机械臂运动控制系统设计与实现

摘究领域。比如医疗摘究领域。比如医疗器械、汽车制造业、深海潜艇、火炮、空间站维修等等，对它提出了更高要求，在小型化、精密化等方面，能满足科研和实际生产的需求。而这些都离不开运动控制统技术实现的问题具有结构简单、运行稳定性好、维护方便等优点，满足设计要求。通过了对生产要求了伺服系统的，然后对无刷直流电机的工作原理、数学模型、PWM调制方式深入的学习，然后建立了无刷直流伺服系统的动态模型，最后利用了MATLB中SIMLINK性分离PID这两种算法；具有检测、电机启动、串口通信程序等等。通过上述工作完成，机运动控制系统得以实现，满足一些基本的运动需theofandtechnology，the practicalthosehigh-endresearchregions，suchbecomingapparatusandinstruments，motorindustry，Deep-SeaSubmarine，artilleryaimingandtheofspacestation,therequirementofthemechanicalarmtheofandtechnology，the practicalthosehigh-endresearchregions，suchbecomingapparatusandinstruments，motorindustry，Deep-SeaSubmarine，artilleryaimingandtheofspacestation,therequirementofthemechanicalarmishigher．IntheaspectofminiaturizationthemechanicalarmshouldsatisfythehighofpracticalrequirementsarebasedonthetechniquerealizationofmotioncontrolInresearchtothecurrentsituationofmechanicalarnlwasAccordingtothematerials’transmittingwayandtheaccuracyWasselectedasthecontrolsystem；Thedesigninthispaper如iI唱atmechanicalarmthesimulationofandhardware．Ontheoftheaccuracyofthewechoosethebrushlessdirectcurrentandchoosethebrushlessdirectcurrentservomotoractuator．Becausetheconstructiongoodandthemaintenancesimple，thestabilitythebrushlessdirectcurrentservomotormeetdesignrequirement．ThendodetailedoperatingprincipleandthetothetransfermodelofthebrushlesscurrentservomotorandthePWMmodulationmode．FinallydosimulationwithSIMULINKMATLABprovetheisHardwareoftheisdesignedaccordingtOtheoperatingprinciple．ThedrivecircuitforWasdesigneduSir培theserialRS232tocommunicatewithuppercomputerandfinishthedatacommunicationandtoloadFinallythePIalgorithmandintesra!separationPIDalgorithmchosenrespondtoregulatingandthelocationloop．Becausethetwoalgorithmshavetheadvantagesoftcst魄start-up，serialcommunicationprogramsandon．Throughthesimulationofsoftwarehardware，thebasiccontrolfunctionofmechanicalarnlwasKeywords：Mechanicalarm，Brushiessdirectmotor，Servomotor11822．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．20第三章系统硬3．2嵌入式处理芯片及外围电路设计3．8差分信号转TTL信号模块选用4．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．43第五章总结与望参考．个简宁夏大学硕士学位论第一章绪第一章1．1课题宁夏大学硕士学位论第一章绪第一章1．1课题本课题来源于实习单位宁夏巨能机器人系统有限公司，机械手臂型号GSF500运动控制刹车鼓的工件上下料的伺服系统，此系统有机械设计和电气设计共同完成。图1．1中机械手臂的实物图，本机型是中型系列，适用于单机化设备或者组成多台联机生产线，属于毋i图1-1机械手臂型号表1-1机at手-t'型号GSFS00性能参机械手臂型号GSF500性能参数A轴移动速度(额A轴移动速度(最B轴移动速度(额定B轴移动速度(最高重复定位精度宁夏大学硕士学位论第一章绪图1-2是机械手臂型号GSF500的运动平台模型，此平台机械运动方式为宁夏大学硕士学位论第一章绪图1-2是机械手臂型号GSF500的运动平台模型，此平台机械运动方式为水平和垂直方上的位移，执行机构为直流无刷伺服电机。此运动平台由两部直流无刷伺服电机相互组成，位于下层的为水平轴伺服电机，上层为垂直轴伺服电机，分别控制水平和垂直方向的图机手嶷00运动安平模1．2研究目的及意二十世纪八十年代后期，国际学术开始提出运动控制系统System)这一语，它是由多门学科组成的综合性学科，其中包含的学科都有电机学、电力电子技术、微技术、控制理论、信号检测与处理技术、计算机控制技术等等。运动控制系统(MotionSystem)对工作机械的转矩和速度、位移等机械量的改变是由对电机的电压和电流、入量的改变而控制。在实际生产中工作机械是按照生产流程的要求运行，满足生产工艺的需求工业生产和科学技术的快速发展对运动控制系统为了满足工业生产需求为此需要不断地在科学技术方面进行深入研制工作，并且生产各类新型的控制设备提供了可能。在现代的运动控制系统中，主要有三个重要分支：直流调速系统、交流调速系统、伺服系统伺服(servo)意味着“伺候”和“服从”，广义的伺服系统是指精确地跟踪或复现某个过程的反馈控制系统，也可称作随动系统；而狭义伺服系统的被控制量(输出量)是负载机械空间位置的线位移或角位移，当位置给定量(输入量)作任意变化时，系统的主要任务是使输量快速而准确地复现给定量的变化，又称作位置随动系绀13J伺服系统和调速系统一样，都是反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较环控制，两者的控制原理是相同的；它们的主要区别在于：调速系统的给定量一经设持恒值，系统的主要作用是保证稳定和抵抗扰动；而伺服系统的给定量是随机变化的出量准确跟随给定量的变化，系统在保证稳定的基础上，更突出快速响应能力；总起而伺服系统则更强调快速跟随性制HJ2宁夏大学硕士学位论第一章绪总而言之，伺服系统在实际实践中被广泛的应用于各个领域，比如：工业中数控机床的定位和工件的上下料；军事中的火炮和雷达的自动跟踪；航空航天中宇航设备的自动驾驶；能源勘探和医疗等。深入研究基于新体系架构、新技术、新算法、通用性、高性能的伺服系统具重要的意义和应用价值1．31．3．1机械臂的现宁夏大学硕士学位论第一章绪总而言之，伺服系统在实际实践中被广泛的应用于各个领域，比如：工业中数控机床的定位和工件的上下料；军事中的火炮和雷达的自动跟踪；航空航天中宇航设备的自动驾驶；能源勘探和医疗等。深入研究基于新体系架构、新技术、新算法、通用性、高性能的伺服系统具重要的意义和应用价值1．31．3．1机械臂的现arm)是模仿人类手臂功能可以取代人工作业，它能够在平面内、机械臂成，而且根据实际生产中的作业需求设定一些指定动作完成。在1980年代机械臂最早应用于车制造业，主要在制造业中从事高危、繁重工作。随着制造业的发展，于是机械臂机械结构计提出更高的指标要求。机械臂具有操作灵活、稳定性好和安全性高等被广泛应用于工业化生产线，机械臂发展状况如第一代机械臂，即按事先示教的位置和姿态进行重复的动作的机械，它也可以简称仍是这种工作方式。由于这种工作方式只能按照事先示教的位置和姿态进行重复的动作而对围环境无感觉的功能，其应用于材料的搬运、喷漆、点焊等工作化而自主进行的工作。第三代机器人目前还处于研究阶段，距离实际应用还有一段距离。机器人也占有一定比重【l】目前机械臂得到广泛的实际应用，除了最早主要用于工业制造外，随着各方面的需求也用于商业农业、医疗救援、娱乐服务、军事等，现在太空领域中研制了空间机械臂主要应用于舱内装配、更换部件、对漂浮物体的抓取等。1．3．2无刷直流电机发有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用；但是，机械电刷是有刷直流电机的一个致命的弱点；为此早在1917年，Boliger就提出了用整流管代替有刷流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想；1955年，美国D．Harrison(D．森)等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷机的诞生【zJ。1970年以来，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器流电动机广泛应用奠定了坚实的基础；1978年前联邦德国的MA卜小mSMANN公司正式推出MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，这也标志着无刷直流电动机走3第一苹绪宁夏大学硕士学位论用阶段；随着人们对无刷直流电动机特性了解的深入，无刷直流电动第一苹绪宁夏大学硕士学位论用阶段；随着人们对无刷直流电动机特性了解的深入，无刷直流电动机的理论也逐善【3】o速性能；第五机械特性好。无刷直流电机上世纪50年代由国外研发，我国60年代开始研究有产品出现；因为控制器昂贵的价格，早先主要用于军事武器装备中；70年代初，西安微缓慢而进步不快，90年代以后，随着计算机技术、集成电路控制技术、电机控制理论的进步，而且无刷电机的技术特征也逐渐为用户所认识，因此发展速度极快，目前已成为微特电机中最具发展前途的机种【4】。在这次玉兔号月球车上，采用无刷电机技术解决了有刷电机不能解决的一些问题，这也标志我国在这一技术上的最高水平。1．3．3伺服系统发展阶伺服系统和伺服电机的发展是互相影响，不同发展阶段之间有着不同的联系。执行机构为直流电机时所构成的伺服系统被称为直流伺服系统，执行机构为交流电机时所构成的伺服系统(1)伺服电机的三个发展经历早在20世纪60年代以前的时候为第一个发展阶段：步进电机是一种能够将电脉冲信号化为机械角位移的执行机构。步进电机开环伺服系统的执行机构为步进电动机和功率步进1．8。、3．6。。两相四线驱动为双极性，两相五线驱动方式为单极性，两相六线驱动方式为单极性或双极性均可以。步进机存在以下缺点：(1)在低速情况时容易出现低频振动现象；(2)一般不具备过由于步进电机的控制属于开环控制，所以启动频率过高、负载过大容易发生丢步或者堵转等象而且停止时候转速过高容易发生过冲现象第二次的发展阶段是从20世纪60年代到0年代：直流伺服电机闭环伺服系统，执行机构是直流电机，它具备良好的调速性能而且拥有高性能驱动装置，位置控制从开环系统发展成为闭环系统。因此在数控机床的领域，永磁式直流电机占主导地位，主要优势有：控制电路简单容易实现；无励磁损耗降低能量的损耗；低速性能好增加了位置控制的准确精度。第三次的发展阶段是从80年代到至今：随着新材料、电机本体结构发展，出现了无刷直伺服电机、交流伺服电机伺服，于是伴随着这些新型电机的出现，就出现了一些新控制算法控制(2)伺服系统发展趋面就是它们都具有参数记忆功能，使系统的所有运行参数都可以通过上位机的软件来设置并保存、修改，更为先进的伺服系统拥有参数自整定功能；第二个方面就是它们都具有故障自诊断和分析故障功能，当系统出现故障时，它能够及时把故障类型、引起故障节点通过上位用户界面显示出来，这样就减少了维修与调试的复杂性、繁琐性、时效性微机电系统Systems，简称MEMS)术的发展将使电机控制系统4宁夏大学硕士学位论第一章绪个方面的优点：第一方面是有小型化后线路的减少，因此信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响有效地降低，所以能够提高系统的可靠性。第二方面就是最新型伺服控制系统中己经大量开始使用智能控制功率模块，这种智能控制功率模块中将信号输入隔离、能耗制动、芯片的过温保护、过压保护、电流的过流保护及故障诊断功能都包含在内，这样就使设计伺服系统的电路显著地简化，从宁夏大学硕士学位论第一章绪个方面的优点：第一方面是有小型化后线路的减少，因此信号传输中的泄露和干扰等因素对系统的影响有效地降低，所以能够提高系统的可靠性。第二方面就是最新型伺服控制系统中己经大量开始使用智能控制功率模块，这种智能控制功率模块中将信号输入隔离、能耗制动、芯片的过温保护、过压保护、电流的过流保护及故障诊断功能都包含在内，这样就使设计伺服系统的电路显著地简化，从而实现伺服系统的小型网络化是将数十台伺服单元使用一根电缆或光缆与上位计算机连接成为一完整数控这样的技术被称为现场总线，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。现场总线技术的使用便于生产管理和在电机控制系统中，要求系统噪声低、效率高。为了保证人们的身体健康，无刷直流要求控制开关的频率在几十赫兹以上，通过这样的方式改善电流波形和电磁噪开关损耗及其对电源的污染率、增加开关寿命、并保证系统效率不变或提高的前提下，利用新PWM技术能很容易控制输出电压的频率、幅值和相位，现在，PWM技术已经成为无刷流伺服电机的基本技术。交流伺服驱动系统内部形成速度环和位置环，为闭环控制，可控性高可靠性强。交流伺服电机的控制精度高且运行性能好，有强大的过载能力。交流伺服系统内具有频率解析机能，能够进行共振抑制，能够检测到机械共振点，方便系统进行调整。交流控制算法智能化与控制器数字化是为了改善无刷直流电机的性能，可以通过优化设计电电子装置控制和电机本体，也能够利用一些先进的控制策略实现。基于非线性控制方法的无刷电机控制系统是非线性、多变量的耦合系统，例如神经网络控制、模糊控制、鲁棒控制结构控制等多种先进控制策略，这些特性在无刷直流电机中进一步提高系统的控制性能。为了提高电机控制性能，高速微处理器和可编程逻辑器为之提供了可靠保证。今后，为了使控制器的接口通用化、数字化，采用各类微控制器实现无刷直流电机的智能控制检测，同时1．4机械臂运动控制系统方三点要求完成方案设计(1)术，以满足机械臂控制系统中的高性能要网络通信：机械臂主要以RS．232、RS-4855执行机构选用无刷直流伺服电机，它拥有构简单、运行执行机构选用无刷直流伺服电机，它拥有构简单、运行可靠、功率密度高、调速性能、械特性好等优点。现代运动控制系统主要包括直流调速系统、交流调速系统、伺服系统，伺系统和调速系统一样，都是反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制两者的控制原理是相同的；它们的主要区别在于：调速系统的给定量一经设定，即保持恒值跟随给定量的变化，系统在保证稳定的基础上，更突出快速响应能力；总起来看，稳态精度和l下面就控制系统进行说明：因为机械系统有水平和垂直方向两个相互独立的子系统描述方便水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，由于系统控制结构相同，所以就以水平方向伺系统为例进行说明，伺服系统X控制卡在接收到上位机给的目标指令信息，根据当前位置模块采集到的位置信息后计算偏差，然后使用控制算法计算出当前的控制量输出给电机驱动器驱动伺服电机转动，最后经过动力减速器减速后驱动负载快速、准确、稳定地运动到指定的目标位置。如图1．3所示，无刷直流伺服系统构成是由伺服系统控制器、伺服电动机、功率驱动器和减速器组成分⋯⋯一⋯一⋯～⋯一一一一一～一⋯～一⋯⋯一伺服系统执图1．3机械臂运动控制系统方案1．5论文主要内本论文基于灿UⅥ和硬件设计及实现。以下就是本论文的主要工作叙伺服系统的发展趋势，最后对运动控制系统方案进行了分析和选第二章首先对无刷直流电机原理及工作方式进行了解，然后通过对无刷直流电机的6宁夏大学硕士学位论第一章绪过程中，先对调速系统进行建立，然后在调速系统的基础上建立位置闭环控制，最后通过对立的伺宁夏大学硕士学位论第一章绪过程中，先对调速系统进行建立，然后在调速系统的基础上建立位置闭环控制，最后通过对立的伺服系统在Matlab／Simulink环境下动态仿真验证设计是否可行性第三章系统硬件设计(1)硬(2)嵌入式处理芯片及最小硬件统设计：(3)电机驱动电路设计两部分组成：一部分是功率驱动电路，另一部分是三相逆路共同组成 (4)检测电路设计(5)(6)电源电路设计第四章算法和系统软件：(1)软件总体设计思路；(2)算法编程实现计 (4)电机启动程序设计 (5)串口通信程序设计第五章总结与展1．6本章小本章首先对课题来源进行简单的说明，其次对本课题研究的目的及意义进行了介绍对国内外的研究现状进行了分析，最后在论文主要内容中说明了主要的工7第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论第二章第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电2．1无刷直流电机原理及数学模2．1．1无刷直流电机基本“无刷直流电机是一种具无刷直流电机 Motor，简称BLDCND定义为子(电枢)绕组并且由永磁或凸极软磁铁构成转子的电机”。无刷直流电机(BLDCM)本主要由定子、转子、位置传感器三部分构成，具体结构如图2-1转子：由永磁材料构成的永磁体形成磁极，再按一定极对数(2P=2，4，⋯⋯)镶嵌在心表面或者内部组成。转子结构主要有三种形(1)少转矩波动，所以BLDCM这种结构采用最多机多采用这种结构最为常见的位置传感器有：电磁式位置传感器、霍尔式位置传感器、光电式位置传感器式位置传感器，由于霍尔式位置传感器其具有体积小、使用简单、价格低廉等优势，因此被8宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电因为三相半桥驱动方式适合功率较小的无刷直流电机，一般功率在几瓦到一百瓦之间的逆变电路的示意图，如图2．2所示。开关管Vl，V3，V5位于上半桥，V2，V4，V6作方式。一共有六种导通状态，在一个周期内，每隔60就改变一次状态，每个开关管导通120图2-2三相星形连接桥式逆变电现在以常见三相无刷直流电动机为例，如图2．3所示。图中直线A．X表示与A相定子绕轴线相交的位置，直线B．Y表示与B相定子绕组轴线相交的位置，直线C．z表示与C相定绕组轴线相交的位置，由A-X，B．Y，C-Z，交叉形成了六个六十度的扇区。位置传感器的输信号赋予了六个源代码，这六个源代码与六个扇区的关系是一一对应。当电动机的转子位一个扇区内时，位置传感器发送的信号是保持不变的，只要当转子转出这个扇区，位置传9第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论图2·3第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论图2·3三相无刷直流电动机定子空间综上所述，BLDCM工作原理是依靠位置传感器检测转子的位置信号，通过逻辑换向驱电路驱动与定子绕组连接的功率管的导通和截止，从而控制定子绕组的激励，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。详细的说，就是由于转子的位置信号控制相应的定子绕组导通，正转时的通电顺序如下：AB、AC、BC、BA、CA、CB(产生正转电磁力矩)，若反序通电则将产生反转电磁力矩，使得转子磁极始终受到定子合成磁场的作用而沿顺时针或逆时针方向连续转动起来，表2．1是对BLDCM换相状态的总结。表2-1BLDCM换相状2．1．3PWM调制技由上述可知，在一个360。的电周期内六个MOSFET功率管的导通与关断组合共有6种况，即所谓的三如图2．2所示，逆变电路的母线两端是恒定的直流电压，每相绕组(定子)电压是通过变MOSFET的通断实现，即MOSFET的导通信号是由PWM波改变占空比获取压，从而使每相绕组电压和电流也随之变化，同时也改变无刷直流电机的转矩，最终达到调无刷直流电机的转速的目的。PWM的调制方式有两种的：半桥调制和全桥调制。当上下桥的开关元件在导通时，对功率逆变桥的全部开关元件都进行PWM调制，即全桥时刻，对功率逆变桥的上桥臂或下桥臂进行PWM调制，即半桥调制，它有对称和非对对称指在0。到60。时保持调制或全通，然后60。到120非对称是指在120。区间内只对上桥臂或下桥臂进行调制全桥调制方式的功率管开关损耗是半桥调制方式的两倍，降低了效率而且不利于散热。于半桥非对称调制会造成上下臂功率管的开关损耗不同，而半桥对称调制PWIVI-ONON-PWIVl型，具有的优点是每个功率管具有相同的功率损耗从而提高了系统的可靠性。由于宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电与换向的那一相电流会出现很大的降落。所以要对PWM的调制方式进行选择，减少转矩脉PWM—影响。由宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电与换向的那一相电流会出现很大的降落。所以要对PWM的调制方式进行选择，减少转矩脉PWM—影响。由于在上桥臂换相时，PWM．ON型和ON型调制方式产生的转矩脉动ON—小，同样在下桥臂换相时，PWM．ON型和PWM型调制方式产生的转矩脉动最小所以无刷直流电机的PWM调制方式为PWM．ON型0100广；jl!i；赫!l；；!；n0000i；；；；]叫嗍—；嗍0：；li0NOOn!(a)图2-4PWM调制方在上桥换相过程中，PWM-ON型调制方式，假设Vl关断，VD4导通续流，，V3为PWM制，V2恒通，则A相电感续流过程中电流回路如图2．5所示图2．5上桥换相时PWM．ON型调制方式的电流回在下桥换相过程中，PWM-ON型调制方式，假设VD3导通续流，V2进行PWM调制恒通，则B相电感续流过程中电流回路如图2-6第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论图2-6下桥换相时PWM．ON型调制方式的电流回2．1．4数学模型建立与根据以上分析得到：如图2．7含有较多的高次谐波及BLDCM的电感为非第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论图2-6下桥换相时PWM．ON型调制方式的电流回2．1．4数学模型建立与根据以上分析得到：如图2．7含有较多的高次谐波及BLDCM的电感为非线性，所以不采用d-p变换理论分析。在分析和为了保持一致，以二二导通三相六态的工作方式为厥B坩蟛耐图BLDCM一相气隙磁感应强度与方波电流波形、梯形波反为了对BLDCM进行数学分析，对BLDCM如下四点假设电机磁铁部分的磁路是线性，不计饱和、剩磁、磁滞、涡流的影电枢三相绕组对对定子不考虑气为了与工作原理分析标号相同这里的三相(定子)电枢分别为A、B、C(1)BLDCM三相电枢电压平衡方程为R0OLMM‰％％0％+IMB=足OML+b％％M0O尺七eA、eB、eciA、iB、ic一一电枢组宁夏大学硕士学位论I．—每个电枢组绕组自感M——每两个电枢组绕组的互第二章机械臂伺服系统和无刷直流电R——三相电宁夏大学硕士学位论I．—每个电枢组绕组自感M——每两个电枢组绕组的互第二章机械臂伺服系统和无刷直流电R——三相电P_(2-且有(2-然后把(1．2)和(1．3)带入(1．1)，得电压方程为O0L—00尺％‘L—0000尺尸I岛+‰b(2-O00L—R0％七根据以上数学推算得到BLDCM的等效电路模型如下图BLDCM的等效(2)BLDCM电磁转矩TeBLDCM的电磁转矩是由定子(电枢)绕组中的电流和转子产生的磁场相互作用而产如图2-9所示／“∥／]E罨I120。'《刀＼兰／图2-9一相方波电流和梯形波反电动势波定子(电枢)绕组产生的电磁转矩数学表宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电由公式(2．5)可知，BLDCM的电磁转矩方程与普通直流电机很相似，电磁转矩大小与磁通和电流幅值关系成正比，因此控制逆变器输出方波电流幅值等于控制BLDCM的转矩。为了产生恒定的电磁转矩，要求定子(电枢)电流是方波，反电动势为梯形波，且在每二分之一周20120电磁转矩表不互=告G——转矩系厶——电枢电(3)BLDCM转子运动方程t母-，鲁-(等]式中：TI_e—转子D——转子惯性直径(4)电流与电动势间的传递函感应电电磁转矩z=告=G式中：q——-转矩系数C，——电动势计算常数将(2—9)和(2-10)分别代入(2．1)和(2．8)中，整理得uo-E=a(J,+乃警L一％=睾宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电对(2．11)和(2．12)在零初始条件下，宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电对(2．11)和(2．12)在零初始条件下，分别取拉普拉斯变换1厶(—Uo(s)-—E(s)一石一(2-上式(2-13)为电压和电流之间的传递函(2-厶(s)一乞(s)乙上式(2．14)为电流和电动势之间的传递函数在上述公式z——电枢回路电磁时间常气——负载云——机电时间常，一1吐乙=∞2％75QC由以I-_所有数学模型，可得无刷直流电机动态结构图，如图2．10所示二i图2．102．2无刷直流伺服系由于根据实际生产需要设计采用三环控制系统，依据“先内环后外环”的设计原则，首设计电流调节器Regulator)，然后把整个电流环看作速度调节系统中个环节，以此为依据设计速度调节器(AutomaticSpeedRegulator)；基于此，仿效电流环的理方法，将整个速度环看作位置调节系统中的一个环节，最终设计出位置调节器CurrentRegulator)第二章机械臂伺服系第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论图2-11无刷直流伺服系统三闭环结图．1中PPA，B，Z三路脉冲信号是位置负反馈信号U一一，脉冲信号U占一和目标位置输入指令U‘口+进行信号运算后向APRAPRU‘U。一AACRUPE(PWM逆变器)提供输出控制信号U，，最后输出PWM刷直流电机进行控制。2．2．1调速系统的闭环设调速系统是整个无刷直流伺服系统的基础。工程设计方法的基本思路：机械臂在上料时，刷直流电流的扭矩会发生变化使系统的快速性和电流过大难以保障，因此就需要电流环解决这都是通过速度环来解决的，调速系统的闭环设计才能保障系统安全运行。在电流和速度环选择典型系统时，应该满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。电流环重要的作用就是保持电枢电流动态过程中不超过允许值，应此在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。所以把电流环校正成典型I型II型系统是比较明确的，这首先是基于稳态无静差的要求，然后从动态性能看，调速系统应具有良好的抗扰性能，最后通过以上两点分析速度环选择典型II型系统是正确。如图2．12所示是调速系统动态结构图，做出工程设计分宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电图2．12调速系统宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电图2．12调速系统电流环的调节器采用PI上式中，K——AcR的比例系数；『f——AcR的时间常数根据公式(2．15)求得图2．9中电流环闭环传递函数在工程设计中的近似处理，因此在典型I型系统中需要高频段小惯性环节的近似处理，以(2．16)式忽略高次项得由以上的分析可知，电流环在速度环中等式1研∥ 速度环的调节器也采用PI型的速度调节藉，传递函数为‰∽=鸶上式中K_AsR的比例系数；毛_AsR的时间常数。调速系统的开口B。∥Q诎A，一呢‘2。宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电速度环开环增益为巳(2-型系统参数关系和实际动态性能的需求决定，而且根据公式(2．22)其中h为中频宽度，取此时调节时间最短2．2．2控制系统位置闭环设伺服系统稳态运行时，希望位置输出量准确无误的跟踪位置输入量或者复现位置输入量，即要求系统有一定的稳态跟踪精度，产生的稳态位置误差越小越好。在位置伺服系统中，当速度调节器采用PI调节器，而且位置环的截止频率远小于速度环的各时间常数的倒数时，速度的环传递函数可近似地等效为一阶惯性环节，这样处理在理论和实际中均能真实地反映速度环213所示，Gs(s度环闭环传递函数图2-13位置环简化系统框2．3在Matlab／Simulink环境下，基于分析无刷直流电机的数学模型，建立无刷直流伺服系统宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电图宁夏大学硕士学位论第二章机械臂伺服系统和无刷直流电图2．14系统仿真动态图2．15速度响应曲Li一．—图2-16位置闭bJ；图2-17电流响应曲一一nn图2．18电磁转矩Tc响应曲．厂||-、图2．19反电动势响应曲对以上仿真结果进行分析可(1)速度响应曲线由启动时的0加速到3000(目标转速)维持很短时间后减速到0，不在超调，满足了稳态无静差的要求第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏第二章机械臂伺服系统和无刷直流电宁夏大学硕士学位论于控制BLDCM的转矩(42．4推算。最终通过Matlab／Simulink仿真结果验证了理论的可行第三章系统硬件设硬件设计有以下几个电路模块组成：(1)(2)功率驱动电路，是将嵌入式处理器芯片输出的现、调节器及PWM定时器的输出第三章系统硬件设硬件设计有以下几个电路模块组成：(1)(2)功率驱动电路，是将嵌入式处理器芯片输出的现、调节器及PWM定时器的输出调制信号转化成驱动脉冲：(3)三相全桥逆变电路，是将驱动脉冲转化为三相交流电U、Vw用于驱动无刷直流伺服电机；(3)电流检测电路，为电流环构成负反馈提供反馈电无刷直流伺服电机的霍尔传感器换相数字信号，光电编码器是为速度、位置提供反馈信号(6)串1：3通信电路，是为上位机通信和烧写程序，如图3-1差分信号转1]几信号模转速：同时，对光电编码器输出脉冲进行计数，根据输出脉冲数计算实际位置实际值和设定值比较的结果作为位置调节器的输入，速度调节器的输出控制电机换向、启程，位置调节器的输出控制电机停止过程使位置能够得到精确的控制U、V、／—＼相全桥l电流检测A、B相电|器U、V、掌锌偿A．、A+、B．、B+、Z．、A、B、图3-1硬件模块3．2．1嵌入式处理芯片的现在随着电子业快速发展，嵌入式处理芯片品种繁多，各有各擅长，选择一个满足硬件统的嵌入式处理芯片是首要任务，只有确定了嵌入式处理器，然后才能着手进行嵌入式硬件最小硬件系统设计嵌入式处理芯片的选型遵循以下两点性价比原择完全能够满足要求而且略有富裕的嵌入式处理芯片。其次价格问题，成本是系统设计的一个关键要素，在满足需求的同类型芯片的前提下选择价格择完全能够满足要求而且略有富裕的嵌入式处理芯片。其次价格问题，成本是系统设计的一个关键要素，在满足需求的同类型芯片的前提下选择价格便宜包括内核类型、处理速度、片上FlashRO及SRAM容量、片上集成GPIO类别(军品、工业级、商业级)、功耗特性、电源管理功能、价格、可靠性、抗干扰能力等。有1)ARM内任意一款基于ARM技术的嵌入式处理芯片都是以任意一种ARM内核为基础设计的以ARM内核的基本功能，就成为了决定实现嵌入式系统最终目标性能。本次设计对于ARM内核主要要求，如对指令流水线的要求、是否支持Thumb／Thumb--2指令集的要求、最高时钟频率的限制、低功耗要求以及低成本的要求等 系统时钟频率越高，芯片的处理速度越快。通常ARM芯片的速度决定于ARM内核 合适的ARM芯片4)片内外围电分析系统的需求，最大限度采用片内外围电路完成需要功能，可以简化系统设计了系统的可靠性并且降低了成本。从这几个方面考虑GPIO的PWM定时器。一共需要16位定时计数器，就能满足要求。(3)ADC备ADC的ARM处(4)通信接121对本设计需要满足通信接I：1是串行异步通信接CI(UART)还有JTAG测接口通过对嵌入式处理芯片的选型分析，根据实际的系统设计选取Cortex-M3处理器，该处器采用ARMv7-M架构。选用的产品是由意法半导体(ST)公司生产的STM32F103VCT6STM32F103VCT6的功能介绍(1)内核：ARM32位的Cortexr*-CPU；最高工作频率72MHz；在存储器的0等期访问时最高可达1．25DMips／MHz存储器：从256K51K64KSRAM4CFSRAM、PSRAM、NOR和NAND接口，兼容8080／6800模式。时钟、复位和电源管理：2．0～3．6伏供电和I／O引脚；上电／断电复位(POR／PDR)、内带编程电压监测器(PVD)；4"---16MHz晶体振荡器；经出厂调校的8MHz的RC振荡器RTC振荡器准的40kHz的RC振荡器；带校准功能的(4)低功耗：睡眠、停机和待机模式；Ⅵ≥AT为RTC(5)3个12位模数转换器，1蛉转换时间(多达21个输入通道)：转换范围从0到3．6伏RTC振荡器准的40kHz的RC振荡器；带校准功能的(4)低功耗：睡眠、停机和待机模式；Ⅵ≥AT为RTC(5)3个12位模数转换器，1蛉转换时间(多达21个输入通道)：转换范围从0到3．6伏三倍采样和保持功能；温度传2通道12位D／ADMA：12通道DMA控制器：支持的外设：定时器、ADC、DAC、SDIO、12S、SPI12C和USART调试模式：串行单线调试(SWD)和JTAG接1：3；Cortex-M3内嵌跟踪模块(ETM)多达100个快速I／0端口：100个多功能双向的I／O口：所有I／O口可以映像到16外部中断；几乎所有端口均可容忍5伏信号4输出比较、PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入；2个16位带死区控制和紧急刹车，用W2器：24位自减型计数器；2个16位基本定时器用于驱动DAC(11)多达13个通信接口：多达2个12C接口(支持SMBus／PMBus)：多达5个接口(支持IS07816，LIN，IrDA接口和调制解调控制)；多达3个SPI接EI(18M位／秒)，2可复用为12S接口；CAN接口(2．0B主动3．2．2嵌入式芯片外围电路2．0全速接口；SDIO嵌入式处理器不能独立工作的，必须有工作电源，加上时钟信号，提供复位信号，如果有片内程序存储器，则需要扩展程序存储器，具备上述条件嵌入式处理器才能运行。下面就芯片I／O引脚进(1VREF是参考电源，因为没有外部电池，所以必须在芯片外和VDD(芯片的工作电压)相连VDD电压范20～36VVDD引脚为FO脚和内部调压器供电。VSSAVDDA是为ADC、复位模块、RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。使用ADC时，VDDA不得小于2．4VVDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。VBAT电压范围为1．8"--'3．6V；当关闭VDD时(通过内部电源切换器)为RTC、外部8kHz振荡器和后备寄存器供电(2)时钟电路：由于处理器是同步时序电路，因此需要时钟信号才能按照正确频率工作。STM32F103VCT6内置了时钟信号发生器，所以使用内部时钟信号发生器，时钟电路外接一个MI-Iz频率更加(3)复位电路：STM32的NRST信号有效，就对系统进行复位)。当NRST输入低电平的时候，MCU有的内部寄存器，及片内的SRAM。当NRST从低电平变高时，PC指针从0地址开始的时候不会将STM32片内RTC的寄存器以及后备存(4)模拟通道：ADC是模拟到数字的转换器，PA0,PAl的I／O口分别检测电流电路中U』m'_MCU和V_Cur—MCU两端连接，提供的是反馈电(5)PA5、PA6、PA7分别为编码器输入接口，将差分信号输出端与PA5、PA6、PA7接，提供速度和位置反馈(6)PD0、PDl、PD2为快速I／O端口，与电机的霍尔传感器的HALLA、HALLB、HALL(7)PE8、PE9、PEl0、PEll、PEl2、PEl3为2个16位带死区(5)PA5、PA6、PA7分别为编码器输入接口，将差分信号输出端与PA5、PA6、PA7接，提供速度和位置反馈(6)PD0、PDl、PD2为快速I／O端口，与电机的霍尔传感器的HALLA、HALLB、HALL(7)PE8、PE9、PEl0、PEll、PEl2、PEl3为2个16位带死区控制和紧急刹车，用于机控制的PWM高级控制定时器，与IR2136的HINl、HIN2、HIN3、LINl、LIN2、LIN3端连接，为它提供PWM调制信娜腿跏瑚殿蠖胂爹{鐾眦黜H爿，r醢—圈H1FL-'1t*t：Ea2面脚瑚H瞄髓蹦既肼髓啊黝聊脚目圄鄹麟肼Ⅵ暇彤‰唧珥Sn击垌STM32F103VCT6的I／O端口图3-313电机驱动电路设3．3．1如果在无刷直流电机(BLDCM开关器件，假如每个功率开关器件都采用独立的驱动电路驱动，那么则需要六个驱动电路加，同时降低电路可靠性。IR2136是功率MOSFET(Metal-0xide-Transistor，金属氧化物半导体场效应管)和IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双Circuit，高型晶体管)，专用栅极驱动集成电路，特有技术的集成电路)，使IR2136可以被用于驱动母线电压高达六百伏的电路中的功率器集成电路)，使IR2136可以被用于驱动母线电压高达六百伏的电路中的功率器件；自身含有三独立的高压侧和低压侧输出通道并且带有六路可以输出驱动脉冲，而它只需十五伏直流工作1．IR2136具备以下六个特(1)少驱动电流并且同时可以直接驱动六百伏高压(2)它能够产生十伏N(3)它的开通时间典型值(T∞)为0．49s、关断时间典型值(T啦)为0．38I．ts典型值为它具备Vk能使输入信号很(6)它的控制逻辑输入和CMOS、LSTTL输出电平兼容提高了实自举电路中的元件的选择(1)自举电路工作原理：当Vs(高频的方波)被下拉到地时，15V的Vcc对电压)通过自举二极管(Dbs)向自举电容(Cbs)进行充电，为给Vbs(驱动电路vb和Vs管脚之间的电压差，向高端驱动电路提供电源)提供电源支持。(2)最小电荷要求：自举电容(Cbs)按照式(3．1)计算瓯=15×—we二-L-Qg(功率管导通时所需要的栅极电荷)=20nC：V∞=15V；vf(Dbs的正向压降)=1．3vl(低压侧功率管的压降)=o．7V；根据计算这里选择的C--92．3nF≈100nF当高端IRF540S管导通时，自举二极管(Dbs)必须能够承受与逆变电路IRF540S同的电压，所以自举二极管(Db。)的反向承受电压应该大于母线电压。由于充放电恢复时间短，应该选择使用快速恢复的二极管，这样就能减少自举电容向电源的回馈电荷。根据以上分析，选择具有快速恢复能力的二极管TC4424作为自举二极管(Dlbs)图3-3IR2136芯片电路3．3．2-$fl三相逆变电路是为了将动力图3-3IR2136芯片电路3．3．2-$fl三相逆变电路是为了将动力直流电源转化为可以能够驱动BLDCM运行的三相交流电U电过冲图3-4三相逆变电3．4电流检测电路设在双闭环控制系统中，需要对通过电机绕组的电流进行采样。通过采样逆变单元上直流线上通过的电流，可以获得电机绕组上的电流，但是逆变单元处于斩波工作状态，母线电流单元的导通时刻，才能保证采到准确的直流母线电流。为提高电流采样的准确度，在本设对相电流进行采样，相电流可认为是连续的。本设计所用无刷直流电机绕组采用星型接法，据基尔霍夫电流定律，三相电流(3-电压放大倍数为4．7倍电压放大倍数为4．7倍1003．5串口通信电路设TDO1的逻辑“1”电平的范围为：2--3．3V，而逻辑“0”电平的范围为：伽．4V与RS．232C的标逻辑“1”电平范围为：．15—3V，而逻辑“0”电平的范围为：3～15V本设计采用的是MAX232ACSE芯片来完成RS-232C与STM32F103VCT6而且采用的是9芯D型插头的接口。此串口通信主要用于STM32F103VCT6的程序下载和上机通信。如果与上位机的接线超过两米，就需要RS-232转RS-485转换头满足长距离的通信求，如图3-6所示}=口I!峄I互弘Jo．】啻--——一C昭4ka[皿—l--—121一4iNna，—}=口I!峄I互弘Jo．】啻--——一C昭4ka[皿—l--—121一4iNna，—TT1aL】OflIa·，一∞R四、f嘲图3-6串口通信电路3．6电源电路设来说，如果电源电路处理得好，整个硬件系统的故障往往能显著减少。选择和设计电源电主要考虑以下因素(1)输出的电压、电流是按照硬件系统需要的最大功率来确定电源输出功(5)体积限制；(6)功耗限制；(7)成本限制常用的电源模块是交流变直流(AD-】DC)模块、直流到直流(DC--DC)模块以及低差稳压器DropoutRegulator，LDO)。AC—DC模块完成交流电到直流电的变化，如市电220VAC直接交换为直流5VDC，这类模块视出去电流的大小不同而价位也不同。通常率越大体积越大，价格也越高。稳压器包括普通稳压器和低压差稳压器LDO。在本系统中选三个电源模块(1)MC78M15CDT属于三端正电压稳压器，它有以下特点：不需要外部组件；内部过保护；内部短路电流限制；输出精度高，一般误差不超过百分之二；最大输出电流500mA作温度范围零下四十度到零上一百二十五度。所以满足IR2136的15V和500mA的直流稳压电源需求。如图3．7所示，1脚输入的是24V电源，4脚接地，3脚输出15V、闩1-V图3-715V供电原理(2)LM2596S--5．0好而且负载可调节；输出电流最高3A；输入电压最高40V断电能力；工作温度范围零下四十度到零上一、闩1-V图3-715V供电原理(2)LM2596S--5．0好而且负载可调节；输出电流最高3A；输入电压最高40V断电能力；工作温度范围零下四十度到零上一百二十五度。能够很好地是向霍尔传感器、编器提供5V和50mA电源。管脚描述 (1)vN(正输入端)，这个管脚在输入旁路必须加个680uF电容进行滤波，同时为LM2596S．5．0提供所需的开关电流(2)GND(接地(3)Output(输出端)，为了减小耦合，PCB上连接到该脚的铜线区域要尽量小，D2(晶肖特基二极管)是为了电感电流提供通路，L1电感是为了峰值开关电流、电感电流、流和输出纹波电压降低，特别是在负载电流小和输入电压大的情况下使用；电容C25出滤波和提高环路的稳定性(4)Feedback(反馈端)，作用是输出端的电压反馈到闭环反(5)ON／OFF(开关端)，由于不需要这个功能，就把这个管(3)REGl17_3-3属于800mA低压差稳压器，向STM32F103VCT6提供3．3V和工作电源。REGlll7是一个低漏电压调整器，其稳压调整管使用的是一个PNP管和一个NPN组成，其NPN管是由PNP管压，其中包括2．5V，2．85V，3．0V，3．3V和5．0V。为了保证REGl117输出的稳定性，输出也要并联电容，39^1，、，、，、LM25粥J—2【肺7匕2礤孙露|3图3-85V供电原理图3-93．3V供电原此次所用电机是有杰美康有限公司生产的型号为42JSF630AS．1000的无刷直流伺服具有此次所用电机是有杰美康有限公司生产的型号为42JSF630AS．1000的无刷直流伺服具有特点是高速度：额定转数RPM，最低可达1RPM：高精度：编码器为为1000线脉冲／转且传输方式为差分信号；低噪声、低发表3-1无刷直流伺服电机参42JSF630AS-1000的参0．890．6262额定功额定转3000额定电额定转峰值电14峰值转Ke(反电动表3-4无刷直流伺服电机编码A-1．表3-4无刷直流伺服电机编码A-1．●■■■■■●■■图3．10编码器信号波3．8差分信号转TTL信号模由于设计经验不足，导致在设计中对电机的编码器输出的差分信号与设计中的S，IM32F103VCT6的芯片TTL信号接口不匹配，所以需要一个差分信号转1]几信号的模块进行转化。BLDCM是采用光电码盘作为位置反馈信号，伺服电机转动时同轴的光栅会高速旋转产生脉冲信号，每转一圈会产生一定的脉冲数，本系统选用的伺服电机每转一圈是1000个脉信号这样就能对电机进行精确的定位。但是实际中，电机与减速器和齿轮连接到一起，这服电机每转一圈就会产生机械轴的位移，这就必须以机械轴的实际位移为准。通过以上分码反馈信号的质量就码反馈信号的质量就影响了机械轴的位移精伺服电机输出的差分信号是A+、A．、B+、B．、Z+、Z．过差分信号驱动芯片转化和高速光耦芯片对信号的滤波、隔离，最后得到三相A、B、z的11几信号；AB相信号相位差为90度，当A相信号超前于B相信号时判断为电机正转，反之则为电机反转，而Z相是为光电码盘每转一圈产生所产生的零信号，根据以上要求选用的差分信号转1]儿信号模块，如图3．11图3．1l差分信号转11m信号模3．9本章本章详细的介绍了硬件电路的设计，首先根据系统模块图对硬件电路设计提供了整体设计思路，然后根据所需要不同类型电源进行了电源电路设计；嵌入式处理芯片的选型是根据实际一是功率驱动电路设计，二是三相逆变电路的设计：检测电路设计；串13通信电路设计进行详细的描述，最后介绍了差分信号转1]第四章算法和系统设宁夏大学硕士学第四章算法和系统设宁夏大学硕士学位论第四章算法和系统软4．1系统软件设计的思路是根据上位机发送的位置数据，按收到的速度转动，达到要求的位其中位置为电机轴转动的圈数。如图4．1所示，系统总体设计软件流程图，首先，系统初始化其中包括系统I／0端口、存储器、时钟、串口、AD转换器、定时器、中断配置初始化。然后系统等待上位机发送位置和速度数据，如果接收到数据，启动电机转动，伺服系统开始控制系统判断给定位置是否到，如果达到给定位置，电机停止转动，反之，伺服系统继续控制转动图4-1系统总体设计软件流程AD转换器用于采集线圈电流，其中此次设计采集两相线圈的电流，另外一相线圈的电根据公式计算。定时器有两个作用，一个用于产生PWM，另一个用于定时计算转速，]，W1M第四章算法和系统设的产生利用STM32F103VCT6的高级定时器1产生，计算转速使用STM32F103VCT6时器1和通用定时器2，定时器接口方式采用编码器接口方式。采用STM32F103VCT6定时器3、通用定时器4、通用定第四章算法和系统设的产生利用STM32F103VCT6的高级定时器1产生，计算转速使用STM32F103VCT6时器1和通用定时器2，定时器接口方式采用编码器接口方式。采用STM32F103VCT6定时器3、通用定时器4、通用定时器5做为霍尔信号的接口。伺服系统设计主要是位速环和电流环的设计，位置环控制电机达到上位机要求的位置，转速环控控制电机快速响应到上位机要求的速度，电流环的作用为限幅，防止电流超过额定值，如果超过，则立即停止机转动4．2算法编程实将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控制对象行控制，故称PID控制器【15图4-2PID控制系统原理如图4．2所示，给定值fin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差error(t)=fin(t)一PID调节器表达式为8～(f)衍+TTDderror(t砸)=kp(error(t)+去(1)比列环节：k为比列系数，当偏差产生时，就会成比例地反映偏差信号error(t后控制器产生控制作用减少偏(2)积分环节：TI为积分时间常数，当TI于消除静态误差，提高系统的无差度(3)微分环节：TD为微分时间常数，反映偏差信号的变化速率并且在偏差变大快速引入正信号，从而加快系统的快速性和减少调节时间4．2．2调速系统的PIPI算法是应用于调速系统最为常用的控制算法，它是由比例调节器P和积分调节器I两分构成的。调速系统需要快而稳的控制效果，因此调节器P第四章算法和系统设宁夏大学硕士学第四章算法和系统设宁夏大学硕士学PI调节器表达、P玎。r(f)+寺ferror(f)前离散化处理“(七)=Kv×error(k)+K』一数字式PI调节器增量式表达(4-Au(k)=Kv×[error(k)一error(k一1)]+墨增量式PI利用当前误差和上次误差的偏差，得出输出的增量，这样就不会有累计误题，其输出表达图4-3算法的程序流程如图4-3所示，图中value—set和Valll吖-eedback表达为设定值和反馈值，相减后得到当I1I1．1————I皇皇曼曼皇皇曼皇量鼍为上次的输出量，outmax和min分别表达为输出量的最大值和最小值，当通过PI算计算的结果大于输出最大值时，贝Ij速度闭环和电流闭环都是采用PI4．2．3位置闭环的积分分离PID积，然后导致控制量超过执行机构允许最大范围，引起较大的超调使系统有可能振荡幅度这是实际生产中绝对不允许的。积分分离控制基本思路是：当被控制量和设定值偏差较大时根据实际情况需要设置，设定阀值当e仃0I-∞的绝对值大于￡时，采用PD控制，使系统有较快的响应而且可以降调量———J——，参数更新圈4-4积分分离PID程序流程(3)当咖㈣的绝对值小于￡时，采用PID控制，保证系统的控制精度”(七)：keerror(k)+触圭胛D，(j『)丁+—kd(er—ror(1k)-_error(k-积分分离控制算法表达式@式中，T为采样频率，B项为积分项开关系数∥=器器error(嚣k)根据控式中，T为采样频率，B项为积分项开关系数∥=器器error(嚣k)根据控制算法得到其程序流程图，如图4-4所4_3检测程序设4．3．1，C22F03V6118个外部和28M。各通道的／D2个通道采集，而且采用连续转换模式，且转换后的数据通过DMA传输，因此，配置AD时，还需要配置DMA。下面代码是相应的ADC初始化和DMA初始化的数据结构，对相应的外初始化，必须定义相应的数据结构，填充结构体ADCtypedef{FunctionalStateFunctionalStateu32ADC_DataAlign；u8DMA初始化的的数据结构typedef{u32u32u32u32主墨奎兰堡主兰堡第四章算法和系统设u32u32ADC—Mode是AD的主墨奎兰堡主兰堡第四章算法和系统设u32u32ADC—Mode是AD的工作模式选择，ADC—ScanConvMode为扫描方式的选择开关ContinuousConvMode为连续转换模式的选择开关，ADC_ExtemalTrigConv用于使用外部触发，ADC_DataAlign用于选择数据的对齐方式，ADC—NbrOfChannel用于选择相的使用的ADC通道数DMA设备的地址，DMA为双向BufferSize为DMA在传输时缓冲区的长度(以字为单位用于设置DMA的外设模式，DMA_Memorylnc用于设置DMA的内存模式Mode用于设置DMA用于外设数据字长，MemoryDataSize用于设置内存数据字长传输模式，DMA_Priority用于设置DMA的优先级别，DMA—M2M用于设置DMA的中的变量是否互相访问在图4．5中的ADC和DMA配置函数中，首先定义数据数据结构，谈后填充数据结构，选择采样时钟，使能DA传输，启动转换，在中断服务函数中，读取相应的电流，计算出电机线圈C相得电流。4．3．2速度检测程序设本次使用的电机采用的1000线的增量式光电编码器，其输出为差分信号，分别是分别是A+、B+、Z+、A．、B．、Z．，由于采用的控制器没有差分信号的接口，需采设计转化器将差分信号转换为TTL信号，分别是A、B、z三相。编码器的A相、B相、Z相信号中，A、B两个通道的信号一般是正交(即互差900)脉冲信号：而Z相是零脉冲信号。当电机主轴以顺时针方向旋转时，输出脉冲A通道信号位于B通道之前；当电机主轴逆时针旋转时，A通道信号位于B通道之后。从而由此判断主轴是正转还是反转。除此之外，编码器每旋转一周发一冲，称之为零位脉冲z相信号，其用于决定零位置或标识位置对光电编码器检测转速的方法是测频法(M法)，此方法适用于中高速检测符合实际要求，其优点的是一定时间内脉冲数越多分辨率和精度越高。在一定时间T脉冲信号进行计数能够得到脉冲数m，当光电编码器每周输出N个脉冲，则转速刀=60‰(4-对于转速的采集需使用两个定时器，选用的是STM32F10VCT1和2，其具有编码器的接口，并且可自设置检测A相和B中，采用InjtO函数初始化两个定时器；采用ENC_GeUMechanical_Angle()函数获机的机械角度，其中返回角度为负180度到180度；采用ENC_CalcRot_Speed()计算采集转速，实际读取转速的流程图如图4-5所厂开 ／定时上厂开 ／定时上i转r结束＼／图4．5读取转速的流程4．3．3位置检测主要通过检测电机编码器输出的脉冲数。本次电机使用的脉冲编码器是100线，则电机转动一圈，编码器输出1000个脉冲，因此程序设计容易实现，在．3．2节中的程序设计的基础上，循环读取当前的电机脉冲编码器输出的脉冲，然后将相应的脉冲数转换为圈，即可4．3．4霍尔信号检测程序对于霍尔信号的检测，使用控制器TM32F103VCT的通用定时器3、4、5，定时检测霍信号接口的逻辑值是否发生变化，如果发生变化，定时计数器立即重新启动计数定时，同时读取霍尔信号接口的当前值，将逻辑值送入电机换向接口程序，程序设计流程图如图4-6所三望堕苎望型生型第四章算法和系统设图4巧霍尔信号检测程序流程PWM定时主控制器根据上位机发送的速度值，计算三望堕苎望型生型第四章算法和系统设图4巧霍尔信号检测程序流程PWM定时主控制器根据上位机发送的速度值，计算相应的PwM占空比的值，再根据PV门Vl占空为0的情况下，转速和PWM占空比的是线性关系，实际采用速度模式控制电机时转速和STM32F103VCT6的定时器是高级定时器，用一个定时器可实现PWM的产生 ARR存器用于设置开关频率，其值为CCRl寄存器用于设置高电平的计数值。根据公式Register=TIMlclock／(ARR+1)可以计算可得定duty TIMlARR的值为999，根据公式因此，每次根据相应的速度值，设置TIMCCRl的值即实现相应PWM占空比波的产生根据第二章，采用的PWM调制方式PWM-ON，利用数字电路设计的相关知识和本次使的电机霍尔信号输出的逻辑，可以推导得出三相桥式功率管的Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6调制的逻辑，下表为电机的正表换向由表4．1和PWM-ON调制方式。采用三相六拍120度两两导通的换相方式，推导的Q1Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的逻辑如傀=置色琵彳&月牡￡召&月戤C&Pg'M+HALLA&尼刎ZB&月刎CB&兄觚ZC&P聊订+硎己己彳&丑御Z召&月御92=月御Z么&黝C∞=月舢Z彳&月御Z召&且枷ZC&Prtgd+月刎Z彳&尼御ZB&尼刎CC&P形M+月御Z么&只御Z曰&硎04=只舢Z彳&只舢Z曰&尼御C&尸WM+黝E。彳&尼御Z曰&月御ZQ5=H4￡[4&配4[。E曰傩=硎己己彳&月御B&尼觚ZC&PWM+月御Z彳&丑御Z召&HALL根据上述的逻辑，当接收的到的电机转速为正值时，在程序给霍尔信号接口HALLAB、HALLC赋值101，做为初始状态，剩下的状态由电机转动起来，自动从霍接口读取，反之，当接收的到的电机转速为负值时，在程序给霍尔信号接口HALL-A、HALL—BC赋值010，做为初始状态，剩下的状态由电机转动起来，自动从霍尔信号接口读在程序设计中，利用switch和case语句实现电机换向，程序设计流程图如图4．7所示4．5电机启动程序设4．5电机启动程序设再测量50次电流，比较得出最大的电流值(2)测试6个MOSFET的短路特性。首先，打开A相的上管，测量流，这个电常小，如果测量到大电流(大于0．5A)，则说明A相上管已经击穿，然后，关断所有管，延时一段时间，打开A相的上管，同样，这个电流非常小，如果是大电流，则证明A穿，依次下去分别测量B和C的上下管(3)测试3个上管MOSFET的导通特性。打开A上管，此时电流的方向从VCC流过相线圈，在中点一份为二，一半通过B相线圈流向地，另一半通过C相线圈流向地，测点的电压，如果电压接近5V，则证明A上管良好，否则A管损坏不能导通，依次方法B和C测试3个下管MOSFET的导通特性。测量方法与(3)一样第四章算法和系统设本次设计的驱动系统利用反电动势过零检测的方法检测电机转子的位置，但是电机在静止的状态时，无法知道电机转子当前的实际位置，因此，就不知道如何给电机哪两相线圈通电，设计参考资料，实现电机启动转子位置的检第四章算法和系统设本次设计的驱动系统利用反电动势过零检测的方法检测电机转子的位置，但是电机在静止的状态时，无法知道电机转子当前的实际位置，因此，就不知道如何给电机哪两相线圈通电，设计参考资料，实现电机启动转子位置的检电机转启动转子位置检测函数是Motor—Set—On(ucharpwm)。在实际编程中，电机空比数值为为0-255，其对应占空比为0-100％。电机启动的算法是先让AB相通电足够时以使转子的这个位置固定下来，然，环AC相、BC ，每次的通电时间都为上后，则认为电机启动成功4．5串口通信程序设STM32F103VCT6具有2个全双工的串口，其支持可编程波率设置，最大波特率4．5Mbits／s，具有可编程数据字长度(8位或9位)，可配置的停止位为l或2位，支持串口的基本参数结构体typedef{u32u16u16u16USAR飞u16u16USART—BaudRate为串口的波特WordLength为串口数据位的长度USART_Stopmts为串口停止位的位数，USART_Parity用于选择串口的校验方式，USART—HardwareFlowControl串口硬件流控制的选择端。在下面串口用于选择串13的模式配置中，先定义结构体，配置串口的时钟，然后配置串口的比特率为115200，数据位为8位us▲RI—USAl≈‘r_一RCC— us▲RI—USAl≈‘r_一RCC— ICUSARTI,‘US*RT_InitStructure)；us^RT-ITConfig(USARTI，USART—IT—P／zNE，ENABLE)；ig(USKRTl，USART—IT—USIRT_C媳图4-8串口通信例程代在上位机向控制器发送控制指令时，即需要发送位置数据，又要发送速度值，因此令帧结构，指令格式如下表表4-2指令位置数据的单位是衄，大小为1,-．655535，速度数据的单位是RPM／min，大标志，在中断程序中，缓冲在住程序当检测此标志为1时，理数据，读取相应的数据，用此数据去控俸,JEg机转动，之后，缓冲区和标志清04．6本章主要设计了控制系统的软件，其中包括系统软件总体设计，电机检测程序设计控制器程序设计，电机启动程序设计，和串口通信程序设计，在电机检测程序设计中，分别实现了电流检测程序、速度检测程序、位置检测程序和霍尔信号检测程序的设计。在系统的个程序设计中，最重要的是PWM控制器程序的设计，其也是整个系统的核心第五章总结与展5．1总本文针对无刷直流伺第五章总结与展5．1总本文针对无刷直流伺服系统的理论和工程两方面进行了研究工作，现将本文的主要工作首先是对无刷直流电机的结构深入的了解，为其数学模型建立提供了基础，然后对三相全桥逆变电路的PWM调制方式的PWM．ON型分析了换相原理。最后对无刷直流伺服系统中的调速系统的闭环设计和控制系统位置闭环设计分别进行了控制方案的选择并且进行了Matlab／Simuln入式处理器由意法半导体(ST)公司生产的STM32F103VCT6芯片，设计了最小硬件系统。MOSFET和IGBT驱动器IR2136的电机驱动电路的设计是硬件设计的重点和难点。检测电路电机编码输出的差分信号与电路板的端13不匹配，所以用了差分信号转订L(3)系统软件编程实现了基本功能，PWM例程进行了参考。采用了PI和积分分离PID算法对调速系统和位置闭环系统的调节器实现因是实际生产过程中稳定性5．2入地研究和思(1)由于STM32F103VCT6采用了外部晶振只有8MHz，而STM32F103VCT6最高工频率可达MHz，所以算法的复杂性受限。下一步应该把差分信号转TTL信号模块成到路板上，提高硬件系统抗扰性和稳定性同时集成度也得到了提高(2)W提高系统软件实用性。【1】任美玲，陶大锦．机械臂的研究与进展【J】．出国与就业：就业教育，2012(2)：84-【2】强曼若．无刷直流电动机的发展与应用讲．微机电，1995，28(1)：23—【3】牛海清，谢运祥．无刷直流电动机及其控制技术的发展【J]．【1】任美玲，陶大锦．机械臂的研究与进展【J】．出国与就业：就业教育，2012(2)：84-【2】强曼若．无刷直流电动机的发展与应用讲．微机电，1995，28(1)：23—【3】牛海清，谢运祥．无刷直流电动机及其控制技术的发展【J]．微电机，2002，35(5)：36—【4】陈亚玲．永磁无刷直流电动机的发展及应用【J】．电气开关，2010，48(2)：62-[5】吴举秀，张爱英，田秀刚．伺服系统的发展及展望阴．中国新技术新产品【7】胡文静．永磁无刷直流电动机的发展及展望明．微电机(伺服技术)，2002，04：37-【8】郑吉，王学普．无刷直流电机控制技术综述【J】．微特电机 莫会成．永磁无刷电动机系统发展现状[J】．电气技术[10】权利，牒正文．无刷直流电机的应用【J】．电气技术【11】王兆安，刘进军．电力电子技术[MI．机械工业出版【12】阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统—运动控制系统【M】．机械工业出版[13】阮毅，陈维钧．运动控制系统嗍．北京：清华大学【 6】Sensorless BrushlessMotors[J]．IEEETramIndustry【17】张相军，陈伯时．无刷直流电机控制系统中PwM调制方式对换相转矩脉动的影响阴．电机与制学报[18】ShinnakaS．New''mirror-phasevectorcontrol”forsensorlessdriveofpermanentmagnet【19】withpolesalienc[J】Industry【20】殷云华，郑宾，郑浩鑫．一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法明．系统仿学报，2008，20(2)：293—Chung-YuenWon．PrecisespeedcontrolofthePMbrushless【21】Seung-JunL∞；Yong-[22】forofEighthInternational【23】纪志成，沈艳霞，姜建国．基于Matlab无刷直流电机系统仿真建模的新方法叨．系统仿真学报2004，15(12)：1745-【24】韦鲲．永磁无刷直流电机电磁转矩脉动抑制技术的研究p】．【博士论文】．浙江大学[25】王兴华，励庆孚．永磁无刷直流电机换相转矩波动的分析研究阴．西安交通报【26】韦鲲，胡长生，张仲超．一种新的消除无刷直流电机非导通相续流的PWM调制方式【J机工程学报，2005，07：104．108。[27／茹常剑，景博，吴桂胜．基于STM32的机载燃油计算机设计与实现田．计算机工程与科学12三星奎兰翌翌兰燮一参考文【28】【29】李岚，孙峰，杨一雄．双馈发电机转子位置三星奎兰翌翌兰燮一参考文【28】【29】李岚，孙峰，杨一雄．双馈发电机转子位置角及转速的检测阴．太原理工大学学报【30】茹常剑，景博，吴桂胜．基于STM32的机载燃油计算机设计与实现田．计【31】李志强．无刷直流电机无位置传感器控制及四开关逆变器控制研究【D】，【博士论文】．天津：【32】夏长亮，方红伟．永磁无刷直流电机及其控制【J】．电工技术学报【34】张相军．无刷直流电机无位置传感器控制技术的研究【D】．【博士论文】．上海[35】孙立军，孙雷．无刷直流电机PWM调制方式研究阴．哈尔滨理【36】齐蓉，周素莹．无刷直流电机PWM调制方式与转矩脉动关系研究闭．微电机[37】包向华，章跃进．五种PWM2005，32(6)：48—【38】刘清河，