力矩电机控制系统设计

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1、力矩电机控制系统力矩电机控制系统一、一、 设计目的及任务设计目的及任务力矩电机分直流力矩电机和交流力矩电机，其工作原理和普通直流和交流电 机的工作原理是一样的。但是不同的是直流力矩电机的电枢绕组的电阻比普通直 流电机的电枢绕组的电阻大，同样交流力矩电机转子的电阻比普通交流电机的转 子电阻大。对于力矩电机我们注重它的技术参数主要是额定堵转电压，额定堵转 电流和额定堵转电流下的堵转时间。 力矩电机的特点是具有软的机械特性，可以堵转。当负载转矩增大时能自动 降低转速，同时加大输出转矩。当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速， 但转速的调整率不好。因而在电机轴上加一测速装置，配上控制器，利用测速装

2、 置输出的电压和控制器给定的电压相比，来自动调节电机的端电压，使电机稳定。设计任务就是要设计一个控制系统来控制力矩电机，使其产生满足要求的力 矩。 1、 能产生所要求的力矩，可用于一些地面模拟设备上，用来模拟设备运行 时的干扰力矩； 2、 可用于控制系统设计课程实验设备或是控制算法的验证。二、二、 设计要求设计要求本系统为力矩电机的控制系统，设计要求如下： 1、可以产生三种固定的力矩波形； 2、可以根据要求任意设定力矩波形，这样可以大大增加系统的灵活性； 3、可以实现单片机和 PC 的相互传输； 4、控制精度高，响应快； 5、力求简单，实用。三、三、 设计方案设计方案系统的装置由光电码盘，稀土

3、永磁直流力矩电机和飞轮组成。 在控制器的设计上，为了做到简单、实用，选择了常用的 PID 控制；为了提 高系统的控制精度，从软件上对系统进行误差补偿。 1、系统工作原理、系统工作原理 通过控制向力矩电机施加的电流，向飞轮施加力矩，使飞轮加速后减速旋转， 反作用力矩通过模拟器机械装置的底座同时施加到连接的转台上，达到向状态施 加力矩的作用，全部过程再闭环控制下进行。系统总体框图如图 1 所示：2、 控制系统描述控制系统描述 电机转动的角度经光电码盘检测转化为脉冲输出，对脉冲信号进行计算就得 到角度转动的累计值，控制计算机将指令与光电码盘输出的角度信号相比较，得控制计算机功率放大飞轮机械装置码盘图

4、 1. 系统总体框图到误差信号，计算机将误差信号按照控制算法后，经 D/A 输出并经功率放大后转 换成驱动电流施加到力矩电机上，电机按输入信号要求驱动负载转动。 系统机械装置单台质量在 5.2Kg 以内，地盘直径为 150mm，系统转子的转动 惯量 J=0.0078kgm2，所以在 0.02Nm 力矩作用 0.5 秒时，系统可以从 0/s 达到 73.2/s，这是一个不太高的转速，从使用角度分析，这样比较有利、系统驱动采 用稀土力矩电机，其技术指标为：在加入电机 1.78A 电流时，电机输出 0.28Nm 的力矩，最大可加入 5.3A 的电流，此时电机将输出 0.84Nm 的力矩。角度测量 采

5、用高精度光电编码器，分辨率为 2000 脉冲/周，经四倍频后可达到 8000 脉冲/ 周。 3、机械系统描述、机械系统描述 机械系统为可拆装结构，为了时结构讲古可靠，对连接、定位部分进行了强 化，系统支撑轴承采用高精度级别的轴承，从而减小系统的质量。在机构上选用 两端出轴的的电机，一段直接接负载飞轮，另一端通过联轴器接光电码盘，电机 在机械装置的中部， 4、系统功能和操作、系统功能和操作 系统可以产生三种固定的力矩波形；也可以根据要求任意设定力矩波形，这 样可以大大增加系统的灵活性；同时可以实现单片机和 PC 的相互传输； 上电后系统进入零位模式，电机始终保持零位，直到接收到上位机的控制指 令

6、为止。用串口发送 13 之间的数，命令电机做不同的运动，使其加速得到力矩。四、四、 硬件设计硬件设计系统选用 AD 公司的 AduC841 作为控制处理器；选用 EPM7218 作为逻辑控 制器；码盘选用欧姆龙公司的光电码盘来采集电机实际转动的位置信息作为系统 的反馈传感器。 1、 ADuC841 芯片芯片 ADuC841 芯片是 ADI 公司生产的 MCS-51 系列单片机的兼容芯片，其功能框 图如图 2 所示，它在保持 MCS51 系列单片机优良的性价比的同时，还具有如下 主要资源及功能： 单指令周期 20MIPS8052 内核；6 通道 12 位高速 420kSps 模拟/数字转换器；2

7、 个 12 位电压输出 DAC；62KB 片内闪速/电檫除程序存储器；4KBy 片内 Flash/EE 数据存储空间；2304B 片内 RAM 数据存储空间；精确的 2.5V 参考电压； 时间间隔计数器；USART 串行接口 I/O；看门狗定时器，电源监视器。 ADuC841 可用于精密仪器和传感器控制、瞬间捕获系统、以及 DAS 和通信 系统等。它自身集成了高性能的多通道的 ADC，双通道的 DAC，和一个 20MHz、8 位的 8052 内核。ADuC841 的时钟直接由外部的晶振倍频到 20MHz。 特殊功能寄存器（SFRS） 这部分空间被映射到内部数据存储器的的高 128 位，只能直接

8、访问它们。它 们为 CPU 和片上外围设备提供一个界面。除了程序计数器 PC 和 4 个通用寄存器 块外，所有的都在 SFR 区域。特殊功能寄存器包含了 CPU 和片上外围设备的控 制、配置和数据寄存器。PCON：它包含电源优化和通用状态标志位。图 2. ADuC841 功能框图 2、 光电码盘信号处理逻辑芯片光电码盘信号处理逻辑芯片 EPM7128 由于选用的是增量编码器，所以需要对编码器输出的脉冲进行计数，采用 CPLD 芯片，并开发了相应的逻辑程序。 CPLD（Complex Programmable Logic Device）即为复杂可编程逻辑器件，是 从 EPLD 改进而来的，采用

9、EEPROM 工艺制作，对逻辑宏单元和 I/O 单元也有重 大的改进，它的性能更好，实用更方便。从结构上看，CPLD 大都包含了三种结 构：宏单元、可编程 I/O 单元和可编程内部连线。宏单元是 CPLD 器件的基本单 元，宏单元内部主要包括“与或”阵列、触发器和多路选择其等电路，能独立地 配置为组合或者时序工作方式。 3、硬件电路结构设计、硬件电路结构设计 系统采用 ADuC841 作为主控芯片，来完成所有的运算和控制过程，采用欧姆龙公司生产的光电码盘来采集电机实际转动的位置信息，然后根据系统要求运行的轨迹，生成控制器的指令曲线，将位置信息和指令信息作差，得到系统的偏差， 利用 PID 控制

10、的策略，设计而行控制器，依据偏差的大小来调节系统的控制量， 对于输出的控制量在输出前加入饱和限制，当偏差超过一定的范围时，强制的将 偏差拉为给定值，将控制量送入 DAC，生成模拟量形式的控制量，进而送入模拟 电路，控制对应的电机进行工作，电机依据给定的指令，按照对应的运动曲线进 行运转，由于 DAC 的输出的时 05V 的电压，为了使电机能够实现正反向的转动， 我们将 DAC 的输出控制量和一个 2.5V 的基准源送到一个加法电路中进行计算， 使得输出的控制量是-2.52.5V 的一个电压值，从而实现了电机的正反转的控制。 系统的硬件框图如图 3 所示。 4、 功放系统功放系统 功放部分主要用

11、于接受 D/A 给出的脉冲指令信号，通过低通滤波后转变为模 拟信号，该信号经过功率放大后用于驱动电机转动，D/A 给出的脉冲指令信号经 过一次电压跟随和一次低通滤波转换为模拟信号，通过实验观察，滤波后信号的 纹波较小，完全能够满足对电机转动稳定性的要求，低通滤波的带宽的要求而设 计为 300rad/s。 滤波后的信号经过一次电压跟随以增强带负载能力，该信号作为控制系统的 输入信号控制电机的转动，由于 D/A 给出的信号为单极性输出，而为了电机能过 获得正反两个方向的转动，要求将系统的参考基准设为 2.5V，当控制信号低于 2.5V 时电机反转，高于 2.5V 时电机正转。 电机驱动电路的工作原

12、理：单片机给出的 D/A 信号，经过低通滤波电路，i 放大及功率输出之后驱动电机。 如图 4 所示，该部分的功能是由 DAC0 给出控制信号，经有源滤波后电压取 反；DAC1 给出一个偏置电压，其中 DAC1 时单片机给出的 2.5V 电压信号，2.5 V 接一电压跟随电路后，输出和控制信号信号的输出再经过一个反向求和电路， 得到电机的真实控制信号即控制器输出信号和基准做差，当控制器输出大于 2.5V 时电机正转，小于 2.5V 时电机反转；然后给到功放输出来驱动电机。此处用达 林顿管 BD681 和 BD682 是为了增加输出的驱动能力。 系统上电延时部分电路设计 系统上后，单片机自身有延时

13、，由此导致的结果时数字电路的相应滞后与模 拟电路部分，结果上电后电机有一个冲击转动，为了消除这个冲击，设计时加入CPLD7128运行状态 选择模块晶振ADuC841P0控制信号码盘采样值64KB FLASHDAC1DAC0电机驱 动电路电机串行口PC 机2304BR AM图 3. 系统硬件框图一个延时电路。此电路由一个时间继电器和三个普通几点器组成，时间继电器控 制三个普通继电器。不通电时普通几点的长闭节点闭合，使电机处于短路状态。 当 5V 和 12V 供电都正常之后，时间继电器延时 10 秒（该时间可调） ，普通继电 器常闭节点打开，使转台投入工作，与此同时时间继电器给单片机一个信号，到

14、哪偏激接到此信号后，控制系统开始工作，此后整个系统处于受控工作状态。驱动电路的设计是为了满足正反旋转的要求而设计成互补功率输出形式，按 照力矩指标要求及电机参数，系统中采用的达林顿管的最大输出电流为 1A，为 了防止达林顿管功耗过大而导致放热，设计时采用散热片为其散热，当达林顿管 持续流过电流小于 0.4A 时温度升高的很小，完全可以满足系统再最大力矩输出 时的要求，带宽指标为 500kHz，完全可以满足系统要求。图 4. 电路原理图C1 103R1100K+5VSW 11 2 3 45678SW 2R21KR41KR31K +5VR51K+5VLE D12345J2.112345J2.212

15、3J1.212J1.112J4Vcc16C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2OU T7R2IN8T2IN10R2OU T9T1IN11R1OU T12R1IN13T1OU T14GND15U3M AX 202+5VC8 0.1C70.1C60.1C40.1C50.1T1OU T R1INRX D TX DC11105+ C12 47uF+12VC13105+ C14 47uF-12VC15105+ C16 47uF+5VC21104C22104C23104C24104C25104C26104C27104C28105C29105C30105+5VC17105C18105+12V-12

16、V C19105C20105I/O E2/GCL K22IN/GCLK183IN/OE 184INPUT/G LCR1TCK62IO17IO28IO45IO57IO58IO60IO61IO63IO64IO65IO67IO68IO69IO70IO73IO74IO75IO76IO77IO79IO80IO81IO33IO34IO35IO36IO37IO39IO40IO41IO44IO6IO46IO48IO49IO50IO51IO52IO54IO55IO56IO8IO9IO10IO11IO12IO15IO16IO4IO18IO20IO21IO22IO24IO25IO27IO5IO29IO30IO31TD I14TD O71TM S23U2EPM7128TD I TD O TM SR81KNC1GN D2OU T3VCC4U4P1.11P1.22P1.33AV DD4AV DD5AG ND6AG ND7AG ND8CREF9VREF10DA C011DA C112P1.4/AD C413P1.5/AD C514P1.6/AD C615P1