【正文】 引 言 開發(fā)背景 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，電動機(jī)是主要的控制執(zhí)行部件，目前在直流電機(jī)拖動系統(tǒng)中已大量采用晶閘管 (即可控硅 )裝置向電動機(jī)供電的 KZ— D拖動系統(tǒng)，取代了笨重的發(fā)電動一電動機(jī)的 F— D 系統(tǒng)，又伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使 直流電機(jī)調(diào)速逐步由模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是運(yùn)動控制芯片的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 目前，直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没殡S著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 所以要想設(shè)計(jì)一個(gè)滿意的運(yùn)動控制系統(tǒng)，應(yīng)從硬件和軟件綜合考慮。其對策為轉(zhuǎn)子構(gòu)造采用細(xì)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。 選擇伺服電機(jī)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(jī)械特性和良好的調(diào)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(shí)為 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?yàn)橄到y(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 4 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。額定電流一般就是電機(jī)長期連續(xù)運(yùn)行所允許的最大電流。Ξ j通常小于20ms，ξ d通常小于 5ms,令兩者之比大于 3. （ 8） 轉(zhuǎn)動慣量 J(kg （ 1） 步矩角的選擇：電機(jī)的步矩角取決于負(fù)載的精度要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量應(yīng)走多少角度。 表 2:步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)和 伺服電機(jī)系統(tǒng)的性能比較 從以上的分析可以得知，該系統(tǒng)電機(jī)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(jī) 都是最好的選擇。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?cái)_動。圖 2 為二進(jìn)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。 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。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(shí)，光線被全部遮住，此時(shí)光電變換器輸出的電壓最小；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(shí)，光線全部通過，此時(shí)光電變換器輸出的電壓最大。另外，它的電樞電壓、電樞電流、電樞回路電阻、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、電機(jī)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(jī)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(jì)算及設(shè)計(jì)也較為容易，且經(jīng)過較長時(shí)間的實(shí)踐，直流拖動控制系統(tǒng)在理論和實(shí)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)。 3． 調(diào)磁調(diào)速 調(diào)磁調(diào)速特性曲線如圖 7 所示。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)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(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如圖 8 所示。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(shí) 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 —— 輸出未達(dá)到限幅值。 （ 4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。它將各種外圍資源集中在片上 , 實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng) ,從而大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì) , 具體特點(diǎn)如下： 1) 低電壓、超低功耗。 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。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(shí)代表零電壓。電路圖如下所示： 圖 16： 過流保護(hù)模塊 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(shí)時(shí)的反饋機(jī)制才使系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。 電流反饋電路 要實(shí)現(xiàn)電流的負(fù)反饋檢測，需要對電流進(jìn)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。電流環(huán)的主要功能為：（ 1）啟動過程的加速（ 2）對反拉時(shí)的電流保護(hù)（ 3）對電壓波動時(shí)的抗干擾；速度環(huán)的主要功能為：（ 1）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差（ 2）對負(fù)載變化起抗擾作用，（ 3）能對電流環(huán)進(jìn)行飽和非線性 控制 。采用 PI算法來確定閉環(huán)控制的補(bǔ)償量也是純數(shù)字電路組成調(diào)速系統(tǒng)所不能及 的。 在此謹(jǐn)向 XXX表示深切的謝意和誠摯的敬意。 PI 調(diào)節(jié)器程序框圖如圖 19 所示： 圖 19 ： PI算法子程序 本文所述的直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，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。速度環(huán) 根據(jù)給定速度與檢測到的實(shí)際速度差值，經(jīng)過速度 PI 調(diào)節(jié)器對相應(yīng)的差值進(jìn)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。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。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=100KΩ LM339 的輸出 Uo 接 MSP430F149 的 腳連接，以負(fù)跳變模式觸發(fā)。 圖 12: 光耦隔離模塊 電機(jī)驅(qū)動模塊 電機(jī)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(jī)驅(qū)動的 H橋組件。 4) 具有較豐富的片內(nèi)外設(shè)。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(jī)的轉(zhuǎn)速。 （ 2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時(shí)抗擾的作用。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。 因此，我們希望能實(shí)現(xiàn)控制：起動過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。但是，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(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。 2． 調(diào)阻調(diào)速 調(diào)阻調(diào)速特性曲線如圖 6所示。 直流定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析 直流電動機(jī)在電力拖動系統(tǒng)中具有兩個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。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(gè)光電變換器的輸出信號在相位上相差 90186。 7 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(jì)數(shù)器對這些脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以此算出轉(zhuǎn)過的角位移量。 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(jìn)制的編碼信息來表示絕對位置信息。 在運(yùn)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(gè)運(yùn)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?？梢砸罁?jù)矩頻特性曲線圖，判定電機(jī)的電流。 步進(jìn)電機(jī)的選擇主要考慮步距角、靜力矩及電流三大要素。最大轉(zhuǎn)矩一般是額定轉(zhuǎn)矩的 5倍 ~ 10 倍。永磁式直流伺服電機(jī)只有額定電驅(qū)電壓。然后根據(jù)電機(jī)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(jī)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(jī)的退磁電流。隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由各種類型的伺服電機(jī)和減速器構(gòu)成。一個(gè)高質(zhì)量的系統(tǒng)，在整個(gè)運(yùn)行過程中，被控量與給定值的偏差應(yīng)該很小。 選題的目的與意義 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(gè)方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對于后兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)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(yùn)行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。DC motor。 關(guān)鍵字： MSP430F149；直流電機(jī)；光電編碼器； PWM ； PI 控制 Design of precise Positing system Based on DC motor Abstract In