位置随动系统设计大学毕业设计论文文档格式.docx
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1.1位置随动系统
1.1.1位置随动系统的概念
位置随动系统也称伺服系统,是输出量对于给定输入量的跟踪系统,它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。
位置随动系统的被控量(输出量)是负载机械空间位置的线位移和角位移,当位置给定量(输入量)作任意变化时,该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化,所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。
位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。
它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。
随着科学技术的发展,在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。
例如,数控机床的定位控制和加工轨迹控制,船舵的自动操纵,火炮方位的自动追踪,宇航设备的自动驾驶,机器人的动作控制等等,随着机电一体化技术的发展,位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可或缺少的设备,是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。
1.1.2位置随动系统的特点及品质指标
位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统,即通过对输出量和给定量的比较,组成闭环控制,这两个系统的控制原理是相同的,对于拖动调速系统而言,给定量是恒值,要求系统维持输出量恒定,所以抗扰性能成为主要技术指标。
对于随动系统闻言,给定量即位置指令是经常变化的,是一个随机变量,要求输出量准确跟随给定量的变化,因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要主要性能指标。
位置随动系统需要实现位置反馈,所以系统结构上必定要有位置环。
位置环是随动系统重要的组成部分,位置随动系统的基本特征体现在位置环上。
根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理,位置随动系统分为模拟与数字式两类。
总结后可得位置随动系统的主要特征如下:
1.位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。
2.必须具备一定精度的位置传感器,能准确地给出反映位移误差的电信号。
3.电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。
4.控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求,其中快速响应中,更强调快速跟随性能。
1.1.3位置随动系统的结构组成
机电一体化的随动控制系统的结构,类型繁多,但从自动控制理论的角度来分析,伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
1.比较环节:
是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较,以获得输出与输入间的偏差信号的环节,通常由专门的电路或计算机来实现。
2.控制器:
通常是计算机或PID控制电路,其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理,以控制执行元件按要求动作。
3.执行环节:
作用是按控制信号的要求,将输入的各种形式的能量转化成机械能,驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压,气动伺服机构等。
4.被控对象:
机械参数量包括位移、速度、加速度、力和力矩为被控对象。
5.检测环节:
是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置,一般包括传感器和转换电路。
1.1.4随动系统的控制要求
1.系统精度
随动系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。
2.稳定性
随动系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后,系统能够恢复到原来稳定状态的能力;
或者当给系统一个新的输入指令后,系统达到新的稳定运行状态的能力。
随动系统正常运行的最基本条件是系统必须是稳定的,否则其他性能指标都是毫无意义的。
随动系统的稳定性包括两方面的含义:
一是通常意义的稳定性;
另一方面是系统的稳定程度,或者说系统震荡的程度,指系统的相对稳定性。
例如,一个系统虽然是稳定的,但在收到扰动作用后,震荡倾向很强烈,而震荡的衰减却很慢,这种系统的稳定度就很差。
必须注意的是,稳定性只表示系统本身的一种特性,它决定系统结构与元件参数,与外部输入指令或扰动信号无关。
3.响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度,决定了系统的工作效率。
响应速度与许多因素有关,如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。
4.工作频率
工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。
当工作频率信号输入时,系统能够按技术要求正常工作;
而其它频率信号输入时,系统不能正常工作。
1.2课程设计
1.2.1课程设计目的
利用位置传感器和直流电动机的位置随动系统,见图1-1。
该系统是利用位置传感器形成位置环,由所选定的单片机来完成数字控制器。
1.2.2课程设计要求
1.定位精度0.4°
。
2.定位过程超调量<10%。
3.输入阶跃、速度、加速度转角信号时,调节时间为250ms。
1.2.3课程设计指导
利用单片机实现全数字位置随动系统,由键盘输入PID参数及给定值。
利用功能键实现点动和自动以及复位。
直流电动机实现可逆运行,并由位置传感器(如光电码盘等)检测转角信号,经频压转换电路实现位置检测。
控制器参数可以用SIMULINK仿真确定,但为了实现系统快速性好、超调小和无静差的控制要求,设计中可采用积分分离式PID控制算法。
(注:
控制算法也可以自行设计)
手柄
角度盘
直流电机
位置给定
位置反馈
电源
键盘输入
图1-1全数字位置随动系统示意图
2位置控制系统总体设计方案
2.1随动系统控制方案的选择
2.1.1方案一
双闭环随动系统由两个闭环组成,可以构成两种不同形式的双环位置随动系统,即位置-速度双环随动系统。
图2-1双闭环系统结构图
其中在里面的反馈环是速度环,在外面的反馈环是位置环。
一般来说,双闭环系统具有比较满意的动态性能:
1.动态跟随性能
双闭环系统在启动和升速过程中,能够在电流受到电机过载能力约束条件下,表现出很快的动态跟随性能。
只要指定位置参数,它便迅速控制电机正转或反转,以达到指定的目的。
2.态抗扰性能
当系统处于正常工作时,出现不正常的扰动干扰时,位置反馈系统便把位置信号反馈回主控制系统,之后,便会调节电机,使其转速提高或下降,最终达到控制稳定的目的。
因此,本系统具有极强的抗干扰性能。
为了提高系统快速跟随能力,要求外环即位置环有较高的截止频率,因为外环的截止频率表征了系统的快速性。
2.1.2方案二
在双闭环随动系统基础上加电流反馈,组成三环随动系统。
和双闭环控制系统一样,多环控制控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环,逐个设计各环节的调节器。
按此规律,对于如图的三环位置随动系统,应先设计电流调节器,
然后将电流环简化成转速环中的一个环节,和其他环节一起构成转速调节器的控制对象,再设计电流调节器。
最后,再把整个转速环简化位置环中的一个环节,从而设计位置调节器。
逐环设计可以使每个控制环都是稳定的,从而保证整个控制系统的稳定性。
图2-2三闭环系统结构图
2.1.3两个方案的比较
三环控制的优点明显,当电流环和转速环内的对象参数变化或扰动时,电流反馈和转速反馈都能起到及时的抑制作用,使之对位置环的工作影响很小,同时每个环节都有自己的控制对象,分工明确,易于调整。
但同时,三环的逐环设计的多环控制系统也有明显的不足,即对外环的控制作用的响应不会很快。
这是因为设计每个环节时,都要将内环等效成其中的一个环节,为这种等效环节传递函数之所以能够成立,是以外环的截止频率圆圆低于内环为前提的。
由此可知位置环的截止频率会被限制的很低,从而影响系统的快速性。
但在近代数字控制的随动系统中,控制对象的快速响应性能已经大大提高,个控制环的采用周期也可以大大缩短,其转速环频率也大大提高,因而位置环的截止频率也得到显著的提高,在要求高动态性能的数控机床轨迹控制和机器人控制中都取得了很好的应用效果。
在实际工作中,我们希望在电机最大电流(转矩)受限的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。
此时,双闭环随动控制系统就不能很好的满足这个要求。
而三环控制则能使控制达到完美的地步[1]。
综上所述,我选择方案二,使用三环随动控制系统。
2.2位移检测装置的选择
位置随机系统的区别首先在于信号的检测位置随机系统的区别首先在于信号的检测。
由于位置随机系统要控制的量多数是直线位移或角位移,组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量,这就需要位移检测装置。
位置随动系统中常用的位移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘、光栅等。
1.自整角机
自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角,以实现角度传输、变换和指示的元件。
它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置,也可以在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置,以使机械上互不相联的两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转。
通常是两台或多台组合使用。
2.旋转变压器
旋转变压器是—种转角检测元件。
它实际上是一种特制的两相旋转交流发电机,它有定子和转子两部分,在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。
当转子旋转时,定、转子绕组间的相对位置之变化,使输出电压与转子角呈一定的函数关系。
在不同的自动控制系统中,旋转变压器有多种类型和用途,在随动系统中主要用作角度传感器。
3.感应同步器
感应同步器的工作原理与旋转变压器一样。
4.光电编码盘
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
光电编码器每转输出600个脉冲,五线制。
其中两根为电源线,三根为脉冲线(A相、B相、Z)。
电源的工作电压为(+5~+24V)直流电源。
光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴,电动机旋转时,光栅盘与电动机同速旋转,经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号,其原理示意图如下图2-3所示;
通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外,为判断旋转方向,码盘还可提供相位相差90º
的两路脉冲信号[2]。
图2-3光电编码器原理示意图
工作原理:
当光电编码器的轴转动时A、B两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差90度相位角,由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。
如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转,否则为反转。
Z线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲,主要用作计数。
A线用来测量脉冲个数,B线与A线配合可测量出转动方向。
光电编码器能将测到的信号转换为微处理器所需要的编码。
在这次设计中需要将对被控电机的检测信号送入微处理机(单片机),单片机需要的是二进制码,而光电编码器的输出恰好是二进制码。
于是在本设计中所用到的检测装置为光电编码盘。
2.3PID算法的选择
1.微分先行PID控制算法
微分先行PID控制算法的特点是只对输出量y(t)进行微分,而对给定值r(t)不作微分。
这样,在改变给定值时,对系统的输出影响是比较缓和的。
这种对输出量先行微分的控制算法特别用于给定值频繁变化的场合,可以避免因给定值升降所引起的超调量过大、阀门动作过分震荡,明显的改善了系统的动态特性。
2.带死区的数字PID控制算法
在计算机控制系统中,有事不希望控制系统频繁动作,如中间容器的页面控制及减少执行机构的磨损等,这是可采用带死区的PID控制算法。
所谓带死区的PID,是在计算机中人为的设置一个不灵敏区
,当偏差的绝对值
时,其控制输出维持上次的输出;
当偏差的绝对值
时,则进行正常的PID控制输出。
死区的
是个可调参数,其具体数值根据时间对象有实验确定。
若
值太小,使控制动作过于频繁,达不到稳定被控对象的目的。
值太大,则系统将产生很大的滞后。
该系统实际上是一个非线性控制系统,但在概念上与典型不灵敏区非线性控制系统不同。
其算法如式(2.1):
式(2.1)
3.积分分离式PID算法
PID控制器中引入积分的目的主要是为了消除静差,提高精度,但在过程的启动、结束、大幅度增减设定值或出现较大扰动时,短时间内系统的输出会出现很大的偏差,致使积分部分幅值快速上升。
由于系统存在惯性和滞后,这就势必引起系统输出部分出现较大的超调和长时间的波动,特别对于温度、成分等变化缓慢的过程,这一现象更为严重,有可能引起系统震荡。
为防止这种现象,采用积分分离式PID控制算法。
其基本思想是:
大偏差时,去掉积分作用,以免积分作用使系统稳定性变差;
小偏差时,投入积分作用,以便消除静差,提高控制精度。
既保证了系统的动态性能又能使系统无静差。
具体算法如式(2.2):
式(2.2)
式中
为逻辑系数,即:
式(2.3)
为预先设置的阀值。
可见,当偏差绝对值大于
时,积分不起作用;
当偏差较小时,才引入积分作用,使调节性能得到改善[3]。
各种不同的PID算法起到的作用也不尽相同,而积分分离数字PID算法和其他算法相比更能提高控制精度,所以选择积分分离数字PID算法。
3控制系统的硬件设计
本系统采用以8051系列单片机为核心,增量式光电码盘为检测装置的数字随动系统,并设计有电流、速度、位置检测电路和电机驱动电路。
3.1电流检测电路设计
在永磁同步电机位置随动系统中,电流采样必须实时、准确、可靠,电流检测的方法有很多种,在本系统设计中采用电磁隔离霍尔元件进行电流检测,它具有频带宽、测量精度高、线性度好、响应速度快和电隔离性能好等优势。
一般检测三相中的两相,利用三相相电流和为零(ia+ib+ic=0)来获取另一相的值。
3.2速度检测电路设计
伺服电机的闭环控制过程中,采用光电编码器安装在电机轴上的方式来完成对电机转子位置及转速信息的检测。
为了精确计数,脉冲信号进行四倍频后送到定时器。
3.3位置检测电路设计
对于位置的检测,系统中采用的是串行多圈16位高精度绝对式光电角位移编码器,其精度可达到了0.4°
以下的量级。
该编码器通常安装在传动装置上,用于实时反馈随动系统的运行位置,它具有并行和串行两种接口方式,为简化电缆的设计、提高可靠性,系统采用串行接口方式,提高传输距离与抗干扰能力。
串行信号经过其配套的解码芯片解码成并行数据信号,提高处理速度[4]。
3.3.1增量式光电编码器结构与工作原理
增量式光电编码器是在一个码盘上只开出3条码道,由内向外分别为A、B、C。
在A、B码道的码盘上,等距离地开有透光的缝隙,2条码道上相临的缝隙互相错开半个缝宽。
第3条码道C只开出一个缝隙,用来表示码盘的零位。
在码盘的两侧分别安装了光源和光敏元件,当码盘转动时,光源经过透光和不透光区域,相应地,每条码道将有一系列脉冲从光敏元件输出。
码道上有多少缝隙,就有多少个脉冲输出。
例如,国产SZGH—01型增量式光电码盘采用封闭式的结构,内装发光二极管(光源)、光电接收器和编码盘,通过连轴节与被测轴连接,将角位移转换成A、B两路脉冲信号,供可逆计数器计数,同时还输出一路零位脉冲信号作为零位标记。
它每圈能输出600个A相或B相脉冲和1个零位脉冲。
A、B相脉冲信号的相位差为90º
3.3.2增量式光电编码器的输出信号及位置检测原理
增量式光电编码器的输出信号有两相,即A相和B相,当编码器的轴向右旋转时,其输出脉冲波形为A相超前B相T/4±
T/8(即90º
±
45º
),如图3-1A所示;
当轴向左旋转时,其输出脉冲波形为B相超前A相T/4±
),如图3-1B所示。
图中给出的是A相和B相随方向不同而相位差T/4即90º
时是最为理想的情况。
图3-1增量式光电编码器的输出信号图
根据光电脉冲编码器输出信号波形,当旋转方向不同时,A相信号与B相信号之间产生余割相位差,这为正反向鉴别提供了依据。
3.4MCS-51系列单片机内部结构和引脚说明
图3-2MCS-51单片机的内部结构图
51系列基本型单片计算机内部集成口多达8个部件:
1.8位的CPU
2.片内振荡器
3.128个字节的RAM,21个字节专用寄存器(SFR)
4.4个8位的并行I/O口
5.一个串行的I/O口
6.2个16位定时计数器(T0,T1)
与8080,8055系列的CPU的外用接口芯片8279,8155,8255,8251等兼容
MCS—51系列单片机引脚如图3-3所示:
图3-3AT89C51引脚图
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写“1”时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,例如:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出[5]。
3.5系统时钟电路设计
时钟电路(图3-4所示)是用来产生8051单片机工作时所必须的时钟信号,8051本身就是一个复杂的同步时序电路,为保证工作方式的实现,8051在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作,时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。
通常时钟由于两种形式:
内部时钟和外部时钟。
图3-4时钟电路
电路中的C6、C7的选择在20uF左右,但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。
晶振频率为在1.2MHz~12MHz之间,频率越高单片机的速度就越快,但对存储器速度要求就高。
为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容,采用的晶振频率为12MHz。
3.6复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,只要RESET引脚上出现10ms以上的高电平时,单片机便实现复位状态。
MCS-51单片机通常采用上电自动复位两种方式,最简单的复位电路,上电瞬间,RC电路充电,RESET引脚端出现正脉冲RESET端保持10ms以上高电平,单片机能有效的复位。
在实际的应用系统中,有些外围芯片、也需要复位。
电源电压VCC在上升到1V时
变为低电平,随着VCC的继续提高,
将一直保持低电平,当VCC高于复位门限电平时,
并不马上变为高电平,而是滞后一个复位脉冲宽度200ms后,再变成高电平,当VCC低于门限电平时,RESET非马上变成低电平,即使VCC恢复高于复位门限电平,
也不能马上变为高电平,而是要延时一个复位脉冲的宽度。
掉电时,VCC只要低于复位门限电平,
马上变成低电平。
本设计中单片机采用的是在上电复位的基础上添加了按键手动复位开关,来构成按键手动。
图3-5单片机复位电路
3.7电动机驱动电路的芯片
LM629作为伺服电机控制调节器,除接收89C51单片机的指令及位置、速度、加速度3个运动参数和滤波器PID的参数KP、KI、KD外,同时LM629对码盘输出的信号进行处获得位置信号,经数字PID运算后输出PWM和方向控制信号,将其送给直流电动机的驱动芯片。
下面介绍一下LM629的特点及其管脚功能。
1.特点
(1)32bit的位置、速度、加速度寄存器
(2)16bit的可编程数字PID滤波器
(3)可编程微分采样器
(4)8bit符号和幅值PWM输出数据
(5)内部梯形速度图发生器
(6)速度、目标位置和滤波器参数在运行过程
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