直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　引言</b></p><p>　　電動機作為最主要的機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域和人們的日常生活。無論是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通運輸，國防，航空航天，醫(yī)療衛(wèi)生，商務(wù)和辦公設(shè)備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產(chǎn)品（如電冰箱，空調(diào)，DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料顯示，在所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生

2、產(chǎn)的電能中有百分之六十是用于電動機的。電動機與人的生活息息相關(guān)，密不可分。電氣時代，電動機的調(diào)速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應(yīng)用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉(zhuǎn)控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關(guān)元件來實現(xiàn)。還有一類控制叫復(fù)雜控制，是指對電動機的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)矩，電壓，電流，功率等物理量進行控制。[13]</p><p><b>　　1　緒論</b&

3、gt;</p><p>　　本章介紹了直流電機的特點及其發(fā)展概況，然后介紹了直流電機在工業(yè)控制等領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，同時闡述了直流電機控制中有待研究的問題。并在此基礎(chǔ)之上介紹了本課題的選題背景和意義，最后列出了本文研究的主要內(nèi)容及全文的結(jié)構(gòu)安排。</p><p>　　1.1直流電動機控制的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.1.1直流電動機控制的發(fā)展歷史<

4、;/p><p>　　常用的控制直流電動機有以下幾種:第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機-電動機(也稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比

5、一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)

6、電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管</p><p>　　從20世紀80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)

7、用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。</p><p>　　隨著微型計算機、超大規(guī)模集成電路、新型電子電力開關(guān)器件和新型傳感器的出現(xiàn)，以及自動控制理論、電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)的深入發(fā)展，直流電動機控制也裝置不斷向前發(fā)展。微機的應(yīng)用使直流電氣傳動控制系統(tǒng)趨向于數(shù)字化、智能化，極大地推動了電氣傳動的發(fā)展。近年來，一些先進國家陸續(xù)推出并大量使用以微機為控制核心的直流電氣傳動裝置，如西門子公司的SIMOREG K

8、6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。</p><p>　　隨著現(xiàn)代化步伐的加快，人們生活水平的不斷提高，對自動化的需求也越來越高，直流電動機應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。例如，軍事和宇航方面的雷達天線，火炮瞄準，慣性導(dǎo)航，衛(wèi)星姿態(tài)，飛船光電池對太陽得跟蹤等控制；工業(yè)方面的各種加工中心，專用加工設(shè)備，數(shù)控機床，工業(yè)機器人，塑料機械，印刷機械，繞線機，紡織機械，工業(yè)縫紉機，泵和壓縮機等設(shè)備的控制；計算機外圍設(shè)備和辦公設(shè)

9、備中的各種磁盤驅(qū)動器，各種光盤驅(qū)動器，繪圖儀，掃描儀，打印機，傳真機，復(fù)印機等設(shè)備的控制；音像設(shè)備和家用電器中的錄音機，錄像機，數(shù)碼相機，洗衣機，冰箱，電扇等的控制。</p><p>　　隨著計算機，微電子技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子功率器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制策略也發(fā)生了深刻的變化。電動機控制技術(shù)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)，電力電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，永磁材料技術(shù)，微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。變頻技術(shù)和脈寬調(diào)制技術(shù)

10、已成為電動機控制的主流技術(shù)。正是這些技術(shù)的進步使電動控制技術(shù)在近二十年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。其中，電動機控制策略的模擬實現(xiàn)正逐漸退出歷史舞臺，而采用微處理器，通用計算機，F(xiàn)PGA/CPLD，DSP控制器等現(xiàn)代手段構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。電動機的驅(qū)動部分所采用的功率器件經(jīng)歷了幾次的更新?lián)Q代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐漸成為主流。功率器件控制條件的變化和微電子技術(shù)的使用也使新型的電動機控制方法能

11、夠得到實現(xiàn)。其中，脈寬調(diào)制（PWM）方法，變頻技術(shù)在直流調(diào)速和交流調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。永磁材料技術(shù)的突破與微電子技術(shù)的結(jié)合又產(chǎn)生了一批新型的電動機，如永磁直流電動機，交流伺服電動機，超聲波電動機等。由于有微處理器和傳感器作為新一代運動控制系統(tǒng)的組成部分，所以又稱這種運動控制系統(tǒng)為智能運動控制系統(tǒng)。所以應(yīng)用先進控制算法，開發(fā)全</p><p>　　在那些對電動機控制系統(tǒng)的性能要求較高的場合（如數(shù)控機床，工業(yè)縫

12、紉機，磁盤驅(qū)動器，打印機，傳真機等設(shè)備中，要求電動機實現(xiàn)精確定位，適應(yīng)劇烈負載變化），傳統(tǒng)的控制算法已難以滿足系統(tǒng)要求。為了適應(yīng)時代的發(fā)展，現(xiàn)有的電動機控制系統(tǒng)也在朝著高精度，高性能，網(wǎng)絡(luò)化，信息化，模糊化的方向不斷前進。</p><p>　　1.1.2直流電動機控制的研究現(xiàn)狀</p><p>　　數(shù)字直流調(diào)速裝置，從技術(shù)上，它能成功地做到從給定信號、調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定、直到觸發(fā)脈沖的數(shù)字化，

13、使用通用硬件平臺附加軟件程序控制一定范圍功率和電流大小的直流電機，同一臺控制器甚至可以僅通過參數(shù)設(shè)定和使用不同的軟件版本對不同類型的被控對象進行控制，強大的通訊功能使它易和PLC等各種器件通訊組成整個工業(yè)控制過程系統(tǒng)，而且具有操作簡便、抗干擾能力強等特點，尤其是方便靈活的調(diào)試方法、完善的保護功能、長期工作的高可靠性和整個控制器體積小型化，彌補了模擬直流調(diào)速控制系統(tǒng)的保護功能不完善、調(diào)試不方便、體積大等不足之處，且數(shù)字控制系統(tǒng)表現(xiàn)出另外一

14、些優(yōu)點，如查找故障迅速、調(diào)速精度高、維護簡單，使其具備了廣一闊的應(yīng)用前景。[18]</p><p>　　國外主要電氣公司如瑞典的ABB公司、德國的西門子公司、AEG公司、日本的三菱公司、東芝公司、美國的GE公司、西屋公司等，均已經(jīng)開發(fā)出多個數(shù)字直流調(diào)速裝置，有成熟的系列化、標(biāo)準化、模板化的應(yīng)用產(chǎn)品。</p><p>　　我國從20世紀60年代初試制成功第一只硅晶閘管以來，晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)

15、也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，晶閘管供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟各部門得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　我國關(guān)于數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的研究主要有:綜合性最優(yōu)控制，補償PID控制，PID算法優(yōu)化，也有的只應(yīng)用模糊控制技術(shù)。[19]</p><p>　　隨著新型電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)具有開關(guān)速度快、驅(qū)動簡單和可以自關(guān)斷等優(yōu)點，克服了晶閘管的主要缺點。因此

16、我國直流電機調(diào)速也正向著脈寬調(diào)制（pulse width modulation,簡稱PWM）方向發(fā)展。[16]</p><p>　　我國現(xiàn)在大部分數(shù)字化控制直流調(diào)速裝置依靠進口。但由于進口設(shè)備價格昂貴，也給出了國產(chǎn)全數(shù)字控制直流調(diào)速裝置的發(fā)展空間。目前，國內(nèi)許多大專院校、科研單位和廠家也都在開發(fā)全數(shù)字直流調(diào)速裝置。[12]</p><p>　　1.2本課題主要研究內(nèi)容及意義</p&g

17、t;<p>　　由于變頻技術(shù)的出現(xiàn)，交流調(diào)速一直沖擊直流調(diào)速，但綜觀全局，尤其是我國在此領(lǐng)域的現(xiàn)狀，再加上全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性，直流調(diào)速系統(tǒng)仍將處于十分重要地位。</p><p>　　對于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對于后兩個要求已能很好地實現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定的精度在

18、所需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動。</p><p>　　穩(wěn)速很難達到要求原因在于數(shù)字直流調(diào)速裝置中的PID調(diào)節(jié)器對被控對象及其負載參數(shù)變化適應(yīng)能力差。直流電機的數(shù)學(xué)模型很容易得到，這使得經(jīng)典控制理論在己知被控對象的傳遞函數(shù)才能進行設(shè)計的前提得到滿足，大部分數(shù)字直流調(diào)速控制器就是建立在此基礎(chǔ)上的。然而，在實際的傳動系統(tǒng)中，電機本身的參數(shù)和拖動負載的參數(shù)并不如模型那樣一成不變，尤其對于中小型電機

19、，在某些應(yīng)用場合隨工況而變化;同時，直流電機本身是一個非線性的被控對象，許多拖動負載含有彈性或間隙等非線性因素，因此，被控對象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性常參數(shù)PID調(diào)節(jié)器顧此失彼，不能使系統(tǒng)在各種工況下都能保持設(shè)計時的性能指標(biāo)，往往使得控制系統(tǒng)的魯棒性差，特別是對于模型參數(shù)大范圍變化且具有較強非線性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不能有效克服負載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響。在工程上

20、，這種控制器就很有可能滿足不了生產(chǎn)的需求，如:軋鋼工業(yè)同軸控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)窯傳動裝置、軋輥磨床拖板電控系統(tǒng)等都需要在生產(chǎn)過程中保持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速要求，而生產(chǎn)負載參數(shù)卻是隨著工況變化的。[7]</p><p>　　模糊控制不要求被控對象的精確模型且適應(yīng)性強，為了克服常規(guī)數(shù)字直流調(diào)速裝置的缺點，可將模糊控制與PID調(diào)節(jié)器結(jié)合，形成fuzzy-PID復(fù)合控制方案，設(shè)計能在負載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響下均可以

21、滿足控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度要求的直流電機控制器。[5]</p><p>　　2 直流電機的運行原理</p><p>　　2.1直流電機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.1直流電機的物理模型圖</p><p>　　其中，固定部分有磁鐵，這里稱為主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。(其中2個小圓圈是為了方便的表示該位置上

22、的導(dǎo)體電勢或電流的方向而設(shè)置的)</p><p>　　上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互

23、相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。[1]</p><p>　　2.2 直流電機的基本工作原理</p><p>　　圖2.2直流電機的基本工作原理圖</p><p>　　對圖2.1所示的直流電機，如果去掉原動機，并給兩個電刷加上直流電源，如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈ab

24、cd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖（b）所示的位置，電刷 A 和換向片2接觸，電刷 B 和換向片1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷 B 流出。</p><p>　　此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍

25、然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。[4]</p><p>　　實用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。</p><p>　　2.3直流電機的調(diào)速原理</p><p>

26、;　　眾所周知，直流電機轉(zhuǎn)速n的表達式為:</p><p><b>　　(2 - 1)</b></p><p>　　式中:U-電樞端電壓</p><p><b>　　I-電樞電流</b></p><p><b>　　R-電樞電路總電阻</b></p><p&

27、gt;<b>　　Φ-每極磁通量</b></p><p>　　K-與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)</p><p>　　由上式可知，直流電機轉(zhuǎn)速n的控制方法有三種:</p><p>　　(1)調(diào)節(jié)電樞電壓U。改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng);</p><p>　　(2)改變電

28、機主磁通中只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小;</p><p>　　(3)改變電樞電路電阻R在電動機電樞外串電阻進行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機械特性軟、效率低。</p><p>　　改變電樞電路電阻的方法缺點很多，目前很少采用:弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用;因此，自動調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中

29、設(shè)計系統(tǒng)所采用的方法。</p><p>　　改變電樞電壓主要有三種方式:旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（PWM）變換器(或稱直流斬波器)。</p><p>　　(l)旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱G-M系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱Ward-Leonard系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護不

30、方便。</p><p>　　(2)20世紀50年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到50年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角α。進而改變整流電壓Ud的大小，達到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。V-M在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟性上都具有優(yōu)越性，成為

31、直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。</p><p>　　(3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱DC-DC變換器。</p><p>　　絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。</p>

32、<p>　　2.4 直流電機的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　直流電動機的等效電路如下圖所示。</p><p>　　圖2.3直流電動機等效圖</p><p>　　電路的電壓平衡方程和力矩平衡方程為:</p><p><b>　　(2 - 2)</b></p><p><b>　　

33、(2 - 3)</b></p><p>　　式中 Ua 電源電壓;</p><p><b>　　Ia-電樞電流 ;</b></p><p>　　Ra-電樞電阻(包括電刷、換向器以及兩者之間的電阻);</p><p><b>　　La-電樞電感;</b></p><p

34、>　　Ea-電樞反電動勢;</p><p><b>　　J-轉(zhuǎn)動慣量;</b></p><p><b>　　Ω-轉(zhuǎn)動的角速度;</b></p><p><b>　　Te-電磁轉(zhuǎn)距;</b></p><p><b>　　Tl-負載轉(zhuǎn)距;</b><

35、/p><p>　　KD-轉(zhuǎn)動部分的阻尼系數(shù).</p><p>　　永磁直流電動機的電樞反電動勢可表示為:</p><p>　　Ea=Ke*Ω (2 - 4)</p><p>　　式中Ke-反電動勢常數(shù).</p><p><b>　　電磁轉(zhuǎn)矩為:</b>&l

36、t;/p><p>　　Te=KT *Ia (2 - 5)</p><p>　　式中KT-磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。[2]</p><p>　　動態(tài)工作特性是指實際的動作與相應(yīng)的動作命令之間的響應(yīng)關(guān)系。將式 (2-2)、式(2-3)、式(2-4)和式(2-5)作拉氏變換，得到如下函數(shù):</p><p>　　Ua(s

37、)=RaIa(s)+ LaSIa(s)+ Ea(s)</p><p>　　JSΩ(s)=Te(s)一Tl(s)一KDSΩ(s)</p><p>　　Ea(s)= KeΩ(s)</p><p>　　Te(s)=KTIa(s)</p><p>　　上面的式子可以用下面的方框圖表示。[3]</p><p>　　圖2.4直流電

38、動機數(shù)學(xué)模型</p><p>　　3 模糊控制的基本原理</p><p>　　3.1模糊控制的起源</p><p>　　“模糊”一詞的英語名稱是“Fuzzy”，從文字上理解，包含了“含糊”、“不確定”、“不清楚”等概念，人們在生產(chǎn)中碰到的很多事情，包括人腦的思維，具有模糊性的特點，所謂“模糊性”，只要是指客觀事物彼此之間的差異在中過渡的“不分明性”。例如:冷和熱，或

39、很冷、冷、暖和、熱和很熱，大、中、小，長和短等等，都很難用精確的數(shù)學(xué)語言劃分出一條截然分明的界限。而經(jīng)典數(shù)學(xué)只能確切地描述事物，難以描述人們在日常生活中遇到的大量模糊現(xiàn)象和概念。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，迫切要求能描述和處理這些模糊現(xiàn)象和概念。人們在經(jīng)典數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，對它進行改造和擴充，產(chǎn)生了模糊數(shù)學(xué)。</p><p>　　模糊理論是在美國加里福尼亞大學(xué)L.A.Zadeh教授于1965創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展

40、起來的，是描述處理人類語言所特有的模糊信息理論。主要包括模糊集合及其隸屬函數(shù)，模糊算子和模糊關(guān)系。</p><p>　　Zadeh教授首次提出了表達事物模糊性的重要概念—隸屬函數(shù)，從而突破了19世紀末期德國數(shù)學(xué)家Cantor創(chuàng)立的經(jīng)典集合理論的局限性。借助于隸屬函數(shù)可以表達一個模糊概念從“完全不屬于”到“完全屬于”的過渡，才能對有的模糊概念進行定量表示。隸屬函數(shù)的提出奠定了模糊理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。這樣，像“冷”和“熱

41、”這些常規(guī)經(jīng)典集合中無法解決的模糊概念就可以在模糊集合得到有效的表達，為計算機處理這種語言信息提供了一種可行的方法。[30]</p><p>　　1974年，英國的EH.Mmadnai首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)世界第一個實驗性的蒸汽機控制，并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果。他的成功也標(biāo)志著人們采用模糊邏輯進行工業(yè)控制的開始，從而宣告了模糊控制的問世。從將近半個世紀的發(fā)展來看，模糊邏輯應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域

42、就是模糊控制，模糊控制在各種領(lǐng)域出人意料地解決了傳統(tǒng)控制理論無法解決或難以解決問題，并取得了一些令人信服的成效。</p><p>　　對于模糊控制的評價是模糊控制不依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制在特定的條件下可以達到經(jīng)典控制論難以達到的“滿意控制”，而不是最佳控制。其二模糊理論確實有很多不完替之處，比如模糊規(guī)則的獲取和確定，隸屬函數(shù)的選擇以及比較敏感的穩(wěn)定性問題至今未得到完善的解決，但這些卻不能否認模糊控

43、制的科學(xué)性和有效性，事實上它是智能控制的一個重要分支。同時模糊控制不僅適用于小規(guī)模線性單變量系統(tǒng)，而且逐漸向大模、非線性復(fù)雜系統(tǒng)擴展。模糊控制在控制領(lǐng)域中的地位和作用越來越重要，這點在圖3.1中可以看出。</p><p>　　圖3.1模糊控制在控制領(lǐng)域中的地位與作用</p><p>　　3.2模糊控制的發(fā)展和現(xiàn)狀</p><p>　　模糊控制(Fuzzy contr

44、ol)是一種對系統(tǒng)控制的宏觀方法，其核心是用語言描述控制規(guī)則，通常用“如果…，則…（if-then）”的方式來表達在實際中的專家知識和經(jīng)驗。FI語句部分，即條件部分，是由被控條件構(gòu)成的命題;THEN部分，即結(jié)論部分，是描述控制量的命題。模糊控制最大的特點是將專家的控制經(jīng)驗、知識變成語言控制規(guī)則，然后去控制系統(tǒng)。因而模糊控制特別適用于對數(shù)學(xué)模型未知的、復(fù)雜的、非線形的控制。</p><p>　　在模糊理論提出的年代

45、，由于科學(xué)技術(shù)尤其是計算機技術(shù)發(fā)展有限及科技界對于“模糊”含義的誤解，使得模糊理論沒有得到應(yīng)有的發(fā)展。最早應(yīng)用模糊控制的是馬莉皇后學(xué)院的Mamdani教授，1974年，英國的E.H.Mamdani和Assilian首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)了世界上第一個實驗性的蒸汽機壓力和速度控制，揭開了模糊理論在控制領(lǐng)域的新篇章。1980年丹麥工科大學(xué)的Ostergaard等人對水泥窖的模糊控制進行了研究，F(xiàn).L.Smith公司隨后制造了專用的模糊

46、控制器，采用該模糊控制器控制水泥窖并且正式投入運行。水泥窖是時變的非線性動態(tài)系統(tǒng)，一直難于控制。很多的研究工作者，曾經(jīng)用辨識方法建立模型，但都沒有獲得實用的過程模型。因而水泥窖的控制一直依賴于有經(jīng)驗的操作人員來進行。自從F.L.Smith公司采用模糊控制取得成功之后，歐美的一些水泥制造公司也相繼采用模糊控制。</p><p>　　模糊理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的發(fā)展是緊密相關(guān)的。沒有計算機技術(shù)的發(fā)展就沒有模糊理論的發(fā)

47、展，而模糊理論又促進了計算機技術(shù)的革命。由于應(yīng)用模糊理論描述模糊信息，讓計算機控制技術(shù)在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，各個國家都在積極地研究模糊控制技術(shù)，我國開展模糊理論研究己有20多年的歷史，并取得了很大的成果。[29]</p><p>　　目前，以中國、日本、歐美為代表的各國科技人員正就以下各個方面開展深入的研究:模糊理論基礎(chǔ)研究、模糊計算機方面的研究、機器智能化研究、人工工程的研究、人類系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的研究及自

48、然系統(tǒng)的研究。現(xiàn)在模糊控制已得到廣泛的應(yīng)用，特別是在日本，控制應(yīng)用的實例有列車自動運行控制系統(tǒng)、凈水處理系統(tǒng)、機器人控制、汽車速度控制、電梯群管理控制等。</p><p>　　3.3模糊控制的重要概念</p><p>　　3.3.1模糊集合及隸屬函數(shù)</p><p>　　在經(jīng)典集合論中，任何一個元素與任何一個集合的關(guān)系，只有“屬于”和“不屬于”兩種情況，兩者必居其一

49、，而且只居其一，絕對不允許有模棱兩可。比如 “不大于6的自然數(shù)”是個清晰的概念，該概念的內(nèi)涵和外延是明確的?？墒?，我們常遇到?jīng)]有明確外延的概念，它實質(zhì)上和模糊概念。比如“比6大的多的自然數(shù)”就是一個模糊概念，它不能劃分一個明確的界限，使得在這個界限內(nèi)所有的自然數(shù)比6大的多，而界限之外的所有自然數(shù)不比6大的多。只能說某個數(shù)屬于“比6大的多”的程度高，而另一個數(shù)屬于“比6大的多”的程度低。如60屬于“比6大的多”的程度比16屬于“比6大的多

50、”的程度高。也就是說模糊集合的邊界是不明確的，它是以不同強度(隸屬度)具備某種特性的元素的整體。</p><p>　　L.A.Zadeh在1965年把普通集合中的元素對集合的隸屬度只能取0和1這兩個值，推廣到可以取區(qū)間[0,1]的任何一個值。即用隸屬度定量去描述論域U中的元素符號概念的程度，實現(xiàn)對普通集合中絕對隸屬關(guān)系的擴充和模糊的定量化表示，從而用隸屬函數(shù)表示模糊集合，用模糊集合表示模糊概念。</p>

51、;<p>　　模糊集合的數(shù)學(xué)描述如下:A={(x,μA(x),│x∈X)}</p><p>　　μA(x)為元素x屬于模糊集合A的隸屬度，X是元素x的論域。</p><p>　　模糊數(shù)學(xué)把集合的特征函數(shù)的取值范圍擴大為[0,1]閉區(qū)間任意值的連續(xù)邏輯，并稱之為模糊集合的隸屬函數(shù)，它是模糊集合的重要組成部分，在理論上隸屬函數(shù)描述了一個論域中所有元素屬于模糊集合的強度。模糊系統(tǒng)中

52、常用的隸屬函數(shù)有高斯型、雙側(cè)高斯型、鐘型、sigmoid函數(shù)型、Z型、S型、三角型隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)可以是任意形狀的曲線，取什么形狀取決于它的使用是否簡單、快速、有效，唯一的約束條件是隸屬函數(shù)的值域為[0,1]。</p><p>　　3.3.2模糊關(guān)系及模糊推理</p><p>　　描述元素之間是否相關(guān)的數(shù)學(xué)模型稱為關(guān)系，描述元素之間相關(guān)程度的數(shù)模型稱為模糊關(guān)系。顯然模糊關(guān)系是普遍關(guān)系的拓

53、寬和發(fā)展，而普通關(guān)系可認是模糊關(guān)系的特例。模糊關(guān)系是模糊數(shù)學(xué)的重要組成部分。當(dāng)論域有限時，可模糊矩陣表示模糊關(guān)系，模糊矩陣為模糊關(guān)系的運算帶來了極大的方便，成為模糊關(guān)系的主要運算工具。</p><p>　　模糊關(guān)系是描述元素之間相關(guān)的程度的數(shù)學(xué)模型，其定義為:</p><p>　　兩個非空集合U和V之間的直積U×V={（u,v);u∈U,v∈V}中的一個模糊子集R被稱為U到V的模

54、糊關(guān)系，又稱為二元模糊關(guān)系。其特性可以用下面的隸屬函來描述μR: U×V→[0,1]，隸屬函數(shù)μR（u,v）表示序偶 (u,v)的隸屬函數(shù)。當(dāng)論域為n個集合Ui(i=1，2，3…，n)的直積U1×U2×U3×…×Un時，它們對應(yīng)的模糊關(guān)系R則稱為n元模糊關(guān)系。</p><p>　　推理就是根據(jù)己知的一些命題，按照一定的法則，去推斷一個新的命題的思維過程和思維方式。

55、簡言之就是從已知條件求未知結(jié)果的思維過程就是推理。使用傳統(tǒng)的二值邏輯進行演繹推理和歸納推理時，只要大前提和推理規(guī)則是正確的，小前提是肯定的，那么就一定會得到正確的結(jié)論。然而，在顯示生活中，我們獲取的信息往往是不精確的、不完善的，或者是事實本身就是模糊而不完全正確的，但有必須利用且只能利用這些信息進行判斷和決策。</p><p>　　模糊邏輯推理是一種新的推理方法，其基礎(chǔ)是模糊邏輯，它是在二值邏輯三段論的基礎(chǔ)上發(fā)展

56、起來的。由于它缺少現(xiàn)代形式邏輯中的性質(zhì)及理論上的不完善，這種推理方法還未得到一致的公認。但是，這種推理方法所得到的結(jié)論與人的思維一致或相近，在實踐中證明是有用的。模糊推理是一種以模糊判斷為前提，運用模糊語言規(guī)則，推出一個新的近似的模糊判斷結(jié)論的方法。常用的推理方法有Zadeh推理法和Mamdani推理法。[28]</p><p>　　4 直流電機模糊控制器的設(shè)計</p><p>　　4.1

57、參數(shù)模糊自整定PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)是以模糊控制規(guī)則推理實時調(diào)節(jié)PID參數(shù)的一種控制系統(tǒng)。模糊控制規(guī)則給出的是在不同實時狀態(tài)下對PID參數(shù)的推理結(jié)果。模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。</p><p>　　圖4.1模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　模糊自整定PID參數(shù)控制就是在一般的

58、PID控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用模糊推理思想，加上一個模糊推理環(huán)節(jié);模糊推理環(huán)節(jié)是為了根據(jù)系統(tǒng)實時狀態(tài)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)而設(shè)置的。[6]</p><p>　　在傳統(tǒng)PID控制器中，e (k) 、e (k-1) 、e (k-2)是輸入量，故它們都是己知量，而未知量KP、KI、KD，它們是需要確定的。在一般系統(tǒng)中，KP、KI和KD，是擴充臨界比例度法或者擴充響應(yīng)曲線法等實用工程方法整定。這些工程方法都要對被控對象進行現(xiàn)場實

59、際測定之后，才能確定KP、KI、KD參數(shù)。[10]</p><p>　　比例系數(shù)KP的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。KP越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但過大容易產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致不穩(wěn)定;如果KP值取得過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而拖長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動靜態(tài)特性變壞。積分作用系數(shù)KI的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。KI越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但KI過大，在響應(yīng)過程的初

60、期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)，若KI過小，將使系統(tǒng)的靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分作用系數(shù)KD的作用在于改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。因為PID控制器的微分環(huán)節(jié)是響應(yīng)系統(tǒng)偏差的變化率EC的，其作用主要是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前制動，但KD過大，則會使響應(yīng)過程過分提前制動，從而拖長調(diào)節(jié)時間，而且系統(tǒng)的抗干擾性較差。</p><p>　　4.2被控過程對參數(shù)KP、

61、KI、KD的自整定要求</p><p>　　根據(jù)KP、KI、KD對系統(tǒng)輸出特性的影響情況，歸納出在一般情況下，在不同的│E│和│EC│時，被控過程對參數(shù)KP、KI、KD的自整定要求為:</p><p>　　圖4.2輸出響應(yīng)曲線</p><p>　　(1)當(dāng)│E│較大，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖4.2輸出響應(yīng)曲線的第一階段時，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并避免因為開始時偏差E的瞬間

62、變大所可能引起飽和，而使控制作用超出許可范圍，因此應(yīng)取較大的KP和較小的KD，同時為了防止積分過飽和，避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，此時去掉積分作用，取KI =0。</p><p>　　(2)當(dāng)│E│和│EC│為中等大小，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖4.2輸出響應(yīng)曲線的第二階段時，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減少，KP、KI、KD都不能取太大，應(yīng)取較小的KI值，KP、KD值的大小要適中。以保持系統(tǒng)的響應(yīng)速度。</p><

63、p>　　(3)當(dāng)│E│較小，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖4.2輸出響應(yīng)曲線的第三階段時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑龃驥P和KI的值，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，適當(dāng)?shù)倪x取KP值，其原則為：當(dāng)│EC│較小時，KP值取中等大?。划?dāng)│EC│較大時，KP應(yīng)取小些。</p><p>　　4.3直流調(diào)速模糊自整定PID參數(shù)控制器設(shè)計過程</p><p>　　4.3

64、.1確定控制器的輸入、輸出語言變量</p><p>　　由模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，參數(shù)修正部分實質(zhì)上是一個模糊控制器，其輸入語言變量為直流電機轉(zhuǎn)速偏差絕對值│E│和直流電機轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對值│EC│，輸出語言變量為KP、KI、KD。</p><p>　　4.3.2確定各語言變量的論域，在其論域上定義模糊量</p><p>　　設(shè)模糊控制器各語言變量

65、論域如下：</p><p>　　│E│：X={0；1；2}</p><p>　　│EC│：Y={0；1；2}</p><p>　　其中在輸入語言變量│E│和│EC│的論域中取語言值“大”(B)，“中”(M)，“小”(S)三種。其語言值隸屬函數(shù)曲線如圖4.3，4.4所示。[31]</p><p>　　圖4.3語言變量誤差│E│隸屬度函數(shù)<

66、/p><p>　　圖4.4語言變量誤差變化率│EC│隸屬度函數(shù)</p><p>　　4.3.3確定KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則</p><p>　　有上述設(shè)計可知，用于在線自整定PID參數(shù)的模糊控制器是以誤差和誤差變化率為輸入語言變量，以比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)為輸出語言變量的雙輸入三輸出模糊控制器，其控制規(guī)則其控制規(guī)則就是對參數(shù)KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則。具體調(diào)節(jié)規(guī)

67、則表如下[9]:</p><p>　　表4.1KP調(diào)節(jié)規(guī)則表</p><p>　　表4.2KI調(diào)節(jié)規(guī)則表</p><p>　　表4.3KD調(diào)節(jié)規(guī)則表</p><p>　　4.3.4模糊推理和模糊運算</p><p>　　模糊控制器的控制規(guī)則可以寫成條件語句的形式，例如，對于表4.1給出的參數(shù)KP的調(diào)節(jié)規(guī)則，就可以寫成如

68、下形式的模糊條件語句:</p><p>　　(1)If│E│=B and│EC│=B then KP=M</p><p>　　(2)If│E│=B and│EC│=M then KP=B</p><p><b>　　……………….</b></p><p>　　那么對于其規(guī)則的隸屬度計算為:</p><

69、p>　　(1)uKP1= uBE (x)∧uBEC (x)</p><p>　　(2)uKP2= uBE (x)∧uMEC (x)</p><p><b>　　……………….</b></p><p>　　在本設(shè)計系統(tǒng)中，對于一個特定的輸入量，它最多只能模糊化為兩個模糊量，即它對應(yīng)只有兩個模糊量的隸屬度不為0，其余都為0。對于速度偏差│E│

70、和速度偏差變化率│EC│叫模糊化后的論域值分別為1.7和1.2，由圖4.3，圖4.4(圖中橫坐標(biāo)的el、e2、e3和ecl、ec2、ec3分別取l、2、3)可知，此時的輸入偏差可模糊化為:“中”和“小”兩個模糊量，隸屬度為:</p><p>　　│uME(1.7)│=0.7</p><p>　　│uSE(1.7)│=0.3</p><p>　　同理可知偏差的變化率也

71、只能模糊化為“中”和“小”兩個模糊量，其隸屬度為:</p><p>　　│uMEC(1.7)│=0.2</p><p>　　│uSEC(1.7)│=0.8</p><p>　　因此對于當(dāng)前輸入的│E│和│EC│，表4.1中，只有以下四條是有效的:</p><p>　　(1)If│E│=M and│EC│=S then KP=M</p&g

72、t;<p>　　(2)If│E│=M and│EC│=M then KP=M</p><p>　　(3)If│E│=S and│EC│=S then KP=B</p><p>　　(4)If│E│=S and│EC│=M then KP=B</p><p>　　那么，對應(yīng)的隸屬度計算為:</p><p>　　(1)uKP1= u

73、ME (1.7)∧uSC (1.1)</p><p>　　(2)uKP2= uME (1.7)∧uMC (1.1)</p><p>　　(3)uKP3= uSE (1.7)∧uSC (1.1)</p><p>　　(4)uKP4= uSE (1.7)∧uMC (1.1)</p><p>　　將隸屬度代入式中計算可得:</p>&

74、lt;p>　　(1)uKP1= 0.7∧0.8=0.7</p><p>　　(2)uKP2= 0.7∧0.2=0.2</p><p>　　(3)uKP3= 0.3∧0.8=0.3</p><p>　　(4)uKP4= 0.3∧0.2=0.2</p><p>　　將uKP進行合成，得KP的模糊輸出量為:</p><p&

75、gt;　　uMKP=0.7∨0.2=0.7</p><p>　　uBKP=0.3∨0.2=0.3</p><p>　　然后由反模糊化得出參數(shù)KP的精確整定值為:</p><p>　　式中的15，25表示KP在常規(guī)條件下“中”、“大”的整定值。</p><p>　　同理可推得KI，KD參數(shù)的精確值。由此在線求得的參數(shù)KP、KI、KD的值，即可直

76、接輸出作為常規(guī)PID的整定值，從而實現(xiàn)模糊自整定PID參數(shù)的功能。[8]</p><p><b>　　5 硬件設(shè)計</b></p><p>　　生產(chǎn)實際中要求生產(chǎn)機械在不同情況下以不同速度工作，這就需要對電機的速度進行快速精確的調(diào)節(jié)。目前，PWM控制方式作為可調(diào)電源取代笨重的電動機一發(fā)電機組以及飽和電抗器的控制方式具有許多優(yōu)點。其原理是通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電動機電樞

77、電壓實現(xiàn)平滑調(diào)速。由單片機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)一般由電動機、觸發(fā)器、調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速/電流檢測與反饋環(huán)節(jié)組成，對系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)，即所謂全數(shù)字控制。</p><p>　　本系統(tǒng)可控制額定電壓為12-55V，額定功率為1.8-300W的有刷直流電機。針對本系統(tǒng)所用的是直流電機，可使得調(diào)速范圍為8-300轉(zhuǎn)/分鐘，速度精度在1%以內(nèi)，位置精度在0. 1%以內(nèi)。本設(shè)計所針對實際對象為額定電壓為24V，額定

78、功率3.6W，額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘。</p><p>　　5.1控制系統(tǒng)硬件組成</p><p>　　如圖5.1所示為整個調(diào)速系統(tǒng)的硬件組成，其中包括:電機控制模塊、隔離保護電路、電機驅(qū)動模塊、過流保護電路、串口通信電路。在以下幾節(jié)中將分別介紹各個模塊的功能以及電路構(gòu)成。</p><p>　　圖5.1 系統(tǒng)硬件組成圖</p><p>&l

79、t;b>　　5.2主控單元模塊</b></p><p>　　以AT89S52實現(xiàn)模糊控制以及與LM629的數(shù)據(jù)傳送。單片機通過LM629獲得電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過中值濾波得到實際轉(zhuǎn)速V，之后經(jīng)模糊運算得到的KP、KI、KD參數(shù)，再發(fā)送至LM629。</p><p>　　5.2.1運動處理芯片LM629性能特點及簡介</p><p><b>

80、　　一、LM629特點</b></p><p>　　LM629集成芯片是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。它是可編程全數(shù)字式控制的專用運動控制處理器。NMOS結(jié)構(gòu)，采用28引腳雙列直插式封裝，使用6MHz或8MHz時鐘頻率和5V電源工作。具體特點如下:</p><p>　　(l)內(nèi)部有32位的位置、速度和加速度寄存器;</p><p>　　(2)16位可編程

81、數(shù)字控制器;</p><p>　　(3)可編程分項采樣時間間隔;</p><p>　　(4)8位分辨率的PWM輸出;</p><p>　　(5)內(nèi)部梯形速度圖發(fā)生器;</p><p>　　(6)可以進行位置和速度控制;</p><p>　　(7)速度、位置和數(shù)字PID控制器參數(shù)可以在控制過程中改變;</p>

82、<p>　　(8)實時可編程中斷;</p><p>　　(9)可對增量式光電碼盤的輸出進行4倍頻處理和信號處理。</p><p><b>　　二、管腳及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　(l)管腳介紹</b></p><p>　　LM629N的芯片管腳如圖5.2所示。<

83、;/p><p>　　管腳1-3與增量碼盤的輸出信號相連(IN，A，B);</p><p>　　管腳4-11數(shù)據(jù)端口D0-D7;</p><p>　　管腳12-15分別是CS、RD、GND、WR;</p><p>　　管腳16是PS，PS=1時讀寫數(shù)據(jù)，PS=0時讀狀態(tài)和指令;</p><p>　　管腳17是Hl，H1=1時

84、申請中斷;</p><p>　　管腳18，19分別是轉(zhuǎn)向(PWMS)和輸出(PWMM);</p><p>　　管腳26-28分別是CKL、RTS、VDD;其他管腳在本系統(tǒng)中不用。</p><p>　　圖5.2 LM629N芯片管腳圖</p><p><b>　　(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</b></p><p&g

85、t;　　由LM629構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)框圖如圖5.3所示。它通過I/0口與單片機通訊，輸入運動參數(shù)和控制參數(shù)，輸出狀態(tài)和信息。其內(nèi)部有1個16位數(shù)字控制器，輸出PWM和方向控制信號(Sign)，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由單片機提供。驅(qū)動器多采用專用的直流電動機驅(qū)動芯片(雙極性或單極性)。位置傳感器選用增量式光電編碼盤。[11]</p><p>　　圖5

86、.3 LM629構(gòu)成的直流伺服系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　三、工作原理</b></p><p>　　用一個增量式光電編碼盤來反饋電動機的實際位置。來自增量式光電編碼盤的位置信號A，B經(jīng)LM629四倍頻，提高分辨率。A，B邏輯狀態(tài)每變化一次， LM629內(nèi)的位置寄存器加(減)1。編碼盤的A，B，C信號同為低電平時，就產(chǎn)生一個Index信號送入Index寄存器，

87、記錄電動機的絕對位置。[21]</p><p>　　LM629的梯形速度圖發(fā)生器用于計算所需的梯形速度分布圖。能實現(xiàn)兩種控制方式：</p><p>　　(1)在位置控制方式時，單片機送來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629利用這些數(shù)據(jù)計算運行軌跡如圖5.4(a)所示。在電動機運行時，上述參數(shù)允許更改，產(chǎn)生如圖5.4(b)所示的軌跡。</p><p>　　(2

88、)在速度控制方式時，電動機用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持這個速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度存在擾動，LM629可使其平均速度恒定不變。</p><p>　　圖5.4兩種典型的速度軌跡</p><p>　　LM629內(nèi)部有一個數(shù)字PID控制器，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由單片機提供。</p><

89、p>　　5.2.2單片機AT89S52對LM629控制</p><p>　　該系統(tǒng)中采用的是美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52單片機作為微處理器。AT89S52是一款低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準MCS-51指

90、令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。在該系統(tǒng)中，89S52實現(xiàn)用戶的接口，同時完成控制器PID所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)、控制參數(shù)、控制指令的設(shè)定。</p><p>　　在本系統(tǒng)中LM629的I/O口D0-D7與單片機的P0口相連，用來從單片機傳送數(shù)據(jù)和控制指令，從LM629傳

91、送電機的狀態(tài)和運動信息。AT89S52的P2.0引腳與LM629的片選信號端相連，作為選中LM629的地址線。引腳P2.1與LM629的PS相連，作為另一條地址線，如圖5.5所示。</p><p>　　該系統(tǒng)的關(guān)鍵就是用到了LM629所集成的PID控制器，PID控制器指令有2條，用于輸入PID參數(shù)，而這三個參數(shù)便是單片機經(jīng)模糊運算所得到的KP、KI、KD。其指令操作碼為IEH (2-10個字節(jié)寫數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)的前兩

92、個字節(jié)中，低字節(jié)的內(nèi)容如表5.1所示;高字節(jié)存放微分采樣時間間隔數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式如表5.2所示。隨后是參數(shù)數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)占2個字節(jié)，順序為KP、KI、KD和積分極限。</p><p>　　表5.1 低字節(jié)內(nèi)容</p><p>　　表5.2 高字節(jié)數(shù)據(jù)格式</p><p>　　LM629能向單片機提供電機實際位置，讀實際位置指令RDRP，操作碼為0AH，4個字節(jié)讀數(shù)據(jù)

93、，數(shù)據(jù)范圍:C0000000H-3FFFFFFFH，所讀取的實際數(shù)據(jù)順序是高位在前。</p><p>　　同時LM629也能向單片機提供實際轉(zhuǎn)速信息，讀實際速度指令RDRV，指令碼為OBH，但起缺點是只能提供速度采樣值的65535倍的整數(shù)部分，數(shù)據(jù)范圍:C000H-3FFFH，可知，其所記錄速度數(shù)據(jù)的真實程度并不準確。</p><p>　　AT89S52的主要工作就是向LM629傳送運動數(shù)

94、據(jù)和PID數(shù)據(jù)，并通過LM629對電動機的運行進行監(jiān)控。LM629則根據(jù)AT89S52發(fā)來的數(shù)據(jù)生成速度圖，進行位置跟蹤，PID控制和生成PWM信號輸出。</p><p><b>　　圖5.5主控電路圖</b></p><p><b>　　5.3隔離單元模塊</b></p><p>　　為了防止電機驅(qū)動單元對數(shù)字控制單元的

95、干擾，必須在兩者之間加隔離電路來防止干擾的產(chǎn)生。避免LMD18200的驅(qū)動電路對控制信號的干擾，對于LMD18200的引腳3(轉(zhuǎn)向輸入)、引腳5(PWM輸入)與LM629的PWMS、PWMM引腳之間通過光電耦合器6N137連接。</p><p>　　(l) 光電耦合器的選型</p><p>　　LM629的PWMM腳輸出的調(diào)制信號如圖5.6所示，如果LM629接6MHz晶振，其最小輸出占空

96、比（1/128）時的接通時間為:</p><p>　　4/fCLK=4/6*106s=0.67us</p><p>　　因此應(yīng)選擇高速光耦。</p><p>　　而N6137的工作頻率可達到10MHZ，即它可用在開關(guān)周期為:</p><p>　　l/l07s=0.1us </p><p>　　因此光耦可選6N137。&

97、lt;/p><p>　　圖5.6 LM629 PWM調(diào)制信號圖</p><p>　　(2) 光電耦合器的電路接入</p><p>　　LM629的輸出電流及灌電流不能超過1.6mA，6N137的驅(qū)動電流范圍在6-8mA之間，LM629不能直接驅(qū)動6N137，因此在他們之間必須增加驅(qū)動，在這里選用74LS04做為光耦驅(qū)動。</p><p>　　對

98、于74LS04，它的翻轉(zhuǎn)時tPLH=tPHL=15ns，可知完全滿足LM629的PWMM腳輸出最小輸出占空比時的接通時間場合。且最大輸出電流IOL=8mA，能完全驅(qū)動6N137。其電路圖如圖5.7所示。[20]</p><p>　　圖5.7 隔離模塊電路圖</p><p>　　LM629的PWMM腳輸出信號經(jīng)74LS04反向，加上6N137是OC門輸出，圖5.8是其內(nèi)部電路圖，因此在光耦的

99、輸出端必須接上拉電阻使信號還原。如圖5.7 R1，R1取值為10K。對于LM629的PWMS腳的電路接法和PWMM腳一樣。</p><p>　　圖5.8 6N137內(nèi)部電路圖</p><p><b>　　5.4電機驅(qū)動模塊</b></p><p>　　采用LMD18200實現(xiàn)受限單極性驅(qū)動方式，LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的

100、專用于直流電動機驅(qū)動的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機、機器人和各種自動化控制領(lǐng)域。LMD18200外形結(jié)構(gòu)如圖5.9所示，部電路框圖如圖5.10所示。[15] </p><p>　　圖5.9 LMD18200外形結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖5.10 LM

101、D18200內(nèi)部電路框圖</p><p>　　引腳2、10接直流電機電樞，電流流向由引腳3控制，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)。電流檢測輸出引腳8提供電流取樣信號，典型值為377uA/A?？梢越右粋€對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護電路設(shè)置的過電流閥值為10A，當(dāng)超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護將關(guān)閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達到145度時引腳9有輸出

102、信號。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個300kHz的振蕩器控制，使充電泵電容可以充至14V左右。本系統(tǒng)在引腳l、11外接10uF的電容形成第二個充電泵電路。圖5.11為單極性驅(qū)動方式下理想波形圖。</p><p>　　圖5.11 LMD18200單極性驅(qū)動方式下理想波形</p><p>　　LMD18200提供雙極性驅(qū)動方式和單極性驅(qū)動方式。雙極性驅(qū)動是

103、指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低速運行平穩(wěn)性的優(yōu)點，但也存在著電流波動大，功率損耗較大的缺點，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控制。本采用單極性可逆驅(qū)動方式。單極性驅(qū)動方式是指在一個PWM周期內(nèi)，電動機電樞只承受單極性的電壓。</p><p>　　本系統(tǒng)直流電機的額定電壓為24V。</p>&l

104、t;p>　　因此LMD18200的6腳接24V直流電源。電路圖如圖5.12所示。圖中的DB2是輸出，為電機提供電樞電壓。</p><p>　　圖5.12驅(qū)動模塊電路圖</p><p><b>　　5.5過流保護模塊</b></p><p>　　在任何情況下，不論正常工作或發(fā)生故障時，必須保證驅(qū)動或是電機的工作條件不超出它的允許范圍。由于長

105、時間過電流都會損壞驅(qū)動或電機，所以除了在選用器件時留有充分合理的裕量，還必須采取采用有效過電流保護措施。</p><p>　　本系統(tǒng)電機的額定電流為0.15A，為了防止電機因過流而燒壞，必須有過流保護裝置，在這里用比較器LM339構(gòu)成。</p><p>　　由于LMD18200電流檢測輸出引腳8提供電流取樣信號，典型值為377uA/A。取LM339基準電壓為Ur=5V，可得LMD18200

106、電流檢測輸出引腳8下拉電阻值:</p><p><b>　　R=100KΩ</b></p><p>　　LM339的輸出Uo接AT89552的INT1腳連接，IT0=l以負跳變方式觸發(fā)。</p><p>　　當(dāng)電機過流時向AT89S52發(fā)出中斷，從而單片機就會調(diào)用中斷服務(wù)程序通過P2.2關(guān)斷LMD18200，從而達到過流保護的作用。</p

107、><p>　　電路接法如圖5.13所示。</p><p>　　圖5.13過流保護電路圖</p><p><b>　　5.6速度反饋模塊</b></p><p>　　在直流電動機的輸出軸上安裝增量式光電編碼盤作為轉(zhuǎn)速傳感器，它的輸出直接聯(lián)到LM629的A、B、C輸入端，形成反饋環(huán)節(jié)。</p><p>　

108、　本系統(tǒng)選用國產(chǎn)GMC-1200型光電脈沖發(fā)生器，工作電壓為5V土5%。其輸出信號波形如圖5.14所示: </p><p>　　圖5.14 輸出信號波形</p><p><b>　　5.6.1位置檢測</b></p><p>　　來自增量光電編碼盤的位置信號A、B經(jīng)LM629四倍分頻提高分辨率，A、B邏輯每變化一次LM629內(nèi)的位置寄存器加(減

109、)1。A、B、Z信號同為低電平，就產(chǎn)生一個Index送入寄存器，記錄電機的絕對位置。其中位置信號可直接從LM629內(nèi)的位置寄存器中讀出。</p><p><b>　　5.6.2速度檢測</b></p><p>　　單片機對測速脈沖頻率應(yīng)用M/T法處理可得轉(zhuǎn)速值，M/T法能在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，以較短的檢測時間實現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)速測量。在測速時間Ta內(nèi)同時對光電脈沖發(fā)生器輸出