【正文】 ............................................................ 21 算法的探索 ................................................................................................ 22 第三章：實(shí)踐設(shè)計(jì)篇 ........................................................................................................ 25 整體方案設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 25 硬件部分 ............................................................................................................. 26 開(kāi)發(fā)板 ............................................................................................ 26 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ............................................................................................ 27 正交編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速 ..................................................................................... 28 穩(wěn)壓電源電路 ............................................................................................ 29 軟件模塊 ............................................................................................................. 29 生成子程序 ....................................................................................... 30 串口模塊 — 速度給定與速度顯示 ................................................................ 31 速度測(cè)定與方向判斷子程序 ....................................................................... 32 PID 算法模塊 ............................................................................................. 32 第四章 ： 實(shí)踐檢驗(yàn)篇 ...................................................................................................... 34 實(shí)物連接圖 ......................................................................................................... 34 MATLAB 曲線擬合方法確定占空比與空載電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系 ............................. 34 5 5 簡(jiǎn)單閉環(huán)控制試驗(yàn) ............................................................................................... 37 第一次 PID 算法試驗(yàn) ........................................................................................... 38 第二次 PID 算法試驗(yàn) ........................................................................................... 39 第五章：總結(jié)與改進(jìn) ........................................................................................................ 42 總結(jié) .................................................................................................................... 42 改進(jìn)的一些思路 .................................................................................................. 42 致謝 ......................................................................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 縱觀運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，交，直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使他們所處的地位，所起的作用不同，但他們始 終是隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，在相互競(jìng)爭(zhēng)，相互促進(jìn)中，不斷完善并發(fā)生著變化。直到19 世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)，這才使得交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中逐步得到廣泛應(yīng)用。它的發(fā)展過(guò) 程是這樣的，由最早的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)，磁放大機(jī)控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的 PWM 控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)的快速性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性不斷提高。 普遍應(yīng)用于恒速運(yùn)行場(chǎng)合的交流電動(dòng)機(jī)，可以彌補(bǔ)直流電動(dòng)機(jī)的不足。僅對(duì)占傳動(dòng)總量三分之一強(qiáng)的風(fēng)機(jī)，水泵設(shè)備而言，如果改恒速為調(diào)速的話，就可以節(jié)電 30%左右。從調(diào)速性能看，完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美 [1]。而微處理器的應(yīng)用使電氣傳動(dòng)控制技術(shù)再次發(fā)生了巨大地變革，使用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制不僅可以簡(jiǎn)化控制硬件，而且可以加入人工智能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn) 行診斷，這對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響 [2]。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。 對(duì)于簡(jiǎn)單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開(kāi)關(guān)元器件，使電路開(kāi)通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電機(jī) ,則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。目前相比直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有所長(zhǎng)，如直 流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題；交流電機(jī)，不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如 DSP 等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)兆以上每秒，且具有適合的矩 陣運(yùn)算。由于微處理器具有較佳的性價(jià)比，所以微處理器在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。 本 課題 的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容 電機(jī)控制器的發(fā)展朝著集成化和通用化的方向發(fā)展著。而且，電機(jī)控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料豐富，但是又很分散，需要花時(shí)間收集整理、分析消化。利用 MCU，編寫在一定領(lǐng)域具有通用功能的控制器程序，借鑒 MATLAB 的信號(hào)流圖，研究通過(guò)下載設(shè)定的參數(shù) ,在 MCU 程序的解釋下 ,實(shí)現(xiàn)其控制功能的 通用性 . 本次設(shè)計(jì)的通用性主要展現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是 PID 控制器結(jié)構(gòu)的通用性即可以根據(jù)反饋的情況選擇單閉環(huán)，雙環(huán)，甚至三環(huán)控制；二是參數(shù)的通用性，即可以很方便的對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際的需求；三是占空比與轉(zhuǎn)速關(guān)系可進(jìn)行設(shè)置，使針對(duì)具體情況的 PID 整定快速進(jìn)行。具有控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改等優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到很高的控制精度和良好的穩(wěn)定性。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。這種控制方法可獲得較寬的范圍，較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速性能。近年來(lái)，隨著電力電子的迅速發(fā)展，有晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以取代了發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)電機(jī) 電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電力電子技術(shù)中的 IGBT 等大功率器件的發(fā)展取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。 ：由于電阻耗能大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場(chǎng)合。 ：調(diào)壓調(diào)速可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)機(jī)械特性硬度不變。 對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中， 對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。這種方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制 PWM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值 0U 為 10,)()0(112110?????????????的取值范圍為：與周期的比值內(nèi)，開(kāi)關(guān)管道通的時(shí)間它表示了在一個(gè)周期為占空比，式中：TTtUUTtttUtUsss （ ） 由公式（ ）可知，當(dāng)電源電壓 sU 不變的情況下，電樞電壓的平均值 0U 取決于平均值 0U 取決于占空比 ? 的大小，改變 ? 值就可以改變端電壓的平均值，達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM調(diào)速原理。以下 3 種方法都可以改變占空比的值。 （ 2）調(diào)寬調(diào)頻法：保持 2t 不變，只改變 1t ，使周期與頻率也隨之改變。 前兩種方法在調(diào)速時(shí)，改變了控制脈沖 的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生震蕩，因此很少用。 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 本次試驗(yàn)選用的是小功率的直流電機(jī)，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，僅對(duì)與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)部分的理論進(jìn)行闡述。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能同時(shí)滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍窄。 10 10 轉(zhuǎn)速反饋電壓與轉(zhuǎn)速指令電壓相比較形成偏差電壓，偏 差電壓作為輸入信號(hào)，后與開(kāi)環(huán)電路相同。改進(jìn)提高措施：加偏差調(diào)節(jié)器或限流措施。 、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 直流電機(jī)雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。我們知道反饋閉環(huán)控制系 統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。 在實(shí)際工作中 ,我們希 望在電機(jī)最大電流受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。 問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不在 *電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面， 叫外環(huán)。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在電流環(huán)內(nèi)再加電流變化率內(nèi)環(huán)或電壓內(nèi)環(huán)構(gòu)成兩種三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 其他調(diào)速系統(tǒng)諸如：有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，與本次設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)不大，故不予闡述。 1G 2G 3G 4G5GPID? ?? ?圖 24 單閉環(huán)控制系統(tǒng) 其中0 0 1 , 11,1,10 0 1 4454321???????GGsGsGsG 在 MATLAB 中編寫 M 文件（見(jiàn)附錄），觀察 PID 各環(huán)節(jié)參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的變化，根據(jù)圖 25,26,27 分析得： 比例調(diào)節(jié)作用： pK 增大可增大系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。 積分調(diào)節(jié)作用：對(duì)穩(wěn)態(tài)起控制作用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，但積分過(guò)強(qiáng)穩(wěn)定性隨著下