1、精選優質文檔-傾情為你奉上論文題目：電機同步控制模塊設計（軟件）專 業：電氣工程及其自動化指導老師：黃夢濤 （簽名） 本 科 生：李大威 （簽名） 摘 要多電機同步控制廣泛應用于工業生產中。論文以兩臺電機的同步為研究對象，采用主從式的控制結構，設計了一個兩臺小功率低電壓直流電機的同步控制系統，兩臺直流電機采用PWM技術調速。為了提高控制精度，采用了帶速度反饋的閉環調速系統，選用單片機C8051F040作為控制器。為了能夠根據需要改變電機的轉速以及實時顯示兩臺電機的速度，我們還建立了單片機和上位機之間的串行通信。設計的核心是用C語言編程實現了PID控制算法。為了增加PID算法的自適應性，設計中整

2、定了多組控制參數，并給出了控制結果。關鍵詞：多電機同步，PWM，C語言，PID算法專心-專注-專業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 錄前 言直流電機是最早出現的電機，也是最早能實現調速的電動機。由于它具有良好的線性調速特性，簡單的控制性能，高的效率，優異的動態性能，直流電動機一直占據著調速控制的統治地位，是大多數調速控制電動機的最優選擇。PWM是控制數字化的基礎，用PWM技術控制直流電機方法簡單，能實現寬范圍內的速度和位置調整，如今已成為主流的直流電機調速方式。多電機同步控制問題在工業生產中的許多場合已成為一個突出的難題。在多臺電機驅動系

7、統中，采用傳統的機械長軸雖然能夠準確地保持電機同步，但其缺點日益顯著，如各電機的工作狀態相互影響，彼此之間存在嚴重的耦合作用，通過鏈、齒輪、軸等多級鏈接機構后含有積累誤差，使用范圍也受到限制，某些場合已不能滿足現代控制的需要。采用電的方式控制多電機的同步是一種有效的解決手段，人們對這方面已作出了大量的研究。對多電機的同步控制結構有并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制、偏差耦合控制等多種控制理論，控制方法除了常規的PID外，還有各種現代控制理論，包括神經網絡、模糊控制、專家系統等，將它們與PID控制相結合更衍生出多種控制理論。在本設計中以C8051F040單片機為控制器，設計了一個兩臺

8、小功率低電壓直流電機的主從式同步控制系統，設計任務是從電機能夠跟蹤主電機的實時速度，主電機的速度可以通過上位機設定，然后傳給單片機去調節。設計的目的是嘗試用改進的PID控制算法，用C語言編程去實現兩臺電機的速度同步，并達到一定的控制精度，簡單地探討一下實際應用中對多電機進行同步控制的基本方法。PID控制是最早發展起來也是應用最廣泛的控制規律之一，由于其原理簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業過程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID結構。但其不足之處是對非線性、不確定性系統的控制效果不理想。本設計采用了數字PID算法，為了提高控制精度，對于不同的速度段，整定了多組控制參數，以提高P

9、ID算法的自適應性。軟件設計中一個關鍵的任務是為電機的速度設定一個合適的控制參數，為了方便查看一組控制參數下的控制效果，我們通過中斷程序運行，在調試環境下查看實時的電機速度，多次查看并記錄下這些數值。通過對這些數據的分析，反復的調整控制參數，直到滿意為止。對最終控制結果的分析表明，主電機速度的調整精度和從電機跟蹤的精度都能達到期望的水平。 第一章 多電機同步控制方案及硬件電路 本章主要對目前多電機同步的兩種基本控制結構以及直流電機PWM調速的發展概況和原理做了一些介紹和分析，確定了本系統兩臺直流電機的主從式同步控制結構，給出了直流電機的驅動電路和速度反饋電路，并對控制器C8051F040單片機

10、的優點作了介紹。1.1 多電機同步控制結構在工業生產中，傳動控制是機械加工控制系統的基礎。一個機械系統通常有多個軸需要傳動控制，對這些軸的控制就是控制驅動軸的電動機。在這種傳動系統中，目前存在的同步控制技術包括并行控制、主從控制、交叉耦合控制、虛擬總軸控制、偏差耦合控制。這里對并行控制和主從控制這兩種基本的控制方式作一下簡單的介紹和比較，并選擇了主從式的雙電機同步控制結構。1.1.1 并行控制 并行控制是一種基于同一定值控制的并聯運行方式，這是一種最簡單的同步控制方法。并行式適用于每個單獨系統的控制目標基本一致的情況，要求伺服系統具有良好的速度穩定性。調速系統采用同一給定電壓，其控制結構圖如圖

11、1.1所示。采用并行運行方式的同步控制系統其優點在于啟動和停止階段系統的同步性能很好，但是由于整個系統相當于開環控制，當運行過程中某一臺電機受到擾動時，電機之間將會產生同步偏差，同步性能很差。控制器電機1控制器電機2 圖1.1 并行控制系統結構圖1.1.2 主從控制主從控制是一種基于跟蹤隨動原理的串聯運行方式。以雙電機為例，主從同步控制系統的結構圖如圖1.2所示。在這種控制方式中，主電機的輸出轉速作為從電機的轉速參考值。由此可推斷，任何加在主電機上的速度命令或是負載擾動都會被從電機反映并且跟隨，但是任何從電機上受到的擾動卻不會反饋回給主電機，也不會影響到其他的從電機。主從式特點是從系統跟蹤主系

12、統的輸出，大大增加了其控制策略的穩定性，但存在跟蹤滯后。這種控制方式要求伺服系統具有良好的跟蹤性能，主要應用在對速度或者位置的同步精度不是很高的工業生產中。控制器控制器電機1電機2 圖1.2 主從同步控制結構圖本系統設計的電機同步控制為了提高抗干擾能力，在一臺電機速度受到外部擾動或人為干擾時兩臺電機仍能保持速度的同步，采用了帶速度反饋的主從式的控制結構，一臺電機作為主電機，一臺為從電機，主電機的輸出即轉速作為從電機的輸入，主電機的輸入根據需要設置。為了提高主從電機的抗干擾能力以及從電機對主電機的跟蹤精度，在設計中盡可能地改善了數字控制電路。1.2 PWM調速原理與發展概況 目前用大功率晶體管控

13、制的PWM永磁式直流伺服電動機驅動裝置，是高精度伺服控制領域應用最為廣泛的驅動形式。這種裝置能實現寬范圍內的速度和位置控制，較常規的驅動方式，如晶體管線性放大驅動，電液驅動或晶閘管驅動，具有無可比擬的優點。隨著大功率晶體管的容量和開關速度的不斷提高。PWM裝置一躍成為現代伺服驅動系統的佼佼者，受到越來越多的控制工程師的重視。國外于上世紀60年代已開始注意PWM伺服控制技術，起初用于飛行器中小功率伺服系統，70年代中后期較為廣泛地應用在中等功率的直流伺服系統上，到了80年代，PWM驅動在直流伺服系統中的應用已經普及。現在從國外引進的高精度伺服系統大都采用PWM伺服系統，各工業先進國家競相發展PW

14、M伺服機構。國內一些高校，研究所和工廠在上世紀70年代末相繼開展了PWM系統的研究，在一定范圍內達到了工業推廣水平，應用于數控機床，精密機床的進給，機器人驅動裝置及精密速度控制器中，也用于軍用雷達天線驅動，火炮和導彈發射架驅動等快速跟蹤高精度伺服系統中。但由于受到能制造的大功率晶體管的電流及電壓等級的限制，國內僅能做到幾十瓦到幾十千瓦，電壓達到220伏。PWM驅動原理是就是直流斬波原理，利用大功率晶體管的開關特性來調制固定電壓的直流電源。按一個固定的頻率來接通和關斷，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短，通過改變直流電動機電樞上的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電機的轉速。

15、因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。PWM輸出波形如圖1.3所示，周期為T，一個周期內的導通時間為t，則加在電機兩端的平均電壓為： （1-1）其中，= t /T稱為占空比，為電源電壓，本電路中采用12伏。 圖1.3 PWM原理圖直流電機的轉速與電機兩端電壓成正比，而電機兩端的平均電壓與控制波形的占空比成正比，占空比越大，電機轉得越快，當占空比為1時，加在電機兩端的平均電壓最大，電機轉速也就最大。1.3 直流電機驅動電路直流電機PWM驅動電路使用最廣泛的就是單極性H型橋式電路，這種驅動電路可以很方便地實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動這四種電機運行狀態。單極性H型

16、橋式驅動電路結構圖如圖1.4所示，它由4個開關管和4個續流二極管組成，采用單電源供電。當電動機正轉時，V1開關管根據PWM控制信號同步導通或關斷，而V2開關管則受PWM反向控制信號控制，V3保持常閉，V4保持常開。當電動機反轉時，V3開關管根據PWM控制信號同步導通或關斷，而V4開關管則受PWM反相控制信號控制，V1保持常閉，V2保持常開。M 圖1.4 單極性H型橋式驅動電路當電機在較大負載下正轉時，電機兩端平均電壓U大于感應電動勢E。在每個PWM周期的導通區間，V1導通，V2截止，電流經V1、V4從A到B流過電樞繞組。在每個PWM周期的關斷區間，V2導通，V1截止，電源斷開，在自感應電動勢的

17、作用下，經二極管VD2和開關管V4進行續流，使電樞中仍然有電流流過，方向是從A到B，這時，由于二極管VD2的箝位作用，V2實際不能導通。當電動機在進行減速運行時，平均電壓U小于感應電動勢E。在每個PWM周期的導通區間，在感應電動勢和自感應電動勢的共同作用下，電流經二極管VD4、VD1流向電源，方向是從B到A，電動機處于再生制動狀態。在每個PWM周期的關斷區間，V2導通，V1截止，在感應電動勢的作用下，經開關管V2和二極管VD4仍然是從B到A流過繞組，電動機處于耗能制動狀態。 當電動機輕載或空載運行時，平均電壓U等于感應電動勢E。在每個PWM周期的導通區間，V2截止，電流先經VD4、VD1流向電

18、源，當減小到零后，V1導通接通電源，電流改變方向，沿V1、V4流動。在每個PWM周期的關斷區間，V1截止，電流先是沿VD2、V4續流，當續流電流減小到零后，V2導通，在感應電動勢的作用下，電流改變方向，沿開關管V2和二極管VD4流動。因此，在一個PWM周期中，電流交替呈現再生制動、電動、續流電動、耗能制動四種狀態。我們所用的驅動芯片是L298N。L298N是SGS公司的產品，內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的兩臺電機。且價格便宜，對本電路來說是經濟合適之選。本設計中的硬件電路原理框圖如圖1.5所示。其中驅動部分的原理圖如圖1.6所示。

19、圖1.5 系統硬件電路原理框圖 圖1.6 驅動電路原理圖 圖1.7 速度反饋電路 1.4 速度檢測電路測速元件是閉環調速系統中的關鍵元件，為了擴大調速范圍，改善電動機的低速平穩性，要求測速元件低速輸出穩定，波紋小，線性度好。常用的測速元件有模擬式測速元件和數字式測速元件。模擬式測速元件通常采用測速發電機；數字式測速元件采用光電式脈沖發生器。數字測速元件具有低慣量低噪聲高分辨率和高精度的特點，有利于控制直流電機。在現代驅動控制系統中，為了提高速度反饋檢測精度，正在摒棄直流測速發電機加A/D轉換器的方案，而采用光電碼盤直接數字測速的方案。本系統采用增量式光電旋轉編碼器測量電機的速度。將光電編碼器與

20、電動機相連，當電動機轉動時，帶動碼盤旋轉，便發出相應的信號。光電編碼器由光源，光電轉盤，光敏元件和光電整形放大電路組成。光電轉盤與被測軸連接，光源通過光電轉盤的透光孔射到光敏元件上，當轉盤轉動時，光敏元件便發出與轉速成正比的脈沖信號，為了判別電機的轉向，光電編碼器輸出兩路相隔90度電脈沖角度的正交脈沖。利用光電編碼器進行數字測速的常用方法有兩種：M法和T法。（1）M法測速：M法又叫定時計數法，是用計數器記取規定時間內光電編碼器輸出的脈沖個數來反映轉速值，即在規定的時間間隔T內，測量編碼器光柵所產生的脈沖數來獲得被測的速度值。設編碼器光柵每轉一圈發出的脈沖數為Z，且在規定的時間T內，測得的脈沖數

21、為M，則電機每分鐘轉數為：n=60M/ZT （1-2）將轉速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測量誤差率，反映了測速方法的準確性，越小，準確度越高。M法測速誤差率取決于編碼器的制造精度，以及編碼器輸出脈沖前沿和測速時間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等，最多可以產生一個脈沖的誤差。因此，M法測速誤差率的最大值為： （1-3）由上式可知，誤差率與M成反比，即脈沖數越大，誤差越小，故M法測速適用于高速段。（2）T法測速：T法又叫定數計時法，是用定時器記取光電編碼器輸出脈沖一個周期內的高頻時基個數，然后取其倒數來反應速度值，即測量相鄰兩個脈沖的時間間隔來確定被測速度。設編碼器光柵每轉一圈發出的脈沖數為

22、Z，定時器的時基是一已知頻率為F的高頻脈沖，定時器的起始和終止由編碼器光柵脈沖的兩個相鄰脈沖的起始沿控制。若定時器的讀數為M，則電機每分鐘的轉速為： （1-4）T法測速的誤差產生原因與M法相仿，定時器的計數M最多存在一個脈沖的誤差，因此，T法測速誤差率的最大值為： （1-5）低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻脈沖個數多，誤差小，故T法適用于低速段。我們采用M法測速。所采用的光電編碼器光柵每轉一圈發出1000個脈沖。設電機工作在額定轉速下，即n=500轉/分，則在0.1秒的采樣間隔內，計數器所應接受到的標準脈沖個數為M=500/60*0.1*1000=833個，可以看出，精度還是較高的

23、。本設計中速度反饋回路的原理圖如圖1.7所示。1.5 控制器本設計選用手頭上的C8051F040單片機為系統的控制器，C8051F040單片機執行效率高，片上可利用資源豐富，為以后系統功能的擴展留有余地。Silicon Laboratories公司出品的C8051F系單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，具有與MCS-51完全兼容的指令內核。該系單片機采用全新的CIP-51內核，采用流水線處理技術，不再區分時鐘周期和機器周期，能在執行指令期間預處理下一條指令，提高了指令執行效率。C8051F040單片機是該系中功能最全最具代表性的一款。具有控制系統所需的所有的模擬和數字外設。其主要特

24、性如下：(1)片內看門狗、定時器、VDD監視器和溫度傳感器；(2) 一個12位、100ksps和一個8位、500ksps的A/D轉換器；(3) 兩個12位D/A轉換器；(4)4K字節的片內RAM和64KB可在系統編程的FLASH存儲器；(5) 5個通用的16位定時器；(6)具有6個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列；(7)硬件實現的SPI、SMBUS和兩個UART串行接口； (8)控制器局域網(CAN2.0)控制器, 具有32個消息對象；(9)全速、非侵入式的在線調試接口；(10)引入交叉開關配置，可靈活地將外圍設備配置到P0P3口。C8051F040單片機是真正能獨立工作的片上系統（S

25、OC）。除具有標準8051的端口外，C8051F040還有4個附加的8位端口，每個端口都可以配置為推挽輸出或開路輸出。最獨特的改進就是引入了數字交叉開關，允許將內部數字資源映射到P0口，P1口，P2口，P3口，這一特性允許用戶根據自己的特定應用選擇通用端口和所需數字資源的組合。其MCU能有效地管理模擬和數字外設，可以關閉單個或全部外設，所以其功耗很低。片內JTAG調試支持功能允許對安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。在系統調試比采用標準MCU仿真器要優越的多，因為這一技術能保證精確模擬外設的性能。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點，單

26、步，觀察點，運行和停機命令。在使用JTAG調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行，當MCU單步執行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設都停止運行，以保持同步。FLASH編程非常方便，可以在Silicon Labs集成開發環境（IDE）下通過JTAG接口進行編程，不需要專用編程器或適配器。每個MCU都可在工業溫度范圍（-45到+80度）內用2.73.6V的電壓工作，端口I/O、RST、JTAG引腳都容許5V的輸入信號電壓。正是由于這些優點以及極高的模擬和數字集成度，對各種要求小體積，高集成度精確測量的場合而言，C8051F040實為理想選擇。1.6 通信模塊本設計中為了能夠人為的設定電機的轉速

27、及觀察兩個電機的實時速度，采用了RS232串行通信方式實現計算機與單片機的通信，通過計算機的操作界面可以很方便地完成這些任務。利用C8051F040單片機內部集成的UART控制器，很容易進行串行通信。計算機與計算機或計算機與終端之間的數據傳送可以采用串行通訊和并行通訊兩種方式。由于串行通訊方式具有使用線路少、成本低，特別是在遠程傳輸時，避免了多條線路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時，要求通訊雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通訊。RS-232-C接口（又稱EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾

28、系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之間串行二進制數據交換接口技術標準”。該標準規定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號電平和信號內容加以規定。在RS-232-C中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關系：邏輯“1”的電平是-5-15V，邏輯“0”的電平是+5+15V。噪聲容限為2V,即要求接收器能識別低至+3V的信號作為邏輯“0”，高至-3V的信號作為邏輯“1”。實際上，RS-232-C的25條引線中有很多是很少使用的，在計算機與終端通訊中一般只使用常用的39條引線。PC機上的RS-2

29、32串行接口有兩個COM1和COM2，一般都是9針的接頭，這個接頭為公接頭。由于RS-232電平和單片機內TTL邏輯電路產生的電平是不一樣的，因此，PC機與單片機之間必須經過一定的電路轉換邏輯電平。單片機C8051F040內部有兩個增強型全雙工UART,一個增強型SPI總線和SMBUS協議，這些串行總線都完全用硬件實現，都能向微處理器申請中斷，因此需要很少CPU的干預。我們采用UART0與上位機通信。第二章 PID控制方法 本章分析了PID的控制規律，推出了數字式增量PID控制算法，介紹了兩種克服積分飽和的方法以及抑制干擾的措施。重點介紹了PID控制參數的實用的整定方法。2.1 PID控制方法

30、介紹PID控制是迄今為止最通用的控制策略，有許多不同的方法以確定合適的控制器參數，根據現代理論的觀點，PID調節器具有本質的魯棒性、符合二次型最優控制選型原則、且具有智能化的專家特色。PID調節器及其改進型是在工業過程控制中最常見的控制器。PID控制是比例積分微分控制的簡稱，本身是一種基于對“過去”、“現在”和“未來”信息估計的控制算法，最早出現在模擬控制系統中，通過硬件（電子元件，氣動和液壓元件）來實現。控制器系統原理圖如圖2.1所示。現 在過 去未 來對 象 圖2.1 模擬PID控制系統原理圖PID的三種控制規律可以組成不同的線性控制器。在電力傳動控制系統中，常采用的串聯校正控制裝置有比例

31、微分（PD）控制器、比例積分（PI）控制器及比例積分微分（PID）控制器。由PD控制器構成的超前校正可以提高穩定裕度并獲得足夠的快速性，但穩態精度可能受到影響；由PI控制器構成的滯后校正，可以保證穩態精度，但快速性不佳；用PID控制器實現的滯后-超前校正兼有二者的優點，可以全面提高系統的控制性能。連續控制系統中的模擬PID控制規律為: （2-1）式中, u ( t ) 控制器的輸出 e ( t ) 控制量的偏差 Kp 比例系數 Ti 積分時間常數 Td 微分時間常數(1) 比例環節比例環節對偏差是即時反應的，偏差一旦出現，調節器立即產生控制作用，使輸出量朝減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數Kp。比例調節器雖然簡單快速，但對于系統響應為有限值的控制對象存在靜差。加大比例系數Kp可以減小靜差，但過大會使系統的動態質量變壞，引起輸出量震蕩,甚至導致系統不穩定。(2) 積分環節為了消除在比例調節中的殘余靜差，可在比例調節的基礎上加入積分調節。積分調節具有累積成分，只要偏差e不為零，它將通過累積作用影響控制量u，從而減小偏差，直到偏差為零。如果積分時間常數Ti大，則積分作用弱，反之為強。增大Ti將減慢消除靜差的過程，但可減小超調，提高穩定性。引入積分環節的代價是降低系統的快速性。 (3) 微分環節為了加快控制過程，有必要在偏差出現或變化的瞬間，按偏差變化的趨勢進行控制，使