直流伺服电机控制系统设计

1摘要随着自动控制技术与计算机科学技术的快速发展，制造业领域已大量采用计算机技术进行自动控制，这使制造业各个领域的成果，效率和质量得到大幅度提高。各种微机控制系统在基本构造上是类同的，主要由微机控制器，被控对象与接口电路（输入，输出及驱动接口电路）组成。根据被控对象的不同，微机控制系统又分为闭环控制系统（反馈控制输出信号的大小）与开环控制系统，学好“计算机课程设计”是掌握微机控制系统原理与技术的基础；而“直流伺服电机控制系统设计”是巩固，深化，掌握本门课程知识不可缺少的重要环节。通过本次课程设计加深对《计算机控制技术》的理解和掌握。在设计程序的过程中，广泛的查阅相关资料，如各类中断的作用和调用方式,屏幕显示等等，通过实践来加深对理论知识的理解，同时将自己对这门技术的理解应用在电动机控制的设计当中，理论与实践相互融合、相互促进，提高自己的理论水平和实践能力。直流电机就是将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换风气和风扇等组成关键词计算机控制技术；微机控制系统；电动机控制；仿真2AbstractWiththerapiddevelopmentofautomaticcontroltechnologyandcomputerscienceandtechnology,themanufacturingsectorhasbeensubstantialuseofcomputertechnologyforautomaticcontrol,whichmakesthemanufacturingfieldsofachievement,efficiencyandqualitygreatlyimproved.Accordingtothedifferentcontrolledobjects,microcomputercontrolsystemisdividedintoaclosedloopcontrolsystem(feedbackcontrolthesizeoftheoutputsignal)andopen-loopcontrolsystem,tolearnthecomputercoursedesignisthefoundationtomastertheprincipleandtechnologyofcomputercontrolsystem;andthedesignDCservomotorcontrolsystemistoconsolidate,deepen,importanttomasterthecourseknowledgeessential.Throughthecurriculumdesignof“computercontroltechnology”tounderstandandmaster.Duringthedesignprocess,extensiveaccesstorelevantinformation,suchastheroleandcallsthewayvariousinterrupt,screendisplayandsoon,throughthepracticetodeepentheunderstandingoftheoreticalknowledge,willalsobeonthisdoortechnologyunderstandingappliedinthedesignofmotorcontrol,theoryandpracticeofmutualintegration,mutualpromotion,improvetheirtheoreticallevelandpracticalability.KeywordsComputercontroltechnology;Microcomputercontrolsystem;Motorcontrol;Simulation3目录摘要........................................................................21课程设计题目..............................................................42设计内容..................................................................42.1设计任务...............................................................................................................................42.2系统的工作原理....................................................................................................................43设计步骤..................................................................53.1总体方案设计.......................................................................................................................53.2控制系统的建模和数字控制器设计...................................................................................63.3硬件的设计和实现...............................................................................................................93.4软件设计.............................................................................................................................144心得体会.................................................................205参考文献.................................................................2141．课程设计题目1.1题目：直流伺服电机控制系统设计2．设计内容2.1设计任务课程设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。由测量元件(位移传感器)对被控对象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(A/D转换器)将被控参数(位移)变成一定形式的信号，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号(位移量)进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定值(给定位移量)保持一致。其电机位置随动系统：312(1)()(1)(1)KTsGSsTsTs式中，K=100，T1=1.8，T2=0.035，T3=0.15控制算法选用数字PID控制。2.2系统的工作原理直流伺服电机与微型计算机连接，首先，用位移传感器将每个采样周期内的直流电机控制试验台移动的距离进行检测；然后经锁存器送到微型计算机，与数字给定值进行比较，并进行PID运算；再经锁存器送到D/A转换器，将数字量变成脉冲信号，再由脉冲发生器产生调节脉冲，经驱动放大后控制电机转动，从而控制试验台的移动。53．设计步骤3.1总体方案设计图3.1基本原理图图3.2程序流程图直流伺服电机控制系统的原理图如图2-1所示。此系统由直流伺服电机，微控制器，位移传感器，计数器，定时器，A/D转换器等组成。微控制器选用Atmel公司生产的89C51单片机。A/D转换器则选用ADC08088位精度转换器。63.2控制系统的建模和数字控制器设计图3.3PID算法流程图3.2.1数字PID工作原理PID调节器结构简单，参数整定方便，易于工业实现，适用面广，因而它是连续系统中技术最成熟，适用最广泛的一种调节器。随之计算机技术的发展，由计算机实现的数字PID控制器正在逐步取代模拟PID。数字PID算法的基本原理就是利用偏差来计算系统的输出量，实现不断纠偏的过程，使系统最终趋于稳定。数字PID控制分为位置式PID控制和增量式PID控制。由于位置式PID采用全量输出，输出的是执行机构的实际位置，每次输出均与过去状态有关，计算时要对偏差进行累加，工作计算量大，并且，一旦数据处理计算芯片出现问题，将会使输出大幅波动，从而造成执行机构大幅波动，很有可能引起巨大的事故。而增量式PID算法较好。所以本系统采用增量式PID算法。增量式PID算法公式如下所示：)]2()1(2)([)()]1()([)(kekekeKkeKkekeKkudip其中piKKiTT为积分系数，pdKKTTd为微分系数。73.3.2数字PID参数整定pK，iK，dK参数整定利用Matlab程序实现。主程序：clccloseallclearallK_pid=[0,0,0];LB=[0,0,0];UB=[100,100,100];K_pid123=lsqnonlin('chap2_11plant',K_pid,LB,UB)chap2_11sim调用的子程序：chap2_11plant：function[e,y,K_pid]=chap2_11plant(K_pid)assignin('base','kp',K_pid(1));assignin('base','ki',K_pid(2));assignin('base','kd',K_pid(3));opt=simset('solver','ode5');[tout,xout,y]=sim('chap2_11sim',[0,10],opt);r=1.0;e=r-y;调用的子程序：chap2_11sim：图3.4PID算法simulink仿真参数整定的结果：8图3.5PID算法仿真结果1Simulink的仿真结果：图3.6PID算法仿真结果293.3硬件的设计和实现3.3.1.选择计算机机型（采用51内核的单片机）；此设计采用AT89C16RD2作为控制芯片。它是在MCS-48系列的基础上发展的高性能的8位单片机。所出的系列产品有8051、8031、8751。其代表就是8051。其他系列的单片机都以它为核心,所以本设计采用的核心芯片是8051单片机。CPU是它的核心设备,从功能上看,CPU包括两个部分:运算器和控制器,它执行对输入信号的分析和处理。每片80C51包括：一个8位的微型处理器CPU；128B的片内数据存储器RAM；64kb片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是11.05926MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。整个系统电控部分以ATMEL公司的8051为核心芯片，控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片