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

1、xx大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計、創(chuàng)作）題目：基于直流電機的精確定位系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 院（系）： 電子信息工程學(xué)院 專業(yè)：電子信息工程 入學(xué)時間： 二00八 年 九 月導(dǎo)師姓名： 職稱/學(xué)位： 導(dǎo)師所在單位： 完成時間： 二0一二年 五月基于直流電機的精確定位系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 為達到某醫(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。從數(shù)字式直流電機定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，選取電流，和電機轉(zhuǎn)速作為反饋信號，采用pwm調(diào)制作為系統(tǒng)的輸出信號，控制電機的轉(zhuǎn)速，形成一個雙閉環(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，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高速，精確定位。 關(guān)鍵字：msp430f149；直流電機；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 開發(fā)背景.11.2 選題的目的與意義.12 系統(tǒng)的設(shè)計方法研究.22.1 執(zhí)行電機的選擇.22.1.1 伺服電機.32.1.2 步進電機.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.133.1 直流電機精確定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計.133.2 msp430f149單片機系統(tǒng).133.3 隔離與驅(qū)動電路.143.3.1 隔離單元模塊.143.3.2 電機驅(qū)動模塊

6、.153.3.3 過流保護模塊.163.4 反饋電路.173.4.1 速度檢測電路.173.4.2 電流反饋電路.184 控制軟件設(shè)計.184.1 總體程序模塊.184.2 控制算法模塊.195 結(jié)束語.20主要參考文獻.21致謝.22 引 言 1.1 開發(fā)背景 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機是主要的控制執(zhí)行部件，目前在直流電機拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管(即可控硅)裝置向電動機供電的kzd拖動系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機的fd系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步由模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是運動控制芯片的應(yīng)用，使直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨

7、勢。直流電機調(diào)速基本原理是比較簡單的（相對于交流電機），只要改變電機的電壓就可以改變轉(zhuǎn)速了。改變電壓的方法很多，最常見的一種pwm脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機的輸入占空比就可以控制電機的平均電壓，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現(xiàn)。直到進入上世紀(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、加速或減速三個方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對于后兩個要求已能很好地實現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達到預(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)定運行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。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，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，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，直流電動機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機技術(shù)的應(yīng)用，使

9、直流電機調(diào)速技術(shù)又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 所以本系統(tǒng)在以前的研究背景下，結(jié)合實際的工程應(yīng)用，我們采用適應(yīng)性較強的雙閉環(huán)反饋直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，合理選用系統(tǒng)的各個執(zhí)行單元，使系統(tǒng)能在負載、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控制器。 2.系統(tǒng)的設(shè)計方法研究 一個完整的運動控制系統(tǒng)一般是由硬件和控制軟件組成的。一個典型的運動控制系統(tǒng)的硬件主要由電機、傳動機構(gòu)、功率驅(qū)動器、傳感器和運動控制器構(gòu)成，運動控制系統(tǒng)的組成如圖所示，整個系統(tǒng)好比人體。電機是產(chǎn)生運動的元件，功率控制器是產(chǎn)生電機所需的電流；運動控制是智能元件，整個系統(tǒng)

10、的運動指令由運動控制器給出；位置傳感器檢測電機的位置并將結(jié)果告知控制器，形成閉環(huán)。圖1： 運動控制系統(tǒng)的基本組成圖 設(shè)計一個性能良好的運動控制系統(tǒng)，其中控制精度是衡量系統(tǒng)水平的最重要的尺度。一個高質(zhì)量的系統(tǒng)，在整個運行過程中，被控量與給定值的偏差應(yīng)該很小?？紤]到動態(tài)過程y(t)在不同階段中的特點，工程上常常從穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度三個方面來評價運動控制系統(tǒng)的總體要求。 所以要想設(shè)計一個滿意的運動控制系統(tǒng)，應(yīng)從硬件和軟件綜合考慮。其中硬件構(gòu)成由為重要，對硬件構(gòu)成中的每一部分選擇的好壞，都將決定整個運動控制系統(tǒng)的性能。2.1執(zhí)行電機的選擇 電機在運動控制系統(tǒng)中的主要作用是作為執(zhí)行元件和檢測元件

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

12、電機、直流伺服電機、交流伺服電機等。 表1: 控制用電機定位控制性能比較 控制用電機 優(yōu) 點 缺 點步進電機（開環(huán)控制）驅(qū)動控制電路簡單；可靠性高、維護容易動作慢；振動大、效率低dc伺服電機驅(qū)動控制電路不太復(fù)雜，效率高，動作快碳刷需要保護步進電機（閉環(huán)控制）驅(qū)動控制電路比無刷dc伺服電機簡單；響應(yīng)速度快；保養(yǎng)容易效率稍低無刷dc伺服電機（ac伺服電機）響應(yīng)速度與dc伺服電機一樣快；可靠性高；效率高因控制電路復(fù)雜，價格稍貴 2.1.1伺服電機 無論是位置控制系統(tǒng)還是速度控制系統(tǒng)，均由系統(tǒng)的伺服電機帶動被控對象做機械運動。被控對象能否達到預(yù)期的運動狀況，完全取決于系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，其中伺服電機

13、和被控對象相聯(lián)系的動力學(xué)特性對其影響極大。一般根據(jù)整機的設(shè)計要求和控制方案，分析負載特性和運動性質(zhì)，并以此作為依據(jù)，來選擇伺服電機和伺服驅(qū)動器。具體的做法是由整機的能力指標(biāo)和運動狀態(tài)初步確定伺服電機的功率和力矩，并且負載折算到電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量一般小于電機本身轉(zhuǎn)動慣量的5倍，最好是差不多相等。然后根據(jù)電機的電流來決定伺服驅(qū)動器的容量，其中伺服驅(qū)動器所能提供的最大電流要不小于電機的峰值電流，而且調(diào)整中切不可使輸入電流大于伺服電機的退磁電流。電機和負載的慣量之和要小于伺服驅(qū)動器所允許的最大慣量。 選擇伺服電機應(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）空載始動電壓和轉(zhuǎn)動慣量小 （5）高解析度：定位時為0.36 對位置型伺服驅(qū)動器的基本技術(shù)要求是：在系統(tǒng)的定位精度上，位置控制系統(tǒng)一般為無靜差系統(tǒng)，因為系統(tǒng)測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；對速度型伺服驅(qū)動器來說，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包括直流有刷伺服電機、交流伺服電機和無刷直流伺服電機。其中直流有刷電機的應(yīng)用最為廣泛，種類也最多。具體有傳統(tǒng)型直流伺服電機、低慣量無槽直流電機、寬調(diào)速直流伺服電機、和直流力矩電機。這些電機中主要的技術(shù)指標(biāo)是選擇它們的主要依據(jù)，有以下幾項：（1） 額定功率：電機在額

15、定狀態(tài)下運動時，從其軸上輸出的機械功率。（2） 額定電壓：電機在額定狀態(tài)下運行時，勵磁繞組和電驅(qū)繞組上應(yīng)加的電壓。永磁式直流伺服電機只有額定電驅(qū)電壓。（3） 額定電流：電機在額定電壓運行下，輸出額定功率時繞組中的電流。額定電流一般就是電機長期連續(xù)運行所允許的最大電流。（4） 額定轉(zhuǎn)速：電機在額定電壓下，輸出額定功率時的轉(zhuǎn)速。（5） 額定轉(zhuǎn)矩:電機在額定狀態(tài)下運行時輸出的轉(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：電機在短時間內(nèi)可輸出最大轉(zhuǎn)矩，它反映了電機的瞬時過載能力。最大轉(zhuǎn)矩一般是額定轉(zhuǎn)矩的5倍10倍。（7） 機電時間常數(shù)j和時間常數(shù)d：分別反映了電機的兩個過渡時間。j通常

16、小于20ms，d通常小于5ms,令兩者之比大于3.（8） 轉(zhuǎn)動慣量j(kg):電機電樞轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)動慣量。（9） 最大電流：對應(yīng)于可能允許最大輸出轉(zhuǎn)矩時電樞電流。 2.1.2步進電機 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的一種機電式數(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，而運動方向是由步進電機通電的順序所決定的。步進電機是常用的控制用電機，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、直線動作的線性型等。 步進電機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，步進電機的型號便確定下來了。（1）

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

18、簡單地說要確定：負載的性質(zhì)（如水平負載還是垂直負載等），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)此以確定電機和配用驅(qū)動器和控制器的型號。 表2:步進電機系統(tǒng)和伺服電機系統(tǒng)的性能比較性能指標(biāo)步進電機系統(tǒng)伺服電機系統(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，大力矩電機小于1000r/min）高（可達5000r/min）,直流伺服電機更可達 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、式低速時有振動好，運行平滑 精度一般較低，細分型驅(qū)動時較高高（具體要看反饋裝置的分辨率） 矩頻特性高速時，力矩下降快力矩特性好，特性較硬 過載特性過載時會失步可3倍-10倍過載 反饋方式大多數(shù)為開環(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/絕對值型），旋轉(zhuǎn)變壓器型 響應(yīng)速度 一般 快 耐振動 好 一般 從以上的分析可以得知，該系統(tǒng)電機的選型，從功率控制到定位精度等綜合方面的考慮，直流電機都是最好的選擇。因為它滿足了小型化、定位精度高、機械性好等優(yōu)點。2.2位置和速度傳感器的選擇 在運動控制系統(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。如果沒有傳感器對原始的各種參量進行精確而可靠的監(jiān)測，那么對機電的各種控制都無法實現(xiàn)。因此，能把各種不同的非電量轉(zhuǎn)化成電量的傳感器，便成為機電一體化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。 在運動控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，被控變量要么是速度要么是位置，一個運動控制系統(tǒng)的整體性能，在很大程度上將取決于用來產(chǎn)生反饋信號的傳感器類型極其質(zhì)量。 電機反饋傳感器在很大的測量范圍內(nèi)決定了一個運動控制系統(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擾動。 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讀取光電碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉(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)簡單，體積小，價格低，精度高，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定等優(yōu)點，應(yīng)用更為廣泛。在高分辨率和大量程角速度/位移測量系統(tǒng)中，增量式光電編碼器更具優(yōu)越性。絕對式編碼器能直接給去對應(yīng)的每個轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計算機處理，但當(dāng)給進數(shù)大于一轉(zhuǎn)時，須作特殊處理，需要多級檢測裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高。 1）絕對式編碼器 絕對式編碼器如圖2所示，他通過讀取編碼盤上的二進制的編碼信息來表示絕對位置信息。 編碼盤按

22、照一定的編碼形式制成碼盤。圖2為二進制的編碼盤，圖中白色的是透過的,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，每個碼道表示二進制中的一位，其中最外側(cè)的是最低位，最里側(cè)是最高位。如果編碼盤有4個碼道，就形成4位16進制的編碼，因此可將碼盤劃分為16個扇區(qū)，每個扇區(qū)對應(yīng)一個4位二進制數(shù)，如0000，0001.,1111。 按照碼盤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、光敏二級管和驅(qū)動電子電路。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)到一定的角度時，扇區(qū)中的透光的碼道對應(yīng)的光敏二極管導(dǎo)通，輸出低電平“0”，遮光的碼道對應(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: 絕對式編碼器碼盤 2）增量式編碼器 增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸的碼盤給出一系列的脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計數(shù)器對這些脈沖進行計數(shù)，以此算出轉(zhuǎn)過的角位移量。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 光電碼盤和轉(zhuǎn)軸連在一起。碼盤可用玻璃材料制成，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。透光狹縫在碼盤圓周上等分，數(shù)量從幾百條到幾千條不等。這樣，整個碼盤圓周上被等分成n個透光的槽。 增量式編碼器的工作原理如圖4所示，它由主碼盤、鑒向盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在圖形的主碼盤周邊上刻有節(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)。鑒向盤與主盤平行，并刻有a，b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使a、b兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，此時光電變換器輸出的電壓最??；當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤的透明窄縫對齊時，光線全部通過，此時光電變換器輸出的電壓最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個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。霍耳效應(yīng)應(yīng)用于1879年首次被美國物理學(xué)家霍耳在金屬材料中發(fā)現(xiàn)。目前霍爾式傳感器在運動控制系統(tǒng)中主要可以用來測量電流和磁場，有時也用做位置信號的傳感器。 此系統(tǒng)中我們采用霍爾傳感器作為電流反饋信號的數(shù)據(jù)采集單元，運用的原理是，在一定的溫度下，對于一個確定的霍耳元件，當(dāng)磁感應(yīng)強度b保持恒定時，電流i的變化可引起霍耳電勢uh相應(yīng)的線性變化，則可通過測量霍耳電勢uh來測得電流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)模型分析直流電動機在電力拖動系統(tǒng)中具有兩個突出的優(yōu)點。首先直流電動機具有良好的啟動、制動性能，調(diào)速性能和控制性能，這個優(yōu)點使直流電動機運動控制系統(tǒng)在

26、需要調(diào)速的高性能電力拖動系統(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、電機輸出轉(zhuǎn)矩、電機轉(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，這使直流電動機的數(shù)學(xué)模型較為簡單、準(zhǔn)確，相應(yīng)地使得直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、計算及設(shè)計也較為容易，且經(jīng)過較長時間的實踐，直流拖動控制系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟、經(jīng)典，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2.3.1直流電機調(diào)速方法概述直流電動機具有良好的起、制動性能，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領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。直流電動機轉(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 ）； 勵磁磁通（wb）； 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。在上式中，是常數(shù)，電流是由負載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機的轉(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：保持勵磁；保持電阻； 調(diào)節(jié)過程：改變電樞電壓，；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機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：保持勵磁；保持電壓；調(diào)節(jié)過程：增加電阻，不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。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)過程：減小勵磁；，調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。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 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，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（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調(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)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但

29、是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流值idcr以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程，在起動電流達到最大值idm后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，加速過程延長。 而我們期望達到的理想起動過程是，在電機最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過

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

31、和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）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測速發(fā)電機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、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用pi調(diào)節(jié)器，可采用模擬實現(xiàn)或數(shù)字實現(xiàn)。而且，兩個調(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：飽和輸出達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，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使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時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)開環(huán) 不飽和輸

33、出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，pi作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總是零。 3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(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)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用pi調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 （2）對負載變化起抗擾作用。 （3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 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）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動

34、態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 （4）當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的3. 硬件電路設(shè)計3.1 直流電機精確定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計 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，組成一個雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。具體的工作流程如下：直流電機的電樞電流經(jīng)過電流傳感器反饋給msp430f149，電機轉(zhuǎn)速經(jīng)過光電編碼器測速反饋到msp430f149的高速入口。通過msp430f149對

35、反饋信號的預(yù)處理，于給定值進行比較，通過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經(jīng)過光耦隔離和驅(qū)動器來調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速。 圖 10: 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2 msp430f149單片機系統(tǒng) msp430系列單片機是美國德州儀器(ti)公司生產(chǎn)的一種16位的、具有精簡指令集(risc)的超低功耗的混合信號處理器(mixedsignal processor)。它將各種外圍資源集中在片上, 實現(xiàn)了片上系統(tǒng),從而大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計, 具體特點如下：1) 低電壓、超低功耗。工作電壓僅為1.83.6v,在1mhz時鐘條件下運行,工作電流視工作模式不同在0.1400a變化

36、。2) 強大的處理能力. 采用了高效16位risc結(jié)構(gòu),具有豐富的尋址方式,簡潔的27條內(nèi)核指令,在8mhz晶體驅(qū)動下,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cpu,以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行,保證晶體振蕩器有足夠的時間起振及穩(wěn)定時間。如果晶體振蕩器在用作cpu時鐘mclk時發(fā)生故障,dco會自動啟動,以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序出錯,可用看門狗將其復(fù)位。4) 具有較豐富的片內(nèi)外設(shè)。 本設(shè)計采用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個硬件乘法器,具有

37、3個捕獲/ 比較寄存器的16位定時器time_a和time_b,1個看門狗時鐘,2通道串行通信接口可用于異步或同步,有68個可實現(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) 方便高效的開發(fā)環(huán)境. 包含了jtag技術(shù)和plash在線編程技術(shù),開發(fā)語言有匯編和c語言。 圖 11: msp430f149內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.3 隔離與驅(qū)動電路 3.3.1隔離單元模塊 為防止電機驅(qū)動單元對電機控制單元的干擾，必須在兩者之間加上隔離電路，來防止干擾。因為電機驅(qū)動單元需要大電流，而控制單元為數(shù)字信號，如果不加入隔離單元，會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，對應(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的輸出端接一個反相器，同時也起到整形信號防止輸出去信號畸變的作用。 圖 12: 光耦隔離模塊 3.3.2電機驅(qū)動模塊 電機驅(qū)動模塊采用專業(yè)的芯片lmd18200，lmd18200是美國國家半導(dǎo)體公司(ns)推出的專用于直流電動機驅(qū)動的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dmos管

39、構(gòu)成的h橋及其控制邏輯電路均包含在1個11腳的t- 220封裝中,與由分立元件構(gòu)成的橋式驅(qū)動電路相比,lmd18200構(gòu)成的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡化,性能更加可靠。lmd18200可采用2種不同類型的pwm信號,本系統(tǒng)的pwm信號分別由方向信號和幅值信號組成,幅值由pwm信號的占空比決定,零脈沖時代表零電壓。在實際使用時,腳3接方向信號輸入,腳5接pwm信號,腳6接停止信號,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的控制信號與電機

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

41、f149的p1.0腳連接，以負跳變模式觸發(fā)。當(dāng)電機過流時向msp430f149發(fā)出中斷，從而單片機就會調(diào)用中斷服務(wù)程序通過p2.0關(guān)斷l(xiāng)md18200，從而達到過流保護的作用。電路圖如下所示： 圖 16： 過流保護模塊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，正是由于實時的反饋機制才使系統(tǒng)運行在可控的范圍內(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而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。3.4.1速度檢測電路測速反饋電路采用一個增量式光電編碼器來反饋電動機的實際轉(zhuǎn)速。該光電編碼器由碼盤、檢測光柵、光電轉(zhuǎn)換電路、機械部件等組成。當(dāng)碼盤隨著被測

42、電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,檢測光柵不動,光線透過碼盤和檢測光柵上的縫隙照射到光電檢測器件,光電檢測器件就可以輸出2組相位相差的信號,通過檢測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)計中不需要檢測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動方向,故只需通過msp430f149的捕捉功能,捕捉a相輸出脈沖的上升沿,從而記錄脈沖的個數(shù),本系統(tǒng)采用的是m法測速。具體的m法測速原理如下： （公式2）在一定的時間tc內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)m1，用以計算這段時間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱作m法測速。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。電機每轉(zhuǎn)一圈共產(chǎn)生z個脈沖（

43、z=倍頻系數(shù)*編碼器光柵數(shù)），把f1除以z就得到電機的轉(zhuǎn)速。3.4.2 電流反饋電路要實現(xiàn)電流的負反饋檢測，需要對電流進行檢測，控制系統(tǒng)采用csm050ap型的霍爾傳感器作為電流檢測器。csm050ap傳感器將采樣的電流信號經(jīng)過精密采樣電阻轉(zhuǎn)化成電壓信號，然后經(jīng)過電壓調(diào)理電路將電壓信號調(diào)整為滿足msp430的輸入要求，最后msp430對adc口的調(diào)理信號進行采樣。msp430f149自帶了12位ad轉(zhuǎn)換器。msp430f149通過p6.0/a1采樣直流電機的電流反饋值。4. 控制軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)程序模塊 要實現(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、流負反饋控制環(huán)和速度負反饋控制環(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)給定速度與檢測到的實際速度差值，經(jīng)過速度pi調(diào)節(jié)器對相應(yīng)的差值進行處理，處理的結(jié)果作為電流環(huán)的給定值；同樣電流調(diào)節(jié)器通過給定值與檢測值的差值比較，再通過電流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)動器的輸入信號。電機啟動時電流環(huán)起決定作用，當(dāng)電機速度穩(wěn)定時速度環(huán)起主要作用。電流環(huán)的主要功能為：（1）啟動過程的加速（2）對反拉時的電流保護（3）對電壓波動時的抗干擾；速度環(huán)的主要功能為：（1）實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差（2

45、）對負載變化起抗擾作用，（3）能對電流環(huán)進行飽和非線性控制 。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)節(jié)器模塊， pi調(diào)節(jié)器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器，在微機數(shù)字控制系統(tǒng)中，當(dāng)采樣頻率足夠高時，可以先按模擬系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器，然后再離散化，就可以得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。目前流行的主要pi調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法，位置式的算法特點是比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。；而增量式的算法特點是結(jié)構(gòu)清晰，p和

46、i兩部分作用分明，參數(shù)調(diào)整簡單明了，但需要存儲的數(shù)據(jù)較多。pi調(diào)節(jié)器時域表達式可寫成 （公式3） 其中 為比例系數(shù) 為積分系數(shù) 將4-3離散化成差分方程，其第拍輸出為 （公式4） 其中為采樣周期上述的差分方程為位置式算法。由式子很顯然看出，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。pi調(diào)節(jié)器程序框圖如圖19所示： 圖 19 ：pi算法子程序5. 結(jié)束語 本文所述的直流電機的精確定位系統(tǒng)是以系統(tǒng)資源豐富的msp430f149為核心，通過微控芯片來實現(xiàn)電機調(diào)整又有許多途徑，相對于其他硬件或是硬件與軟件結(jié)合的調(diào)整方法，這里采用pwm波的處理方法來實現(xiàn)調(diào)速過程具有更大的靈活性和

47、更低的成本，它能充分發(fā)揮主控芯片的效能，為系統(tǒng)的適用性提供了一種有效途徑。而在軟件控制方面，在認真分析了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的前提下，為增加系統(tǒng)的控制性能，我們采用了目前廣泛流行的pi控制理論算法。采用pi算法來確定閉環(huán)控制的補償量也是純數(shù)字電路組成調(diào)速系統(tǒng)所不能及的。 主要參考文獻1王少平，田慶安，昌現(xiàn)蘭. pwm控制與驅(qū)動器使用指南及應(yīng)用電路：單端控制與驅(qū)動器部分m.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.62姚舜才,溫志明,黃剛.運動控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用.北京：國防工業(yè)出版社，20083俞靜濤.直流調(diào)速傳動：整流和調(diào)節(jié)技術(shù)的實際應(yīng)用m. 北京：煤炭工業(yè)出版社，19804曲維本.光電耦合器的原理及其在電子線路中的應(yīng)用m.北京：國防工業(yè)出版社5陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)（第三版）. 北京：機械工業(yè)出版社，20066謝運祥，歐楊森. 電力電子單片機控制技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，20077李小龍，趙麗娟. 用msp430f149單片機實現(xiàn)直流無刷電機控制器.重慶工學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)），20088董燕飛.基于msp430的直流電機pwm調(diào)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計.煤礦機械報,20109劉暢，喬顏峰，王志乾.基于數(shù)字pi調(diào)速算法的直流力矩電機控制.計算機仿真報，200810桂文斌.基于dsp的電機雙閉