电机伺服控制系统研究与开发.ppt

电机伺服控制系统电机伺服控制系统研究与开发研究与开发 作作 者：赵者：赵 栋栋 李李 强强 指导教师：裴指导教师：裴 东东 王全州王全州 课题背景 在伺服控制系统中，伺服电机是最重要的组成部分之一。因此，电机伺服控制的优劣直接关系到整个伺服控制系统的性能。当然，直流伺服电机也不例外。伺服驱动系统按其驱动元件的不同，可分为闭环、半闭环、开环三种控制系统。以直流伺服电机为驱动元件的伺服驱动系统以其精度高、响应快、调速范围宽、低速大转矩等特点在中、高档数控机床，机器人的精确运动控制，高精度云台等应用领域中得到广泛的应用。本课题针对直流伺服电机，研究了电机伺服控制系统。对于一些传统工业，它们虽然对直流伺服电机控制模块的设计上没有什么特殊的要求，但是，随着现代电子技术的飞速发展，特别是电子产品集成化、模块化的设计思想的迅速崛起，人们对电子产品的技术性能指标要求也越来越高，对直流伺服电机的控制性能要求也越来越高。因此，研制高性能的直流伺服电机控制系统成为一项伺服控制领域内普遍关注的课题。直流伺服电机的控制经历了从模拟控制电路到以单片机为核心的数字控制电路的发展过程，但都存在内在的缺陷。前者由于采用模拟器件容易老化而且对温度变化敏感;后者能够克服模拟器件的内在缺陷，运算速度较快，基本可以实现现代工业对直流伺服电机实时控制的要求。课题研究内容n n研究直流伺服电机控制原理，在分析直流伺服电机的工作原理基础上着重研究直流伺服电机的PWM控制。n n研究PID原理，将PID算法应用到控制器中提高系统的速度控制及位置定位精度。n n在以上基础上研究设计了直流伺服电机控制系统，研究相关的硬件实现和软件实现。系统概述 直流电机伺服控制系统，主要由直流伺服电机、直流电机伺服控制系统，主要由直流伺服电机、单片机和电机驱动构成，其控制核心是单片机和电机驱动构成，其控制核心是AT90S8535 AT90S8535 单片机。该单片机主要完成光电编单片机。该单片机主要完成光电编码器信号的采集，电机换相信号的输出码器信号的采集，电机换相信号的输出,电机转速电机转速的测量，以及数字的测量，以及数字PWM PWM 调速信号的输出等功能。调速信号的输出等功能。并通过软件编程实现速度的并通过软件编程实现速度的PI PI 调节，构成电机转调节，构成电机转速闭环控制系统。以此控制电动小车以定速做直速闭环控制系统。以此控制电动小车以定速做直线运动。电机驱动电路采用直流电机专用驱动芯线运动。电机驱动电路采用直流电机专用驱动芯片片LMD18200TLMD18200T。该系统的特点就是结构简单。该系统的特点就是结构简单,实实现了全数字式控制，在运行中获得了良好的动静现了全数字式控制，在运行中获得了良好的动静态性能。态性能。系统结构图 AT90S8535矩阵键盘输入NS公司的直流电机专用驱动芯片 直流伺服电机光电编码器点阵型液晶（LCD）主控模块n n在本系统主控模块的选择上有以下几种方案在本系统主控模块的选择上有以下几种方案:一一:选用选用DSPDSP作为主控系统作为主控系统:因为因为DSPDSP具有强大的计算及数据处理能力具有强大的计算及数据处理能力,因此现有的因此现有的大多数运动控制系统均采用该种方式大多数运动控制系统均采用该种方式,但但DSPDSP成本太高成本太高,并并且编程复杂且编程复杂,外围配载芯片多外围配载芯片多,对于我们本科生来说对于我们本科生来说,实现实现难度太大难度太大.因此我们放弃该方案因此我们放弃该方案.二二:选用选用AVRAVR高速单片机作为主控系统高速单片机作为主控系统 AVR AVR单片机是单片机是RISCRISC结构单片机结构单片机,其处理速度快其处理速度快,抗干抗干扰能力强扰能力强,并且内部资源丰富并且内部资源丰富,价格低廉价格低廉,因此我们选用因此我们选用AT90S8535AT90S8535作为该系统的中央处理器作为该系统的中央处理器.主控AT90S8535电路板 主控板：直流伺服电机介绍直流伺服电机介绍本系统的直流伺服电机采用FAULHABER电机。FAULHABER关于电机的概念很简单，然而却是革命性的：与其旋转笨重的带铁芯芯的转子，为何不将其设计成空心，这样仅需旋转很轻的绕组呢？Fritz Faulhaber博士的发明（1965年获得专利），开创了直流电机微型化的新纪元。“System FAULHABER”专利技术其优点显著而独特，给微型驱动技术的发展提供了坚实的基础和保障。斜绕组空心杯转子原理 对称绕制,使可能的振动最小化；双层绕组热处理，使转子刚度高 绕组直接连接换向系统 散热好，电流密度高。绕组、换向器及电机轴一体化 转动惯量低；效率高，力能指标高。工作曲线斜绕组空心杯转子使输出特性线性化。电压和转速呈线性关系；电流和转矩呈线性关系；a转矩与功率成函数关系；b效率与转矩成函数关系。电流和转速与转矩成函数关系。光电编码盘减速箱直流电机本身 直流电机的驱动方式主要有以下几种直流电机的驱动方式主要有以下几种:一一:光电隔离器光电隔离器+大功率场效应管组成大功率场效应管组成H H桥型驱动电路桥型驱动电路.这种方法成本低这种方法成本低,驱动能力强驱动能力强,但电路较为复杂但电路较为复杂,控制麻控制麻烦烦,可靠性差可靠性差.二二:直接采用集成驱动芯片直接采用集成驱动芯片 采用这种方法电路简单采用这种方法电路简单,控制方便控制方便,并且可靠性高并且可靠性高,因因此我们选用此我们选用NSNS公司的公司的LMD18200TLMD18200T作为驱动芯片作为驱动芯片,18200,18200是专用于运动控制的是专用于运动控制的H H桥组件桥组件,输入电压高输入电压高,输出电流大输出电流大,峰峰值电流可达值电流可达6A,6A,连续输出电流达到连续输出电流达到3A,3A,具有非常强大的驱具有非常强大的驱动能力动能力,并且具有非常全面的过流保护和过热保护功能并且具有非常全面的过流保护和过热保护功能.电机驱动方式:直流伺服电机驱动模块直流伺服电机驱动模块 LMD18200工作电路原理图（如下图）：LMD18200电路PCB板：电路原理图：人机交互模块人机交互模块包括键盘和液晶两部分键盘键盘我们采用的是2*6的矩阵式键盘,键盘包括有数字键和功能键,其主要作用为电动机运动速度的输入,使用时先通过数字键输入一个固定速度,按下”确定”键后两个电动机将会以我们输入的固定速度为定速匀速前进.液晶显示对于显示部分,我们采用128*64点阵的液晶来实现,我们使用的OCMJ液晶块自带有丰富的汉字库。电机在运行过程中,各种参数,包括左右轮的电机转速、输入的标准速度以及电动小车的运行距离等都将实时显示在液晶上，醒目、直观。128*64点阵的液晶显示模块2*6的矩阵式键盘,用于输入电动机的运行速度 系统实物图片：电机驱动模块AT90S8535单片机主控模块人机交互模块动力组电池 PID调节器各参数对控制效果的影响调节器各参数对控制效果的影响 n n比例环节比例环节:作用快，无滞后。只要一有偏差，立即就能给出作用快，无滞后。只要一有偏差，立即就能给出相应的调节作用，它能及时克服扰动，使被调参数稳定在相应的调节作用，它能及时克服扰动，使被调参数稳定在给定值附近。但是过大的比例，会使系统稳定性下降，甚给定值附近。但是过大的比例，会使系统稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。至造成系统的不稳定。n n积分环节积分环节:提高系统的抗干扰能力，消除系统的静态误差，提高系统的抗干扰能力，消除系统的静态误差，提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越小，积分作用越大。积分调节一般与另外两种调节常数越小，积分作用越大。积分调节一般与另外两种调节规律结合，组成规律结合，组成PIPI调节器或调节器或PIDPID调节器。调节器。n n微分环节微分环节:改善系统的动态特性。它是根据偏差的变化速度改善系统的动态特性。它是根据偏差的变化速度来调节的，所以它具有预见性，能预见变化的趋势，产生来调节的，所以它具有预见性，能预见变化的趋势，产生超前的控制作用。但积分调解对噪音有放大的作用，因此超前的控制作用。但积分调解对噪音有放大的作用，因此过强的积分调解，对系统的干扰不利。过强的积分调解，对系统的干扰不利。控制算法介绍控制算法采用的是积分分离的控制算法采用的是积分分离的PI PI 算法算法,设转速被控量的最大设转速被控量的最大允许偏差为允许偏差为,当转速偏差当转速偏差e e 小于小于 时时,采用采用PI PI 调节算法调节算法,而当而当e e 大于等于大于等于 时则不再进行积分运算时则不再进行积分运算,即把积分分离出去即把积分分离出去,这样这样显著降低了被控量的超调量和过渡时间显著降低了被控量的超调量和过渡时间,使调节器性能得到改使调节器性能得到改善。善。PI PI 调节器的脉冲传递函数为调节器的脉冲传递函数为:其中其中:比例常数比例常数;积分系数积分系数;采样周期采样周期;离散化形式为离散化形式为:常用的常用的PID参数整定方法参数整定方法 PID三大参数选择的好坏，直接影响到控制效果的好坏。PID参数的整定方法很多，归纳起来可以分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有Ziegler-Nichols法、对数频率特性法、跟轨迹法等。这类整定方法要求已知过程的数学模型，并且计算繁琐，工作量大，可靠性不高，在现场使用中还需反复修正。过程整定法无需事先知道过程的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定，方法简单，易于掌握，常用的方法有:1)现场凑试法:先将调节器的整定参数根据经验设置在某一数值上，然后在闭环系统中加扰动，观察过渡过程的曲线形状。若不理想，则按照先比例、后积分、最后微分的顺序，反复凑试。2)临界比例度法:目前工程上较常用。在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度，相邻两个波峰的时间间隔，称为临界振荡周期。根据经验设定比例系数为引起输出振荡所需值的一半，积分系数为等幅振荡的周期，微分系数为积分系数的1/80。3)衰减曲线法。4)响应曲线法。PI算法程序unsigned int PID(unsigned int count,unsigned int out)/count是轮子的计数值 double p=0.8;double i=0.5;double x;unsigned int y;if(setpointcount)if(setpoint-count)30)x=out+p*(setpoint-count);else x=out+p*(setpoint-count)-(setpoint-lastcount)+i*(setpoint-count)-(setpoint-lastcount);else if(setpoint30)x=out-p*(setpoint-count);else x=out-p*(setpoint-count)-(setpoint-lastcount)-i*(setpoint-count)-(setpoint-lastcount);else if(setpoint=count)x=out;y=fround(x);if(y=90)y=95;return y;系统性能分析系统性能分析 调节性能比较：调节性能比较：速度速度值值（个脉冲（个脉冲/100ms/100ms）不不经过调节经过调节的的误误差差（cm/mcm/m）经过调节经过调节后的后的误误差差（cm/mcm/m）10 10 6.3 6.3 0.5 0.5 30 30 7.5 7.5 0.7 0.7 50 50 9.5 9.5 1.3 1.3 60 60 11.6 11.6 1.8 1.8 80 80 14.0 14.0 2.1 2.1 误差分析n n物理构架造成的误差。由于本系统采用正三角形物理构架造成的误差。由于本系统采用正三角形构架，后面的从动轮起到了舵轮的作用。构架，后面的从动轮起到了舵轮的作用。n n电源供电误差。因为直流伺服电机在启动瞬间的电源供电误差。因为直流伺服电机在启动瞬间的电流要求很大，电源会出现短暂供电不足的情况，电流要求很大，电源会出现短暂供电不足的情况，造成误差。造成误差。n n算法参数误差。参数不够精准造成的误差。算法参数误差。参数不够精准造成的误差。n n系统误差。系统因为机械加工精度、路面不平整系统误差。系统因为机械加工精度、路面不平整等原因造成的系统误差。等原因造成的系统误差。系统在无障碍路面的直线往返运动实况 系统在有障碍路面的直线往返运动实况 系统在直线往返运动实况 系统正方形运动实况 系统运动实况：系统运动实况：致谢 在此我们对在电机伺服控制系统设计、制作过程当中给予大力支持和悉心指导的裴东老师、王全州老师表示衷心的感谢！对在制作过程中提供帮助、提出宝贵意见和建议的老师和同学表示衷心的感谢！谢谢观赏！