無刷直流電動機控制系統(tǒng)的硬件和仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u7824無刷直流電動機控制系統(tǒng)的硬件和仿真分析案例 1209101系統(tǒng)硬件平臺設計 131881.1控制系統(tǒng)整體結構 1244991.2系統(tǒng)硬件與系統(tǒng)組態(tài) 270221.1.1PLC系統(tǒng)硬件選型及組態(tài) 2182431.1.2驅動裝置選型 2267271.2.3磁編碼器原理及其位置采樣調(diào)理電路設計 346111.3上位機監(jiān)控功能設計 4156821.2.1上位機監(jiān)控功能整體規(guī)劃 455681.2.2WinCC監(jiān)控畫面設計 5179892系統(tǒng)仿真分析 5278132.1仿真平臺介紹 5245562.2建立傳統(tǒng)PID控制仿真系統(tǒng) 5267072.3模糊自整定PID控制仿真系統(tǒng)建立 6102662.4仿真結果的比較和分析 878732.1.1系統(tǒng)啟動過程中控制性能比較與分析 856352.1.2負載變化對系統(tǒng)性能的影響比較與分析 10263772.1.3電網(wǎng)電壓波動對系統(tǒng)性能的影響比較與分析 11138982.1.4電動機參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響比較與分析 111系統(tǒng)硬件平臺設計1.1控制系統(tǒng)整體結構如圖2-1，是轉速系統(tǒng)的硬件連接圖，此圖基于模糊自整定PID算法作出。系統(tǒng)組件包括工業(yè)計算機，S7-300PLC，直流驅動器AQMD361ONS,直流電動機，旋轉編碼器測速系統(tǒng)，PROFIBUS通信總線。圖2-1轉速控制系統(tǒng)的硬件連接結構圖1.2系統(tǒng)硬件與系統(tǒng)組態(tài)1.1.1PLC系統(tǒng)硬件選型及組態(tài)控制系統(tǒng)由電源，S7-300PLC，信號模塊以及通訊選件組成的,基于模糊自整定PID算法的速度控制系統(tǒng)的核心是S7-300PLC，通過TCP/IP協(xié)議，由工業(yè)以太網(wǎng)來通信，選取電源模塊PS3075A，CPU模塊6ES7315-2EH140AB0，數(shù)字量輸入模塊DI32x直流24V，數(shù)字量輸出模塊DO32x直流24V/0.5A，模擬量輸入模塊6ES7331-1KF02-0AA0。本文著重點于直流電機的速度控制，一些遠程I/O信號沒有在本文中反映。1.1.2驅動裝置選型直流調(diào)速裝置是作為直流電動機的驅動裝置，因此直流電動機的調(diào)速裝置是尤為重要的。本篇論文里，直流電機的調(diào)速主要是通過AQMD361ONS來完成的。AQMD361ONS直流電機驅動器可以調(diào)節(jié)直流電機的速度，并且它有以下五點的功能特點：電壓是9V36V，電流的最大輸出可以達到10人。支持多種控制方式，其中包括電位器、模擬信號為05V以及差分模擬信號，差分模擬信號大約是-5V+5V支持多種調(diào)速方式，其中包括調(diào)壓調(diào)速、穩(wěn)流調(diào)速、穩(wěn)速調(diào)速等。電流的控制精度在電機電流進行PID調(diào)節(jié)控制時，他的值約為0.1A，并且可以分別配置最大的啟動電流、負載電流、制動電流。AQMD361ONS為了避免出現(xiàn)過流損壞電機的情況，它可以支持點擊過載，同時可以堵轉限流。這樣就使電機剎車時間縮短，沖擊力減小。AQMD361ONS設備在出廠時，為了去適應現(xiàn)場環(huán)境的多變復雜性，全部接口做ESD防護。需要注意以下幾點：為了防止出現(xiàn)燒掉驅動器的器件的情況，電源的接線不可以與電位器以及通訊接口搭在一起。同時，當出現(xiàn)驅動器工作不穩(wěn)定的情況時，優(yōu)先考慮是否將機殼與電源地相連了，如果條件允許機殼請于大地相連。1.2.3磁編碼器原理及其位置采樣調(diào)理電路設計磁編碼器在嚴酷的環(huán)境中的性能比光電編碼器優(yōu)越的同時，響應快，價格比光電編碼器便宜，結構簡單，壽命長，安裝簡單，使用溫度范圍廣，因此被廣泛使用在要求高精度定位和高速響應的領域中使用。一般來說，是機械產(chǎn)業(yè)、OA機器、精密機器、家電等自動化控制的數(shù)字化。該系統(tǒng)所使用的磁編碼器為RM44SI型，安裝簡單可靠，電壓可從SV或24V中選擇。磁編碼器的動作原理如圖2-2所示，磁編碼器的磁鼓的磁S極和磁N極均勻地配置在圓上。伴隨著電機的旋轉，通過兩個固定磁傳感器，R1和R2的電阻會隨著感應磁場的強度而變化，兩個磁傳感器的中間節(jié)點的電位會發(fā)生變化。之后，中間節(jié)點的電位被過濾，電路可以取得電機轉子的位置矩形波信號。圖2-2磁編碼器工作原理磁編碼器RM44SI可輸出合計2個位置信號。一個是如圖2-3所示，與光電編碼器相同的增量位置信號。另一個是絕對位置信號。這是用于電機初始角度定位的、與旋轉角度相關的10位的二進制數(shù)。具體的信號獲取方法通過DSP將GPIO端口連接到磁編碼器的CLOCK側，并且在電動機啟動時將占空50%的脈沖波提供給CLOCK。DSP的GPIO端口收集磁編碼器的DATA端，收集10個脈沖后，獲得初始角度的絕對位置信號。如圖2-4所示。圖2-3增量式位置信號圖2-4絕對位置信號關于絕對位置的取得和調(diào)整，大部分都是通過內(nèi)部軟件來執(zhí)行的。但是，為了防止干擾，磁編碼器的DATA端和CLOCK端都是正和負兩種差動信號。因此，控制板可以使用全雙工信號收發(fā)器MAX3490完成DATA和CLOCK的數(shù)據(jù)發(fā)送。同樣，磁編碼器的相對位置信號也是微分信號.為了更準確地計算旋轉角度和速度，這里使用微分信號處理芯片DS26LV32AW對微分信號進行濾波。得到的信號的上升變得不順暢，信號的傳達變得更正確。1.3上位機監(jiān)控功能設計1.2.1上位機監(jiān)控功能整體規(guī)劃開發(fā)環(huán)境是WinCC7.0組態(tài)軟件，在Windows7操作系統(tǒng)的原理下，開發(fā)出了該系統(tǒng)的軟件。Windows7具有很高的可靠性，并且安全。性和易用性也有很大的優(yōu)勢。WINC比較易于使用，它主要包括了人機界面軟件，系統(tǒng)配置軟件以及其他組件和軟件模塊1.2.2WinCC監(jiān)控畫面設計在WinCC中創(chuàng)建一個用戶項目，在圖形編輯器中為主監(jiān)視屏幕創(chuàng)建六個屏幕，圖形屏幕的幾何屬性設置為1366*768,主屏幕的左側設置為按鈕區(qū)域。主畫面顯示過程畫面，報警畫面，報告和歷史曲線畫面。在設計監(jiān)視屏幕的過程中，將所有畫面放在主畫面上，用坐標平移來顯示與隱藏畫面，這樣就可以防止畫面的閃爍。主屏幕的監(jiān)視屏幕顯示一個磁滯曲線，所有曲線由于未建立連接的原因，它們的值均為零，然后將組態(tài)與過程變量連接起來。2系統(tǒng)仿真分析2.1仿真平臺介紹在此文中對直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究，是通過MATLAB中的SIMULINK仿真工具來進行的，它提供了新型控制系統(tǒng)的模型輸入。在控制系統(tǒng)的仿真領域里，MATLAB作為一種有效的實用工具，它還向我們提供了SIMULINK仿真工具。SIMULINK具有以下幾種較為明顯的優(yōu)點：首先它的模型設置很簡單，并且它可以進行動態(tài)修改仿真參數(shù)，因此在直流電動機控制的研究中，我們可以使用SIMULINK來進行仿真。MATLAB提供的工具箱使調(diào)用和仿真變得容易，從而節(jié)省了工程時間。在本文中，我們將以MATLAB為平臺，通過模糊控制的策略，當建立直流電機的控制系統(tǒng)仿真模型后，再做仿真實驗。2.2建立傳統(tǒng)PID控制仿真系統(tǒng)運行SIMULINK做出成動態(tài)結構模型。具體步驟是：（1)在ABC三相電源的選擇中，選擇交流電壓模塊。進行參數(shù)設置：幅度220V，相位差120°，頻率是50HZ，得到的即是三相對稱交流電。（2)重命名“UniversalBridge”模塊，打開“設置整流橋參數(shù)”，重新設置參數(shù)。有三個橋臂，并且選擇出了晶閘管。其他組件不需要設置參數(shù)，默認值在仿真過程中，如果出現(xiàn)需要優(yōu)化調(diào)整的情況下，可以進行修改。（3)選擇“直流Machine”模塊，然后將標簽更改為“直流Motor”。勵磁繞組“F+-F-”，將其連接到直流恒定勵磁電源，平滑電抗器連接了電樞繞組“A+-A-”。輸出參數(shù)勵磁電流If，電磁轉矩Te，電樞電流Ia和速度^(4)整體研究觸發(fā)器和晶閘管整流橋，同步電源和6脈沖觸發(fā)器組成了同步脈沖觸發(fā)器。我們將相電壓轉換為線電壓，因為脈沖觸發(fā)器需要三相線電壓同步，同時我們還需要選擇三相交流電源的同步電源。（5)速度外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)建模。使用最佳工程設計方法設置PID參數(shù)。在通過控制對象的已知參數(shù)進行計算之后，就會得到系統(tǒng)的各種控制參數(shù)。2.3模糊自整定PID控制仿真系統(tǒng)建立在編輯輸入變量和輸出變量之前，需要認定模糊控制器的結構，然后創(chuàng)建2個輸入結構模型，以及3個輸出結構模型。輸入為Ec和E,輸出為Kp，Ki和Kd。輸入和輸出被分成了7個步驟，選取{NBNMNSZOPSPMPB}，高斯隸屬函數(shù)以及三角隸屬函數(shù)。{E}={Ec}={Kp}={Ki}={Kd}={-3,-2,-1,0,1,2,3}根據(jù)經(jīng)驗定律對Kp，Ki，Kd進行模糊控制編輯并將它們添加到模糊規(guī)則編輯器。模糊規(guī)則如下三個表：表3-1aKp模糊規(guī)則表表3-2AKi模糊規(guī)則表表3-3aKd模糊規(guī)則表模糊自整定PID控制器的結構如圖3-1所示：2.4仿真結果的比較和分析選擇仿真控制對象的參數(shù)：直流電動機功率15kW，額定轉速1400轉/分，額定電源電壓220V，負載轉矩10N.m，旋轉慣量0.0002kg。電動勢常數(shù)0.2614,Ld為1mH，電機電樞電阻Rd為14mQ，每極磁通為0.004586Wb。2.1.1系統(tǒng)啟動過程中控制性能比較與分析首先，傳統(tǒng)的PID控制參數(shù)是通過最佳工程參數(shù)設計法來確定出來的，然后初始值選擇的是模糊自整定PID去控制系統(tǒng)。圖3-2和3-3是兩種不同控制方法的仿真結果。由圖可知模糊自整定PID系統(tǒng)中沒有靜態(tài)誤差。圖3-2傳統(tǒng)PID控制啟動過程仿真結果圖3-3模糊自整定PID控制啟動過程的仿真結果如圖3-4和圖3-5所示，模糊自整定PID的超調(diào)量在系統(tǒng)啟動過程時，約為0.57%。傳統(tǒng)PID控制的約為1.43%。傳統(tǒng)PID效果沒有模糊自整定PID的效果好。圖3-4放大后的傳統(tǒng)PID控制啟動過程仿真結果圖3-5放大后的模糊自整定PID控制啟動過程仿真結果2.1.2負載變化對系統(tǒng)性能的影響比較與分析在控制系統(tǒng)中，負載轉矩是10N.m，在某個時刻里，負載增加了10N.m，則負載轉矩變?yōu)?0N.m，直流電機在兩種不同控制下轉速的變化如圖3-6和3-7所示：圖3-6轉速PID控制下負載變化對轉速影響仿真結果圖3-7模糊自整定PID控制下負載變化對轉速影響仿真結果從3-6與3-7中我們可以明顯的看出，在模糊自整定PID控制過程中，直流電動機的轉速隨著負載轉矩的增加，轉速隨之降低了只有18轉/分鐘左右，然而電機轉速在傳統(tǒng)PID的控制過程中降低很大，大約有50轉/分鐘。這說明與傳統(tǒng)PID控制相比較，模糊自整定PID的控制效果好，后者的抗負載擾動能力比較強，同時提高了魯棒性。在語言變量區(qū)域中，語言變量通常分為幾個文件（例如{NB(負數(shù)），NM(負數(shù)），NS(負數(shù)），ZO(零），PS(正數(shù)），PM(中），PB(正大）}得分越高，系統(tǒng)規(guī)則越靈活，控制規(guī)則越詳細。但是，規(guī)則級別的增加和復雜性使得難以編譯系統(tǒng)的控制程序，并且在計算過程中占用更多的內(nèi)存。較低級別的數(shù)量越少，系統(tǒng)中相應的控制規(guī)則越少，規(guī)則的實現(xiàn)越容易。然而，控制規(guī)則的簡化使控制功能變粗糙，使得難以獲得期望的控制效果。因此，在選擇模糊狀態(tài)時，必須考慮控制系統(tǒng)的簡單性和控制效果的要求。2.1.3電網(wǎng)電壓波動對系統(tǒng)性能的影響比較與分析在某個時刻，系統(tǒng)的三相電源電壓突然下降10V(約為-1.63%的波動），模擬電網(wǎng)電壓突然下降，仿真結果如圖3-8和3-9所示。當電網(wǎng)的電源電壓下降時，表明電機轉速降低了，傳統(tǒng)的PID控制和模糊自整定PID控制會稍微降低速度并迅速消除靜態(tài)誤差，其中模糊自整定PID控制方式具有更小的轉速下降和更短的時間以使速度恢復到期望轉速。圖3-8傳統(tǒng)PID控制時電網(wǎng)電壓波動對轉速的影響圖3-9模糊自整定PID控制時電網(wǎng)電壓波動對轉速的影響2.1.4電動機參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響比較與分析直流電動機在生活生產(chǎn)中，作為一個時變