基于单片机的运动控制系统(3)

型器件的开关频率很高，电流容易连续，谐波少。与V-M系统相比，低速性能好，稳态精度高，因而调速范围宽，而且由于采用不可控整流电路，电网的功率因数比较高。

但是该系统也有它自身的缺点：（1）在有制动电流通道的不可逆直流PWM调速系统中，由于PWM变换器的直流电源通常有不可控的二极管整流得到，因此当电机工作于制动状态时，由于二极管的单向导电性，电能不能返回交流电网，只能对滤波电容充电，使得直流侧电压升高，称为“泵升电压”，有可能将滤波电容击穿。

（2）如果采用双极性控制，有可能使四个开关器件同时处于开关状态，开关损耗增大，并且在切换时可能导致上下桥臂直通的事故，此时变换器的输出电压为

Ud?(2*ton?1)*Us，式中ton—PWM波高电平持续时间；T—PWM波周期；Us—直流电源T电压。

由表达式知当PWM波的占空比为0.5时，电机停止转动，但此时电机的电枢电压瞬时值并不为零，而是正负交变的脉冲电压，因而电枢电流也是交变的，由于其平均值为零，故不会产生平均转矩，只会造成转矩脉动，增大电机的损耗。

综合比较两种调压方案的优缺点选择电路相对简单，调速性能较好的的PWM直流调速系统。

2.4 控制回路选择

根据控制理论的知识，直流调速可以分为开环控制和闭环控制。而对于调速系统转速控制的要求包括：

(1)调速：在系统所允许的最高转速和最低转速之间，有级或无级的调节转速。 (2)稳速：能够以一定精度在所需的转速上稳定运行，在扰动作用下，能够尽快的回复，避免较大的转速波动。

（3）加、减速：加速、减速应尽量快而平稳。 衡量调速系统的稳态性能指标为：“调速范围（D）”和“静差率（S）”，二者和额定转速之间的关系为：D?nN*s 式中?n—额定速降。由关系式知调速范围和静差率之间

?n*(1?s)相互制约，为了既要扩大调速范围，又要降低静差率，只能减少负载所引起的转速降落，但是在开环调速系统中，转速降落由电机参数所决定，因此开环系统无法实现该目标，而且开环系统抗扰动性能较差，因此在精度要求较高的场合多采用闭环控制。

目前的直流调速系统主要有单闭环和双闭环控制系统。单闭环调速系统一般采用转速负反馈，引入转速负反馈后，系统在同样负载扰动下的转速降落要比开环系统小得多，机械特性也比较硬，同时对于同样的静差率要求，其调速范围提高许多。究其原因，虽

R*I然在闭环调速系统中，电机的额定转速降落仍然为?n?，但是当负载发生变化时，

Ce经过转速反馈，使得调节器的输出发生变化，进而改变电机的电枢电压，以补偿电枢回

路电阻上的压降，维持转速稳定。

单闭环直流调速系统结构图2.2所示：

?Un?U调节器Uc驱动装置Ud控制对象（电动机）nUn反馈环节

图2.2 转速单闭环调速系统

反馈控制系统具有良好的抗扰动性能，能够有效地抑制一切被反馈通道所包围的前向通道上的扰动，如负载扰动、交流电源电压波动、电机励磁变化、放大器输出发生漂移，温度上升所引起的电枢回路电阻增加等，但遵从给定作用的变化。

直流调速双闭环结构在转速单闭环结构的基础上增加电流环，转速环作为外环，电流环作为内环，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为触发装置的控制电压，进而调节转速。

双闭环结构除了具有转速单闭环的优点外，响应速度更快，主要是由于电机启动时，转速很低，转速调节器的输入比较大，使得转速调节器饱和输出，又因为在工程设计中，电流调节器主要以快速跟随性为主，所以电流调节器一般不会饱和输出，这样在启动阶段，电机能以所允许的最大电枢电流启动，减少启动时间；另外双闭环的抗扰动性能也比单闭环较好。例如，单闭环调速系统虽然能够抑制电网电压所引起的转速波动，但是电网电压扰动已经造成了转速的变化，属于转速变化后才消除这种影响，可是在双闭环调速系统中，电网电压的扰动通过电流反馈及时得到调节，不必等到产生转速波动后才反馈回来，因此在双闭环结构中抗扰动性能得到改善。

综上所述：双闭环结构中，转速调节器为主要导节器，其输出限幅值决定了电流调节器的输入，为实现转速无静差，转速调节器多采用PI调节器。而电流调节器主要是使电枢电流快速跟随转速调节器输出变化，加速电机启动过程，及时对电网电压扰动起抵抗作用，限制电枢电流，对电机起到保护作用，为实现电流无静差，电流调节器也设计为PI调节器。

鉴于三种调速系统的特点，虽然转速、电流双闭环结构实现比较复杂，但是其转速控制性能最好，故本次设计采用双闭环结构。

双闭环调速系统稳态结构图如下所示：

Id?RU?n+?UUn-转速调节器-电流调节器驱动装置Ud-ECena

图2.3 转速、电流双闭环直流调速系统

图中α—转速反馈系数；β—电流反馈系数

2.5 上位机界面选择

本次上位机界面主要是为了远程显示电机运行状态，并将数据保存。有两种方案供选方案一：Matlab是一种解释执行的脚本语言，不仅可以解释并执行用户的数值计算程

择：第一种为采用Matlab GUIDE；第二种采用Visual Basic语言编程。

序，在命令行方式下进行工作，还可以在脚本程序控制下生成图形界面，使得应用程序的界面更加友好。虽然这种方式的可移植性比较好即在不同的Matlab版本中脚本程序都可运行，但是设计过程颇为费时，完全手工编写代码的效率比较低下。和VB、VC等界面设计软件一样，Matlab也具有方便的图形界面设计工具GUIDE。设计界面时，选中相应的控件后需要编写对应的回调函数callback（）即Matlab后台执行的程序，另外，为了与单片机通信，需要打开串口控件，利用serial（）函数打开相应的串口并设定串口波特率、数据位、停止位等参数。

打开串口后PC机便可与单片机通信，Matlab有两种方式从串口读数据，一种为同步读操作，计算机不断地查询串口，而且串口传送两个字节数据之间的间隔相对于告高速的CPU也是有比较长的时间的，如果不断地等待下去，整个Matlab便会失去响应，这种方式相当于单片机检测键盘的查询方式，编程虽然简单，但是极大地占用系统资源。另一种为异步读操作，相当于中断方式，实际上是采用事件驱动的方式读取数据。Matlab常用的串口通信中断事件有：缓冲区有指定字节的数据（bytesavailable event），串行口的引脚状态改变（pin-status event）,输出缓冲区为空（output empty event）等事件。

当串口上有监视的事件发生时，便会调用回调函数进行处理，回调函数相当于中断处理函数，这种方式效率较高，但是程序编写比较复杂。PC机从串口读取数据后便可以利用Matlab强大的图形处理功能绘制图形。

方案二：作为一种专门的窗口程序设计语言，Visual Basic与Matlab GUI具有许多相似之处，设计也由两部分组成，即窗口设计和程序编写，VB也具有许多标准控件用于辅助设计，但是在VB中进行串口通信需要用到MSComm控件，该控件使得串口编程时非常方便。MSComm控件通过串口传输和接受数据时，也有两种通信方式。一种为事件驱动方式，它相当于程序设计中的中断方式，当串口产生事件时，MSComm控件会产生OnComm事件，并进行处理，该方法响应及时，可靠性高。另一种为查询方式，但VB中多采用计时器Timer实现定时查询，而且VB的编程语言类似于C语言，比较容易上手。

Matlab虽然图形处理很强大，界面也更加美观，但是该软件安装比较复杂，编写控件的回调函数比较复杂，相比之下，VB更适合工程设计。

第三章 硬件设计

本章的主要内容有电源电路的设计，控制芯片的选择，电机驱动方法，转速和电流的测量方法以及键盘和显示模块的设计。 3.1 电源模块

本次设计中直流电机采用12V电压供电，单片机和液晶屏采用5V电压

方案一：采用多节1.5V干电池串联可产生5V以上电压，这种方式成本低，结构简单，便于携带，但是电压不稳定，而且容易造成污染。

方案二:采用变压器将220交流电变换成低电压交流电，经过整流后得到直流电压，在经过稳压模块稳压和电容滤波得到稳定的直流电压。

由于本次设计需要的电压值不同，且稳定性要求比较高，因此选择方案二。 电源模块电路图如下：

图3.1 电源模块电路图

电路图中器件选型及作用：

变压器选择220V/12V，因为整个电路的器件的功率比较小，电流不会大于1A，因此变整流桥二极管承受的最大反向电压应参考变压器二次侧有效值，本次设计所选整流桥电容选择及作用（从左至右依次为C1、C2、C3、C4）：电容C1将整流桥输出的脉动直流进行滤波，继而得到近似的直流电压，故电容值应比较大，耐压值应大于变压器二次侧最大电压，本次设计C1的耐压值为50V。C2用来消除输入端较长的接线的电感效应，以防止自激震荡，还可抑制电源的高频干扰。输出端电容C3用于改善负载的瞬态效应，消除噪声干扰，同时大电容C3有储存电能作用，使得输出电压稳定。 压器的容量选择15W。 的所允许电流为1A。

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