直流无刷伺服电机运动控制系统设计

直流无刷伺服电机运动控制系统设计

Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。

在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。

MotionChip的特点

MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点：

?可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中；

?可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作；

?全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环；

?可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制；

?可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）；

?使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯；

?基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。

?可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。

运动控制系统设计

本文是以MotionChip为控制器核心，直流无刷电机/有刷电机/永磁同步电机为控制对象进行伺服驱动器设计。设计指标为：适应12―36V宽范围直流母线电压输入，工业标准5V逻辑电源输入，最大输出电流3A，峰值电流6A。在进行伺服控制器设计之前，根据MotionChip的特点和伺服电机的特性进行总体功能设计如下：

?采用位置环、速度环、电流环的三环结构；三环都采用PID调节器；电机参数设置采用计算机辅助计算和工程整定相结合的办法；

?具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人机接口进行独立参数设置，有网络通讯接口进行独立参数设置，有网络通讯接口方便外部监视和控制。

伺服系统的总体系统结构可以分为：MotionChip最小系统、驱动电路、电流反馈检测、外部控制接口、通讯接口等，如图1所示。伺服驱动器的硬件结构分为2个主要部分：驱动电路部分：主要包括逆变桥、前置驱动、电流检测；

控制电路部分：包括反馈检测、外部控制接口、通讯接口、MotionChip最小系统。

控制系统设计

在MotionChip的基本系统中，选用美国 Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650来存储TML运动指令。该EEPROM的存储容量为8K×8bit，最大时钟频率可达5MHz。由于在MotionChip正常运行时指令访问时间21ns，所以为了使程序高速有效的运行，增加了2片32可×8bit的静态RAM：ASC256-12JC，该SRAM的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取时间为12ns，所以MotionChip对该芯片的存取数据时不需要插入等待状态。并且该SRAM具有较低的活跃功耗，在待机状态时可自动进入更加低功耗的节能状态。MotionChip芯片本身提供了电机控制专用的接口，包括6路PWM信号，在使用中可以配置作为三相电机逆

变桥的驱动信号。当保护中断PDPINT有效或电机使能信号ENABLE无效时，6路PWM信号立即进入高阻状态，使逆变桥全部截至，电机停转。另外，MotionChip为每个PWM输出对提供了可编程死区时间设置（0―102μs），所以不需要外部的死区逻辑电路。码盘反馈信号接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脉冲信号，ENCZ是码盘清零信号。MotionChip可以对ENCZ和ENCB信号进行四倍频和辨向，然后送入增量计数器计数产生电机的位置信号，码盘清零信号ENCZ可对计数误差进行修正。电机霍尔反馈信号HALL1，HALL2，HALL3，是为直流无刷电机/永磁同步电机进行定位磁极设计的。其它重要引脚如DIR、PULSE直接作为电机脉冲指令的输入接口。LSP，LSN可用来扩展作为运动系统左、右限位事件的捕捉输入。MotionChip有2个10位的A/D转换器，每个都内建了采样保持电路，最快采样速率可达10kHz。模拟信号的输入范围通过MotionChip参考电平输入管脚VREFLO和VREFHI确定。MotionChip可以工作在独立运行和检测引脚AUTORUN进行方式选择的，该引脚接高电平，MotionChip工作在从属方式，接低电平工作在独立运行方式。在独立方式的工作条件下，MotionChip上电后，选检测到AUTORUN的低电平，进入独立运行方式；然后自动从SPI串行EEPROM中的开始执行TML程序。

驱动系统设计

电机的驱动主要包括2个环节：电机PWM驱动电路和电流检测。

电机的PWM驱动电路如图2所示。本电路中，无刷直流电机采用全桥驱动，这样可以使用电机工作于四象限（正向驱动、制动及反向驱动、制动）。驱动一个无刷直流电机需要6路PWM信号，而MotionChip 的每个事件管理模块（EV）中3个带可编程死区控制的比较单元可以产生独立的3对共6路PWM信号。所以在电路中，直接选用事件管理模块B（EVB）中的比较单元来产生6路所需要的PWM信号，其输出引脚为PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9输出设为驱动MOSFET功率管桥路的上半桥，PWM10~PWM12输出驱动下半桥。DSP输出的这两种3路PWM信号经过IR2102前置放大后分别驱动MOSFET功率管桥路的上半桥（Q1，Q3，Q5）和下半桥（Q2，Q4，Q6）进行电机的驱动。

电流检测

电机电流检测电路可提供重要的反馈信息，将该信息与来自主控DSP的控制信号相结合，可以控制MOSFET或IGBT的栅极驱动芯片并最终调整电机速度。如果要实现过流保护，还必需进行电流监控，不过对于低端应用而言，传统的过流保护却显得过于昂贵。电流采样的方案是在逆变桥的下桥臂串一0.027Ω采样电阻如图3（a），采样电流范围为0~6.22A，采样后的电压放大倍数为14.63倍，放大电路如图3（b），并经2.5V电压抬升输入DSP，所以输入DSP的电流模拟电压量为：

UAD=2.5+I×0.027×14.63。

MotionChip AD口的模拟量输入电压为0~5V，所以电流采样经量化的值为：

应用

加氢反应器超声检测成像系统是一套适用于现场检测的加氢反应器堆焊层剥离超声检测成像系统，实现加氢反应器堆焊层层间剥离的在役半自动超声扫查，检测数据的自动存储、分析与评判，同时该系统对不同直径的加氢反应器有一定的适用性。

加氢反应器剥离成像系统的控制系统本质上是一个二维的运动控制平台，从系统要求的性能指标来看，控制系统需要满足如下指标：

?水平扫查速度可达6mm/s无级可调；垂直扫查速度达300mm/s无级可调；

?能够实现粗扫查和精密扫查，对指定的区域实现精密扫查；

?系统的控制方式分为手动/自动，两者之间可以切换；

?X轴（水平）和Y轴（垂直）2个方向上的运动误差≤±1mm。

系统硬件设计

由此选择了上述设计的运动控制系统，具有体积小，性能高，控制简单，价格低，但是每个只能控制一个电机。若要两台电机协同控制，则须通过RS485总线将其连接起来。控制系统的总体结构如图4所示。

X向电机用来控制丝杠的运动：选用EC-max32，无刷70W+减速器为行星轮减速箱（速比为23，型号为GP 32C）+码盘（三通道500线）。Y方向电机用来控制探头的运动，采用RE-32，有刷80W+减速器为行星轮减速箱，型号为GP42C（速比为33）+码盘（三通道500线）。图5示出硬件连接图。

系统软件设计

控制系统的软件是基于Vc++和MotionChip的动态链接库设计的，软件主要完成对探头位置的运动控制，如图6。

用户操作界面功能有：

?参数设置与显示模块主要是设置一些系统参数（如扫查长度，探测宽度）和控制参数（如速度参数、加速度参数等）；

?任何时刻，控制程序都时刻监视系统的运行状况，随时对系统故障做出相应的处理。

软件部分包括X向运动和Y向的扫查运动，数据存储及处理，手动控制，故障处理，运动状态显示及故障显示等。操作界面（GUI）给予清晰、简单的用户界面，方便用户调试、运行，同时能够将伺服驱动器传递过来的信息显示出来，便于监控。任务编程模块将要实现控制任务的规划，如X轴向和Y轴向运动等，包括故障查询、处理。

运行效果

智能伺服驱动器性能的好坏直接决定整个系统设计的成败，为此用一直流电机对驱动器进行测试，电机的电流和位置误差如图7（a）、（b）所示，从图7中可以看出，驱动器的响应时间只有0.12s，位置误差很小。通过对通讯速度及上位机控制命令的测试显示，在实时性要求不是非常严格的情况下，以RS232串口或者485串口的通讯速率是完全可以满足系统需求的。

结语

本文基于一类新颖的专用伺服控制芯片Motionchip，进行了伺服控制器设计和实践研究，并设计了一个功能较为完善的直流无刷伺服驱动器的原型。将该控制器运用到加氢反应器超声检测成像系统中对二维的运动进行控制，保证了整个系统取得良好的性能。Motionchip这种多功能专用的运动控制芯片不仅简化了整个系统的设计过程，而且具有很好的开放性和网络性，对中小型项目是非常理想的设计方案。

PWM控制技术直流电动机调速系统的设计

直流电机PWM控制调速系统的设计

一种基于AT89C2051单片机的直流电机调速装置

2010-12-08 15:35:21| 分类：电子技术| 标签：at89c2051单片机pwm 直流电机调速|字号大中小订

阅

摘要：本文介绍一种基于AT89C2051单片机的直流电机调速装置。该装置以小型直流电机为对象，由AT89C2051单片机控制输出PWM信号，经过功率放大后驱动直流电机，用按键实现直流电机的加速、减速控制。本文所介绍的开环调速装置成本低廉，且极容易实现，在实际轻载系统中运行稳定、可靠。

关键词：AT89C2051单片机，PWM，直流电机，调速

A Kind of DC Motor Speed Regulating System Based on

AT89C2051 Single-Chip Computer

Abstract:. A kind of DC motor speed regulating system based on AT89C2051 single-chip microcomputer is introduced in this paper. A small-type of DC motor is regarded as the control object and PWM signal which is controlled and generated by AT89C2051 single-chip computer in the system. PWM signal is used to drive DC motor by power amplifier. The operation of speed up or speed down of DC motor is finished by buttons. The open-loop speed regulating system is cheap and very easy to do. Its

performance in light-load system is stable and reliable.

Key Words: AT89C2051 Single-Chip Computer, PWM, DC Motor, Speed Regulating

1 引言

直流电机由于具有调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高等突出优点而在对调速要求较高的生产机械上得到了广泛应用[1]。对于直流电机转速的调节，最常用的办

法是通过改变电枢端的电压来实现，即调节电阻R的阻值改变端电压，达到调速的目的。但由于接入的电阻消耗了部分电压，因此这种传统的调速方法效率很低[2]。

随着电力电子技术的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM（Pulse Width Modulation）控制是常用的一种调速方法。PWM控制是指在保持周期T不变的情况下，通过调节开关导通的时间，对脉冲宽度进行调制，从而达到调节电机转速目的的技术。在脉宽调速系统中，电机电枢两端的电压是脉宽可调的脉冲电压，在输出脉冲频率足够快的情况下，由于惯性的存在，只要按照一定的规律改变通断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一个稳定值[2]。对于直流电机，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。本文设计了一种基于单片机的直流电机调速装置，以价位较低的AT89C2051单片机为核心，与键盘和电机驱动等电路一起构成调速装

置实现了直流电机的无级调速。

2 硬件设计与实现

2.1硬件设计的基本方案

根据一种基于AT89C2051单片机的直流电机调速装置设计目的的要求，采用AT89C2051单片机为核心产生PWM脉宽信号输出，外围电路为电源电路、键盘和电机驱动电路。系统设计框架图如图1所示。

图1 系统设计框架图

2.2 供电部分

供电部分通过220V-7.5V变压器变压隔离、整流桥整流、滤波电容滤波、三端稳压集成电路78M05稳压后输出5V电压，供整个装置使用（其Protel原理图见图2）。

图2 供电部分电路图

2.3 电机驱动部分

PWM脉宽信号由AT89C2051单片机输出，但由于该单片机的直流输出电流为25mA[3]，因此不能直接用来驱动小型直流电机，必须对输出的脉宽信号进行功率放大。单片机的P3.2口脉宽信号通过R1送入到TIP127中功率管完成功率放大，放大后的信号就能够驱动直流电机，使之工作。其中电容C1为滤波电容，能使输入直流电机的电压趋于平滑，同时还具有三极管关断后的续流作用。电路原理图如图3所示。

图3 电机驱动部分电路图

3 软件设计与实现

一种基于AT89C2051的直流电机调速装置程序流程图如图4所示。开机后首先进行初始化；初始化后输出占空比为0的PWM信号；然后执行键盘扫描程序，单片机将开始扫描键盘。

图4 程序流程图

若加速按钮：此键被按下一次，PWM信号的占空比增加1/50，并锁定该占空比；

若减速按钮：此键被按下一次，PWM信号的占空比减小1/50，并锁定该占空比。

在占空比增大（减小）后进行占空比大小判断，若占空比小于1而大于0时则将PWM信号输出。若占空比大于1则输出占空比为1的PWM信号（全通），若占空比小于0时则输出占空比为0的PWM信

号，并点亮一个发光二极管进行提醒。

假如没有按键按下，程序将在保持原有占空比输出的情况下跳回到键盘扫描程序，再一次进行键盘扫描。电机的速度大小是由AT89C2051单片机输出的PWM脉宽大小决定的，在程序中利用定时器中断，按键用来修改定时器的初值，从而得到不同占空比的脉冲信号输出。修改定时器初值的程序流程图如图5

所示（P3.2口为PWM脉冲输出口）。

程序采用定时/计数器0来完成定时，在12MHz晶振条件下，具体寄存器的设置如下：

TMOD=0x01：选择定时器0，使其自启动，工作方式为工作方式1（16位方式），赋值范围为0～65535，分别对应占空比的0～1，数值每变化1000，高电平时间增加1ms，占空比增加1/50；

EA=1：开总中断；ET0=1：定时器T0中断允许；TR0=1：开定时器T0。

图5 定时器初值修改程序流程图

4 结束语

本系统以AT89C2051单片机为控制核心，采用PWM脉宽调制的方法，利用中功率管TIP127 对输出的PWM信号进行功率放大以驱动6V、0.3W的微型直流电动机。在设计装置中，力求硬件电路简单，采用较少的元件实现了对直流电机速度的开环控制。本文所介绍的方法已应用在轻型负载的直流电机调速

系统中，系统运行稳定、可靠。

参考文献

[1] 李发海，王岩.电机与拖动基础[M].北京：清华大学出版社，2005：26.

[2] 汪玉成.直流电机PWM调速系统设计[J]. 商场现代化.2007, 50:389-389.

[3] Atmel Corporation. AT89C2051[M/OL]. .

单片机运动控制系统设计(doc 15页)

安全性 □对信息系统安全性的威胁 任一系统，不管它是手工的还是采用计算机的，都有其弱点。所以不但在信息系统这一级而且在计算中心这一级(如果适用，也包括远程设备)都要审定并提出安全性的问题。靠识别系统的弱点来减少侵犯安全性的危险，以及采取必要的预防措施来提供满意的安全水平，这是用户和信息服务管理部门可做得到的。 管理部门应该特别努力地去发现那些由计算机罪犯对计算中心和信息系统的安全所造成的威胁。白领阶层的犯罪行为是客观存在的，而且存在于某些最不可能被发觉的地方。这是老练的罪犯所从事的需要专门技术的犯罪行为，而且这种犯罪行为之多比我们想象的还要普遍。 多数公司所存在的犯罪行为是从来不会被发觉的。关于利用计算机进行犯罪的任何统计资料仅仅反映了那些公开报道的犯罪行为。系统开发审查、工作审查和应用审查都能用来使这种威胁减到最小。 □计算中心的安全性 计算中心在下列方面存在弱点： 1.硬件。如果硬件失效，则系统也就失效。硬件出现一定的故障是无法避免的，但是预防性维护和提供物质上的安全预防措施，来防止未经批准人员使用机器可使这种硬件失效的威胁减到最小。 2.软件。软件能够被修改，因而可能损害公司的利益。严密地控制软件和软件资料将减少任何越权修改软件的可能性。但是，信息服务管理人员必须认识到由内部工作人员进行修改软件的可能性。银行的程序员可能通过修改程序，从自己的帐户中取款时漏记帐或者把别的帐户中的少量存款存到自己的帐户上，这已经是众所周知的了。其它行业里的另外一些大胆的程序员同样会挖空心思去作案。 3.文件和数据库。公司数据库是信息资源管理的原始材料。在某些情况下，这些文件和数据库可以说是公司的命根子。例如，有多少公司能经受得起丢失他们的收帐文件呢?大多数机构都具有后备措施，这些后备措施可以保证，如果正在工作的公司数据库被破坏，则能重新激活该数据库，使其继续工作。某些文件具有一定的价值并能出售。例如，政治运动的损助者名单被认为是有价值的，所以它可能被偷走，而且以后还能被出售。 4.数据通信。只要存在数据通信网络，就会对信息系统的安全性造成威胁。有知识的罪犯可能从远处接通系统，并为个人的利益使用该系统。偷用一个精心设计的系统不是件容易的事，但存在这种可能性。目前已发现许多罪犯利用数据通信设备的系统去作案。 5.人员。用户和信息服务管理人员同样要更加注意那些租用灵敏的信息系统工作的人。某个非常无能的人也能像一个本来不诚实的人一样破坏系统。 □信息系统的安全性 信息系统的安全性可分为物质安全和逻辑安全。物质安全指的是硬件、设施、磁带、以及其它能够被利用、被盗窃或者可能被破坏的东西的安全。逻辑安全是嵌入在软件内部的。一旦有人使用系统，该软件只允许对系统进行特许存取和特许处理。 物质安全是通过门上加锁、采用防火保险箱、出入标记、警报系统以及其它的普通安全设备就能达到的。而作为联机系统的逻辑安全主要靠“口令”和核准代码来实现的。终端用户可以使用全局口令，该口令允许利用几个信息系统及其相应的数据库；终端用户也可使用只利用一个子系统或部分数据库的口令。 □安全分析过程

直流(DC)与交流(AC)伺服电机及驱动

目录 直流(DC与交流(AC伺服电机及驱动 (1 1.直流(DC伺服电机及其驱动 (1 (1直流伺服电机的特性及选用 (1 (2直流伺服电机与驱动 (2 (3PWM直流调速驱动系统原理 (3 2.交流(AC伺服电机及其驱动 (4 直流(DC与交流(AC伺服电机及驱动 1.直流(DC伺服电机及其驱动 (1直流伺服电机的特性及选用 直流伺服电机通过电刷和换向器产生的整流作用,使磁场磁动势和电枢电流磁动势正交,从而产生转矩。其电枢大多为永久磁铁。 直流伺服电机具有较高的响应速度、精度和频率,优良的控制特性等优点。但由于使用电刷和换向器,故寿命较低,需要定期维修。 20世纪60年代研制出了小惯量直流伺服电机,其电枢无槽,绕组直接粘接固定在电枢铁心上,因而转动惯量小、反应灵敏、动态特性好,适用于高速且负载惯量较小的场合,否则需根据其具体的惯量比设置精密齿轮副才能与负载惯量匹配,增加了成本。 直流印刷电枢电动机是一种盘形伺服电机,电枢由导电板的切口成形,导体的线圈端部起换向器作用,这种空心式高性能伺服电机大多用于工业机器人、小型NC 机床及线切割机床上。

宽调速直流伺服电机的结构特点是励磁便于调整,易于安排补偿绕组和换向极,电动机的换向性能得到改善,成本低,可以在较宽的速度范围内得到恒转速特性。永久磁铁的宽调速直流伺服电机的结构如下图所示。有不带制动器a和带制动器b两种结构。 电动机定子(磁钢1采用矫顽力高、不易去磁的永磁材料(如铁氧体永久磁铁、转子(电枢2直径大并且有槽,因而热容量大,结构上又采用了通常凸极式和隐极式永磁电动机磁路的组合,提高了电动机气隙磁通密度。同时,在电动机尾部装有高精密低纹波的测速发电机,并可加装光电编码器或旋转变压器及制动器,为速度环提供了较高的增量,能获得优良的低速刚度和动态性能。 日本发那科(FANUC公司生产的用于工业机器人、CNC机床、加工中心(MC 的L系列(低惯量系列、M系列(中惯量系列和H系列(大惯量系列直流伺服电机。其中L系列适合于频繁启动、制动场合应用,M系列是在H系列的基础上发展起来的,其惯量较H系列小,适合于晶体管脉宽调制(PWM驱动,因而提高了整个伺服系统的频率响应。而H系列是大惯量控制用电动机,它有较大的输出功率,采用六相全波

【VIP专享】运动控制系统课程设计报告

《运动控制系统》课程设计报告 时间 2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博 __ 学号 41151093 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______

摘 要 本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真 Abstract This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation. Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation

直流伺服电机控制系统设计

电子信息与电气工程系课程设计报告 设计题目：直流伺服电机控制系统设计 系别：电子信息与电气工程系 年级专业： 学号： 学生姓名： 2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书

摘要 随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。。本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。 对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。 关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB

目录 1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。 微控制器................................................ 错误!未定义书签。 DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。 运算放大器............................................... 错误!未定义书签。 按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。 按键输入............................................ 错误!未定义书签。 显示模块............................................ 错误!未定义书签。 直流伺服电动机.......................................... 错误!未定义书签。 3.单片机控制系统软件设计..................................... 错误!未定义书签。 主程序................................................... 错误!未定义书签。 键盘处理子程序........................................... 错误!未定义书签。 4.控制系统原理图及仿真....................................... 错误!未定义书签。 控制系统方框图........................................... 错误!未定义书签。 控制系统电路原理图....................................... 错误!未定义书签。 Proteus仿真结果........................................ 错误!未定义书签。组件对直流伺服控制系统的仿真................................. 错误!未定义书签。 MATLAB与Simulink简介.................................. 错误!未定义书签。 MATLAB简介......................................... 错误!未定义书签。 Simulink简介....................................... 错误!未定义书签。 直流伺服电机数学模型.................................... 错误!未定义书签。 系统Simulink模型及时域特性仿真......................... 错误!未定义书签。 开环系统Simulink模型及仿真......................... 错误!未定义书签。 单位负反馈系统Simulink模型及仿真................... 错误!未定义书签。 PID校正................................................ 错误!未定义书签。 PID参数的凑试法确定................................ 错误!未定义书签。 比例控制器校正...................................... 错误!未定义书签。 比例积分控制器校正.................................. 错误!未定义书签。 PID控制器校正...................................... 错误!未定义书签。6．小结...................................................... 错误!未定义书签。参考文献..................................................... 错误!未定义书签。附录 ........................................................ 错误!未定义书签。

直流无刷伺服及直流无刷电机接线图参考资料

晶貌智能电机参考资料： 直流无刷、伺服电机特点：体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命。可用于智能移动设备、高灵敏度仪器、高速运转设备等，我们电机能很好地满足其技术要求。 直流无刷电机：通过霍尔反馈控制，主要以速度控制为主对于精度要求及功能性要求不是很高的AGV小车等。控制相对简单。（一般的无刷电机，是根据三个霍尔产生的六组编码，比如001,101这些去判断转子旋转位置，然后控制绕组的电流换相，主要是作为一种动力输出，不需要十分精确地控制旋转角度，此时用霍尔元件就足够了，如两点之间普通搬运的小车）。 直流无刷伺服电机（配有编码器）：通过编码器反馈控制，可实现速度和位置的精确控制需要准确定位及附带需求功能较多的AGV适用，目前新研发小车配套伺服趋势较明显。（对于伺服电机而言，是要精确控制转动角度的，此时就要根据需要选择不同分辨率的编码器作为位置反馈信号，最常见的就是2500线增量编码器，相当于电机转动一圈可以发出10000个脉冲信号，所以可以达到非常精确的控制精度。相对的，编码器的价格和霍尔不是一个数量级的，这里面当然也有性价比的问题）。 伺服电机在封闭的环里面使用。也就是说它随时把信号传给系统，同时把系统给出的信号来修正自己的运转。直流无刷伺服电机特点：1、转动惯量小、启动电压低、空载电流小；2、其接触式换向系统，大大提高电机转速；3、无刷伺服电机在执行伺服控制时，通过编码器可实现速度、位置、扭矩等的精确控制；4、不存在电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点。无刷伺服电机和其他电机相比到底有什么优点：1、精度①实现了位置，速度和力矩的闭环控制；②克服了其他电机失步的问题； 2、转速高速性能好，一般额定转速能达到3000～5000转； 3、适应性抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用； 4、稳定①低速运行平稳，能做到低速运行时的精确控制；②适用于有高速响应要求的场合； 5、及时性电机加减速的动态相应时间短，一般在几十毫秒之内； 6、舒适性①发热和噪音明显降低。②普通的电机，断电后它还会因为自身的惯性再转一会儿，然后停下。而伺服电机是说停就停，说走就走，反应极快。 无刷直流伺服电机这里有3个名词 1无刷 2直流 3伺服，分别代表电机的3个属性。 1无刷代表没有电刷，电刷用于直流电机启动是一易损件。无刷就是用驱动电路代替了电刷启动电机。 2直流电机就是指采用直流电源，他的难道就在于电机启动（由于直流电产生的磁场是恒定的），启动就需要电刷或者代替电刷的电路。 3伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 直流无刷电机典型接线图参考（霍尔反馈）：

《伺服控制系统课程设计》

《伺服控制系统课程设计》 指导书 ?动化与电??程学院 ?零??年??

?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序 (3) ?、伺服控制系统课程设计内容及要求 (5) 三、考核?式和报告要求 (11)

?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序 （?）伺服控制系统程设计的意义 伺服控制系统课程设计是?动化专业?才培养计划的重要组成部分，是实现培养?标的重要教学环节，是?才培养质量的重要体现。通过伺服控制系统课程设计，可以培养考??所学基础课及专业课知识和相关技能，解决具体的?程问题的综合能?。本次课程设计要求考?在指导教师的指导下，独?地完成伺服控制系统的设计和仿真，解决与之相关的问题，熟悉伺服控制系统中控制器设计与整定、电机建模和仿真和其他检测装置的选型以及?程实践中常?的设计?法，具有实践性、综合性强的显著特点。因?对培养考?的综合素质、增强?程意识和创新能?具有?常重要的作?。 伺服控制系统课程设计是考?在课程学习结束后的实践性教学环节；是学习、深化、拓宽、综合所学知识的重要过程；是考?学习、研究与实践成果的全?总结；是考?综合素质与?程实践能?培养效果的全?检验；也是?向?程教育认证?作的重要评价内容。 （?）课程设计的?标 课程设计基本教学?标是培养考?综合运?所学知识和技能，分析与解决?程实际问题，在实践中实现知识与能?的深化与升华，同时培养考?严肃认真的科学态度和严谨求实的?作作风。使考?通过综合课程设计在具备?程师素质??更快地得到提?。对本次课程设计有以下???的要求: 1.主要任务 本次任务在教师指导下，独?完成给定的设计任务，考?在完成任务后应编写提交课程设计报告。 2.专业知识

运动控制系统课程设计报告

《运动控制系统》课程设计报告 时间2014.10 _ 学院自动化 _ 专业班级自1103 _ 姓名曹俊博__ 学号 指导教师潘月斗 ___ 成绩 _______

摘要 本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量σi≤5%；空载启动到额定转速超调量σn≤10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行各种参数给定下的仿真。 关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真 Abstract This course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to the rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation. Key Words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation

无刷直流电机的

无刷直流电机的工作原理

无刷直流电机原理 无刷直流电动机的工作原理 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子制成永磁体，这样的结构正好和普通直流电动机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通过直流电后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。● 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机的原理简图如图一所示：

主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ 调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组建处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电度角，转子跟随定子磁场转动相当于60°电度角空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电度角，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。 ● 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流；TM=Ktlav(N?M)电动机两相组反电势的差比于电动机的角速度；ELL=Keω(V)所以电动机绕组中的平均电流为：Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A)其中，Vm=δ?VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，δ是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：Tm=δ?(VDC?Kt/2Ra)-Kt?(Keω/2Ra)Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励支流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc(max)ón max,那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当Vc设定以后，无论是负载变化、

PLC控制伺服电机的方法

伺服电机的PLC控制方法 以松下Minas A4系列伺服驱动器为例，介绍PLC控制伺服电机的方法。伺服电机有三种控制模式：速度控制，位置控制，转矩控制{由伺服电机驱动器的Pr02参数与32(C-MODE)端子状态选择}，本章简要介绍位置模式的控制方法 一、按照伺服电机驱动器说明书上的"位置

控制模式控制信号接线图"连接导线 3(PULS1)，4(PULS2)为脉冲信号端子，PULS1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻),PULS2连接控制器(如PLC 的输出端子)。 5(SIGN1)，6(SIGN2)为控制方向信号端子，SIGN1连接直流电源正极(24V电源需串连2K左右的电阻),SIGN2连接控制器(如PLC的输出端子)。当此端子接收信号变化时，伺服电机的运转方向改变。实际运转方向由伺服电机驱动器的P41，P42这两个参数控制。 7(com+)与外接24V直流电源的正极相连。 29(SRV-0N),伺服使能信号，此端子与外接24V直流电源的负极相连，则伺服电机进入使能状态，通俗地讲就是伺服电机已经准备好，接收脉冲即可以运转。 上面所述的六根线连接完毕(电源、编

码器、电机线当然不能忘)，伺服电机即可根据控制器发出的脉冲与方向信号运转。其他的信号端子，如伺服报警、偏差计数清零、定位完成等可根据您的要求接入控制器。构成更完善的控制系统。 二、设置伺服电机驱动器的参数。 1、Pr02----控制模式选择，设定Pr02参数为0或是3或是4。3与4的区别在于当32(C-MODE)端子为短路时，控制模式相应变为速度模式或是转矩模式，而设为0，则只为位置控制模式。如果您只要求位置控制的话，Pr02设定为0或是3或是4是一样的。 2、Pr10，Pr11,Pr12----增益与积分调整，在运行中根据伺服电机的运行情况相应调整,达到伺服电机运行平稳。当然其他的参数也需要调整(Pr13，Pr14,Pr15,Pr16，Pr20也是很重要的参数)，在您不太熟悉前只调整这三个参数也

伺服驱动系统方案设计

伺服驱动系统设计方案 伺服电机的原理： 伺服的基本概念是准确、精确、快速定位。与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动控制的u／V／W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度{线数)。 伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确。 交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 图3 伺服电动机的转矩特性

伺服电机知识汇总(直流-交流伺服电机)

伺服电机知识汇总（直流/交流伺服电机） 伺服电机servomotor “伺服”一词源于希腊语“奴隶”的意思。“伺服电机”可以理解为绝对服从控制信号指挥的电机：在控制信号发出之前，转子静止不动;当控制信号发出时，转子立即转动;当控制信号消失时，转子能即时停转。 伺服电机是自动控制装置中被用作执行元件的微特电机，其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。 伺服电机分为交流伺服和直流伺服两大类 交流伺服电机的基本构造与交流感应电动机(异步电机)相似。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf，接恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电机运行的目的。交流伺服电机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格(要求分别小于10%～15%和小于15%～25%)等特点。 直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n=E/K1j=(Ua-IaRa)/K1j，式中E 为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。 直流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。 缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜) 交流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，90%以上的高效率，发热少，高速控制，高精确度位置控制(取决于编码器精度)，额定运行区域内，可

伺服控制系统(设计)

第一章伺服系统概述 伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地跟随输入量的变化，因此又称之为随动系统或自动跟踪系统。机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。 近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及电机制造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统。 目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性制造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行停止。 伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵活方便的控制。

1.1.2伺服系统的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。它由检测部分、误差放大部分、部分及被控对象组成。 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1）精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。 2）稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 3）快速响应。响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 4）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。 5）低速大转矩。在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。 6）能够频繁的启动、制动以及正反转切换。 1.1.4 伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位置

直流无刷伺服电机运动控制系统设计

直流无刷伺服电机运动控制系统设计 Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器，并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中，上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机，取得了很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。 在传统的电机伺服控制装置中，一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂，必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要，国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP）。现在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成，这种方案可以根据不同需要，灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器，但是一般研制周期都比较长。 MotionChip的特点 MotionChip是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器，其具有高速的运算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设计难度为目的，设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点，它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点： ?可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中； ?可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作； ?全数字控制环的实现，包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环； ?可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制结构的配置，其中包括交流矢量控制； ?可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转矩、电压、温度等）； ?使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯； ?基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件：可通过RS232快速设置，调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括：34种运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。 ?可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开发电机的控制程序，研究控制策略。 运动控制系统设计

基于+PLC+的两轴运动控制系统设计

基于 PLC 的两轴运动控制系统设计 学生姓名：张坤森 学号：2014062038 指导教师;彭宽栋 专业：机电一体化 杭州科技职业技术学院 摘要：以可编程控制器 PLC 作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于 PLC 的两轴运动控制系统；通过 PLC 高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。 关键词：机械制造自动化； PLC；步进电机；运动控制 0 前言 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精度和稳定性。在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。而 PLC 作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。所以，使用 PLC 控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。 1 系统组成 本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。采用西门

子 S 7-200系列的 C P U226 D C/D C /D CP L C作为主控制器。该 C P U具有 4个最高 20k H z的正交高速脉冲计数器 ,能够对输入的正交编码脉冲信号进行 4分频 [ 5] ; 2个最高 20k Hz 的高速脉冲输出 ;24个输入点和 16个输出点 ; 其布尔型指令执行时间只有 0. 22μ s [ 6] 。 2 系统总体设计 该运动控制系统由触摸屏、 PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。操作者通过触摸屏端操作，向PLC 发出控制指令，PLC 根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC 将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸屏，以完成整个系统的反馈环节。此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。系统总体设计框图如图 1

伺服电机控制系统

伺服电机控制系统 对于数字化伺服电机控制系统，转矩环的性能直接影响着系统的控制效果，电流采样的精度和实时性很大程度上决定了系统的动、静态性能，精确的电流检测是提高系统控制精度、稳定性和快速性的重要环节，也是实现高性能闭环控制系统的关键。在伺服电机控制系统中，电流检测的方案有多种，常见的一种方案是使用霍耳传感器[1]，将电流信号经过电磁转换，变换为直流电压信号输出，然后，通过运放和比较器构成的处理电路处理后，输入到处理器；另一种方案是，取采样电阻两端的电压，经线性光藕或者隔离放大器进行信号隔离，调理后接A/D转换器输入进行数字化，获取电流的采样值，而数字化的过程即可以利用处理器中的A/D转换通道实现[3] [4]，也可以利用根据原理实现的模拟量直接转换为数字量的隔离调制芯片来实现[2]。本文通过对这三种方案分别进行电路设计和具体实验后所得结果的比较分析，对三种方案各自的特点有了清晰的认识，这有利于基于不同的条件选择合适的方案来提高伺服控制系统的整体性能。 2 伺服电机控制系统简介

本系统采用交直交电压型变频电路，主电路由整流电路、滤波电路及智能功率模块IPM逆变电路构成，控制部分以DSP 芯片TMS320LF2812为核心，CPLD作为辅助处理模块，构成功能齐全的全数字矢量控制系统，系统结构如图1所示，从图1可以看出，本系统是一个有电流、转速和位置负反馈的三闭环系统， DSP负责采样各相电流，计算电机的转速和位置，最后运用矢量控制算法，得到电压矢量PWM控制信号，经过光藕隔离电路后，驱动逆变器功率开关器件；同时DSP 还监控变频调速系统的运行状态，当系统出现短路、过流、过压、过热等故障时，DSP将封锁SVPWM信号，使电机停机，并通过LED显示。CPLD模块负责对光栅尺反馈的位置信息和上位机发送脉冲形式指令信息进行滤波和计数，并将数据以总线方式传送给DSP；同时处理键盘输入和显示输出，以及开关量的输入输出。 伺服电机控制系统中电流采样的作用就是检测交流同步 电动机的三相定子电流并转换成相应的信号输入到DSP中，再由DSP的AD模块转化成数字量进行处理。因为本文研究的是三相平衡系统Ia＋Ib+Ic=0，因此只要检测其中的两路电流，就可以得到三相电流。

运动控制系统实验指导书分解

运动控制系统 实验指导书 赵黎明、王雁编 广东海洋大学信息学院自动化系

直流调速 实验一不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一．实验目的 1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。 二．预习要求 1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三．实验线路及原理 见图6-7。 四．实验设备及仪表 1．MCL系列教学实验台主控制屏。 2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ)或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。 3．MCL—33(A)组件或MCL—53组件。 4．MEL-11挂箱 5．MEL—03三相可调电阻（或自配滑线变阻器）。 6．电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL—13组件）。 7．直流电动机M03。 8．双踪示波器。 五．注意事项 1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。 3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 5．电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1

即可正常工作。 6．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 7．起动电机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。 8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验内容 1．移相触发电路的调试（主电路未通电） （a）用示波器观察MCL—33（或MCL—53，以下同）的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V 的双脉冲。 （b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。 2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。 a．断开ASR的“3”至U ct的连接线，G（给定）直接加至U ct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U uv、Uvw、Uwu=200V。 注：如您选购的产品为MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。以下均同。 c．调节给定电压U g，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U d 3．带转速负反馈有静差工作的系统静特性 a．断开G（给定）和U ct的连接线，ASR的输出接至U ct，把ASR的“5”、“6”点短接。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节U uv，U vw，U wu为200伏。 c．调节给定电压U g至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n0=1500转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。 调节测功机加载旋钮（或直流发电机负载电阻），在空载至额定负载范围内测取7～8