基于mcu的通用控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　學(xué)士學(xué)位論文</b></p><p>　　基于MCU的通用控制器設(shè)計(jì)</p><p>　院 系:</p><p>　學(xué) 號(hào):</p><p>　專業(yè)名稱:</p><p>　學(xué)生姓名:</p><p>　指導(dǎo)老師:</p>

2、;<p>　起訖日期:</p><p>　設(shè)計(jì)地點(diǎn):</p><p>　　基于MCU的通用控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要:電機(jī)控制器的發(fā)展朝著集成化和通用化的方向發(fā)展著。目前，電機(jī)控制專用集成電路芯片技術(shù)已經(jīng)比較成熟，電機(jī)控制專用集成電路芯片的種類也十分齊全，但在通用性上還顯得不足。而且，電機(jī)控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料豐富，

3、但是又很分散，需要花時(shí)間收集整理、分析消化，研究電機(jī)的通用控制器很有必要。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)先用MATLAB對(duì)PID控制器進(jìn)行仿真，計(jì)算，包括參數(shù)整定，加深對(duì)控制器和離散算法的認(rèn)識(shí)，再進(jìn)一步探索雙閉環(huán)反饋的控制器算法。然后在基于STM32的電機(jī)控制電路中進(jìn)行檢驗(yàn)，以便進(jìn)一步優(yōu)化算法。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)的通用控制器其通用性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是PID控制器結(jié)構(gòu)的通用

4、性即可以選擇單閉環(huán)，雙環(huán)，甚至三環(huán)控制，對(duì)不需要的控制只需要將該參數(shù)設(shè)置為0；二是PID參數(shù)的通用性，即可以很方便的對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際的需求。</p><p>　　就目前的研究結(jié)果來(lái)看，理論研究基本完成，亦根據(jù)實(shí)際情況擬合出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比之間的函數(shù)關(guān)系，將這種關(guān)系應(yīng)用在簡(jiǎn)單的單閉環(huán)控制中取得了很好的效果，在不使用這種關(guān)系，亦對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了整定，還需要進(jìn)一步檢驗(yàn)PID算法對(duì)實(shí)際電機(jī)控制的效果，

5、提高其通用性。</p><p>　　關(guān)鍵詞;STM32；通用控制器；PID；MATLAB仿真</p><p>　　Design of MCU Based Universal Controller </p><p>　　Abstract: The motor controller is becoming more and more integrated and uni

6、versal . At present, the technology of motor control ASIC chip is relatively mature, the types are also very complete, but it lacks universality partly. Moreover, there are varieties specifications, product information a

7、nd application data but very scattered, it takes lots of time to collect and analyze them.So the study of the universal motor controller is necessary. In the design , firstly the MATLAB is used to emul</p><

8、;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1、緒論2</b></p><p><b>　　1.1 引言2</b></p><p>　　1.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.3 本課題的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容3</p>

9、<p>　　2、直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析及MATLAB仿真4</p><p>　　2.1 原理分析4</p><p>　　2.1.1 直流電機(jī)基本調(diào)速方法與PWM4</p><p>　　2.1.2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)5</p><p>　　2.2 MATLAB仿真6</p><p>　　2.2.1電機(jī)

10、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)6</p><p>　　2.2.2 Simulink仿真7</p><p>　　2.3系統(tǒng)離散化16</p><p>　　2.4狀態(tài)空間法與串行算法模擬并行的探索18</p><p>　　2.4.1狀態(tài)空間法的啟示18</p><p>　　2.4.2算法的探索19</p>

11、<p>　　3、實(shí)踐設(shè)計(jì)篇21</p><p>　　3.1整體方案設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.2硬件部分22</p><p>　　3.2.1 STM32開發(fā)板22</p><p>　　3.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路22</p><p>　　3.2.3正交編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速23</p>&l

12、t;p>　　3.2.4穩(wěn)壓電源電路24</p><p>　　3.3軟件模塊25</p><p>　　3.3.1PWM生成子程序25</p><p>　　3.3.2串口模塊—速度給定與速度顯示26</p><p>　　3.3.3速度測(cè)定與方向判斷子程序27</p><p>　　3.3.4 PID算法模塊

13、27</p><p>　　4、實(shí)踐檢驗(yàn)篇29</p><p>　　4.1 實(shí)物連接圖29</p><p>　　4.2用MATLAB曲線擬合方法確定占空比與空載電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系29</p><p>　　4.3簡(jiǎn)單閉環(huán)控制試驗(yàn)32</p><p>　　4.4 PID算法試驗(yàn)33</p><p&g

14、t;　　4.5第二次PID算法試驗(yàn)34</p><p>　　5、總結(jié)與改進(jìn)37</p><p><b>　　5.1總結(jié)37</b></p><p>　　5.2改進(jìn)的一些思路37</p><p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　參考

15、文獻(xiàn)40</b></p><p>　　基于MCU的通用控制器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1、緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備——電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)

16、，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的控制。</p><p>　　縱觀運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，交，直流兩大電氣傳動(dòng)并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使他們所處的地位，所起的作用不同，但他們始終是隨著工業(yè)的發(fā)展，特別是電力電子和微電子技術(shù)的發(fā)展，在相互競(jìng)爭(zhēng)，相互促進(jìn)中，不斷完善并發(fā)生著變化。由于歷史上最早出現(xiàn)的是直流電動(dòng)機(jī)

17、，所以19世紀(jì)80年代以前，直流電氣傳動(dòng)是唯一的電氣傳動(dòng)方式。直到19世紀(jì)末，出現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)，這才使得交流電氣傳動(dòng)在工業(yè)中逐步得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電氣傳動(dòng)在啟制動(dòng)，正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度，調(diào)速范圍，靜態(tài)特性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)等方面提出了更高的要求，這就要求大量使用調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制性能好，從20世紀(jì)30年代起，就開始使用直流調(diào)速系統(tǒng)。它的發(fā)展過(guò)程是這樣的，由最

18、早的旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組控制發(fā)展為放大機(jī)，磁放大機(jī)控制；再進(jìn)一步，用靜止的晶閘管變流裝置和模擬控制器實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速；再后來(lái)，用可控整流和大功率晶體管組成的PWM控制電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的直流調(diào)速，使系統(tǒng)的快速性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性不斷提高。調(diào)速性能的不斷提高，使直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛，然而由于直流電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，制造工藝復(fù)雜且成本高，維護(hù)麻煩，使用環(huán)境受到限制等缺點(diǎn)，并且很難向高轉(zhuǎn)速，高電壓，大容量發(fā)展，逐漸顯示出直流調(diào)速的弱點(diǎn)。</p&

19、gt;<p>　　普遍應(yīng)用于恒速運(yùn)行場(chǎng)合的交流電動(dòng)機(jī)，可以彌補(bǔ)直流電動(dòng)機(jī)的不足。于是人們又開始了新一輪交流調(diào)速的研究。僅對(duì)占傳動(dòng)總量三分之一強(qiáng)的風(fēng)機(jī)，水泵設(shè)備而言，如果改恒速為調(diào)速的話，就可以節(jié)電30%左右。近三四十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，為交流調(diào)速產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化。從調(diào)速性能看，完全可與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美[]。</p><p>　　現(xiàn)代電

20、動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制的真正的發(fā)展是以電力電子器件的發(fā)展和應(yīng)用為基礎(chǔ)的。而微處理器的應(yīng)用使電氣傳動(dòng)控制技術(shù)再次發(fā)生了巨大地變革，使用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制不僅可以簡(jiǎn)化控制硬件，而且可以加入人工智能對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，這對(duì)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[]。</p><p>　　1.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　微處理器誕生于上個(gè)世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路

21、制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價(jià)比越來(lái)越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機(jī)提供了可能，利用微處理器控制電機(jī)完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機(jī)的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機(jī)的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進(jìn)了電機(jī)生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進(jìn)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等便于控制且實(shí)用的新型電機(jī)，使電機(jī)的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。</p>&

22、lt;p>　　對(duì)于簡(jiǎn)單的微處理器控制電機(jī)，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關(guān)元器件，使電路開通或關(guān)斷就可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制?，F(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應(yīng)用，通過(guò)對(duì)可編程控制器進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的規(guī)律化控制。對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制電機(jī),則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過(guò)微處理器控制，可使電機(jī)的性能有很大的提高。目前相比

23、直流電機(jī)和交流電機(jī)他們各有所長(zhǎng)，如直流電機(jī)調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題；交流電機(jī)，不論是異步電機(jī)還是同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運(yùn)行時(shí)，它們的速度不能方便而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)。高性能的微處理器如DSP (Digital Signal Processor)即數(shù)字信號(hào)處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機(jī)傳動(dòng)的自動(dòng)化程度大為提高。在先進(jìn)的

24、數(shù)控機(jī)床等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達(dá)數(shù)百萬(wàn)兆以上每秒，且具有適合的矩陣運(yùn)算。</p><p>　　采用微處理器控制，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單化，可靠性提高，操作維護(hù)變得簡(jiǎn)捷，電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速精度等方面達(dá)到較高水平。由于微處理器具有較佳的性價(jià)比，所以微處理器在工業(yè)過(guò)程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。<

25、/p><p>　　當(dāng)前基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的控制器門類繁多，且多為實(shí)用性和針對(duì)性很強(qiáng)的控制器，有基于改進(jìn)模糊控制等算法的中央空調(diào)的控制器[]，有復(fù)雜的基于AVR單片機(jī)針對(duì)機(jī)床自動(dòng)變速箱的通用控制器[]，也有簡(jiǎn)單的僅僅依靠按鍵與數(shù)碼管顯示的51單片機(jī)控制器[]。</p><p>　　1.3 本課題的研究目的和主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　電機(jī)控制器的發(fā)展朝著集成化和通用化的

26、方向發(fā)展著。目前，電機(jī)控制專用集成電路芯片技術(shù)已經(jīng)比較成熟，電機(jī)控制專用集成電路芯片的種類也十分齊全，但在通用性上還顯得不足。而且，電機(jī)控制專用集成電路品種規(guī)格繁多，產(chǎn)品資料和應(yīng)用資料豐富，但是又很分散，需要花時(shí)間收集整理、分析消化。</p><p>　　本課題著力于研究電機(jī)控制器的通用化開發(fā)。利用MCU編寫在一定領(lǐng)域具有通用功能的控制器程序，借鑒MATLAB的信號(hào)流圖，研究通過(guò)下載設(shè)定的參數(shù)，在MCU程序的解釋

27、下，實(shí)現(xiàn)其控制功能的通用性。本設(shè)計(jì)的通用性主要展現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是PID控制器結(jié)構(gòu)的通用性即可以根據(jù)反饋的情況選擇單閉環(huán)，雙環(huán)，甚至三環(huán)控制；二是參數(shù)的通用性，即可以很方便的對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)實(shí)際的需求。</p><p>　　由于采用近幾年最最主流的STM32微處理器，應(yīng)用新控制理論和方法，使實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制成為可能，并且增加了系統(tǒng)功能和柔性。具有控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改等優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到很高的控制

28、精度和良好的穩(wěn)定性。</p><p>　　2、直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析及MATLAB仿真</p><p><b>　　2.1 原理分析</b></p><p>　　2.1.1 直流電機(jī)基本調(diào)速方法與PWM</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無(wú)換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，

29、通過(guò)改變電樞回路中的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低，機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場(chǎng)合。30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的范圍，較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速性能。但此方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)重量大，占地多，效率低及維修困難。近年來(lái)，隨著電力電子的迅速發(fā)展，有晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)

30、機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度，動(dòng)態(tài)性能，可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中的IGBT等大功率器件的發(fā)展取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為</p><p><b>　?。?.1）

31、</b></p><p>　　式中：為電樞供電電壓（V），為電樞電流（A），為勵(lì)磁磁通（Wb），為電樞回路總阻，為電勢(shì)系數(shù)</p><p>　　由（2.1）式可見(jiàn)，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案可有以下三種。</p><p>　　1.電樞串電阻調(diào)速：由于電阻耗能大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場(chǎng)合。</p><

32、;p>　　2.弱磁調(diào)速：弱磁調(diào)速雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速時(shí)才采用。</p><p>　　3.調(diào)壓調(diào)速：調(diào)壓調(diào)速可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以下大范圍平滑調(diào)速，并且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)機(jī)械特性硬度不變。這種方法在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛采用[] []。</p><p>　　對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可分為兩種方式

33、：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。絕大多數(shù)情況下采用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。這種方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。</p><p>　　圖2-1 PWM 調(diào)速控制和電壓波形圖</p><p>　　圖2-1 是利用開關(guān)管對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端

34、的電壓平均值為</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　式中：為占空比，，它表示了在一個(gè)周期T內(nèi)，開關(guān)管道通的時(shí)間與周期的比值，的取值范圍為：</p><p>　　由公式（2.2）可知，當(dāng)電源電壓 不變的情況下，電樞電壓的平均值取決于平均值 取決于占空比 的大小，改變 值就可以改變端電壓的平均值，達(dá)到調(diào)速的目的，這就

35、是PWM調(diào)速原理。</p><p>　　在PWM 調(diào)速時(shí)，占空比是一個(gè)重要參數(shù)。以下3 種方法都可以改變占空比的值。</p><p>　?。?）定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變，使周期與頻率也隨之改變。</p><p>　?。?）調(diào)寬調(diào)頻法：保持 不變，只改變，使周期與頻率也隨之改變。</p><p>　?。?）定頻調(diào)寬法：使周期保持不變，同時(shí)改

36、變，。</p><p>　　前兩種方法在調(diào)速時(shí)，改變了控制脈沖的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生震蕩，因此很少用。目前主要用定頻調(diào)寬法[]。</p><p>　　2.1.2 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　本次試驗(yàn)選用的是小功率的直流電機(jī)，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，僅對(duì)與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)部分的理論進(jìn)行闡述。</p><p>&

37、lt;b>　　1.開環(huán)系統(tǒng)</b></p><p>　　直接發(fā)出指令，產(chǎn)生信號(hào)，改變直流電機(jī)電樞端電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)速度的目的。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能同時(shí)滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍窄。應(yīng)用于靜差率要求不高的無(wú)級(jí)調(diào)速場(chǎng)合。</p><p>　　2.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　轉(zhuǎn)速反饋電壓與轉(zhuǎn)速指令電壓相比

38、較形成偏差電壓，偏差電壓作為輸入信號(hào)，后與開環(huán)電路相同。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：與開環(huán)系統(tǒng)相比，機(jī)械特性較硬、靜差率較小、一定靜差率的調(diào)速范圍提高了；缺點(diǎn)是起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)電流過(guò)大，對(duì)電機(jī)換向不利。改進(jìn)提高措施：加偏差調(diào)節(jié)器或限流措施。目前，有三種改進(jìn)措施：增加電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電壓負(fù)反饋代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、以電壓負(fù)反饋加電流補(bǔ)償控制代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。</p><p>　　3.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</p

39、><p>　　直流電機(jī)雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟(jì)，適用的電力傳動(dòng)系統(tǒng)。它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點(diǎn)。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求起制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求

40、。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的。但它只是在超過(guò)臨界電流值以后，強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯脹_擊，并不能很理想的控制電流的動(dòng)態(tài)波形。</p><p>　　在實(shí)際工作中,我們希望在電機(jī)最大電流受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，最好是在過(guò)度過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起

41、動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長(zhǎng)的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）首相的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過(guò)程，按照反饋控制規(guī)律，電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過(guò)程。問(wèn)題是希望在啟動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)

42、節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不在電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋?zhàn)饔糜帜苁顾鼈冏饔貌煌碾A段。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看</p><p>&l

43、t;b>　　4.三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)</b></p><p>　　在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在電流環(huán)內(nèi)再加電流變化率內(nèi)環(huán)或電壓內(nèi)環(huán)構(gòu)成兩種三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。增加了電流變化率內(nèi)環(huán)，提高了電流環(huán)的響應(yīng)速度，使起動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)速和電流更接近理想波形，進(jìn)一步改善了電機(jī)的起動(dòng)性能[]。</p><p>　　其他調(diào)速系統(tǒng)諸如：有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)、無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。</p><p

44、>　　2.2 MATLAB仿真</p><p>　　2.2.1電機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)</p><p><b>　　對(duì)直流電機(jī)，有</b></p><p>　　電樞電壓平衡方程： （2.3）</p><p>　　轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

45、 （2.4）</p><p>　　式中：電樞電壓（V），電樞反電勢(shì)（V），電樞電流（A)，電樞電感（H），電樞電阻（），每極磁通（Wb），轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（r/min），直流電機(jī)電勢(shì)常數(shù)，轉(zhuǎn)矩常數(shù)，P為電機(jī)極對(duì)數(shù)，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，為并聯(lián)支路數(shù)，T電磁轉(zhuǎn)矩，負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J轉(zhuǎn)速慣量。</p><p>　　對(duì)2.3，2.4式采用拉氏變換得</p>&

46、lt;p>　　電樞電流與電樞電壓之間傳遞函數(shù)是 （2.5）</p><p>　　轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩之間的傳遞函數(shù)為 （2.6）</p><p>　　考慮到，的輔助關(guān)系，并引入機(jī)電常數(shù)，可求得精確模型的傳遞函數(shù)：</p><p>　　圖2-2 電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型</p><p

47、>　　2.2.2 Simulink仿真</p><p>　?。?）PID控制器的理論探索</p><p>　　1）PID控制器結(jié)構(gòu)如下圖2-3</p><p>　　圖2-3 PID控制器，為積分環(huán)節(jié)，為積分環(huán)節(jié)，為微分環(huán)節(jié)</p><p>　　2） 以一個(gè)單閉環(huán)的控制系統(tǒng)為例，分析PID控制器各參數(shù)在系統(tǒng)中的作用。</p>

48、<p>　　圖2-4 單閉環(huán)控制系統(tǒng)</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　在MATLAB中編寫M文件（見(jiàn)附錄），觀察PID各環(huán)節(jié)參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)的變化，根據(jù)圖2-5,2-6,2-7分析得：圖2-5 取不同值時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用：增大可增大系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小穩(wěn)態(tài)誤差，

49、提高控制精度。但隨著增大系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重時(shí)造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性破壞。</p><p>　　圖2-6 取不同值時(shí)的階躍響應(yīng)</p><p>　　積分調(diào)節(jié)作用：對(duì)穩(wěn)態(tài)起控制作用，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，但積分過(guò)強(qiáng)穩(wěn)定性隨著下降，嚴(yán)重時(shí)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般和比例項(xiàng)配合使用。</p><p>　　圖2-7取不同值時(shí)的階躍響應(yīng)</p>&l

50、t;p>　　微分調(diào)節(jié)作用：對(duì)動(dòng)態(tài)控制作用，可以加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)，上升快，超調(diào)小，具有預(yù)調(diào)節(jié)的作用，一般與比例項(xiàng)組合使用。</p><p>　　3）用PID控制器校正系統(tǒng)</p><p>　　利用教材[]上的一組電機(jī)參數(shù)和速度負(fù)反饋參數(shù)，建立了如下的電機(jī)模型：</p><p>　　圖2-8 電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)</p><p><b>　　

51、傳遞函數(shù)為</b></p><p>　　對(duì)其進(jìn)行性能分析，階躍響應(yīng)見(jiàn)圖2-9</p><p>　　圖2-9 開環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)</p><p>　　開環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)為：</p><p>　　ans = RiseTime: 0.1290</p><p>　　SettlingTime: 0.2300

52、</p><p>　　SettlingMin: 206.0857</p><p>　　SettlingMax: 228.4047</p><p>　　Overshoot: 0</p><p>　　Undershoot: 0</p><p>　　Peak: 228.4047</p><p>　　P

53、eakTime: 0.3925</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可知，單純的電機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)速度太慢，動(dòng)態(tài)性能不佳，且不具有抗干擾性。</p><p>　　針對(duì)這一系統(tǒng)，我們將進(jìn)行PID的參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)上述系統(tǒng)引入速度負(fù)反饋環(huán)節(jié)和PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　圖2-10 單閉環(huán)電機(jī)控制系統(tǒng)模型</p><p>　　時(shí)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

54、為：</p><p>　　PID參數(shù)整定法[][]有很多種，工程上最常用的有臨界比例度法、衰減曲線法和經(jīng)驗(yàn)湊試法?，F(xiàn)以臨界比例度法為例進(jìn)行參數(shù)整定。</p><p>　　這是目前使用較多的一種方法。它是先通過(guò)試驗(yàn)得到臨界比例度和臨界周期 ,然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出控制器各參數(shù)值。具體做法如下:</p><p>　　1.被控系統(tǒng)穩(wěn)定后,把控制器的積分時(shí)間放到最大,微分時(shí)間

55、放到零(相當(dāng)于切除了積分和微分作用,只使用比例作用) 。</p><p>　　2. 給定一個(gè)階躍信號(hào),觀察由此而引起的測(cè)量值振蕩。</p><p>　　3. 針對(duì)其開環(huán)系統(tǒng)作根軌跡圖，根據(jù)MATLAB的圖像顯示，可預(yù)測(cè)臨界比例度K的大致范圍。</p><p>　　圖2-11 系統(tǒng)根軌跡圖</p><p>　　圖2-12 根軌跡圖與虛軸交點(diǎn)&

56、lt;/p><p>　　4. 根據(jù)已確定的K值，代入閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行微調(diào)，從大到小逐步把控制器的比例度減小,看測(cè)量值振蕩的變化是發(fā)散的還是衰減的,如是衰減的則應(yīng)把比例度繼續(xù)減小;如是發(fā)散的則應(yīng)把比例度放大使系統(tǒng)產(chǎn)生等幅震蕩，如下圖，此時(shí)的比例系數(shù)叫臨界比例度=1/18.354271。振蕩周期為 </p><p>　　圖2-13 臨界震蕩時(shí)PID參數(shù)設(shè)置界面</p><p&g

57、t;　　圖2-14 系統(tǒng)臨界震蕩圖</p><p>　　5. 參考參數(shù)整定表2-1，得到參數(shù)，，</p><p>　　表2-1 臨界比例度法參數(shù)整定表</p><p>　　由表2-1可計(jì)算得，對(duì)PID控制器</p><p>　　6. 通過(guò)上述步驟得到的四個(gè)參數(shù)，還要到系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行，檢驗(yàn)控制效果，必要時(shí)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，直至獲得滿意的控制效果。&

58、lt;/p><p>　　臨界比例度整定法又稱為“閉環(huán)振蕩法”,它的特點(diǎn)是:不需要求得控制對(duì)象的特性,而直接在閉合的控制系統(tǒng)中進(jìn)行整定,適用于一般的控制系統(tǒng)，但對(duì)于臨界比例度很小的系統(tǒng)不適用.</p><p>　　我將上述結(jié)果代入閉環(huán)系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)見(jiàn)圖2-17，為不穩(wěn)定系統(tǒng)，還需進(jìn)行二次整定。</p><p>　　圖2-15 第一次整定PID參數(shù)設(shè)置界面</p&g

59、t;<p><b>　　.</b></p><p>　　圖2-16 第一次整定后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)</p><p>　　7.PID參數(shù)二次整定</p><p>　　二次整定時(shí)，其原理與試湊法類似，只是有了前面的基礎(chǔ)從而在一定程度上避免了試湊參數(shù)時(shí)的盲目性, 具有有很強(qiáng)的針對(duì)性。二次整定得到的PID參數(shù)數(shù)值為</p>&l

60、t;p>　　圖2-17 二次整定得到的PID參數(shù)</p><p>　　在該參數(shù)下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為</p><p>　　圖2-18 二次整定后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)</p><p>　　二次整定后系統(tǒng)階躍響應(yīng)的性能指標(biāo)</p><p>　　ans =RiseTime: 0.0591</p><p>　　SettlingTi

61、me: 12.4573</p><p>　　SettlingMin: 64.6782</p><p>　　SettlingMax: 105.1588</p><p>　　Overshoot: 23.8771</p><p>　　Undershoot: 0</p><p>　　Peak: 105.1588</p&g

62、t;<p>　　PeakTime: 0.0915</p><p>　　進(jìn)行前后對(duì)比，可知，引入PID閉環(huán)控制后，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)雖出現(xiàn)了一定量的超調(diào)，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能可以得到很大改善，響應(yīng)速度更快，具有了抗干擾性,PID控制器對(duì)系統(tǒng)的校正效果是很明顯的。</p><p><b>　　2.3系統(tǒng)離散化</b></p><p>　　控制

63、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心工作是控制器的設(shè)計(jì)。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計(jì)使用模擬器件實(shí)現(xiàn)；在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計(jì)用軟件編程實(shí)現(xiàn)。無(wú)論是連續(xù)控制系統(tǒng)還是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，都需要借助于數(shù)學(xué)工具。在連續(xù)系統(tǒng)，時(shí)域設(shè)計(jì)用到微分方程，頻域設(shè)計(jì)用到傳遞函數(shù)。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，時(shí)域設(shè)計(jì)涉及差分方程，頻域設(shè)計(jì)涉及脈沖傳遞函數(shù)。我們習(xí)慣于用連續(xù)系統(tǒng)成熟的理論解決計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的某些分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題，控制器的設(shè)計(jì)同樣如此。通常先設(shè)計(jì)連續(xù)控制器，再將描述連續(xù)控

64、制器的數(shù)學(xué)模型時(shí)域的微分方程或頻域的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域的差分方程或頻域的脈沖傳遞函數(shù)，即數(shù)字控制器的數(shù)學(xué)模型。數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)大體上分成兩大類：經(jīng)典法設(shè)計(jì)和狀態(tài)空間法。經(jīng)典法設(shè)計(jì)可分兩種方法：離散化法和直接法。離散化法是設(shè)計(jì)連續(xù)控制系統(tǒng)的控制器，然后通過(guò)某種離散化方法轉(zhuǎn)化成數(shù)字控制器，這種方法僅能逼近連續(xù)系統(tǒng)的性能，不會(huì)由于連續(xù)系統(tǒng)的性能，但對(duì)熟悉連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者不失為一種較好的方法。</p><p>　　本次設(shè)

65、計(jì)中的單閉環(huán)PID控制器的離散化算法[]采用的是向后差分法，方法如下</p><p>　　圖2-19 PID控制器離散化圖</p><p>　　理想模擬PID控制器輸出方程如式（2.7）所示</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p>　　為比例系數(shù)，與比例帶互為倒數(shù)關(guān)系，即，為積分時(shí)間，為微分時(shí)間

66、，為PID控制器的輸出控制量，為PID控制器輸入的系統(tǒng)偏差量。</p><p>　　對(duì)上式作拉氏變換，得式(2.8)</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　由向后差分法，，近似得即，T為采樣周期對(duì)離散化得式(2.9)</p><p><b>　?。?.9）</b><

67、;/p><p>　　為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。</p><p>　　將式(2.9)化為差分方程得式(2.10)</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　由于式（2.10）中包含過(guò)去全部的偏差量，而且累加運(yùn)算編程不方便，計(jì)算量太大，需要將其改為遞推算法，對(duì)式(2.10)兩邊同時(shí)取一階向后差分得式(2

68、.11)</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　　即 </b></p><p><b>　?。?.12）</b></p><p>　　式(2.11)叫做數(shù)字PID增量式算法，式(2.12)叫做數(shù)字PID位置式算法，兩者形式不同，本質(zhì)相同，但

69、是，采用增量式算法，系統(tǒng)工作會(huì)更安全。一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，使控制信號(hào)為零時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置仍能保持前一步的位置，因而對(duì)系統(tǒng)安全不會(huì)有大的影響。</p><p>　　對(duì)某個(gè)控制系統(tǒng)而，無(wú)外乎是由一個(gè)或多個(gè)比例，積分，微分環(huán)節(jié)構(gòu)成，通過(guò)對(duì)上述單個(gè)PID離散化的認(rèn)識(shí)，我們可以很輕易的對(duì)更復(fù)雜的控制系統(tǒng)進(jìn)行離散化，在此不作一一推導(dǎo)。</p><p>　　2.4狀態(tài)空間法與串行算法模擬并行的探索&l

70、t;/p><p>　　2.4.1狀態(tài)空間法的啟示</p><p>　　經(jīng)典控制理論，適用于單輸入—單輸出（SISO）系統(tǒng)，而現(xiàn)代控制理論建立了狀態(tài)的概念，以狀態(tài)方程為基礎(chǔ)，以線性矩陣?yán)碚摓閿?shù)學(xué)工具，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，不僅適用于線性定常系統(tǒng)，而且適用于線性時(shí)變和非線性系統(tǒng)的分析，綜合。</p><p>　　經(jīng)典控制理論研究系統(tǒng)輸入-輸出之間的關(guān)系停留在系統(tǒng)的外部特征，因

71、而從綜合的角度看，它屬于試湊形式，即根據(jù)相關(guān)理論確定相關(guān)參量，再驗(yàn)證是否符合指標(biāo)要求，若不符合再重新修改參數(shù)并驗(yàn)證，直至得到滿意結(jié)果。而現(xiàn)代控制理論用狀態(tài)揭示了系統(tǒng)的內(nèi)部狀況，研究輸入-狀態(tài)-輸出的因果關(guān)系，這就從內(nèi)部，從本質(zhì)上掌握了系統(tǒng)的關(guān)系，從而可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)函數(shù)（性能指標(biāo)）求得最有控制規(guī)律。</p><p>　　圖2-20 狀態(tài)空間法簡(jiǎn)圖</p><p>　　對(duì)一個(gè)離散化的系

72、統(tǒng)而言，其狀態(tài)空間表示式[]一般形式為</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)向量，為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸出向量，為輸入向量，A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，B為控制矩陣，C為測(cè)量矩陣，D為直傳矩陣，若系統(tǒng)輸出滯后于輸入，則D矩陣為零。</p><p>　　對(duì)狀態(tài)空間法認(rèn)識(shí)的不斷深入，我越發(fā)了解到這種系統(tǒng)表示方式的好處

73、，它能確定某一時(shí)刻下，系統(tǒng)任一位置的值，而不是像以往只能知道整個(gè)系統(tǒng)的輸入與輸出，這種方法，讓整個(gè)系統(tǒng)變得更加的公開和透明，雖說(shuō)系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型可由MATLAB直接運(yùn)算得到，但那是建立在控制對(duì)象各參數(shù)已知的前提下，如果控制對(duì)象為一未知系統(tǒng)，PID控制器的各參數(shù)亦不能確定，我們又該如何建立這種狀態(tài)空間模型呢？黑箱系統(tǒng)是我們?cè)趯?shí)踐中往往會(huì)遇到的類型！為此，不得不進(jìn)一步加以思考。</p><p>　　2.4.2算法的

74、探索</p><p>　　以一個(gè)雙閉環(huán)PID控制，對(duì)象未知的控制系統(tǒng)為例，進(jìn)行模擬算法的探索。</p><p>　　圖2-21 雙閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖</p><p>　　對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，首先它是一個(gè)三個(gè)輸入，一個(gè)輸出的控制對(duì)象未知的系統(tǒng)，在三個(gè)輸入中，u0為輸入的期望值，u1,u2分別為反饋值，e1表示在節(jié)點(diǎn)1處的偏差，e2表示在節(jié)點(diǎn)2的偏差，x為PID1的輸出值

75、，y為PID2的輸出值。</p><p>　　這樣一來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)的輸入輸出量，中間量都被表示出來(lái)，下一步，是如何求這些量。如圖所示，將其視為離散系統(tǒng)，PID采用位置式算法，可知如下關(guān)系</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　根據(jù)上述關(guān)系式，在給定了輸入和PID參數(shù)的情況下，我們可以得到每一時(shí)刻系統(tǒng)的輸入輸出甚至是

76、中間量。</p><p>　　但是，在實(shí)際環(huán)境中，系統(tǒng)不可能是同步運(yùn)行，每一個(gè)環(huán)節(jié)輸入與輸出都是有時(shí)差的，這就需要我們用串行的算法來(lái)模擬系統(tǒng)的并行運(yùn)行。</p><p>　　我們對(duì)方程組作修改，結(jié)果如下，k時(shí)刻有</p><p><b>　　（2.15）</b></p><p>　　用C語(yǔ)言編程，程序見(jiàn)附錄，PID參數(shù)，

77、增益值均用宏定義，方便修改，u0,u1,u2均設(shè)置按時(shí)序賦1至8的整數(shù)值。</p><p>　　程序運(yùn)行的結(jié)果見(jiàn)圖2-24.</p><p>　　圖2-22 程序運(yùn)行結(jié)果</p><p>　　對(duì)模擬算法的探索至此結(jié)束，以上僅能說(shuō)明其可行性，至于這種模擬的準(zhǔn)確度等等方面還有待進(jìn)一步深入探討。</p><p><b>　　3、實(shí)踐設(shè)計(jì)篇

78、</b></p><p><b>　　3.1整體方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)實(shí)踐的系統(tǒng)為具有轉(zhuǎn)速反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，用固定在電機(jī)上的正交編碼器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，信號(hào)線將脈沖信號(hào)送入STM32單片機(jī)中，單片機(jī)以編碼器模式計(jì)數(shù)，并通過(guò)單片機(jī)一系列的計(jì)算，獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這個(gè)速度與設(shè)定的速度進(jìn)行比較，得出差值，對(duì)這個(gè)差值進(jìn)行PID運(yùn)算，改變單片機(jī)

79、輸出PWM的占空比值，通過(guò)H橋驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><p>　　圖3-1 方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖</p><p>　　圖3-2 電路連接示意圖</p><p><b>　　3.2硬件部分</b></p><p>　　硬件設(shè)計(jì)部分主要包括了STM32開發(fā)板，L298N驅(qū)動(dòng)電路，正交編碼器測(cè)速，穩(wěn)壓電源電路</p&g

80、t;<p>　　3.2.1 STM32開發(fā)板</p><p>　　本次設(shè)計(jì)選用的是ALIENTEK MiniSTM32開發(fā)板，它的MCU是STM32F103RBT6，STM32作為基于ARM Cortex-M3的單片機(jī)，無(wú)疑具有高性能，低功耗等優(yōu)點(diǎn)。該芯片還擁有20K SRAM、128K FLASH、3個(gè)普通的16位定時(shí)器、一個(gè)16位的高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)SPI、2個(gè)IIC、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)C

81、AN、2個(gè)12位的ADC、51個(gè)通用IO口。當(dāng)然與本次設(shè)計(jì)相關(guān)的主要是那四個(gè)定時(shí)器，USB轉(zhuǎn)串口部分，以及I/O口[]。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中，一共用到了三個(gè)通用定時(shí)器，3個(gè)I/O口，以及單片機(jī)自帶的輸出電源。</p><p>　　TIM2是用來(lái)產(chǎn)生PWM信號(hào)，為PWM模式1，信號(hào)的通道是CH2，由原理圖可知，PA1即為PWM輸出口，接L298N的ENA。</p>

82、<p>　　TIM3設(shè)為編碼器模式，是TL1，TL2，X4模式，故需要兩個(gè)輸入口，PA6，PA7分別接編碼器的A,B相。</p><p>　　TIM4設(shè)為計(jì)數(shù)器模式，向上計(jì)數(shù)，由于使用時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)脈沖，因而成了定時(shí)器，可根據(jù)其溢出中斷來(lái)進(jìn)行M法測(cè)轉(zhuǎn)速，不需要使用I/O口。</p><p>　　3.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖3-3 L

83、298N接線原理圖</p><p>　　圖3-4 L298N具有使能控制和方向邏輯的H橋電路</p><p>　　根據(jù)L298N的H橋電路，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)就只需要用三個(gè)信號(hào)控制：兩個(gè)方向信號(hào)和一個(gè)使能信號(hào)。如果IN1信號(hào)為0，IN2信號(hào)為1，并且使能信號(hào)ENA是1，那么三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流從OUT1至OUT2流經(jīng)電機(jī)；如果IN1信號(hào)變?yōu)?，而IN2信號(hào)變?yōu)?，那么Q2和Q3將導(dǎo)通，電流則

84、反向流過(guò)電機(jī)，從而達(dá)到控制正反轉(zhuǎn)的目的。由此分析出L298N輸入輸出的關(guān)系，見(jiàn)表3-1.</p><p>　　表3-1 L298N輸入輸出關(guān)系表</p><p>　　表中：H 高電平，L低電平，X未知</p><p>　　3.2.3正交編碼器測(cè)轉(zhuǎn)速</p><p>　　本次設(shè)計(jì)用的是霍爾效應(yīng)正交編碼器，單相輸出16CPR，它直接與電動(dòng)機(jī)主軸

85、連接，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，輸出一系列的脈沖信號(hào)。編碼器在碼盤上均勻刻著一定數(shù)量的光柵，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可通過(guò)光柵的作用，持續(xù)不斷地開放或封閉光通路，輸出端便得到了頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波序列，從而計(jì)算轉(zhuǎn)速[]。</p><p>　　為了獲得轉(zhuǎn)速的方向，可增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開光柵節(jié)距的1/4，使得兩組脈沖序列A和B的相位相差為90度，正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相，反轉(zhuǎn)時(shí)B

86、相超前A相。A,B相90度的相位差，不但可以用來(lái)判斷正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，也可以在檢測(cè)A,B相上下沿時(shí)獲得四倍頻，這就大大提高了檢測(cè)精度。有些光電編碼器除了A,B相外還有一個(gè)Z 相，Z 相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。</p><p>　　增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡(jiǎn)單，機(jī)械平均壽命可在幾萬(wàn)小時(shí)以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，適合于長(zhǎng)距離傳輸。其缺點(diǎn)是無(wú)法輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)位置信息。</p><p&g

87、t;　　圖3-5 順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)正交編碼器的輸出波形</p><p>　　順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，A相超前B相90度，逆時(shí)針時(shí)，B相超前A相90度，據(jù)此，根據(jù)A,B相波形可得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向信息，判定表見(jiàn)下表3-2。</p><p><b>　　表3-2轉(zhuǎn)向判定表</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)用的是M法測(cè)量轉(zhuǎn)速，每隔時(shí)間Ts檢測(cè)一次到目前為止轉(zhuǎn)過(guò)的圈

88、數(shù)N與當(dāng)前寄存器TIM3->CNT計(jì)數(shù)值count（可用它來(lái)求當(dāng)前電機(jī)的角度），則電機(jī)轉(zhuǎn)速為</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　,T時(shí)間后轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)；，T時(shí)間前轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)，，T時(shí)間后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，T時(shí)間前計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值</p><p>　　至于判斷正反向，由于STM32的編碼器模式可在寄存器中讀取當(dāng)前計(jì)數(shù)模

89、式，并自動(dòng)根據(jù)正、反方向自動(dòng)加減計(jì)數(shù)，故軟件不需要利用A,B相輸出波形的高低電平做正反轉(zhuǎn)判斷。</p><p>　　3.2.4穩(wěn)壓電源電路</p><p>　　L298N部分電源，編碼器的電源均來(lái)自STM32開發(fā)板的輸出電源，電機(jī)的電源來(lái)自與改裝的變壓器。</p><p><b>　　3.3軟件模塊</b></p><p&g

90、t;　　軟件具有1個(gè)循環(huán)主程序，四個(gè)功能模塊序分別為：串口模塊—速度給定與速度顯示，速度測(cè)定與方向判定模塊，PID算法模塊，PWM輸出模塊。</p><p>　　圖3-6 主程序流程簡(jiǎn)圖</p><p>　　3.3.1PWM生成子程序</p><p>　　圖3-7 PWM程序流程圖</p><p>　　由于STM32的高級(jí)或是通用定時(shí)器均有P

91、WM模式，能直接生成PWM，我們只需要對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行操作即可得到想要的PWM。還有一點(diǎn)需要注意，STM32的功耗是很低的，之所以低功耗是因?yàn)樵谝话銧顟B(tài)下，STM32的外設(shè)是關(guān)閉的，所以在編程時(shí)，不管是I/O口還是其他部分，都必須首先進(jìn)行時(shí)鐘使能。</p><p>　　定時(shí)器TIM2生成PWM的初始化函數(shù) PWM_Init(u16 arr,u16 psc)，其中參數(shù)psc的作用是使得計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率 為分頻器時(shí)

92、鐘輸入，本次設(shè)計(jì)中為72Mhz。參數(shù)arr的作用是獲得PWM的頻率初始化后，決定PWM占空比的寄存器則是16位的捕獲/比較寄存器，可對(duì)其直接賦值，得到的占空比為 []。</p><p>　　3.3.2串口模塊—速度給定與速度顯示</p><p>　　圖3-8 速度給定流程圖</p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是串口通信，可以通過(guò)串口助手來(lái)輸入速度與顯示速度，在串口

93、初始化后，在通過(guò)判斷寄存器USART1->SR第5位是否為1，可知數(shù)據(jù)是否就緒，若為1，將通過(guò)串口輸入的字符會(huì)儲(chǔ)存在我們定義的向量code1[]，字符的長(zhǎng)度則用len讀取，再調(diào)用函數(shù)code1_dutycycle(u16 dutycycle,u16 code1[],u8 len)，將code[t]中ASCII碼的數(shù)字字符轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)字，記為輸入轉(zhuǎn)速。</p><p>　　至于速度顯示則相對(duì)簡(jiǎn)單，直接調(diào)用P

94、rintf(),就可在串口顯示當(dāng)前的速度，但要注意的是，Printf（）在輸出時(shí)需要占用大量的時(shí)間，需要在后面加上delay_ms()延時(shí)函數(shù)，一個(gè)Printf（）需要100ms才能保證顯示的準(zhǔn)確性，若用LCD則無(wú)此顧忌，這是一個(gè)需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。</p><p>　　3.3.3速度測(cè)定與方向判斷子程序</p><p>　　圖3-9 速度測(cè)定與方向判斷子流程圖</p>&

95、lt;p>　　首先是編碼器模式初始化函數(shù)SetTIM3EncoderMode，不作預(yù)分頻，即寄存器TIM3->PSC=0，將寄存器TIM3->ARR設(shè)置為光電編碼器每圈脈沖數(shù)，由于是A，B相同時(shí)輸入的4X模式，故每圈脈沖數(shù)為64，TIM3->ARR=64-1=63。這樣設(shè)定后，編碼器每轉(zhuǎn)一圈，TIM3都將產(chǎn)生一次中斷，在中斷服務(wù)函數(shù)中，設(shè)置根據(jù)寄存器TIM3->CR1方向位第4位DIR，來(lái)設(shè)置電機(jī)正反向標(biāo)志

96、位flag，分別對(duì)正反向圈數(shù)計(jì)數(shù)的變量增減。</p><p>　　定時(shí)器TIM4設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，通過(guò)設(shè)置TIM4->PSC=7199,則計(jì)數(shù)頻率</p><p>　　再設(shè)置TIM4->ARR=10000，可知TIM4計(jì)數(shù)到10000則溢出，即每1s產(chǎn)生一次中斷，在TIM4的中斷服務(wù)函數(shù)中，根據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位，由公式（3.1）求得轉(zhuǎn)速。</p><p&g

97、t;　　3.3.4 PID算法模塊</p><p>　　本次設(shè)計(jì)僅有轉(zhuǎn)速反饋，是單閉環(huán)控制，程序中加入了位置式式PID算法。</p><p>　　而對(duì)應(yīng)的PIDcontrol函數(shù)中的算法是</p><p><b>　　,,</b></p><p>　　這次設(shè)計(jì)的PID算法，輸入是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸出卻是占空比值，那么如能找到

98、占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的函數(shù)關(guān)系，將能極大地方便我們整定PID的參數(shù)，所以我在PID算法中，預(yù)先根據(jù)實(shí)測(cè)值擬合出來(lái)的占空比與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為了占空比，然后進(jìn)行PID運(yùn)算從而直接得到占空比，但這種方法有很大的局限性。</p><p>　　因此，在不使用轉(zhuǎn)速與占空比關(guān)系的情況下，我還整定另外一種情況的PID參數(shù)：輸入為速度，輸出為PWM值，即TIM2->CCR2的值。</p><p&g

99、t;　　圖3-10 PID算法流程圖</p><p><b>　　4、實(shí)踐檢驗(yàn)篇</b></p><p><b>　　4.1 實(shí)物連接圖</b></p><p>　　圖4-1 電機(jī)控制實(shí)物圖</p><p>　　4.2用MATLAB曲線擬合方法確定占空比與空載電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系</p>

100、<p>　　編寫一個(gè)串口直接輸入占空比的函數(shù)，檢測(cè)不同占空比下的轉(zhuǎn)速值，得到表4.1數(shù)據(jù)，在MATLAB繪得圖4-2 </p><p>　　表4.1 不同占空比下測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速</p><p>　　圖4-2 表4.1數(shù)據(jù)在MATLAB繪制的X-Y坐標(biāo)圖</p><p>　　用MATLAB的CFTOOL工具箱進(jìn)行擬合[]分別采用線性擬合與多項(xiàng)式擬合<

101、;/p><p><b>　　1.線性擬合</b></p><p>　　圖4-3 線性擬合曲線</p><p>　　Linear model Poly1:</p><p>　　f(x) = p1*x + p2</p><p>　　Coefficients (with 95% confidence bou

102、nds):</p><p>　　p1 = 0.004798 (0.00444, 0.005155)</p><p>　　p2 = 53.89 (51.84, 55.95)</p><p>　　Goodness of fit:</p><p>　　SSE: 17.05</p><p>　　R-square: 0.99

103、17</p><p>　　Adjusted R-square: 0.9907</p><p>　　RMSE: 1.46</p><p>　　其中：SSE：誤差平方和；R-Square：復(fù)相關(guān)系數(shù)或復(fù)測(cè)定系數(shù)；Adjusted R-Square：調(diào)整自由度復(fù)相關(guān)系數(shù)；Root mearn squared error(RMSE)：均方根誤差</p><

104、;p><b>　　2.三次多項(xiàng)式擬合</b></p><p>　　圖4-4 多項(xiàng)式擬合曲線</p><p>　　Linear model Poly3:</p><p>　　f(x) = p1*x^3 + p2*x^2 + p3*x + p4</p><p>　　Coefficients (with 95% conf

105、idence bounds):</p><p>　　p1 = 5.533e-011 (2.463e-011, 8.603e-011)</p><p>　　p2 = -9.886e-007 (-1.475e-006, -5.026e-007)</p><p>　　p3 = 0.009779 (0.007587, 0.01197)</p><p

106、>　　p4 = 48.01 (45.44, 50.58)</p><p>　　Goodness of fit:</p><p><b>　　SSE: 2.31</b></p><p>　　R-square: 0.9989</p><p>　　Adjusted R-square: 0.9983</p>

107、<p>　　RMSE: 0.6205</p><p>　　對(duì)比兩次擬合的擬合度可知，三次多項(xiàng)式的擬合曲線更加逼近于真實(shí)的數(shù)據(jù)，但顯然，對(duì)于本次設(shè)計(jì)，只需要用線性擬合的函數(shù)就可以得到較好的擬合度，所以占空比與轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系設(shè)定為</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　4.3簡(jiǎn)單閉環(huán)控制試驗(yàn)</p&g

108、t;<p>　　利用之前得到的占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，設(shè)計(jì)不含PID算法的簡(jiǎn)單閉環(huán)控制，進(jìn)行試驗(yàn)。</p><p>　　簡(jiǎn)單閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)思想：利用串口直接輸入轉(zhuǎn)速，利用公式（4.1），將其轉(zhuǎn)化為占空比值，將該占空比值轉(zhuǎn)換為PWM信號(hào)傳給電機(jī)，不斷檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，若電機(jī)轉(zhuǎn)速低于給定速度，則占空比加1，若電機(jī)轉(zhuǎn)速大于給定速度，則占空比減1。</p><p>　　第一步：通過(guò)串口給定電

109、機(jī)轉(zhuǎn)速3000，串口立刻給出由擬合函數(shù)計(jì)算出來(lái)的占空比68，接著進(jìn)一步進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖4-5 輸入轉(zhuǎn)速時(shí)串口助手的顯示圖</p><p>　　第二步：10s后，電機(jī)基本穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)的轉(zhuǎn)速如下圖</p><p>　　圖4-6 穩(wěn)定時(shí)串口助手的顯示圖</p><p>　　不難計(jì)算出控制的穩(wěn)態(tài)誤差為，誤差較大。</p>

110、;<p>　　當(dāng)然若想進(jìn)一步得到更高精度的控制，可以從兩個(gè)方面著手：1.優(yōu)化程序，提高程序的運(yùn)行速度；2 定時(shí)器TIM4測(cè)轉(zhuǎn)速的時(shí)間可以進(jìn)一步減少，比如說(shuō)0.5s測(cè)一次轉(zhuǎn)速，這樣一來(lái)速度的實(shí)時(shí)性就能進(jìn)一步提高；3 還可以修改每次占空比增減的步長(zhǎng)，比如說(shuō)占空比每次增減1，變?yōu)槊看卧鰷p0.5，是的控制更精確，但是這樣一來(lái)意味著每次達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間會(huì)增加。</p><p>　　4.4 PID算法試驗(yàn)<

111、/p><p>　　借用公式（4.1），將每次得到的速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比信號(hào)，再進(jìn)行PID控制，這樣可大大降低PID參數(shù)整定的難度。</p><p>　　這次PID參數(shù)整定用的是試湊法，因?yàn)榭刂齐姍C(jī)不允許出現(xiàn)震蕩的，前面理論部分的臨界比例度法就不能用了，直接采用湊試法。</p><p>　　在進(jìn)行過(guò)一番PID參數(shù)試驗(yàn)后，在進(jìn)行多組試驗(yàn)后，我發(fā)現(xiàn)PI控制就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行很好

112、地控制，加入微分環(huán)節(jié)KD反而容易引起震蕩，在KP=1.8，KD=0的前提下，對(duì)不同值的KI，設(shè)定同樣的期望轉(zhuǎn)速3000R/min時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4-6。</p><p>　　圖4-7 不同KI值對(duì)應(yīng)的速度曲線</p><p>　　由上圖分析可得，較理想的PID參數(shù)是KP=1.8，KI=0.6，因?yàn)樗粌H超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間小，穩(wěn)態(tài)誤差也小。</p><p>　　

113、但是當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)速設(shè)置為3500R/min是，在3000R/min下較理想的PID參數(shù)KP=1.8，KI=0.6，KD=0的系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量過(guò)大，系統(tǒng)近乎不穩(wěn)定，在又一番調(diào)試后我發(fā)現(xiàn)KP=1.8，KI=0.4，KD=0能滿足要求，不過(guò)超調(diào)量也很大大，約為40%，但系統(tǒng)能穩(wěn)定下來(lái)，這說(shuō)明，對(duì)同一個(gè)控制對(duì)象-電機(jī)，不同的期望轉(zhuǎn)速所需要的PID參數(shù)也是不同的，這要求PID控制器使用更為先進(jìn)的算法，比如說(shuō)模糊控制和自適應(yīng)整定等等[]。</p&g

114、t;<p>　　4.5第二次PID算法試驗(yàn)</p><p>　　前面雖然借助了占空比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系導(dǎo)致PID參數(shù)整定難度大大降低，但當(dāng)電機(jī)受載或者說(shuō)受載變化時(shí)，這一絕對(duì)的公式就失去了意義，甚至反過(guò)來(lái)影響控制的精度，因而，要想電機(jī)的控制具有通用性，就不能用到這樣的公式。但這公式的價(jià)值不容否認(rèn)，在其適用條件下，PID參數(shù)整定是很方便的。在不借助這個(gè)公式的情況下時(shí)，我進(jìn)行了多番試湊，得到了一組較好的PID參