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1、摘要运动控制起源于早期的伺服控制。简单地说，运动控制就是对机械运动部 件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动 参数进行运动。早期的运动控制技术主要是伴随着数控技术、机器人技术和工 厂自动化技术的发展而发展的。早期的运动控制器实际上是可以独立运行的专用 的控制器，往往无需另外的处理器和操作系统支持，可以独立完成运动控制功能、 工艺技术要求的其他功能和人机交互功能。这类控制器可以成为独立运行的运动 控制器。这类控制器主要针对专门的数控机械和其他自动化设备而设计，往往已 根据应用行业的工艺要求设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应 用加工代码文件，利用RS2
2、32或者DNC方式传输到控制器，控制器即可完成相 关的动作。这类控制器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的 开放性仅仅依赖于控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的 运动控制系。关键词：运动控制，伺服控制，电源双极性，PWM 直流调速控制，protus 仿真引言直流电机的定义：将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成 直流电能（直流发电机）的旋转电机。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优 良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击 负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化
3、系统 各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调 速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控 制直流电机调速的方法就应运而生。采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会 产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而用PWM技术后，避免上述的缺 点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。并且PWM调速系 统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特 性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带； 开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具
4、有节约空间、 经济好等特点。随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调 速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反 视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、 火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。任务分析1设计方案1.1概述采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器一直流电动机 调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。脉宽调制变换器是把 脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导 通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控
5、制脉冲的宽度或周期 达到变压的目的。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1： 10000左右。4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰 能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适中时，开关 损耗也不大，因而装置效率高。6）直流电流采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动 态性能中，已完全取代了 V-M系统。为达到更好的机
6、械特性要求，一般直流电 动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反 馈。1.2双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，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去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的 直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输 出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。总体方案简化图如图1所示。Id图1双闭环调速系统的结构简化图1.3桥式可逆PWM变换器的工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流
7、电源电压调制 成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转 速。桥式可逆PWM变换器电路如图2所示。这是电动机M两端电压u的极AB性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图2桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图3所示。UgltOtonTUg2|Ug3tOU勺ABLUstOtonTUs图3 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：U = U = -U = -U 。在一个开关周期内，当0 t t时g 1g 4g 2g 3on晶体管VT、VT饱和导通而VT、VT截止，这时U = U。当t t -，则U的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较 o
8、n2AB窄时，则反转；如果正负脉冲相等，t =T，平均输出电压为零，则电动机停止。on 2双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为“ t tt T -1(21 donOH =on 1d t stj tS如果定义占空比p=，电压系数丫=匚TUS则在双极式可逆变换器中Y = 2 p 1调速时，P的可调范围为01相应的丫=_ 1 +1。当p丄时，丫为正，电2动机正转；当p 丄时，丫为负，电动机反转；当p =丄时，丫= 0，电动机停止。2 2但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的 平均值等于零，不产生平均转矩,徒然增大电动机的损耗这是双极
9、式控制的缺点。 但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静 摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可 靠导通。1.4电源采用双极性脉宽调制放大电路图2举出了一个实际的标准双极性PWM功率放大器。它是一个典型的H型功 放，四个功放管分别采用NPN型达林顿管TIP122和PNP型达林顿管TIP127。PWM 脉冲信号通过光电耦合器件4N35加到晶体管的输入端。4N35的作用
10、是把控制电 源与驱动电源隔离，以免驱动器电源不稳定影响整个控制系统；同时，4N35的 输出端还提供功放管的基极驱动电流。系统的工作过程如下：当PWM1端变为低电平且PWM2端为高电平时，功 放管Q2/Q3导通，Q1/Q4截止，电流从电机两侧的B点流向A点，此时电机正转; 反之，反转。二极管DI、D2、D3、D4是续流二极管，在晶体管切换时提供电流 通路，并联在二极管两端的电阻和电容也起续流作用。PWM1和PWM2是两路控制信号。如果加上如图3所示的信号，则构成单极性 功放电路。PWM信号由8051单片机的定时器产生，由P1.0输出。P1.1的高低电 平代表电机的正反转。四个功放管采用MOS管。
11、当电机要求正转时，单片机的 P1.1输出高电平信号，该信号分为三路：第一路接与门Y1的输入端，使与门Y1 的输出由PWM决定，所以开关管Q1栅极受PWM控制；第二路直接与开关管Q4 相连使Q4导通；第三路经非门连接到与门Y2的输入端，使与门Y2的输出为0, 结果开关管Q2截止。从非门输出的另一路信号与开关管Q3的栅极相连，其低电 平信号也将使Q3截止。类似地，电机要求反转时，单片机P1.1输出低电平信号， 各功放管的导通与截止与电机正转时正好相反。双极性PWM电路中，PWM1和PWM2两路控制信号通常不是严格对称的，造成 切换过程中有一个小的时间延迟T，如图4所示。T实际上是功率管的开关时WW
12、间，考虑时间延迟的目的是为了防止H桥同侧的功放管在开关切换时短路。1.5 PWM调速系统的静特性由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单, 电压平衡方程如下U = Ri + 厶作 + E ( 0 t t )s d dtOn. diU Ri + L d + E (t t T)s d dton按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两 端在一个周期内的电压都是U - Y U，平均电流用I表示，平均转速n - E / C ， dsde而电枢电感压降L為的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成dt则机械特性方程式Y U = RI + E =sd
13、Y URn 二s-I :CC deeRI + C ndeR:n I0 C de2电路设计2.1系统总体电路图猜想直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产 生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。2.2电机PI转速调节器电路肚CnRJO/2W2HhIIF-fl；=ConEO/2RO/2i卅j_ HT ConJ_图3 PI转速调节器2.3系统中的部分程序设计软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。主程序设计主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是，先设定好速度初始值，这个 初始值与测速电路送来的值相比较得到一个误差值，然后用PI算法输出
14、控制系 数给PWM发生电路改变波形的占空比，进而控制电机的转速。其程序流程图如 图所示。软件由1个主程序、1个中断子程序和1个PI控制算法子程序组成。 主程序主程序是一个循环程序，其主要思路是由单片机P1 口生数据送到PWM 信号发生电路，然后用PI算法输出控制系数给PWM发生电路改变波形的占空 比进而控制电机的转速。#include#include /* /* 自定义变量*/#define uint unsigned int /自定义变量#define uchar unsigned charchar gw,sw,bw,qw;uchar j; /定时次数，每次20msuchar f=5; /计数的次数sbitPIO二P0;/PWM输出波形1sbitPll二Pl;/PWM输出波形2s
