【正文】 ............................................................................................ 42 致謝 ......................................................................................................錯誤 !未定義書簽。 本 次設(shè)計先用 MATLAB對 PID控制器進行仿真，計算，包括參數(shù)整定，加深對控制器和離散算法的認識，再進一步探索雙閉環(huán)反饋的控制器算法。然后在基于 STM32的電機控制電路中進行檢驗，以便進一步優(yōu)化算法。 參考文獻 ......................................................................................................................... 44 附錄 ...................................................................................................................................................47 6 6 第一章 緒論 引言 運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備 —— 電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動自動控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)控制電機的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的控制。于是人 們又開始了新一輪交流調(diào)速的研究。為微處理器普遍用于控制電機提供了可能，利用微處理器控制電機完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進了電機生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進電機、無刷直流電機、開關(guān) 7 7 磁阻電動機等 便于控制且實用的新型電機，使電機的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。 采用微處理器控制，使整個調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡單化，可靠性提高，操作維護變得簡捷，電機穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速精度等方面達到較高水平。 由于采用近幾年最最主流的 STM32 微處理器，應(yīng)用新控制理論和方法，使實現(xiàn)實時控制成為可能，并且增加了系統(tǒng)功能和柔性。但此方法的主要缺點是系統(tǒng) 重量大，占地多，效率低及維修困難。這種方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛采用 [6] [7]。 （ 1）定寬調(diào)頻法：保持 1t 不變，只改變 2t ，使周期與頻率也隨之改變。應(yīng)用于靜差率要求不高的無級調(diào)速場合。采用轉(zhuǎn)速負反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，電流負反饋就能得到近似的恒流過程。 11 11 MATLAB 仿真 電機控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo) 對直流電機，有 電樞電壓平衡方程： ??????????nCeedtdiLiRueaaaaa （ ） 轉(zhuǎn)矩平衡方程為： ???????????atLiCTTTdtdnJdtdnJdtdwJ )30( 00 ? （ ） ? ? ? ?)/m i n),(2,60m i n/b,rsmNJmNTmNTaNPaPNCaPNCrnWRHLAiVeVuLteaaaa?????????轉(zhuǎn)速慣量（），負載轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩為并聯(lián)支路數(shù)為電樞總導(dǎo)體數(shù)，為電機極對數(shù)，轉(zhuǎn)矩常數(shù)，直流電機電勢常數(shù)），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（），每極磁通（），電樞電阻（）電樞電感（）電樞電流（），電樞反電勢（），電樞電壓（? 對 ， 式采用拉氏變換得 之間傳遞函數(shù)是與電樞電壓電樞電流 aa ui ? ? sTKRsL Reu i aaaa aa a ????? 1/1 /1 （ ） 之間的傳遞函數(shù)為與動態(tài)轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 )n LTT ?JsTT n L 1?? （ ） ) ( s )C/ ( C時間 常, 2et ?????? amate JRTiCTnCe 數(shù)電的輔助關(guān)系，并引入機考慮到 可求得精確模型的傳遞函數(shù)： 1/1 ?sT Ra aauEua ?Eai TLT?tC 21?teCC?eCsTRman 圖 22 電機控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 Simulink 仿真 （ 1） PID 控制器的理論探索 1） PID 控制器結(jié)構(gòu)如下圖 23 12 12 IN OUTpKsKidtduK d圖 23 PID 控制器， pK 為積分環(huán)節(jié)， iK 為積分環(huán)節(jié)， dK 為微分環(huán)節(jié) 2） 以一個單閉環(huán)的控制系統(tǒng)為例，分析 PID 控制器各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用。現(xiàn)以臨界比例度法為例進行參數(shù)整定。振蕩周期為sTk 1 7 87 9 89 7 6 ??? 圖 214 PID參數(shù)設(shè)置界面 — 臨界比例度 17 17 圖 215 系統(tǒng)臨界震蕩圖 圖 216 臨界震蕩周期的測量圖 21，得到參 數(shù) pK ， iK ， dK 18 18 表 21 臨界比例度法參數(shù)整定表 調(diào)節(jié)作用 比例度δ 積分時間 iT （ min） 微分時間 dT （ min） 比例 k? /2 比例積分 k? / kT 比例微分 k? / kT 比例積分微分 k? / kT kT *, ,* i n ,*,?????????????dpdipidipTKKTKKTTKP I D 控制器，可計算得，對由表 ，還要到系統(tǒng)中實際運行，檢驗控制效果，必要時進行反復(fù)調(diào)整，直至獲得滿意的控制效果 。在計算機控制系統(tǒng)，時域設(shè)計涉及差分方程，頻域設(shè)計涉及脈沖傳遞函數(shù)。 對某個控制系統(tǒng)而，無外乎是由一個或多個比例，積分，微分環(huán)節(jié)構(gòu)成，通過對上述單個 PID離散化的認識，我們可以很 輕易的對更復(fù)雜的控制系統(tǒng)進行離散化，在此不作一一推導(dǎo)。如圖所示，將其視為離散系統(tǒng)， PID 采用位置式算法，可知如下關(guān)系 ???????????????????????????????)2(2)1(2)2()(2)()1()(2*22)2(1)1(1)2()(1)()1()(1*101222222111111keKkeKKkeKKKkykyZYuxekeKkeKKkeKKKkxkxZYuueDDpDIpDDpDIp （ ） 根據(jù)上述關(guān)系式，在給定了輸入和 PID 參數(shù)的情況下，我們可以得到每一時刻系統(tǒng)的輸入輸出甚至是中間量。這個速度與設(shè)定的速度進行比較，得出差值，對這個差值進行PID 運算，改變單片機輸出 PWM 的占空比值，通過 H 橋驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。 電機驅(qū)動電路 圖 34 L298N 接線原理圖 I N 1I N 2E N AG N DV C CO U T 1 O U T 2Q 1Q 2Q 3Q 4 圖 35 L298N 具有使能控制和方向邏輯的 H 橋電路 根據(jù) L298N 的 H 橋電路，電機的運轉(zhuǎn)就只需要用三個信號控制：兩個方向信號和一個使能信號。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息?；谏鲜鲈颍译m然是用庫函數(shù)編寫的程序，但在分析程序時，我將直接從寄存器層面說明。 定 時 器 TIM4 設(shè) 置 為 向 上 計 數(shù) 模 式 ， 通 過 設(shè) 置 TIM4PSC=7199, 則 計 數(shù) 頻 率K h zM h zP S Cff P S CCKC N TCK 10)17199/(72)1/(__ ????? 再設(shè)置 TIM4ARR=10000，可知 TIM4 計數(shù)到 10000 則溢出，即每 1s 產(chǎn)生一次中斷，在 TIM4的中斷服務(wù)函數(shù)中，根據(jù)電機正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位，由公式（ ）求得轉(zhuǎn)速。 當(dāng)然若想 進一步得到更高精度的控制，可以從兩個方面著手： ，提高程序的運行速度； 2 定時器 TIM4 測轉(zhuǎn)速的時間可以進一步減少，比如說 測一次轉(zhuǎn)速，這樣一來速度的實時性就能進一步提高； 3 還可以修改每次占空比增減的步長，比如說占空比每次增減 1，變?yōu)槊看卧鰷p ，是的控制更精確，但是這樣一來意味著每次達到穩(wěn)態(tài)的時間會增加。在不借助這個公式的情況下時，我進行了多番試湊，得到了一組較好的 PID 參數(shù) KP=， KI=， KD=0，同樣設(shè)定轉(zhuǎn)速為 3000R/min,，得到電機速度曲線圖 48。 第二次 PID 算法試驗 前面雖然借助了占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系導(dǎo)致 PID 參數(shù)整定難度大大降低，但當(dāng)電機受載或者說受載變化時 ，這一絕對的公式就失去了意義，甚至反過來影響控制的精度，因而，要想電機的控制具有通用性，就不能用到這樣的公式。 第一步：通過串口給定電機轉(zhuǎn)速 3000，串口立刻給出由擬合函數(shù)計算出來的占空比 68，接著進一步進行調(diào)節(jié)。 32 32 速度測定與方向判斷子程序 定 時 器 T I M 3 ，T I M 4 初 始 化T I M 4 定 時 1 秒T I M 3 編 碼 器 模 式開 始 計 脈 沖 數(shù)中 斷 服 務(wù) 函 數(shù)計 算 正 反 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 速中 斷 服 務(wù) 函 數(shù)設(shè) 置 正 反 轉(zhuǎn) 標(biāo) 志 位正 反 轉(zhuǎn) 圈 數(shù) 增 減計 數(shù) 脈 沖 數(shù)正 反 轉(zhuǎn) 標(biāo) 志 位正 反 轉(zhuǎn) 圈 數(shù)溢 出 中 斷溢 出 中 斷清 除 中 斷標(biāo) 志 位清 除 中 斷標(biāo) 志 位 圖 310 速度測定與方向判斷子流程圖 首先是編碼器模式初始化函數(shù) SetTIM3EncoderMode，不作預(yù)分頻，即寄存器 TIM3PSC=0，將寄存器 TIM3ARR 設(shè)置為光電編碼器每圈 脈沖數(shù)，由于是 AB 相同時輸入的 4X 模式，故每圈脈沖數(shù)為 64， TIM3ARR=641=63。我在設(shè)計過程中都有所涉及，在我看來，庫函數(shù)中幾乎涵蓋了 STM32 所有的應(yīng)用，是很適合初學(xué)者上手 STM32 的，你不需要對底層的運作模式了解太多，因為官方給定的庫函數(shù)基本涵蓋了STM32 所有的功能，初學(xué)者需要做的僅僅只是學(xué)會如何調(diào)用和搭配。有些光電編碼器除了 A,B 相外還有一個 Z 相， Z 相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。 TIM3 設(shè)為編碼器模式，是 TL1， TL2， X4 模式，故需要兩個輸入口， PA6， PA7 分別接編碼器的 A,B 相。 //u2輸入值 程序運行的結(jié)果見圖 224. 24 24 圖 224 程序運行結(jié)果 對模擬算法的探索至此結(jié)束，以上僅能說明其可行性，至于這種模擬的準(zhǔn)確度等等方面還有待進一步深入探討 。 1ZY2ZY1PID 2PID 被控對象????0u1u2u1e 2exy圖 223 雙閉環(huán)系統(tǒng)簡圖 對這一系統(tǒng)進行簡單分析，首先它是一個三個輸入，一個輸出的控制對象未知的系統(tǒng)，在三 23 23 個輸入中， u0 為輸入的期望值， u1,u2 分別為反饋值， e1 表示在節(jié)點 1 處的偏差， e2 表示在節(jié)點2 的偏差， x 為 PID1 的輸出值， y 為 PID2 的輸出值。 本次設(shè)計中的單閉環(huán) PID 控制器的離散化算法 [13]采用的是向后差分法，方法如下 PID??被控對象 OUT)(te)(tr)(tu 圖 221 PID 控制器離散化圖 理想模擬 PID 控制器輸出方程為 量控制器輸入的系統(tǒng)偏差）為（控制器的輸出控制量為微分時間，為積分時間，互為倒數(shù)關(guān)系，即與比例帶為比例系數(shù)，P I DteP I DtuTTKKKdttdeTdeTteKtudipppdip)(1])()(1)([)(10???????? ? （ ） 對上式作拉氏變換，得 sKsKKsTsTKsE sUsD dipdip ??????? 1)11()( )()( （ ） 由向后差分法， 為采樣周期即近似得 TT zsTszTsTsez Ts ,11...,!2 )(1 1121 ??????? ?? ）離散化得（對 sD 21 21 微分系數(shù)積分系數(shù)，TTKKTTKKzKzKKzTTzTTKsDzDdpDipIDIpd