基于technosoft运动控制平台的电机速度控制
基于technosoft运动控制平台的电机速度控制[20191213104701]
摘 要
随着现代科学技术的不断发展和进步，目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志，PID控制器是目前工业过程控制中,应用最为广泛的工业控制器之一。
本文首先对无刷直流电机做了比较详细的介绍，包括调节此类电机转速的相关原理和方案，然后主要讲述了如何通过PID参数的整定来控制电机的速度，采用不同的PID参数,控制系统的效果明显不同,系统的闭环特性很大程度上取决PID控制器的性能,因此PID控制器参数的调节和优化对控制系统的实施起着非常重要的作用。PID控制器参数整定是PID控制系统设计的核心内容,控制工程中常用的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、鲁棒PID参数整定法和ISTE最优参数整定法等方法。
Simu-link是一种以Matlab为基础的实现交互式动态系统建模、仿真与分析的软件包,可以针对控制系统等进行系统建模、仿真、分析等工作。本文介绍的就是在基于Msk28335开发平台和Matlab平台对PID控制器参数整定的电机转速控制。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:工业自动化；闭环特性；PID控制器参数整定
Key words：Industrial Automation ；Closed-loop Characteristics ; The PID Controller Parameter Setting目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 伺服系统概述 1
1.1.1 伺服系统分类和特点 1
1.1.2 无刷直流电机伺服系统的概述 1
1.1.3 永磁无刷直流电机的控制技术的发展现状 2
1.2 直流电机转速调节原理和实现方案 3
1.2.1 直流电机转速的调节原理 3
1.2.2 实现方案 4
1.2.3 产生PWM波形控原理制电机电压 4
1.3 MsK28335开发平台的介绍 5
1.4 本章小节 6
第2章 实验系统仿真组建分析及建模 7
2.1 数学模型的建立及仿真概述 7
2.2 无刷直流电机的数学模型 8
2.2.1 定子电压方程 8
2.2.2 反电势动方程 8
2.2.3 电磁转矩方程 9
2.2.4 运动方程 9
2.3 无刷直流电机特性分析 9
2.3.1 机械特性 9
2.3.2 调节特性 10
2.4 软件开发的基本流程 12
2.4.1 软件开发的基本流程图 12
2.4.2 具体操作步骤 12
2.4.3 程序的基本框架 13
2.5 本章小结 13
第3章 稳态响应和PID调节 14
3.1 系统的稳态误差与偏差的分析 14
3.2 开环频率特性与时域响应的关系 17
3.3 PID控制的基本原理 18
3.3.1 比例、积分、微分的一般调节规律 18
3.3.2 PID校正概述 19
3.3.3 利用MATLAB验证分析 20
3.4 PID控制器参数的整定 24
3.4.1 Ziegler-Nichols法 24
3.4.2 衰减曲线法 25
3.4.3 临界比例度法： 27
3.5 本章小结 28
第4章 实验结果分析 29
第5章 总结 32
参考文献 33
致 谢 35
附录A 外文原文.....................................................................................37
附录B 外文译文.....................................................................................44
第1章 绪论
1.1 伺服系统概述
1.1.1 伺服系统分类和特点
一般来说，伺服系统是指以被驱动机械物体的位置、方位、姿态为控制量使之能随指令值的任意变化进行追踪的控制系统。伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动系统。
① 伺服系统按其驱动元件划分：
有步进式伺服系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服系统；
② 伺服系统按控制方式划分：
有开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统。
其主要特点如下：
① 精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。
② 有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不同。目前常用的有脉冲比较，相位比较和幅值比较三种。
③ 高性能的伺服电机：伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速度和制动力矩。同时要求低速运行平稳。
④ 宽调速范围的调节系统：从本次系统的结构看，位置闭环是以位置为外环，速度为内环的双闭环调速系统。
1.1.2 无刷直流电机伺服系统的概述
无刷直流电机是以电子换向器代替传统机械换向器的机电一体化产品，无刷直流电机控制系统由电动机主体和控制器及其辅助驱动电路组成。控制无刷直流电机有多种方法，传统的无刷直流电机的控制，多采用DSP作为主控制器的控制系统，或采用FP-GA控制无刷直流电机，或采用MEGA8单片控制方案。这些控制方法都能够实现电机的正反转、启停等控制，但在系统实现成本、控制精度、运行稳定性和外围电路的能源消耗方面上却有较大的差别。使用DSP和FPGA的控制方案，系统的控制精度高、稳定性好，可以应用于工业生产中，不足之处在于成本过高，无法大量用于日常生活中，而采用MEAG8控制方案虽然成本低，与DSP、FPGA相比，系统的性能相差很大，无法满足工业生产的要求。电机控制技术的最新进展是将完整的数字接口和电机驱动电路（除功率晶体管外）整合到单片IC中，MsK28335就是一个代表。以MsK28335为核心的电机控制系统，可以提供线性DAC输出或PWM输出，且不会增加系统结构复杂性。
1.1.3 永磁无刷直流电机的控制技术的发展现状
永磁无刷直流电机的控制技术的发展现状：随着永磁材料、电子技术、自动控制技术以及电力电子技术，特别是高频、大功率开关器件的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术也得到了长足的进步和发展。从1932年奈奎斯特发表关于反馈放大器稳定性的经典论文开始，至今已经经历了经典控制理论阶段和现代控制理论阶段。经典控制理论阶段涉及的对象是线性单回路系统，而现代控制理论的研究重点是多变量线性系统。目前，对于线性系统的分析与设计已形成了一套完整的理论体系，这些理论和方法在永磁无刷直流电机上得到广泛的应用，并获得了巨大的成就。但严格地讲，永磁无刷直流电机是一个多变量、非线性系统，线性是在一定的范围内和一定程度上对永磁无刷直流电机系统的近似描述。而在对永磁无刷直流电机控制系统的精度和性能要求较低的应用场合，可忽略系统的非线性，或者局部线性化后，在一定范围内可以满足对控制的要求。
目前，实际应用较多的仍然是经典的PID控制，其算法简单紧凑，运行可靠，控制器可以由模拟电路实现。现代控制理论如最优控制、自适应控制的应用，有效地提高了电机的运行性能。但永磁无刷直流电机控制的发展仍然面临着一系列的挑战，最明显的挑战是永磁无刷直流电机的本质非线性，而且其运动通常是大范围的，这类运动控制问题都不宜采用线性模型。近年来，永磁无刷直流电机非线性控制理论的研究受到了控制理论界空前的关注。同时，数字信号处理器和可编程逻辑器件技术的不断进步，也为发展和应用一般的永磁无刷直流电机非线性控制方法提供了可能性。永磁无刷直流电机非线性控制系统的研究几乎是与其线性控制方法并行的，并已经将诸如相平面方法、描述函数方法、微分几何方法、微分代数方法、滑动模态的变结构控制方法、逆系统方法、模糊控制方法、神经网络控制方法以及混沌动力学方法等，用于永磁无刷直流电机控制系统。
由于存在转矩脉动，使得永磁无刷直流电机在伺服系统中的应用受到了限制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化，因而抑制或消除转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。国内外的研究人员对转矩脉动抑制问题做了大量而深人的研究，针对不同的产生原因，提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，从不同程度上提高了永磁无刷直流电机的性能。但是这些研究均是在原有结构、方案上提出了一些削弱或补偿的方法，没有从原理上或者根本上消除转矩脉动，因而转矩脉动还有待于进一步的研究。
对于转速和位置的控制，在有光电码盘、旋转变压器等测速装置提供高精度的转速反馈后，采用PID控制方法通常能够满足控制要求。而对于要求高精度和动态响应性能的永磁无刷直流电机系统，现代控制方法更为适宜。
此外，转速的锁相环控制是获得转速控制高精度的有效方法，但其动态响应、抗干扰能力不够理想，特别是大转动惯量永磁无刷直流电机的锁相环控制系统快捕带极窄，对扰动和噪声极其敏感，容易引起失锁和误锁定，这主要是由于锁相环鉴相器的非线性鉴相特性所决定的。研究锁相环控制的非线性控制方法，是提高其动态响应性能和抗干扰能力的有效途径，这些锁相环非线性控制方法同样 有待于进一步研究。从锁相环控制的鉴相器实现方式来看，可分为模拟锁相环、模数混合锁相环、数字锁相环和软件锁相环。要应用锁相环非线性控制方法，采用软件来实现锁相环是必要的。
1.2 直流电机转速调节原理和实现方案
1.2.1 直流电机转速的调节原理
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1.1）式中 Ua——电枢供电电压（V）；
Ia ——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。可知调速方法：
(1)改变电枢回路总电阻Ra；
(2)改变电枢供电电压Ua；
(3)改变励磁Ф。
1.2.2 实现方案
我们可以根据第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。PWM基本原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。PWM （Pulse Width Modulation）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，PWM控制为脉冲宽度调制，保持开关周期不变，调制导通时间。脉宽调速系统历史久远，但缺乏高速大功率开关器件，未能及时在生产实际中推广应用。后来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件，使直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展。
1.2.3 产生PWM波形控原理制电机电压
利用单片机AD转换器输出控制直流电机两端电压，来控制转速。可采用简单的比例调节器，其公式
Y=Kp*e(t) （1.2）
e(t)为偏差电压，即输入，Kp为比例系数，Y为输出。
比例调节是最简单最基本的方式，调节器的输出与输入成正比，与调节比例系数成正比。比例系数越大，动态性能大，调节作用好。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量，但是比例调节存在问题，对于多数惯性环节，比例调节会引起自激震荡，而且其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。
1.3 MsK28335开发平台的介绍
图1.1 MsK28335电机控制开发板
MsK28335是一个完整的开发平台，它还配备了功率模块和一台无刷或异步电动机，并且集成了丰富的数字运动控制辅助设计工具。该版本可帮助用户快速完成软件调试，以及对整个方案的性能评估。MsK28335提供两套完整的速度控制演示程序（永磁同步电机和无刷直流电机），用户可通过图形化的运动分析工具、系统调节工具及速度给定设置工具，对电机控制的性能进行评估。具体功能有 ：
1、项目管理功能；
2、直流无刷、交流无刷伺服电机控制示例、电机运动曲线设计；
摘 要
随着现代科学技术的不断发展和进步，目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志，PID控制器是目前工业过程控制中,应用最为广泛的工业控制器之一。
本文首先对无刷直流电机做了比较详细的介绍，包括调节此类电机转速的相关原理和方案，然后主要讲述了如何通过PID参数的整定来控制电机的速度，采用不同的PID参数,控制系统的效果明显不同,系统的闭环特性很大程度上取决PID控制器的性能,因此PID控制器参数的调节和优化对控制系统的实施起着非常重要的作用。PID控制器参数整定是PID控制系统设计的核心内容,控制工程中常用的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、鲁棒PID参数整定法和ISTE最优参数整定法等方法。
Simu-link是一种以Matlab为基础的实现交互式动态系统建模、仿真与分析的软件包,可以针对控制系统等进行系统建模、仿真、分析等工作。本文介绍的就是在基于Msk28335开发平台和Matlab平台对PID控制器参数整定的电机转速控制。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:工业自动化；闭环特性；PID控制器参数整定
Key words：Industrial Automation ；Closed-loop Characteristics ; The PID Controller Parameter Setting目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 伺服系统概述 1
1.1.1 伺服系统分类和特点 1
1.1.2 无刷直流电机伺服系统的概述 1
1.1.3 永磁无刷直流电机的控制技术的发展现状 2
1.2 直流电机转速调节原理和实现方案 3
1.2.1 直流电机转速的调节原理 3
1.2.2 实现方案 4
1.2.3 产生PWM波形控原理制电机电压 4
1.3 MsK28335开发平台的介绍 5
1.4 本章小节 6
第2章 实验系统仿真组建分析及建模 7
2.1 数学模型的建立及仿真概述 7
2.2 无刷直流电机的数学模型 8
2.2.1 定子电压方程 8
2.2.2 反电势动方程 8
2.2.3 电磁转矩方程 9
2.2.4 运动方程 9
2.3 无刷直流电机特性分析 9
2.3.1 机械特性 9
2.3.2 调节特性 10
2.4 软件开发的基本流程 12
2.4.1 软件开发的基本流程图 12
2.4.2 具体操作步骤 12
2.4.3 程序的基本框架 13
2.5 本章小结 13
第3章 稳态响应和PID调节 14
3.1 系统的稳态误差与偏差的分析 14
3.2 开环频率特性与时域响应的关系 17
3.3 PID控制的基本原理 18
3.3.1 比例、积分、微分的一般调节规律 18
3.3.2 PID校正概述 19
3.3.3 利用MATLAB验证分析 20
3.4 PID控制器参数的整定 24
3.4.1 Ziegler-Nichols法 24
3.4.2 衰减曲线法 25
3.4.3 临界比例度法： 27
3.5 本章小结 28
第4章 实验结果分析 29
第5章 总结 32
参考文献 33
致 谢 35
附录A 外文原文.....................................................................................37
附录B 外文译文.....................................................................................44
第1章 绪论
1.1 伺服系统概述
1.1.1 伺服系统分类和特点
一般来说，伺服系统是指以被驱动机械物体的位置、方位、姿态为控制量使之能随指令值的任意变化进行追踪的控制系统。伺服控制系统可以认为是随动控制系统，既可以是转速的随动控制，也可以是位置的随动系统。
① 伺服系统按其驱动元件划分：
有步进式伺服系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服系统；
② 伺服系统按控制方式划分：
有开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统。
其主要特点如下：
① 精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。
② 有多种反馈比较原理与方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不同。目前常用的有脉冲比较，相位比较和幅值比较三种。
③ 高性能的伺服电机：伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速度和制动力矩。同时要求低速运行平稳。
④ 宽调速范围的调节系统：从本次系统的结构看，位置闭环是以位置为外环，速度为内环的双闭环调速系统。
1.1.2 无刷直流电机伺服系统的概述
无刷直流电机是以电子换向器代替传统机械换向器的机电一体化产品，无刷直流电机控制系统由电动机主体和控制器及其辅助驱动电路组成。控制无刷直流电机有多种方法，传统的无刷直流电机的控制，多采用DSP作为主控制器的控制系统，或采用FP-GA控制无刷直流电机，或采用MEGA8单片控制方案。这些控制方法都能够实现电机的正反转、启停等控制，但在系统实现成本、控制精度、运行稳定性和外围电路的能源消耗方面上却有较大的差别。使用DSP和FPGA的控制方案，系统的控制精度高、稳定性好，可以应用于工业生产中，不足之处在于成本过高，无法大量用于日常生活中，而采用MEAG8控制方案虽然成本低，与DSP、FPGA相比，系统的性能相差很大，无法满足工业生产的要求。电机控制技术的最新进展是将完整的数字接口和电机驱动电路（除功率晶体管外）整合到单片IC中，MsK28335就是一个代表。以MsK28335为核心的电机控制系统，可以提供线性DAC输出或PWM输出，且不会增加系统结构复杂性。
1.1.3 永磁无刷直流电机的控制技术的发展现状
永磁无刷直流电机
目前，实际应用较多的仍然是经典的PID控制，其算法简单紧凑，运行可靠，控制器可以由模拟电路实现。现代控制理论如最优控制、自适应控制的应用，有效地提高了电机的运行性能。但永磁无刷直流电机控制的发展仍然面临着一系列的挑战，最明显的挑战是永磁无刷直流电机的本质非线性，而且其运动通常是大范围的，这类运动控制问题都不宜采用线性模型。近年来，永磁无刷直流电机非线性控制理论的研究受到了控制理论界空前的关注。同时，数字信号处理器和可编程逻辑器件技术的不断进步，也为发展和应用一般的永磁无刷直流电机非线性控制方法提供了可能性。永磁无刷直流电机非线性控制系统的研究几乎是与其线性控制方法并行的，并已经将诸如相平面方法、描述函数方法、微分几何方法、微分代数方法、滑动模态的变结构控制方法、逆系统方法、模糊控制方法、神经网络控制方法以及混沌动力学方法等，用于永磁无刷直流电机控制系统。
由于存在转矩脉动，使得永磁无刷直流电机在伺服
对于转速和位置的控制，在有光电码盘、旋转变压器等测速装置提供高精度的转速反馈后，采用PID控制方法通常能够满足控制要求。而对于要求高精度和动态响应性能的永磁无刷直流电机系统，现代控制方法更为适宜。
此外，转速的锁相环控制是获得转速控制高精度的有效方法，但其动态响应、抗干扰能力不够理想，特别是大转动惯量永磁无刷直流电机的锁相环控制系统快捕带极窄，对扰动和噪声极其敏感，容易引起失锁和误锁定，这主要是由于锁相环鉴相器的非线性鉴相特性所决定的。研究锁相环控制的非线性控制方法，是提高其动态响应性能和抗干扰能力的有效途径，这些锁相环非线性控制方法同样 有待于进一步研究。从锁相环控制的鉴相器实现方式来看，可分为模拟锁相环、模数混合锁相环、数字锁相环和软件锁相环。要应用锁相环非线性控制方法，采用软件来实现锁相环是必要的。
1.2 直流电机转速调节原理和实现方案
1.2.1 直流电机转速的调节原理
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 （1.1）式中 Ua——电枢供电电压（V）；
Ia ——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。可知调速方法：
(1)改变电枢回路总电阻Ra；
(2)改变电枢供电电压Ua；
(3)改变励磁Ф。
1.2.2 实现方案
我们可以根据第二种方法知道，直流电机转速与加在电机两端电压有关，故可选用单片机产生PWM方波，经驱动电路放大后驱动电机旋转。PWM基本原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。PWM （Pulse Width Modulation）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，PWM控制为脉冲宽度调制，保持开关周期不变，调制导通时间。脉宽调速系统历史久远，但缺乏高速大功率开关器件，未能及时在生产实际中推广应用。后来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件，使直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展。
1.2.3 产生PWM波形控原理制电机电压
利用单片机AD转换器输出控制直流电机两端电压，来控制转速。可采用简单的比例调节器，其公式
Y=Kp*e(t) （1.2）
e(t)为偏差电压，即输入，Kp为比例系数，Y为输出。
比例调节是最简单最基本的方式，调节器的输出与输入成正比，与调节比例系数成正比。比例系数越大，动态性能大，调节作用好。采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量，但是比例调节存在问题，对于多数惯性环节，比例调节会引起自激震荡，而且其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。
1.3 MsK28335开发平台的介绍
图1.1 MsK28335电机控制开发板
MsK28335是一个完整的开发平台，它还配备了功率模块和一台无刷或异步电动机，并且集成了丰富的数字运动控制辅助设计工具。该版本可帮助用户快速完成软件调试，以及对整个方案的性能评估。MsK28335提供两套完整的速度控制演示程序（永磁同步电机和无刷直流电机），用户可通过图形化的运动分析工具、系统调节工具及速度给定设置工具，对电机控制的性能进行评估。具体功能有 ：
1、项目管理功能；
2、直流无刷、交流无刷伺服电机控制示例、电机运动曲线设计；
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