【正文】 19 ADC0809 控制模塊 ............................................................................................ 19 AD1674 控制模塊 .............................................................................................. 22 前饋控制模塊時序仿真圖 ............................................................................... 25 反饋控制模塊的時序仿真圖 ........................................................................... 26 PWM 波生成模塊 ................................................................................................ 29 過流模塊 ........................................................................................................... 31 兩個分頻模塊的 VHDL 代碼： .......................................................................... 32 前饋和反饋求和模塊 ........................................................................................ 34 第六章 結論及展望 ..................................................................................................................... 36 參考文獻 ....................................................................................................................................... 37 4 致謝 ............................................................................................................................................... 38 第一章 引言 伺服系統(tǒng)的概念 伺服 系統(tǒng)是用來準確的跟隨或復 現(xiàn)某個特定過程的反饋控制系統(tǒng)，又被稱為隨動系統(tǒng)。在大多情況下，伺服系統(tǒng)專指系統(tǒng)的輸出量是機械位移、位移速度或是加速度的反饋控制系統(tǒng)， 它的 用是使輸出的機械位移 (轉角 )準確的跟蹤輸入的位移 (轉角 ) 【 3】 。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷史 伺服系統(tǒng)從最早的液壓，氣動到現(xiàn)在的電氣化。由伺服電機與控制器及反饋裝置組成的伺服系統(tǒng)已經(jīng)走過了 50 多年。 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢即向大功率，高速度，高精度的方向進行發(fā)展。即 伺服系統(tǒng)的發(fā)展要充分利用 計算機技術 和 電子 技術 ，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)， 通過 利用微 機 來 實現(xiàn)調節(jié)控制，增強 其 軟件控制功能，排除 各種 因素的影響， 由此 可 以 大大提高伺服系統(tǒng)的性能。 電機控制的發(fā)展概況 自電機誕生以來，電機作為一種機械能與電能轉換的裝置，它已經(jīng)被廣泛的應用與各個領域中。近些年來，隨著電力電子技術，計算機技術以及控制技術的發(fā)展，電機的應用得到了進一步的發(fā)展。實際上電機從簡單的提供動力的裝置，發(fā)展成為對速度，轉矩，位置等方面進行精確的控制。這已經(jīng)不算是傳統(tǒng)意義上的電機控制，而上升為一種運動控制。因此現(xiàn)在的電機控制技術已經(jīng)離不開功率器件以及電機控制器的發(fā)展。 電機控制 器的發(fā)展 電機的控制器經(jīng)歷了由模擬到數(shù)字控制器的發(fā)展，其中早期的模擬控制器受外界環(huán)境影響較大，控制精度不高，跟現(xiàn)在的數(shù)字控制器比較起來相差比較大，數(shù)字控制器可靠性 5 能高并且在調整參數(shù)的時候比較的方便，能夠靈活的更改控制策略，對外界環(huán)境所造成的影響不敏感，并且控制精度還高。 隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的 8 位單片機由于內部結構等條件的制約，在實現(xiàn)先進的電機控制理論時遇到了困難。 隨著 EDA 技術的誕生于不斷地發(fā)展，用基于 FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列 )的電子系統(tǒng)對電機進行控制，為電機控制的數(shù)字化提供了一種新的方法，并將以前大 模塊電路板式的產(chǎn)品集成為微型芯片級的產(chǎn)品。以此降低了功耗，提高了可靠性。 功率半導體器件的發(fā)展 隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展以及功率半導體器件的發(fā)展對電機的控制的發(fā)展影響很大。 從 50 年的硅 晶閘管問世以來， 60 年代的可關斷晶閘管 GTO 到 70 年代中期的功率MOSFET 問世，再到 80 年代的絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 的問世，功率半導體器件可謂發(fā)展飛速。 數(shù)字控制技術用于功率器件的控制有這兩方面的有點： (1) 可嚴格控制最小關斷時間和最小開通時間。 (2) 可嚴格控制死區(qū)時間。 6 第二章 系統(tǒng)控制原理 PWM 控制原理 (Pulse Width Modulation) PWM 簡稱為脈寬調制，他是一種利用微處理器數(shù)字輸出來對 模擬電路控制的一種非常有效的技術。這種技術被廣泛的應用的很多不同的行業(yè)，比如：通信方面，功率控制及功率變換等 。 它是 一種模擬控制方式， 隨著 相應載荷的變化來調晶體管基極 的 偏置 或 柵極 的偏置 ， 以此 來 改變 開關穩(wěn)壓電源輸出晶 體管 或者 晶體管 的 導通時間 ， 它 能使電源的輸出電壓在工作條件 不斷 變化時保持恒定 不變 。 它是一種對模擬電平信號進行數(shù) 字式編碼的方式， 通過使用高分辨率的計數(shù)器，方波的占空比被調制，用來對一個具體的模擬的電平信號進行編碼。 PWM 信號是 一種 數(shù)字 信號 ，因為在 系統(tǒng) 給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么 為 ON，要么 為 OFF。電壓 及 電流源是以一種 以 通或斷的重復脈沖序列 的方式 被 加到模擬負載上去的 ， 當狀態(tài)為 通的時候直流供電被加到負載上 ，斷的時候 直流 供電被斷開。 所以 只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM 方式 進行編碼。 在對直流電動機 的 電樞電壓控制 及 驅動中， 在 對半導體功率器件的使用上可分為兩種方式 ： (1)線性放大驅動方式 ； (2)開 關驅動方式。 其中第一種驅動方式 是使半導體功率器件工作在線性區(qū) 內 。這種 驅動 方式的優(yōu)點是 ：控制原理 較為 簡單，輸出波動 較 小，線性 比較 好，對鄰近 的 電路干擾不大 ； 但是 存在的問題是 功率器件在線性區(qū)工作時 會 將 大部分電功率用在 器件所 產(chǎn)生 的 熱量，散熱以及效率 等問題 較為 嚴重，因此這種 驅動 方式只用于 對 那些較小 功率直流電機的驅動。 大部分的直流電機都是采用第二種驅動方式 ，通過 PWM 來控制電樞電壓，實現(xiàn)速度調節(jié)。 7 PWM 控制原理圖 PWM 輸入輸出電壓圖 在 圖 中，當 MOSFET 的柵極的輸入電壓為高電平時， MOSFET 導通 。 在圖 中直流電機兩端的電壓 Us，等 t1秒后，柵極的電壓變成低電平，即 MOSFET 截止，電動機兩端的電樞電壓為零， t2 秒過后，柵極端電壓變成高電壓，至此 MOSFET 重復前面的過程。 0U = 1120StUtt?? = 1 StUT = SaU () 式 ： 0U 為電動機電樞繞組兩端的平均電壓； a 為占空比 。 由此可見當 SU 不變時， 0U 的大小取決于 a 的大小，因 而只要改變 a 的大小即可改變端電壓的平均值達到我們所要的調速的目的，這種原理就是 PWM 的調速原理。 控制原理 控制系統(tǒng)采用三環(huán)控制原理，即由位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)構成。 Di O Us t2 t1 T t UiO Ui Vi UoO Us 直流電動機 t O Uo 圖 PWM 控制電路圖 圖 輸入輸出電壓圖 8 圖 三環(huán)控制的原理圖 圖 中位置環(huán)是系統(tǒng)主控制環(huán)，它實現(xiàn)對位置的控制；速度環(huán)具有抑制電機速度波動的作用，它增強了系統(tǒng)的抗擾動的能力；再者就是電流環(huán)，它能夠及時的限制電機的最大電流，能達到保護電機的作用。 三環(huán)相互結合 ，保證了系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)特性，使系統(tǒng)的工作狀態(tài)平穩(wěn)而可靠。 第三章 算法的設計 前饋算法設計 引入前饋算法是因為前饋算法能夠有效的提高系統(tǒng)對輸入信號的響應速度，也能夠消除部分因積分而滯后的影響，使系統(tǒng)能迅速的消除偏差，并提高系統(tǒng)的帶寬。 根據(jù)不變性的原理特點可得 下式 ： ()qus? 22drdtecKK? ? 1ecKKdrdt () 將 式 ，差分方程： ()qut? 1 ()k rk? ? 22 ()k r k? 。 () 在 式 Tz + + + 位置調節(jié)器 速度調節(jié)器 電流調節(jié)器 1/1dRTs? Cr 1SJ 1s 9 根據(jù)前饋控制原理： 一次偏差： ()rk? = ()rk ? ( 1)rk? 。 () 二次偏差 ： 2()rk? = ()rk? ? ( 1)rk??。 () 其中 : 1K ? 1/ ( )ecK K T? 。 2K ? 2/ ( )ecK K T? ? 。 反饋算法設計 反饋控制采用的是模糊 PI 算法，在大范圍內使用模糊控制原理，來提高系統(tǒng)的動態(tài)響應的速度；而在小范圍中采用 PI 控制原理，以提高系統(tǒng)的控制精度，通告調節(jié)各項參數(shù)，來使系統(tǒng)達到控制精度高，響應速度快。 PI 算法原理 P(比例環(huán)節(jié) )：按一定比例系數(shù)來反應控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的偏差信號，其中一旦有偏差產(chǎn)生，控制器就會產(chǎn)生控制的作用，以此來減小偏差的大小。 I(積分環(huán)節(jié) )：積分環(huán)節(jié)主要是用于消除靜差，來提高系統(tǒng)的性能。 PI 的控制規(guī)律： ()ut ? pK ( ()pK errort ?11T0( ( ) )t error t dt? ) 。 () 在 式 中： pK 比例系數(shù) ； 1T積分時間常數(shù) 。 采用微處理器，需要引入數(shù)字 PI 控制規(guī)律進行控制，即是用一系列采樣的時刻點 KT代表連續(xù)的時間 T，以矩形法進行數(shù)值積分近似代替積分環(huán)節(jié)，即可得其離散 PID表達式： ()fuk? pk ( ()error k ?1TT0 ()kj error j??) () ? ()pk errork ?0 ()ki jK error j T??。 () 在 ： T是采樣的周期； K為采樣序號 。 10 模糊算法原理 經(jīng)典模糊控制 是 由模糊控制器和控制對象組成。 其中 模糊控制器 是 由模糊化過程， 知識庫 ，模糊推理以及 清晰化計算 四 部分組成，它是一種反映人類智慧思維 卻不需要 知道被控對象 的 精確數(shù)學模型的智能控制。無論被控對象是 線 性 還是非線性的，模糊控制器都能對其 執(zhí)行有效 的 控制， 它 具有很好的適應性 和魯棒性 。 模糊算法中采用雙輸入，單輸出的方式。指的是星號的差值跟差值的變化率這兩個來作為模糊控制的輸入量，單輸出這是 PWM 波的控制信號。 本設計中去位移誤差 E 跟 位移誤差變化率 Ec 作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量。參數(shù)自整定模糊控制器是利用 E， Ec， PWM 控制信號的各自的系數(shù) Ke， Kec， Kw，這三個系數(shù)對系統(tǒng)的性能影響不同。根據(jù)不同的誤差范圍對 Ke， Kec， Kw 進行調整。 當誤差大時， Ke 占的比重就大些，能夠快速的消除誤差；當誤差小時， Kec 占的比重就大，能夠減小超調盡快的實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定；而 Kw 則類似于系統(tǒng)的中的放大倍數(shù)，通過調節(jié)這三個系數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)。 以下為具體