì)應(yīng)的每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)給進(jìn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特殊處理，需要多級(jí)檢測(cè)裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高。 1）絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器如圖2所示，他通過(guò)讀取編碼盤(pán)上的二進(jìn)制的編碼信息來(lái)表示絕對(duì)位置信息。 編碼盤(pán)按

22、照一定的編碼形式制成碼盤(pán)。圖2為二進(jìn)制的編碼盤(pán)，圖中白色的是透過(guò)的,用“0”表示，黑色的是不透光的，用“1”表示。通常將組成編碼的圈稱為碼道，每個(gè)碼道表示二進(jìn)制中的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)是最高位。如果編碼盤(pán)有4個(gè)碼道，就形成4位16進(jìn)制的編碼，因此可將碼盤(pán)劃分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)，如0000，0001.,1111。 按照碼盤(pán)上形成的碼道配置相應(yīng)的的光電傳感器，包括光源、透鏡、碼盤(pán)、光敏二級(jí)管和驅(qū)動(dòng)電子電路。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)到一定的角度時(shí)，扇區(qū)中的透光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對(duì)應(yīng)的光敏二極管不導(dǎo)通，輸出高電平“1”。這樣形成與編碼方式一致

23、的高，低電平，從而獲得扇區(qū)的位置信息。 圖2: 絕對(duì)式編碼器碼盤(pán) 2）增量式編碼器 增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸的碼盤(pán)給出一系列的脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此算出轉(zhuǎn)過(guò)的角位移量。增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。 圖3: 增量式編碼器結(jié)構(gòu) 圖4：增量式編碼器原理圖 光電碼盤(pán)和轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤(pán)可用玻璃材料制成，表面鍍上一層不透光的金屬鉻，然后在邊緣制成向心的透光狹縫。透光狹縫在碼盤(pán)圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個(gè)碼盤(pán)圓周上被等分成n個(gè)透光的槽。 增量式編碼器的工作原理如圖4所示，它由主碼盤(pán)、鑒向盤(pán)、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在圖形的主碼盤(pán)周邊上刻有節(jié)距

24、相等的輻射狀窄縫，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒向盤(pán)與主盤(pán)平行，并刻有a，b兩組透明檢測(cè)窄縫，它們彼此錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，以使a、b兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90。工作時(shí)，鑒向盤(pán)靜止不動(dòng)，主碼盤(pán)與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤(pán)與鑒向盤(pán)上。當(dāng)主碼盤(pán)上的不透明區(qū)正好與鑒向盤(pán)上的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線被全部遮住，此時(shí)光電變換器輸出的電壓最??；當(dāng)主碼盤(pán)上的透明區(qū)正好與鑒向盤(pán)的透明窄縫對(duì)齊時(shí)，光線全部通過(guò)，此時(shí)光電變換器輸出的電壓最大。主碼盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓且光電變換器a、b的輸出電壓相位差為90。2. 2.2霍耳式傳感器 霍耳式傳感器是基于霍耳效

25、應(yīng)的一種磁敏式的傳感器?；舳?yīng)應(yīng)用于1879年首次被美國(guó)物理學(xué)家霍耳在金屬材料中發(fā)現(xiàn)。目前霍爾式傳感器在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中主要可以用來(lái)測(cè)量電流和磁場(chǎng)，有時(shí)也用做位置信號(hào)的傳感器。 此系統(tǒng)中我們采用霍爾傳感器作為電流反饋信號(hào)的數(shù)據(jù)采集單元，運(yùn)用的原理是，在一定的溫度下，對(duì)于一個(gè)確定的霍耳元件，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度b保持恒定時(shí)，電流i的變化可引起霍耳電勢(shì)uh相應(yīng)的線性變化，則可通過(guò)測(cè)量霍耳電勢(shì)uh來(lái)測(cè)得電流i或者跟電流i有關(guān)的其他物理量。2.3直流定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析直流電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。首先直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)性能，調(diào)速性能和控制性能，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在

26、需要調(diào)速的高性能電力拖動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。另外，它的電樞電壓、電樞電流、電樞回路電阻、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速等各參數(shù)、變量之間的關(guān)系幾乎都是近似的線性函數(shù)關(guān)系，這使直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型較為簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，相應(yīng)地使得直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)也較為容易，且經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟、經(jīng)典，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2.3.1直流電機(jī)調(diào)速方法概述直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可表示為： (公式1

27、) 式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（v）； 電樞電流（a）； 電樞回路總電阻（ w ）； 勵(lì)磁磁通（wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。在上式中，是常數(shù)，電流是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻。這三種調(diào)速方法性能比較如下：1調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速特性曲線如圖5所示。工作條件：保持勵(lì)磁；保持電阻； 調(diào)節(jié)過(guò)程：改變電樞電壓，；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。2調(diào)阻調(diào)速調(diào)阻調(diào)速特性曲線如圖6所示。工作條件：保持勵(lì)磁；保持電壓；調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻，不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。3調(diào)磁調(diào)速調(diào)磁

28、調(diào)速特性曲線如圖7所示。工作條件：保持電壓；保持電阻；調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁；，調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。圖5： 調(diào)壓調(diào)速特性曲線圖6：調(diào)阻調(diào)速特性曲線圖7：調(diào)磁調(diào)速特性曲線4三種調(diào)速方法的性能與比較 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。 2.3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和pi調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但

29、是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門(mén)用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值idcr以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程，在起動(dòng)電流達(dá)到最大值idm后，受電流負(fù)反饋的作用降低下來(lái)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過(guò)程延長(zhǎng)。 而我們期望達(dá)到的理想起動(dòng)過(guò)程是，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)

30、程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值idm的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變。那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。因此，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。 1) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

31、和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級(jí)）聯(lián)接如圖8所示。asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg測(cè)速發(fā)電機(jī)ta電流互感器 upe電力電子變換器圖8: 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)tgnasracru*n+.unuiu*i+.uctavm+.udidupel.mtg+圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2 )穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和調(diào)節(jié)器的限幅作用 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖9: 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù); b 電流反饋系數(shù) ks a

32、1/ceu*nucidenud0un+.asr+u*i. r b acr.uiupe 2調(diào)節(jié)器的限幅作用為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器，可采用模擬實(shí)現(xiàn)或數(shù)字實(shí)現(xiàn)。而且，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr的輸出限幅電壓u*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器acr的輸出限幅電壓ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓udm。限幅作用存在兩種情況：飽和輸出達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán) 不飽和輸

33、出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，pi作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。 3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可以分別歸納如下： 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。 （2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動(dòng)

34、態(tài)過(guò)程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程。 （4）當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來(lái)說(shuō)是十分重要的3. 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 直流電機(jī)精確定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示，本系統(tǒng)采用msp430f149作為主控芯片，利用msp430f149自帶的pwm發(fā)生模塊、和adc模塊等資源，組成一個(gè)雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。具體的工作流程如下：直流電機(jī)的電樞電流經(jīng)過(guò)電流傳感器反饋給msp430f149，電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)光電編碼器測(cè)速反饋到msp430f149的高速入口。通過(guò)msp430f149對(duì)

35、反饋信號(hào)的預(yù)處理，于給定值進(jìn)行比較，通過(guò)pi控制算法給出合適的控制量到高速輸出口。高速輸出口輸出不同占空比的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離和驅(qū)動(dòng)器來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 10: 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2 msp430f149單片機(jī)系統(tǒng) msp430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器(ti)公司生產(chǎn)的一種16位的、具有精簡(jiǎn)指令集(risc)的超低功耗的混合信號(hào)處理器(mixedsignal processor)。它將各種外圍資源集中在片上, 實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng),從而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 具體特點(diǎn)如下：1) 低電壓、超低功耗。工作電壓僅為1.83.6v,在1mhz時(shí)鐘條件下運(yùn)行,工作電流視工作模式不同在0.1400a變化

36、。2) 強(qiáng)大的處理能力. 采用了高效16位risc結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式,簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令,在8mhz晶體驅(qū)動(dòng)下,指令周期為125s。3) 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。上電復(fù)位后,首先由dcoclk啟動(dòng)cpu,以保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行,保證晶體振蕩器有足夠的時(shí)間起振及穩(wěn)定時(shí)間。如果晶體振蕩器在用作cpu時(shí)鐘mclk時(shí)發(fā)生故障,dco會(huì)自動(dòng)啟動(dòng),以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序出錯(cuò),可用看門(mén)狗將其復(fù)位。4) 具有較豐富的片內(nèi)外設(shè)。 本設(shè)計(jì)采用msp430f149,它的片內(nèi)外設(shè)包含: 60kb flash-rom和2kbram, 12位200kb/ s的a/ d轉(zhuǎn)換器,高精度比較器,1個(gè)硬件乘法器,具有

37、3個(gè)捕獲/ 比較寄存器的16位定時(shí)器time_a和time_b,1個(gè)看門(mén)狗時(shí)鐘,2通道串行通信接口可用于異步或同步,有68個(gè)可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置的并行輸入/ 輸出端口,其中p1口和p2口具有中斷功能。5) 方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境. 包含了jtag技術(shù)和plash在線編程技術(shù),開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編和c語(yǔ)言。 圖 11: msp430f149內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.3 隔離與驅(qū)動(dòng)電路 3.3.1隔離單元模塊 為防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)電機(jī)控制單元的干擾，必須在兩者之間加上隔離電路，來(lái)防止干擾。因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)單元需要大電流，而控制單元為數(shù)字信號(hào)，如果不加入隔離單元，會(huì)影響到控制模塊的正常工作。目前最常用的隔離模塊為光耦隔離模塊，利用

38、光信號(hào)的具有很好的抗電磁干擾特性，起到很好的隔離作用。由于msp430f149產(chǎn)生的pwm信號(hào)的頻率較高，因此采用高速光耦合器tlp521-1.由圖12所知tlp521-1的輸入端為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出端為低電平。因此為了保證msp430f149的輸出的pwm的極性，在tlp521-1的輸出端接一個(gè)反相器，同時(shí)也起到整形信號(hào)防止輸出去信號(hào)畸變的作用。 圖 12: 光耦隔離模塊 3.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用專業(yè)的芯片lmd18200，lmd18200是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(ns)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的h橋組件。同一芯片上集成有cmos控制電路和dmos功率器件，它將4個(gè)dmos管

39、構(gòu)成的h橋及其控制邏輯電路均包含在1個(gè)11腳的t- 220封裝中,與由分立元件構(gòu)成的橋式驅(qū)動(dòng)電路相比,lmd18200構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,性能更加可靠。lmd18200可采用2種不同類型的pwm信號(hào),本系統(tǒng)的pwm信號(hào)分別由方向信號(hào)和幅值信號(hào)組成,幅值由pwm信號(hào)的占空比決定,零脈沖時(shí)代表零電壓。在實(shí)際使用時(shí),腳3接方向信號(hào)輸入,腳5接pwm信號(hào),腳6接停止信號(hào),lmd18200外形結(jié)構(gòu)如圖13所示，內(nèi)部電路框圖如圖14所示，lmd18200的控制信號(hào)工作原理如表3所示。 圖13 : lmd18200外部結(jié)構(gòu)圖 圖 14 : lmd18200內(nèi)部結(jié)構(gòu) 表3:lmd18200的控制信號(hào)與電機(jī)

40、轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài) 圖15 驅(qū)動(dòng)模塊電路圖3.3.3過(guò)流保護(hù)模塊 任何情況，不論是正常工作還好遺產(chǎn)，都有保障電機(jī)或是驅(qū)動(dòng)電路的電流保持在正常范圍內(nèi)，否則會(huì)燒壞電機(jī)和驅(qū)動(dòng)芯片。由于長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)電流都會(huì)損耗驅(qū)動(dòng)芯片和電機(jī)，所以在選取元器件的適合要充分考慮到其損耗裕量，同時(shí)還要有必要的過(guò)流保護(hù)措施。由于電機(jī)有額定的工作電流，為了防止電機(jī)因?yàn)檫^(guò)流而燒壞，這里需要一個(gè)過(guò)流保護(hù)裝置，這里用比較器lm339構(gòu)成。由于lmd18200電流檢測(cè)輸出引腳8提供電流取樣信號(hào)，典型值為377ua/a。取lm339基準(zhǔn)電壓為ur=5v，可得lmd18200電流檢測(cè)輸出引腳8下拉電阻值:r=100klm339的輸出uo接msp430

41、f149的p1.0腳連接，以負(fù)跳變模式觸發(fā)。當(dāng)電機(jī)過(guò)流時(shí)向msp430f149發(fā)出中斷，從而單片機(jī)就會(huì)調(diào)用中斷服務(wù)程序通過(guò)p2.0關(guān)斷l(xiāng)md18200，從而達(dá)到過(guò)流保護(hù)的作用。電路圖如下所示： 圖 16： 過(guò)流保護(hù)模塊3.4 反饋電路 反饋電路在系統(tǒng)的控制領(lǐng)域起到了核心的作用，正是由于實(shí)時(shí)的反饋機(jī)制才使系統(tǒng)運(yùn)行在可控的范圍內(nèi)，而作為反饋系統(tǒng)中的核心部件，反饋采集電路就顯得尤為重要了，它直接決定了反饋信息的精確度進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。3.4.1速度檢測(cè)電路測(cè)速反饋電路采用一個(gè)增量式光電編碼器來(lái)反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。該光電編碼器由碼盤(pán)、檢測(cè)光柵、光電轉(zhuǎn)換電路、機(jī)械部件等組成。當(dāng)碼盤(pán)隨著被測(cè)

42、電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),檢測(cè)光柵不動(dòng),光線透過(guò)碼盤(pán)和檢測(cè)光柵上的縫隙照射到光電檢測(cè)器件,光電檢測(cè)器件就可以輸出2組相位相差的信號(hào),通過(guò)檢測(cè)a,b兩相的相位就可以判斷轉(zhuǎn)軸是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),通過(guò)記錄a或b相變化的次數(shù),就可以得出轉(zhuǎn)抽旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。本設(shè)計(jì)中不需要檢測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向,故只需通過(guò)msp430f149的捕捉功能,捕捉a相輸出脈沖的上升沿,從而記錄脈沖的個(gè)數(shù),本系統(tǒng)采用的是m法測(cè)速。具體的m法測(cè)速原理如下： （公式2）在一定的時(shí)間tc內(nèi)測(cè)取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)m1，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作m法測(cè)速。把m1除以tc就可以得到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖頻率f1=m1/tc。電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生z個(gè)脈沖（

43、z=倍頻系數(shù)*編碼器光柵數(shù)），把f1除以z就得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.4.2 電流反饋電路要實(shí)現(xiàn)電流的負(fù)反饋檢測(cè)，需要對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，控制系統(tǒng)采用csm050ap型的霍爾傳感器作為電流檢測(cè)器。csm050ap傳感器將采樣的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)精密采樣電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓調(diào)理電路將電壓信號(hào)調(diào)整為滿足msp430的輸入要求，最后msp430對(duì)adc口的調(diào)理信號(hào)進(jìn)行采樣。msp430f149自帶了12位ad轉(zhuǎn)換器。msp430f149通過(guò)p6.0/a1采樣直流電機(jī)的電流反饋值。4. 控制軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)程序模塊 要實(shí)現(xiàn)速度反饋和電流反饋的精確控制，需要在控制系統(tǒng)中引入速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，組成電

44、流負(fù)反饋控制環(huán)和速度負(fù)反饋控制環(huán)，其中電流反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，速度反饋環(huán)為外環(huán)。為了獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，電流環(huán)和速度環(huán)均采用pi調(diào)節(jié)器。速度環(huán)根據(jù)給定速度與檢測(cè)到的實(shí)際速度差值，經(jīng)過(guò)速度pi調(diào)節(jié)器對(duì)相應(yīng)的差值進(jìn)行處理，處理的結(jié)果作為電流環(huán)的給定值；同樣電流調(diào)節(jié)器通過(guò)給定值與檢測(cè)值的差值比較，再通過(guò)電流pi調(diào)節(jié)器處理差值，將差值按一定的算法輸出一定占空比的pwm波，該pwm波作為驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流環(huán)起決定作用，當(dāng)電機(jī)速度穩(wěn)定時(shí)速度環(huán)起主要作用。電流環(huán)的主要功能為：（1）啟動(dòng)過(guò)程的加速（2）對(duì)反拉時(shí)的電流保護(hù)（3）對(duì)電壓波動(dòng)時(shí)的抗干擾；速度環(huán)的主要功能為：（1）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無(wú)靜差（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，（3）能對(duì)電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性控制 。具有系統(tǒng)流程框圖如下： 圖17： 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)程序流程圖如下所示： 圖18： 主程序流程圖4.2 控制算法模塊本系統(tǒng)中核心的算法模塊就是pi調(diào)