电机与运动控制系统.docx

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电机与运动控制系统

青岛理工大学自动化工程学院

电机与运动控制系统

课程设计报告

题目：

某金属切削加工微机控制直流伺服三环系统设计

专业自动化

班级自动化143班

姓名

学号

指导教师赵宏才

2017年6月28日

成绩

评语

电机与运动控制系统课程设计任务书

一、设计题目

题目5：

某金属切削加工微机控制直流伺服三环系统设计

二、目的意义

直流传动系统的主要优点是控制特性优良，能在很宽的范围内平滑调速，调速比大，起制动性能好，定位精度高。

本课程设计是自动化专业学生在学完专业课程“电机与运动控制系统”之后进行的一项实践性教学环节。

通过此环节，使学生能结合已完成的基础课、技术基础课和专业课对“电机与运动控制系统”课程的主要内容进行较为综合的实际运用，进一步培养学生应用所学的理论知识解决实际设计问题的能力，初步掌握设计的方法和步骤，增强独立查阅资料、分析问题和解决问题的能力，以及刻苦钻研的工作作风和严肃认真的工作态度。

为毕业设计和将来从事实际工作奠定基础。

三、电动机参数和设计要求

金属加工是机械加工生产的重要领域。

工艺上要求电动机调速范围宽、起制动性能好，定位准确。

本课题针对这一生产要求设计一套直流伺服控制系统，除前面的要求外，还要求定位过程无超调。

要求采用大功率PWM电源为电动机供电。

控制方式采用三闭环（电流环、速度环、位置环）全数字式。

三闭环调速系统是工业生产中重要的拖动控制系统，应用很广泛。

本专业学生应充分掌握位置速度和电流双闭环控制系统的结构、系统构成、设备及器件选择、参数整定计算以及绘制系统电路原理图等内容，并能用先进控制器实现控制策略

（一）基本参数

直流电动机：

额定功率

，

，

，

，电枢回路总电阻

，电动势系数

（二）设计要求

1.采用三环全数字式控制方式，即位置环、速度环和电流环；由大功率晶体管脉宽调制放大器给电动机供电

2.稳态指标：

调速范围宽D=20、静差率

5%、稳态无静差、定位无静差

2.动态指标：

起制动性能好、定位过程无超调量、；理想空载起动到额定转速时的转速超调量

3.系统具有过流、过压、过载、过热保护

四、设计内容

（一）主回路选择和计算

1.选择整流变压器

包括：

选择整流器（建议选三相全控桥）、变压器二次电压计算、二次相电流

和一次相电流

计算、变压器容量计算。

2．功率器件及驱动器件的选择

3．电路保护环节的选择和计算

（二）输入输出通道及其接口设计

包括：

电流反馈通道、转速反馈通道、位置反馈通道；控制输出通道、伺服系统给定输入通道；微型计算机选择。

（三）系统的软件结构

控制算法设计：

电流环控制器设计、速度环控制器设计、位置环控制器设计

（四）绘图

画出控制系统主电路电气原理图和和控制电路组成结构图，采用标准图纸打印。

五、设计报告（说明书）要求

1.论述全面，叙述简洁，层次分明，书写清楚，图形、符号、曲线、数据等符合规范；

2.有完整的设计说明、计算过程和系统工作原理；

3.图纸清晰，规范，使用标准A×号图纸；

4.封面、任务书、图纸、须打印；课设报告摘要、正文、参考文献可手写或打印，统一为A4纸；

5.报告字数不少于4000字（不含图纸）。

中文摘要（200字左右），英文摘要、关键字（3个），列出参考文献（格式规范）；

6.装订：

页面左侧装订。

装订顺序：

封面，任务书，中、英文摘要，目录，正文，参考文献，附录1：

电气元器件明细表，附录2：

控制系统主电路电气原理图，附录3：

控制电路组成结构原理图。

六、设计时间和选题安排

2016——2017学年第2学期第17周

注：

学号尾数为4、9的同学选该题

2017-6-16

基于微机控制直流伺服三环系统设计

摘要

设计以微型计算机8097为主控器，采用PID算法设计三环全数字式控制器。

在本次设计中选择霍尔元件做为电流检测传感器，将检测到的弱电信号用过运算放大器LF356组成的两级放大电路放大滤波后，输入8097内部的A/D转换电路转换进而得到电流反馈量，光电脉冲发生器作为速度检测传感器以及位置传感器，通过光电隔离器PC900和GAL16V8的分频鉴相得到速度反馈量，同时与8097内部的计时器和计数器8254结合以可逆计数方式得到位置反馈量，通过软件设置电流环，速度环和位置环的工作方式。

此外，采用串口通信使伺服系统与上位微型计算机实现通信联系以发送各种运行指令，最终实现微型计算机对电流环，速度环和位置环的控制。

关键字:

微型计算机，8097，三闭环，PID

ABSTRACT

Designwithmicrocomputer8097asthemastercontroller,thePIDalgorithmthree-ringfulldigitalcontrollerisdesigned.Selectionofhallelementinthedesignascurrentsensor,usedtodetecttheweakcurrentsignaltwo-stageamplifiercircuitcomposedofoperationalamplifiersLF356afteramplificationfilter,enter8097internalA/Dconversioncircuitcurrentfeedbackisobtained,thephotoelectricpulsegeneratorasspeeddetectionsensorandpositionsensor,throughtheoptoelectronicisolatorPC900andGAL16V8frequencyphasevelocityfeedback,atthesametimetothecounterandwithinthe8097,8254,combinewithreversiblecountingwaygetpositionfeedback,throughthesoftwaresetupthecurrentloop,velocityloopandpositionloopwayofworking.Inaddition,theuseofservosystemandtheuppermicrocomputerserialcommunicationforallcorrespondencetosendoperationinstruction,finallyrealizesthemicrocomputerforthecurrentloop,speedloopandpositionloopcontrol.

Keywords:

microcomputer,8097,threeclosedloop,PID

ABSTRACT.................................................................................................................................................Ι

1绪论.................................................................................................................................................6

1绪论

传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。

伺服控制直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。

控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:

快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。

下面将就这些方面具体分析伺服控制直流电动机的优点所在。

为了实现快速的起、停、加速、减速，要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩，伺服控制直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小，转子惯量也就较小;转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩，而伺服控制直流电动机具有直流电动机的特性，起动转矩和最大转矩都较大。

这使得它具有快速性的特点。

在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性最好、最方便。

伺服控制直流电动机具有一般有刷直流电动机的调速特性，只要简单地改变电动机的输入电压的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速。

在可靠性方面，消除了电刷，也就消除故障的主要根源，伺服控制直流电动机的转子上没有绕组，因而在转子上没有电的损耗，又由于主磁场使恒定的，因此铁损也是极小的，总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子方的损耗很小，进一步增加了伺服控制直流电动机工作的可靠性。

由此可知 ，和其它类型的电动机相比，伺服控制直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小，它的电枢在定子上，直接和机壳相连，散热条件好，热传导系数大。

由于这样的关系，在相同的条件下，在相同的出力要求下，伺服控制直流电动机可以设计得体积更小，重量更轻。

不论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能量都具有重要意义，有着长远的社会、经济效益。

据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机的运行上，美国GE公司曾预测，仅在制冷器具的应用中，若用伺服控制电机取代传统的异步电动机，其效率可提高20%，全美国一年可节约用电2.2MkWh。

而异步电动机运行在轻载时功率因素低，增加线路和电网的损耗，根据有关报道我国消耗在电动机上的电力占整个电力的65%以上。

因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。

从以上的分析可以看出，相对于其他类型的电机，伺服控制直流电动机的损耗最小、节能效率最高。

一份资料作过对比分析，对于7.5kW的异步电动机系统效率可达86.4%，但是同样容量的伺服控制直流电动机效率可达92.4%。

在环境适应性方面，对于高性能系统，只能采用直流电动机，但在同时要求长寿命，免维修以及防爆、防燃的环境条件下，有刷直流电动机就无法适应，伺服控制直流电动机才是最好的选择。

在经济性方面，随着电子技术的发展，电子元器件的价格不断的下降，伺服控制直流电动机驱动、控制器的价格己经和异步机的变频器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的价格较贵，伺服控制直流电动机的成本也较高.但是在考虑综合指标（系统性能、重量、能量消耗）之后，伺服控制直流电动机的应用仍呈上升趋势。

2系统方案设计

2.1设计要求

本次设计的主要对象是一个直流伺服系统，目的是为某生产机械设计一个调速性能好、起制动性能好、定位准确且定位过程无超调的直流伺服系统，且拟定该伺服系统由大功率晶体管脉宽调制放大器给电动机供电，控制方式为三环全数字式即电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算。

现已知系统中直流电动机额定转速ne=1000r/min；电枢回路总电阻R=2.4Ω；电磁时间常数Tl=0.004s；机电时间常数Tm=0.07s。

2.2方案论证

运动伺服一般都是三环控制系统，从内到外依次是电流环、速度环、位置环。

 如下图2.1所示 

图2.1传递图

 1、首先电流环：

电流环的输入是速度环PID调节后的那个输出，我们称为“电流环给定”，然后就是电流环的这个给定和“电流环的反馈”值进行比较后的差值在电流环内做PID调节输出给电机，“电流环的输出”就是电机的每相的相电流，“电流环的反馈”不是编码器的反馈而是在驱动器内部安装在每相的霍尔元件（磁场感应变为电流电压信号）反馈给电流环。

  2、速度环：

速度环的输入就是位置环PID调节后的输出以及位置设定的前馈值，我们称为“速度设定”，这个“速度设定”和“速度环反馈”值进行比较后的差值在速度环做PID调节（主要是比例增益和积分处理）后输出就是上面讲到的“电流环的给定”。

速度环的反馈来自于编码器的反馈后的值经过“速度运算器”得到。

   3、位置环：

位置环的输入就是外部的脉冲（通常情况下，直接写数据到驱动器地址的伺服例外），外部的脉冲经过平滑滤波处理和电子齿轮计算后作为“位置环的设定”，设定和来自编码器反馈的脉冲信号经过偏差计数器的计算后的数值在经过位置环的PID调节（比例增益调节，无积分微分环节）后输出和位置给定的前馈信号的合值就构成了上面讲的速度环的给定。

位置环的反馈也来自于编码器。

编码器安装于伺服电机尾部，它和电流环没有任何联系，他采样来自于电机的转动而不是电机电流，和电流环的输入、输出、反馈没有任何联系。

而电流环是在驱动器内部形成的，即使没有电机，只要在每相上安装模拟负载（例如电灯泡）电流环就能形成反馈工作。

为此共有以下设计将方案可供选择：

2.2.1方案一：

方案一：

选用8051单片机作为控制器，以测速发电机作为速度反馈元件，以光电解码为角位置反馈元件，霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器，驱动装置为大功率晶体管PWM功率放大器，执行电机为直流伺服电机，此方案系统框图如图2.2所示。

速度检测元件采用测速发电机，它把转速换成电压后，再由A/D转换器转换成数字信号，输入微型计算机8051；霍尔元件检测到得弱电流信号经转换、滤波、放大后变成与电枢电流成比例的0-5V的直流电压信号，再经A/D转换电路，将模拟电压转换成数字量，输入微型计算机；角度反馈元件光电解码把角度转换成数字量直接输出，送入单片机测速发电机。

光电解码是将由直流伺服电机带动的单片机处理给定量和上面检测元件的测量量的偏差处理后输出信号，经D/A转换器把数字信号转变为模拟电压，再经放大器放大后，去控制PWM功率放大器工作，进而控制直流电机向着预定的方向转动。

2.2.2方案二：

采用intelMCS—96系列的8097作为微处理器外，采用霍尔元件作为检测电动机电枢电流的传感器，光电脉冲信号发生器作为速度反馈测量元件和数字式角位移传感器。

此方案的系统框图如图2.3所示。

2.3方案选择

为使本次的系统最终设计结构更加优化简单，可靠性更强，精度更精确，现将三种方案做如下比较。

图2.3结构框图

第一种方案：

该方案以单片8051为主控器，采用测速发电机作为速度检测传感器来获取转速反馈信号，采用这种方案的缺点是测速发电机本身存在死区和非线性以及A/D转换、滤波电路将带来误差和时滞。

第二种方案：

该方案是由微型计算机8097及可编程计数器8254和可编程门列阵电路组成，此方案不仅具有很强的数据处理能力和精确的运算精度，而且还能使系统设计中硬件结构变得更加简单，可靠性更强。

经过以上比较，本次设计采用第二种方案。

2.4主回路选择和计算

2.4.1电机驱动电路选择

选择H桥为电机驱动。

2.4.2功率器件及驱动器件的选择

选择MOS作为功率器件及驱动器件。

2.4.3电路保护环节的选择和计算

（1）交流侧过电压保护用阻容保护

（2）交流侧用压敏电阻保护

（3）直流侧过电压保护：

晶闸管的阻容保护

2.5输入输出通道及其接口设计 

电流反馈通道可由霍尔元件、两级运算放大器和 A/D  转换器组成。

转速反馈通道由光速电脉冲发生器，光电隔离器 PC900 、可编程门阵列GAL16V8 和计数器、定时器等组成。

位置反馈通道由光电脉冲发生器、光电隔离器PC900 、可编程门阵列GAL16V8 以及计数器 T1和计数器 T2组成。

电动机在一个位置环采用周期内位置偏移量为 

控制输出通道可由 8254 计数器的两个计数通道#0计数器和#1计数器构成。

     伺服系统给定输入方式比较简单的有拨码开关、模拟旋钮和脉冲发生器等。

给定输入通道由上位微型计算机、电平转换电路 MC1488 、MC1489  和串行通信接口电路组成。

3微型计算机选择及系统原理组成

3.1控制器的选择 

以合适的微处理器为核心构成全数字式三环直流伺服系统的控制方案，给出其原理框图，如图3.1以8051系列单片机为控制器等。

               图3.1以8086CPU为控制器的三环伺服控制系统原理图 

图3.1以8097单片机为控制器的三环伺服控制系统原理图

3.1.1输入输出通道及接口设计 

1. 电流反馈 

电流反馈可由霍尔元件、运算放大器和A/D转换器组成。

 2. 速度反馈 

可采用光电脉冲发生器加测速度。

方法可采用变 T 法速度检测方式。

高速脉冲输入单元（HSI）是MCS-96 系列单片机

图3.3  高速脉冲输入单元HSI结构

有特点的内部硬件资源。

HIS单元的结构如图3.3所示：

HIS 可以产生三种中断形式：

①保持寄存器装入数据 ；②FIFO有六个事件数据信息； ③HSI0 

3. 位置反馈 

   位置检测也可由光电脉冲发生器完成， 

三、控制算法设计 

数字控制器可以用直接数字的设计方法，也可以用模拟调节规律数字化 

的设计方法。

由于直流传动系统的模拟调节规律设计方法比较成熟，应用方便，在这里我们有后一种方法来设计电流环、速度环和位置环的数字控制器。

（一）电流环控制器设计 

将电流环按典型I型系统校正，电流调节器应为 PI 调节器，电流调节器的传递函数为：

电流环的简化动态结构图 如下图3.4

图3.4电流环传递图

3.1.2速度环控制器设计 

当速度环截止频率  

    时，电流环的等效传递函数近似为 

将转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器也是 PI调节器，设其传递函 数为 

则速度环的简化动态结构图3.5如图所示：

图3.5速度环结构图

3.1.3位置环控制器设计

 结构图如图3.6所示：

：

 U+⊕P

-

U⊕P

-

图3.6位置环动态结构图

 系统电流环的开环截止角频率 

  ，选取电流环的采样角频率 

              ，得电流环采样周期 ； 

   速度环的开环截止角频率        ，选取速度角频率    

                ，得速度环采样周期

位置环的开环截止频率157.3-

，选取位置环的采样角频率 17.35-=

w，得位置环的采样周期p

。

4控制算法PID的设计

4.1电流环控制器设计

将电流环按典型I型系统校正，电流调节器应为PI调节器，传递函数为

（4.1）

电流环的简化动态结构图如图5.1所示。

按典型I型系统的校正要求参数应选择：

Ti=TL=0.004s，T∑i=Tfi+Ts=0.00075s，阻尼比ξ=0.707，电流环开环截止频率为

由电流环的开环增益KI=ωci，即

（4.2）

所以电流调节器比例系数为

。

4.2速度环控制器设计

当速度环截止频率

时，电流环的等效传递函数近似为

（4.3）

将转速环校正成典II型系统，设其传递函数为

（4.4）

ST=Kn（1+

）

则速度环的简化动态结构图如图4.2所示。

速度环控制器的参数选择：

电流环等效惯性时间常数为2TΣi=0.0015s，速度反馈回路的滞后时间Tfn约为0.001s，速度环的小时间常数为TΣn=2TΣi+Tfn=0.0025s。

按跟随性能和抗干扰性能要求，取中频宽h=5，则积分时间常数为Tn=hTΣn=0.0125s。

速度环开环增益为

（4.5）

速度调节器比例系数为

4.3位置环控制器设计

系统设计要求伺服系统能准确、无超调定位，则位置环只能按照典型I型系统来校正[13]。

经PI调节器校正后的速度内环可等效为一惯性环节1/（1+TMs），则位置调节器为比例调节器。

位置环的简化动态结构图如图4.3所示，KJ为单位换算系数，当速度的单位是r/min，位置输出的单位为脉冲数时，KJ=1000/6。

位置环控制器参数选择：

取阻尼比ξ=1时，典型I型系统阶跃响应无超调，则伺服系统定位无超调。

位置环的开环截止频率为：

ωcp=1/4TM≈3.57s-1,位置环的开环增益：

KP=ωcp=KpKJ，位置环的调节器比例系数：

Kp=ωcp/KJ≈0.0214。

4.4采样周期选择

根据采样周期的经验公式

来选择电流环、速度环和的位置环的采样周期。

其中，

为采样角频率，

为系统开环频率特性的截止频率。

系统电流环的开环截止角频率

=667s-1，选取电流环的采样角频率ωsi=6670s-1，则可得电流环采样周期T1=

=0.00094s；速度环的开环截止角频率ωcn=

=240s-1，选取速度环采样角频率ωsn=2400s-1，可得速度环采样周期TN=

=0.026s；位置环的开环截止频率ωcp=3.57s-1，选取位置环的采样角频率ωsp=35.7s-1,得位置环的采样周期Tp=0.176。

以上对各个控制闭环的采样周期进行的选择，只是确定了它们能保证一定控制性能指标的大致范围。

我们取的采样周期为TI=0.5ms，TN=1ms，Tp=4ms。

4.5控制算式和运算流程图

电流环数字数字控制算式求取如下，将式（4.1）写成微分方程形式：

（4.6）

（4.7）

选定的采样周期TI，将上述方程离散成差分方程式。

Uc（k）=Ki′ei（k）-Kiei（k-1）+Uc（k-1）

式中Ki′=（1+TI/Ti）Ki，将各个参数带入式中得，

（4.8）

Uc（k）=1.46ei（k）-1.3ei（k-1）+Uc（k-1）

上式（5.9）即为可供编程的电流控制器算式，它是全量输出，输出对应着线性关系，PWM控制信号的占空比。

Uc（k）在初始状态为1000，即Uc（0）=1000。

同理，可导出速度控制器算式为

（4.9）

Ugi（k）=Kn′en（k）-Knen（k-1）+Ugi（k-1）

（4.10）

式中Kn=（1+TN/Tn）Kn，将各个参数代入式中得

Ugi（k）=7.344en（k）-6.8en（k-1）+Ugi（k-1）

式（5.11）也是全量输出，Ugi（k）对应着采样时刻电流控制回路的数字给定输入值。

此处，Ugi的初始状态为Ugi（0）=512。

位置环控制算法为P调节器，则有

（4.11）

Ugn（k）=Kpep（k）=0.0214ep（k）

其中Ugn（k）也是全量输出，它对应速度环的数字给定值。

由式（4.8）、（4.10）、（4.11）可编制电流环速度环和位置环控制器的算法程序如图4.4所示。

5系统软件设计

6参考文献

[1]赖寿宏．微型计算机控制技术[M]．北京：

机械工业出版社，2008，5：

196-207．

[2]胡汉才．单片机原理及其接口技术（第三版）[M]．北京：

清华大学出版社，2010，5：

421-435．

[3]朱慧明，张爱武，高洪霞．基于单片机的直流伺服电机转速控制实验系统．山东建材学院学报，2005，13

（2）：

169-171．

[4]王喜明，高伟．单片机对直流伺服电机控制的研究[M]．精密机