东南大学机械学院 毕业设计之电机通用控制器 开题报告

1、 毕业设计（论文）开题报告 院（系） 机 械 学 院 专 业 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目 基于MCU的通用控制器设计 学 生 姓 名 学号 指 导 教 师 顾 问 教 师 日期 2012 年 3 月 13 日一、选题背景和意义1.选题背景、运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的电力传动自动控制系统，这类系统控制电机的转矩，转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的控制。纵观运动控制系统的发展历程，交，直流两大电气传动并存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使他们所处的地位，所起的作

2、用不同，但他们始终是随着工业的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展，在相互竞争，相互促进中，不断完善并发生着变化。由于历史上最早出现的是直流电动机，所以19世纪80年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。直到19世纪末，出现了交流电动机，这才使得交流电气传动在工业中逐步得到广泛应用。随着生产技术的发展，对电气传动在启制动，正反转以及调速精度，调速范围，静态特性，动态响应等方面提出了更高的要求，这就要求大量使用调速系统，由于直流电动机的调速性能和转矩控制性能好，从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。它的发展过程是这样的，由最早的旋转交流机组控制发展为放大机，磁放大机控制；再进一步，

3、用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速；再后来，用可控整流和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速，使系统的快速性，可靠性，经济性不断提高。调速性能的不断提高，使直流调速系统的应用非常广泛，然而由于直流电动机具有电刷和换向器，制造工艺复杂且成本高，维护麻烦，使用环境受到限制等缺点，并且很难向高转速，高电压，大容量发展，逐渐显示出直流调速的弱点。普遍应用于恒速运行场合的交流电动机，可以弥补直流电动机的不足。于是人们又开始了新一轮交流调速的研究。仅对占传动总量三分之一强的风机，水泵设备而言，如果改恒速为调速的话，就可以节电30%左右。近三四十年来，随着电力电子技术，微电子技术

4、，现代控制理论的发展，为交流调速产品的开发创造了有利条件，并实现了产品的系列化。从调速性能看，完全可与直流调速系统媲美。另外，借助数字和网络技术，智能控制已深入到运动控制系统的各个方面，例如：模糊控制，神经网络控制等，各种观测器和辨识技术应用于运动控制系统中，大大改善了控制系统的性能，为运动控制系统走向复杂的多层的网络控制提供了可能。运动控制系统正由简单的单机控制系统走向多机多种控制过程协调的系统集成阶段。2.研究现状早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。随着计算机控制技术的

5、发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。所以，直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。微处理器诞生于上个世纪七十年代，随着集成电路大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微处理器的性价比越来越高。此外，由于电力电子技术的发展，制作工艺的提升，使得大功率电子器件的性能迅速提高。为微处理器普遍用于控制电机提供了可能，利用微处理器控制电机完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机

6、的性能更符合工业生产使用要求，还促进了电机生产商研发出各种如步进电机、无刷直流电机、开关磁阻电动机等便于控制且实用的新型电机，使电机的发展出现了新的变化。对于简单的微处理器控制电机，只需利用用微处理器控制继电器、电子开关元器件，使电路开通或关断就可实现对电机的控制。现在带微处理器的可编程控制器，已经在各种的机床设备和各种的生产流水线中普遍得到应用，通过对可编程控制器进行编程就可以实现对电机的规律化控制。对于复杂的微处理器控制电机,则要利用微处理器控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等，使电机按给定的指令准确工作。通过微处理器控制，可使电机的性能有很大的提高。目前相比直流电机和交流电机他们各有

7、所长，如直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。高性能的微处理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即数字信号处理器)的出现，为采用新的控制理论和控制策略提供了良好的物质基础，使电机传动的自动化程度大为提高。在先进的数控机床等数控位置伺服系统，已经采用了如DSP等的高速微处理器，其执行速度可达数百万兆以上每秒，且具有适合的矩阵运算。采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微

8、处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。由于微处理器具有较佳的性价比，所以微处理器在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。3.本次研究意义电机控制器的发展朝着集成化和通用化的方向发展着。目前，电机控制专用集成电路芯片技术已经比较成熟，电机控制专用集成电路芯片的种类也十分齐全，但在通用性上还显得不足。而且，电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料丰富，但是又很分散，需要花时间收集整理、分析消化。本课题着力于研究电机控制器的通用化开发。应用于科研的板卡，其功能齐全，但是价格昂贵。一旦研究成果需要推广，就遇到成本难以

9、下降的局面。自行开发的板卡，又要大量重复的编程劳动，使开发周期加长。利用MCU，编写在一定领域具有通用功能的控制器程序，借鉴和利用MATLAB的信号流图，研究通过编码信息下载,在MCU程序的解释下,实现控制功能.由于采用微处理器，应用新控制理论和方法，使实现实时控制成为可能，并且增加了系统功能和柔性。具有控制灵活，智能化水平高，参数易修改等优点，从而达到很高的控制精度和良好的稳定性。二、课题重难点及预期目标按照本课题的要求，需要掌握的知识有自动控制系统相关的理论知识，直流电动的调速系统原理及数学模型，然后要学会用MATLAB的Simulink和SimPower System工具箱，采用面向电气

10、原理结构图的仿真技术，对双闭环调速系统进行建模与仿真分析，得出最佳的控制系统模型。下一步便是学会使用STM32，通过编程将得到的控制系统转化为计算机语言来实现全数字控制。课题的重难点在于MATLAB的仿真分析，PROTEL设计绘制电路板以及STM32F107的编程使用。预期目标是：1.设计出一个通用性较好的PID控制器； 2.PID控制算法的单片机实现； 3.设计制作出基于STM32F107开发板的电机驱动板。三、文献综述根据直流电机的工作基本原理，由直流电机的机械特性方程 可知直流调速方法有三种：（1）改变电枢回路电阻。该方法的优点是系统结构简单；缺点是效率低。因此，该方法适于小功率直流电机

11、、开环控制且仅能有级调速。一般应用于电动玩具中。（2）改变电动机主磁通。该方法的优点是能够实现平滑调速；缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在基速以上作小范围的升速。现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现。（3）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定向下变速，属于恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。可调的直流电源有以下三种：旋转变流机组：用交流电动和直流发电机组成机组以获得可调的流电源。这种方法的优点是可以在许的转矩范围内四象限运行，缺点设备多、体积大、费用高、效率低安装须打地基、运行有噪声、维护方便，50

12、年代广泛使用，今天很少用。静止式可控整流器：用静止可控整流器，如晶闸管可控整流器以获得可控直流电压。直流斩波器和脉宽调制变器：以恒定直流电源供电，用直流波器和脉宽调制变换器获得可控的平电压。比较上面三种直流调速方法可看出，改变电阻调速缺点很多，目前很少使用，仅在一些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，做额定转速以上作小范围升速。因此自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速配合使用。【1】对直流电机电枢电压的控制和驱动中，对半导体功率器件的使用上又可分为两种方式：线性放大驱动方式和开关驱

13、动方式。绝大多数情况下采用开关驱动方式。这种方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM 来控制电动机的电枢电压，实现调速。图1 PWM 调速控制和电压波形图图1是利用开关管对直流电动机进行PWM 调速控制的原理图和输入输出电压波形图。电动机的电枢绕组两端的电压平均值为式中，-占空比，=t1/T占空比 表示了在一个周期T 里，开关管道通的时间与周期的比值。的变化范围为01。由上式可知，当电源电压Us 不变的情况下，电枢电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM 调速时，占空比是一个重要参数。以下3 种方法都可以改

14、变占空比的值。（1）定宽调频法保持t1 不变，只改变t2，使周期与频率也随之改变。（2）调宽调频法保持t2 不变，只改变t1，使周期与频率也随之改变。（3）定频调宽法使周期保持不变，同时改变t1、t2。前两种方法在调速时，改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会产生震荡，因此很少用。目前主要用定频调宽法。【2】，【3】当今正在使用和不断发展的直流电机的主流调速方法晶闸管电动机调速系统主要包含以下几种形式 ：1、开环晶闸管电动机系统；2、转速负反馈的单闭环调速系统；3、转速、电流双闭环调速系统；4、三环调速系统；5、晶闸管电动机系统的可逆线路；6、有环流可逆调速系统；7

15、、无环流可逆调速系统。直流调速系统的发展过程是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。不仅存在从单一调速方式向多种调速方式的纵向发展过程，而且每一种调速系统本身也都在发展完善之中。如开环闭环、单闭环、双闭环、三环、有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统都在不断的完善和发展之中。单闭环不仅是转速闭环一种，根据应用要求不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。有环流可逆调速系统目前有两种，无环流可逆调速系统目前有三种，它们都在不断完善和发展之中。直流调速系统的产生与发展都与其他学科存在紧密联系。第一它与电机学有紧密地联系，因为对于调速来说，电机是控

16、制对象，对控制对象的研究越深入控制效果才会越好。第二与半导体变流技术的发展密不可分，电力电子技术元器件的性能越好可供选择的种类越多，调速系统的性能才会越好。微型计算机的发展，尤其是微控制器的发展为直流调速系统的进一步发展插上了翅膀。微控制器在这里的应用，改变了控制系统的结构，改变了传感元件的检测技术，并且使各种先进控制算法得以实现。任何设计都不是终极设计，都在随着其他科技的发展而不断完善。当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术，使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优

17、良性和抗干扰的性能有很大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。数字化直流调速装置作为目前最新控制水平的传动方式显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断升级换代，为工程应用和工业生产提供了优越的条件。【4】-【7】直流调速系统中数字PID 控制器的参数选择用下列两种试验确定法来选择PID 参数，这是目前最常用且行之有效的方法。1 凑试法 凑试法是通过模拟或闭环运行系统， 来观察响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响来改变参数，直到认为俄到满意的响应为止。PID 控制器各参数值对系统响应的影响如下：增大比例系数KP,可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差；但是过大的比例系数会使系统有

18、较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。增大积分常数TI,会有利于减小超调，减少振荡，使系统更稳定；但系统静态误差的消除将随之减慢。增大微分常数TD也可以加快系统的响应，使超调量减小，稳定性增加；但系统的抗干扰能力降低。在考虑了以上参数对控制过程的影响以后，凑实时，可按先比例-积分-再微分的顺序反复调试参数。2 经验法用凑试法确定PID 参数需要经过多次反复的试验，为了减少凑试次数，可以借鉴他人的经验，事先作少量的试验，已得到若干基准参数，然后按照经验公式，用这些基准参数推导出PID 控制参数。【8】参考文献：【1】张粤等 电机与控制系统 东南大学出版社 1999【2】王晓明 电动机的ADSP控制 北京航空航天大学出版社 2010【3】6 A. Peterchev, J. Xiao, S. Sanders, Architecture and IC implementation of a digital VRM controller, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 18, No. 1, January 2003 .【4】周渊深 交直流调速系统与MATLAB仿真 中国电力出版社 2007【5】陈维山，赵杰 机电系统计算机控制 哈尔