电励磁直线音圈电机的建模仿真研究

毕 业 设 计（论 文） 电励磁直线音圈电机的建模仿真研究装订线 电励磁直线音圈电机的建模仿真研究摘要：本控制系统是电励磁直线音圈电机半实物仿真平台的基础上，通过一定的控制算法形成控制器，通过控制器来控制电机的转速的半实物仿真系统。在本控制系统中，在MATLAB/simulink中建立出直流电机控制系统的模型，通过在线仿真的方法得到控制器的参数，来实现最优控制。其中控制系统中各项参数形成的控制器是虚拟部分。对于本控制系统的硬件部分,是通过在实时仿真系统dSPACE中的硬件部分的基础上，通过设计相应的输入输出接口电路, 测量电机转速电路,电机驱动电路等，这是实物部分。电励磁直线音圈电机的半实物仿真平台不仅可以减少开发产品的时间，而且可以通过离线仿真的方式对于系统的硬件以及软件的参数进行相应的调整，这样可以减少普通的产品开发过程中，由于无法及时的验证方案而带来的人力物力的损失，一定程度上节约了成本以及开发产品反反复复测试和修改所带来的时间上的损失。关键字：dSPACE,直流电机，Simulink，离线仿真 Abstract：This control system is based on dSPACE semi-physical simulation platform on the basis of the controller are formed by a certain control algorithm, through the controller to control the speed of the motor of hardware-in-the-loop simulation system. In this control system, in the MATLAB/simulink to establish the model of dc motor control system, through online simulation method to get the parameters of the controller, to achieve optimal control. Of the various parameters of the controller in control system is the virtual part. For the hardware part of this control system, through the real-time simulation system based on the hardware part in dSPACE, through the design of the corresponding input/output interface circuit, measuring circuit of motor speed, motor drive circuit and so on, this is the physical part. Semi-physical simulation platform based on dSPACE can not only reduce product development time, but also through the way of offline simulation for the parameters of the system hardware and software for the corresponding adjustment, so that we can reduce the common product development process, because it could not timely validation protocols and bring the loss of manpower, to some extent, save the cost and the development of product testing and repeated revision brought about by the loss of time.Keywords：dSPACE, DC motor, Simulink, Off-line simulationI目 录第1章 绪论11.1课题的研究现状11.2总体设计方案简介31.3总体设计拟采用的实施方案3第 2 章 电励磁直线音圈电机的半实物仿真技术52.1 dSPACE实时仿真系统52.1.1 dSPACE的介绍52.1.2 dSPACE的优点52.2. 电励磁直线音圈电机半实物仿真平台的方法62.2.1传统控制系统的方法62.2.2 电励磁直线音圈电机平台下的方法82.2.3半实物开发流程图8第3章 直流电机驱动系统的设计93.1电机驱动电路的设计与控制93.1.1 电机驱动电路的原理93.1.2 电机驱动电路的原理图103.1.3直流电机的调速方案103.2电机位置检测电路的设计113.2.1 电机的位置传感器的种类113.2.2电机转速的测量133.2.3霍尔元件型号的选择13第4章 系统的仿真实现164.1电机控制系统模型的建立164.1.1 MATLAB中电机模型的建立164.1.2直流电动机参数整定184.1.3调节器参数的整定184.1.4转速调节器设计194.2直流电机仿真模型建立214.3 PID控制器下系统的输出21第5章 电励磁直线音圈电机平台的软件设计245.1 RTI模型的建立245.1.1测量电机转速RTI的构建245.1.2 PWM接口RTI模型的建立24第6章 在线调试与仿真过程256.1 半实物平台的调试256.2 控制系统模型的编译256.2.1参数的设定256.2.2代码的生成及下载276.2.3建立观测界面276.3嵌入半实物28小结29第7章 结 论30致谢31参考文献32附录33第1章 绪论直流电机不仅仅有调速性能好的优点，而且励磁过程不需要损耗励磁损耗，在电机运行的方面，具有效率十分高的优点，因此直流电机在社会上的好多行业都得到了十分广泛的选用。本控制系统首先介绍本文的研究背景，然后介绍dSPACE平台，最后介绍系统的建模与仿真电路的设计与在线调试。 针对这个控制系统来说，本控制系统的硬件部分,是通过在实时仿真系统dSPACE中的硬件部分的基础上，通过设计相应的输入输出接口电路, 测量电机转速电路,电机驱动电源电路,电机驱动电路等；在Matlab/Simulink软件的基础上,通过控制器与电机调速模型的结合,从而建立电机控制系统的模型,实现对电机控制系统离线仿真的目的。并且通过在dSPACE软件环境下对电机调速系统进行调试及试验，从而实现对于直流电机的实时控制来实现检测电机控制模型的目的。1.1课题的研究现状 我们都知道，直流电机已经在工业控制领域作为一种能将机械能转换成电能的转换装置,从开始产生到现在已经有了长达将近一个多世纪的发展,直流电机已经广泛应用于促进当代国民经济增长的各个领域，并且在我们的日常生活中我们的生活中多次使用直流电机，直流电机不仅仅具有运行时，将机械能转换成电机的转换效率高的优点、而且在调速性能方面，也能够具有良好的调速性能，当然，随着电子技术的发展，电机的控制电路也越来越简单，针对上述所说的诸多优点,电机也理所当然地被广泛应用于各种驱动装置和伺服系统中。由于传统的直流电机大多数都采用电刷以机械方式来实现换相的目的,因此不可避免地存在各种不同程度地机械摩擦,造成了电机的使用寿命大幅度地缩短,并且伴随着机械摩擦带来了噪声、火花以及各种形式的电磁干扰等问题,此外，再加上传统工艺中由于电机的制造成本高、维修问题由于现代科学技术的不断进步与发展,各种各样的新材料已经开始在逐渐的发展，这些不仅仅在促进电机的推陈出新方面做出了巨大的贡献，而且对于电机的发展也有十分深远的影响。为此，针对许多时候传统直流电机的各种弊端,在许多电机控制系统实验中产生了一系列的电机控制系统，其中包括了比较常见的直流调速控制系统的实验，而且包括已经比较成熟的交流调速控制系统实验，目的是在与更好的加深现在的学生对与电机控制系统及其控制的技术与控制理论的理解，通过让学生掌握电机控制系统的工作原理，电机控制系统的结构模型，对于电机控制系统的设计方法让学生有更多程度上的理解，从而通过实验的目的，从整体上提高当代大学生分析实际问题以及实际生活中处理问题的能力。我们知道，现在大多数电机控制系统实验的装置以在实验的基础上以硬件作为实验的主要部分，这样不仅仅由于电机的硬件电路设计起来比较复杂，而且由于电机硬件电路设计时由于电机控制系统的可靠性较低，从未使电机的控制器的实验设计的灵活性大大降低。在当代社会，由于市面上的单片机技术和DSP技术迅速成熟和广泛的发展，现在大多数企业开始通过对电机控制系统首先建立电机控制系统模型，通过软件的方法来实现对于电机控制系统的实验设计。不过目前国内外采用单片机或DSP编程的方法来实现的对于直流电机的控制系统在事实上，相比较于真实的电机控制系统的理想结构还是具有一段距离，而且电机控制的算法十分复杂，学生理解起来比较难以接受这种控制算法。而本文中dSPACE实时仿真系统能解决这些问题。它是由德国dSPACE公司开发的一套基于MATLAB/Simulink的基础上，通过建立系统模型，为已经找到合适的控制系统的开发及测试提供一个十分优越的工作平台，为实现MATLAB/Simulink和dSPACE平台提供一种几乎完美的无缝连接方式。当然由于dSPACE实时系统不仅仅具有计算能力十分高速的硬件系统功能，其中硬件控制系统不仅仅包括一些简单的处理器、I/O电路等，而且具有实现代码生成/下载十分方便的优点，此外，它还有十分优秀的试验/调试的软件开发测试环境，这样它就能够在解决控制系统开发中（1）快速控制原型；（2）硬件在回路仿真的两大问题方面具有十分优越的表现。随着现代控制理论、数字信号处理技术、微电子技术、电力电子技术特别是高频、大功率开关器件的发展以及高性能永磁材料的不断出现,如今社会中无刷直流电机在社会中不仅仅包括特种电动机的特性，而且具有功率驱动器的功能，有的还具有光或磁检测元件的功能，无刷直流电机已经不仅仅具有控制软件的特性，而且拥有硬件电路的功能，已经成为软件与硬件功能与一体的典型的实用的机电一体化新型高科技的杰出产品,而且无刷电机现在正朝着更加智能化、更加高频化和更加集成化的高端智能研究方向迅速的发展,体现了当今工程科学领域的许多最新成果。无刷直流电机在性能方面不仅仅保持了具有直流电机良好的调速性能的特点,而且由于无刷电机又具有硬件结构电路简单、启动时启动力矩十分大、而且电机的使用寿命相对较长、电机的实际体积相对较小、电机工作时产生的噪音相对较低、产生的电磁干扰相对较小和电机维护起来相对方便等一系列突出的优点,所以无刷电机在国家的国防事业中、航天航空事业、机器人研究领域、一系列的精密仪器研制过程中、高端汽车和高端电子产品和常用的家用电器领域有十分广泛的应用。所以本文研究直流电机及其控制的技术成为国内外研究电机及其控制领域的一个热点,这也是本文研究的现实意义与项目的研究背景所在。1.2总体设计方案简介在本控制系统中，在MATLAB/simulink中建立出直流电机控制系统的模型，通过在线仿真的方法得到控制器的参数，来实现最优控制。其中控制系统中各项参数形成的控制器是虚拟部分。对于本控制系统的硬件部分,是通过在实时仿真系统dSPACE中的硬件部分的基础上，通过设计相应的输入输出接口电路, 测量电机转速电路,电机驱动电路等，这是实物部分。通过控制器与电机调速模型的结合,从而建立电机控制系统的模型,实现对电机控制系统离线仿真的目的。并且通过在dSPACE软件环境下对电机调速系统进行调试及试验，从而实现对于直流电机的实时控制来实现检测电机控制模型的目的。1.3总体设计拟采用的实施方案1.1系统总体设计图在本控制系统中，在MATLAB/simulink中建立出直流电机控制系统的模型，通过在线仿真的方法得到控制器的参数，来实现最优控制。其中控制系统中各项参数形成的控制器是虚拟部分。对于本控制系统的硬件部分,是通过在实时仿真系统dSPACE中的硬件部分的基础上，通过设计相应的输入输出接口电路, 测量电机转速电路,电机驱动电路等，这是实物部分。本控制系统的设计图如图1.1所示。本控制系统所建的实验平台，主要包括控制器和被控系统两部分，控制器是加载控制算法的dSPACE 系统，是虚拟的控制器。被控制系统不仅仅可以包括搭建 Matlab /Simulink 控制系统的模型，也可以包括通过专用软件提供的专用模型来实现虚拟控制器的目的。实验数据可以通过dSPACE上位机运行的综合管理的图形界面软件Control Desk进行记录和存储。实验运行及监控由Control Desk 的主机完成。本实验平台可以完成离线仿真实验、硬件在回路仿真（RTW）实验，从而达到控制直流电机0-1200转可调及正反转可控的目的。第 2 章 电励磁直线音圈电机的半实物仿真技术 2.1 dSPACE实时仿真系统本章首先介绍dSPACE实时仿真系统，然后介绍dSPACE的研究背景。2.1.1 dSPACE的介绍由德国dSPACE公司开发的,建立在MATLAB/Simulink的基础上，开发并研制的dSPACE实时仿真系统。dSPACE实时仿真系统不仅仅具有对于控制系统开发的功能，而且具有通过建立系统模型实现半实物仿真的软硬件工作平台的功能，通过一系列的建立系统模型和MATLAB/Simulink/RTW中功能实现对于控制系统模型与dSPACE平台的完美无缝连接的功能。此外dSPACE实时系统在实时性方面十分强大，而且控制系统的可靠性能十分好，对于系统的扩充性具有十分良好的优点。在硬件方面，在dSPACE硬件系统中，它的内部处理器具有计算能力十分高速的优点，而且它还拥有许多的I/O接口电路的支持，使用者不仅仅可以利用自身的需要进行随意的组合，在软件方面，它具有强大的软件环境的功能，而且软件使用起来十分方便，软件不仅仅包括实现代码自动生成/下载工具，而且在试验/调试的方面具有一整套的工具，所以软件功能十分强大。如今，电励磁直线音圈电机软硬件的控制系统，在当今社会已经逐渐成为进行快速控制原型的验证问题，以及半实物仿真平台的首要选择。dSPACE 系统不仅仅具有集成性十分高度的特性，而且在模块性方面也十分优秀，此外dSPCAE允许使用者根据自己的需求来组建属于自己的用户系统，无论是软件方面，还是在硬件方面， dSPACE 都能够给使用者提供许多不一样的选择。dSPACE 拥有在单板控制系统与组和控制系统和许多的 I/O 口接口，这些I/O口可以用来满足大多数应用工程的目的。 dSPACE 系统是基于图形开发和研制界面的基础上，减少开发人员手工编程时由于系统的调试带来的繁杂而且容易出错的工作的问题。 dSPACE 产品不仅仅包括软件部分而且包括硬件部分，它主要包括几个主要的软件有 RTI 、 Control Desk 、 Target Link 等。2.1.2 dSPACE的优点1.dSPACE组合性好。可以利用组件系统对实时仿真系统进行多种形式的组合，以满足不同种类用户的需求，其中对于不同的用户来讲，可以在运算速度不同的处理器之间进行自由选择，用户能够通过挑选不同的I/O接口，继而来形成各种不同的仿真系统，来实现控制的目的。2.实时性强，可靠性优越。dSPACE 生成代码及软件下载、实时系统硬件，工具软件时不需要考虑任何兼容性的问题，代码可以通过RTI下载到实时控制系统中，由于代码是由自己本身在系统中独立运行的，但是试验工具中的软件部分不仅包括通过内存访问实验,在实验过程中,我们可以看到实验的结果数据和变量,与相对应的各种相关的参数。在控制系统运行的过程中，由于系统的可靠性，将杜绝发生对试验测试过程有影响的中断，所以系统的实时性和可靠性十分优越。3.过渡性以及快速性优越。我们知道，由于dSPACE 实时系统中拥有十分健全的硬件系统，以及十分健全的软件代码生成系统，并且能够实现代码的实时下载，而且系统中的试验工具软件不会产生任何兼容性的问题来影响系统的工作，由于系统中的软件代码一旦下载，实时系统中将会产生相应的代码，由于系统代码自身在系统中，是自己独立运行的，所以试验系统中的试验工具，包括软件部分，是通过系统中的内存，通过映射的方式访问实验过程中的各种参数，以及有用的结果变量，并且杜绝产生对试验过程的中断的影响，因此它的实时性和可靠性都很好。2.2. 电励磁直线音圈电机半实物仿真平台的方法2.2.1传统控制系统的方法传统的控制方法中，由于在控制系统进行开展与研发地过程中，由于实践的过程中我们往往会面临好多难已解决的问题，所以，在现实的调试过程中，对于系统的开展和研发的时间，我们往往需要对于时间地紧迫性要求比较严格，而且我们制造产品的过程中，由于人为的原因不可避免存在一些误差，也会由于系统的老化带来一些不易处理的问题，这样我们在实现控制对控制系统的过程中，为此对于系统的可靠性，往往会提出一些相对较高的高要求，同时由于控制系统饿复杂性，我们往往对于控制系统的性能往往比较要求高，所以对于控制系统的控制算法的复杂性要求比较严格；并且由于运行时系统是并行运行饿原因。所以对于开发的控制系统的工程来讲，往往要求从系统的实现，系统的设计，系统的各项测试，以及在系统中的产品准备生产的同步进行阶段，往往都会有很高的要求，当然在调试的时候，对于开发的对象在研发地过程中，我们往往也不断需要发生一些相对不同程度的各种变化，所以由上面所有的分析结果，我们得出这样的结论，在控制系统中，研发的方法有许多问题，主要包括三个比较严重的问题： 1由于用户如果暂时无法对控制系统的控制规律的属性，所以用户可以先通过在没有了解控制特性的情况下，或者是对于控制系统的控制特性没有较大的情况下，如果自己的硬件电路开始设计并制作时，而硬件电路就开始制作了，此时由于对于控制系统的了解程度地原因，我们无法知道我们的硬件电路设计是否能够满足该系统的性能要求，也有可能根本无法满足要求。2在控制系统的调试过程中，我们往往采用一种手工编程的方法，这样可能会产生一些相应的代码，但是也可能纯在许多代码不稳定的问题，由于代码的这种不稳定性，往往在测试的过程，我们会遇到许多问题，对于我们遇到的问题，我们在无法确定是控制方案的可靠性无法满足要求，还是由于自己手动软件代码纯在偏差的问题，无法确定，而且最重要的是，由于我们采用手工编程的方法，所以我们在系统调试的过程中，我们会浪费大量的时间在系统的开发与程序的编写方面，这样可能会导致许多问题。所以，即使我们有比较良好的控制方案与比较好的设计方法，但是我们仍然对于控制系统的开发需要较长的时间，这样才能完成对于控制系统的设计方案的验证，并对试验中的各项数据进行测试。为此在我们尚且不了解设计方案是否可行的情况下，如果我们就浪费了大量的调试时间与测试时间，消耗了过多的人力和物力，或许会给我们后续项目的开发工作，带来许多不必要的经济损失和人力资源的浪费。3其实在软件不纯在问题的情况下，我们在系统的测试过程中，如果我们发现自身的控制方案如果不太理想，我们只能对其进行修改，但是随之新的一轮调试工作，我们必须开始重新调试。在这个过程中，我们会把许多的时间，可能浪费在软件的调试问题，以及软件调试过程中出现的修改的问题上。但是由于一个项目往往涉及的部门很多，当然不可避免的涉及的人员过多的问题，也会带来许多由于管理不善，这些都会造成的许多不协调方面的问题，这样直接导致系统开发的周期无法达到控制。但是本文中提到的电励磁直线音圈电机平台，是一种建立在MATLAB的基础上的系统，通过建立控制系统的控制模型的一种面向应用的现代化开发软件，这种方法对于控制系统的开发效果十分有效。在当代社会开发系统的控制方法的主要特征包括，一是以计算机来辅助控制系统，通过辅助控制系统对于控制系统进行相应的设计，然后再将计算机控制的原理应用到整个控制系统开展与测试的全过程，并且具有高速度快速性。第二该平台下的计算机是用来辅助控制系统设计的，而且不仅仅是对于控制方案的设计有一定程度上的帮助，而且它还对于控制系统的离线仿真调试过程有好多帮助。此外还包括实时远程过程的调用协议等，在生成产品代码的调试过程中，也可以在硬件在回路的测试中起很大作用，这都是一个比较简单的控制系统设计的步骤。2.2.2 电励磁直线音圈电机平台下的方法半实物仿真的步骤如下所示:1. Simulink 模型的建立利用Simulink与通信、控制与相应的算法等工具箱创建Simulink的模型。如果需要自行编制相应的模块，则可以采用C语言代码来编写 S 函数的模块，从而满足实时控制器对与代码格式的高要求。2.利用dSPACE工具箱来挑选实时仿真测试所需的 I/O、A/D、D/A 模块，来代替接入仿真回路实物的各种形式的信号，并对仿真时间、步长、AD采样时间等相关的参数及目标控制系统文件进行一定的设置。3.在测试的过程，我们往往需要跟踪和存档一些信号，我们需要对于这些信号进行设置，即在外部模式对话框中，我们可以设置我们需要跟踪，需要监视和需要存档的一些信号，选择相关的虚拟的监视器或实物，并对相应的参数进行设置。4.创建和下载目标应用程序选择 RTW Build，在RTW中，可以自动完成目标系统生成实时 C代码，完成C代码的编译以及C代码的连接与相应程序。5. 设置参数，以及相应程序的运行，即在Simulink的外部调试的模式下，在matlab中利用命令行方式，来运行控制系统仿真程序，在线参数的调整控制。2.2.3半实物开发流程图 2.1半实物开发流程图 第3章 直流电机驱动模块的设计 一般情况下,控制器系统中控制器与被控对象（执行机构）无法直接连接,需要增加驱动电路。驱动系统是控制器与被控电机之间联系的纽带。在实际的控制电路中，由于控制系统性能的高要求，必须对算法与驱动电路提出高性能的要求。电机驱动电路的设计在本章的第一节说明，然后介绍对于直流电机调速的控制:本章3.2介绍各种传感器以及霍尔式传感器应用电路用于测量电机的转速。3.1电机驱动电路的设计与控制3.1.1 电机驱动电路的原理 该驱动电路由于设计的实用性，故选用了双电机驱动电路，控制信号中EN A为高电平和EN B为高电平时有效，控制方法与直流电机状态表如下表所示：3-1直流电机状态表EN AIN1IN2直流电机状态0*停止100制动101正转110反转111制动 如果需要对直流电机的转速需要使用PWM，根据IN1，IN2的状态，通过不同的状态来确定电机的转动方向，通过PWM脉冲控制使能端，实现调节电机转速的目的。注意当使能信号为0时，电机处于自由停止状态；当使能信号为1，且IN1和IN2为00或11时，电机处于制动转态，阻止电机转动。3.1.2 电机驱动电路的原理图 3.1电机驱动电路原理图3.1.3直流电机的调速方案目前无刷直流电机调速方法主要包括三种：1.通过电源电压的改变调速；2.通过改变电枢电阻的方式调速；3.通过减少磁场的方式进行调速。对于直流电机来说，如果采用电枢串电阻的方法调速，当串入电枢的电阻越大时，我们可以知道电机的机械特性中硬度将越软，此外由于电机的体积较大，所以通过此方法无法达到理想的调速效果。如果采用弱磁调速的方法，由于转子磁场由永磁磁铁产生，无法进行改变，所以不能弱磁调速的方法。如果采用改变电源电压调速的方法进行调速，则电源电压越低，转速越低；反之，如果电源电压越高，转速越快。同时由于电机的机械特性和机械硬度都不发生改变，所以如果改变电源的电压，即PWM的方式改变电压也可以控制电机转速的目的。PWM调速是控制电压的主要调速方法。通常采用闭环控制的方法。其优点如下所示：（1） 当电机的理想空载时，当电机的转速不变时，所以控制系统的的静差率会突然变得相对变小。（2） 控制系统的静特性与开环系统的机械特性的硬度相比，机械特性的硬度会很大程度上提高。（3） 此外，当电机的静差率一定的时候，闭环系统的调速范围与开环系统的调速范围相比，闭环系统的静差率会有明显提高。3.2电机位置检测电路的设计3.2.1 电机的位置传感器的种类1.光电式位置传感器我们所见到的普通光电式的位置传感器一般是由几个光电式的耦合开关固定在遮光盘上，一般都固定在定子上。此外遮光盘上的光槽（孔），几个光电耦合开关一般主要分布在沿着圆盘周围，而且在每个光电耦合开关的周围，一般都是由相互对着的红外发光二极管，以及光电管所组成。通过红外对管以及光耦隔离开关的电路,来实现测量电机转动的位置的目的，从而实现对于电机转速的测量。光电式的位置传感器，位置传感器产生的电信号一般都比较弱，一般经过放大后，电信号才能够控制功率晶体管的电路。但它输出的信号往往都是电流的电信号，而且我们不必再进行设计整流电路，这是光电式传感器的一个优点。如图所示：3.2光电式位置传感器2.电磁式位置传感器如图3.3所示，电磁式的位置传感器一般由定子与转子共同组成，导磁扇形片数通常与电机的极对数相同，此外扇形片可以放置在不导磁的铝合金圆盘上，形成电磁式传感器的转子部分。电磁式的传感器的转子一般与电机的转轴连接。当转子的扇形部分转到定子的某相时，该相的输入和输出线圈相耦合的位置，此时该输出线圈一般就由电动机定子绕组相对应的晶体管；实现对于电流的切换。随着转子扇形部分的位置的变化，就可以依次对定子绕组进行相应的换流设置。通过换流设置来实现对于电机位置的测量，从而实现对于电机转速的测量。3.3电磁式位置传感器3霍尔式位置传感器3.4霍尔式位置传感器霍尔元件是一种半导体器件，它是利用霍尔效应制成的。我们可以知道，由于电机的转子是永磁磁铁，所以可以较为方便地，利用霍尔元件的“霍尔效应”，利用这一效应，我们可以检测出电机转子的位置。如图3.4所示；两个霍尔元件H1和H2以间隔90度的电角度粘于电机主定子绕组A和B的轴线上，并通上控制电流，作为位置传感器的定子。主转子磁钢形成霍尔式位置传感器的转子。霍尔传感器的输出，接在与主定子绕组相连的功率开关二极管的基极上。当电机转子旋转式磁钢N极和S极轮流通过霍尔元件H1和H2，产生对应的转轴位置的两个正的和两个负的霍尔电动势，经放大后去控制功率晶体管导通，使四个定子绕组轮流切换电流。本控制系统采用无刷直流电机作为执行器,为了更加方便的测量电机控制系统的转速,所以霍尔式的位置传感器更好的用来检测电机的转速，来实现测量电机转速的目的。3.2.2电机转速的测量直流电机转速的测量通过霍尔元件来测试，当dSPACE平台通过控制I/O口的输出，通过驱动电路的输出来控制电机转动，在电机转动时，通过把霍尔式的传感器放在合适的位置上，通过该传感器将转速信号转变成与之相对的脉冲信号传送到计数器中，由于输出的脉冲信号的频率与电机的转速会出现一定的线性关系，所以我们可以很容易计算出电机转速。电机的转速是该控制系统的主要参数，单位为 转分。由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至dSPACE中的计数器进行计数，通过控制算法测量出转速。此控制系统通过使用霍尔元件进行测速，采用脉冲计数的方法，我们通过霍尔式的传感器，通过传感器来获得对应频率的脉冲信号。关于在硬件方面，该控制系统通过在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，可以通过让霍尔式的传感器安装在磁钢附近，当电机的转轴每转过一周，将产生两个脉冲，电机的转轴旋转时，就可以产生连续的脉冲信号输出，通过把输出与DSPACE系统中的计数器相连，通过计数器的I/O口读取输出的转速脉冲,从而计算出电机的转速。3.2.3霍尔元件型号的选择OH13霍尔开关电路内部电路是由反向的电压保护器电路，电压调节电路，霍尔式的电压发生器电路，以及差分放大器，和史密特触发器，以及集电极开路输出级共同组成，能将变化的磁场讯号转换成数字电压输出。广泛用与测量直流电机的转速与位置等。其中内部电路与注意事项如下图所示： 3-2传感器的参数参 数符号 测试条件量 值单位最小典型最大电源电压VCC4.5-24V输出低电平电压VOLVcc=4.5V, RL=2K，BBOP-200400mV输出漏电流IOHVout=Vccmax，BBRP-0.110A电源电流ICCVCC=Vccmax OC开路-35mA输出上升时间trVcc=12V, RL=820, CL=20pF-0.121.20S输出下降时间tfVcc=12V, RL=820, CL=20pF-0.141.40S3-3传感器的磁特性磁特性： (VCC=4.524V) 1mT=10GS参 数符号量 值单 位最小典型最大工作点BOP-18mT释放点BRP2-mT回 差BH6-8mT功能方框图：REGmAMPPin1.VCCPin3.VoutPin2.GNDBHBRPBOPBVOHVOL0电转换特性： 3.5电转换原理图 3.6功能图外型尺寸图： 3.7外型尺寸图 第 4 章 系统的仿真实现4.1电机控制系统模型的建立4.1.1 MATLAB中电机模型的建立对于双闭环直流调速系统来讲，该调速系统一般都采用了两个带限定幅值作用的PI调节器，即第一个为转速调节器，第二个为电流调节器,通过转速调节器控制电机转速，形成转速的负反馈，此外通过电流调节器来控制电机中转子的电流, 形成电流的负反馈。通过将转速负反馈与电流负反馈结合起来，通过建立合适的控制器连接，由于转速调节器和电流调节器均有输出限幅的作用的电路。所以转速调节器中的限幅输出电压可以确定电压，从而通过限制电压的大小来实现对于电压的最大值的控制；此外由于电流调节器的限幅输出电压限制输出电压，通过控制变换器的来控制最大输出电压。对于该控制系统来讲，转速是该控制系统的被控对象, 所以对于内外环来讲，由于转速是电机控制系统的主要变量，所以我们通常把转速作为电机控制负反馈的外环,这样做的目的，一来是可以实现对于电机转速的精确控制,通过 控制它的输出电压 ，而来把电流作为电机控制系统的内环,可以把转速调节器的输出，转化成电流调节器（ACR）的输入，并且可以通过控制电流调节器的输出，达到控制变换器（驱动电路）的目的，转速与电流的双闭环控制的直流电机系统就这样自然产生了。通过上述分析，我们可以建立其如图5.1所示的系统控制模型的原理图：图4.1直流电机原理图直流电机控制系统一般有七个部分组成，一是给定的电压，二是转速调节器，三是电流调节器，四是三相集成触发器，五是三相全控桥，六是直流电动机及转速，七是电流检测装置。在这些组成部分中电机的主电路中由于需要抑制电流的脉动，所以必须要加入平波电抗器，这样既可以消除脉动电流，也可以减小因为脉动电流而引起的电机突然发热的问题，以及由于脉冲电流而产生的脉动转矩，脉动转矩也会在生产机械时产生一些不好的影响。我们知道由于通过电流检测装置，收到的电流测量信号中不可避免的有交流分量，通常我们需要加入低通滤波装置，这样做的目的减少交流分量对于调节器的输入的影响。根据电路原理的知识可以知道，低通滤波器的传递函数通常采用一阶惯性环节，其中对于滤波时间常数，往往根据自身的需要来设置，不过往往都是以过滤平稳电流检测信号中的交流信号作为参数的设置标准。但是，由于滤波环节本身具有延迟反馈信号的功能，所以，在利用滤波环节加入的同时，不可避免会带来一些延时的影响。我们往往通过在给定的信号通道出添加一个等时间常数的定滤波环节。所以通常通过测速发电机得到的转速反馈电压信号中，往往会或多或少的含有换向时产生的纹波信号，需要滤波装置，其中滤波装置中的滤波时间常数通常用表示，我们类比电流环基本相同的原理，可以在转速给定通道上，我们也加入定滤波环节。这样我们根据电机转速和转子电流的双闭环调速系统的结构图，我们可以建立，如图5.2所示：图4.2 直流双闭环调速系统动态结构图我们知道，在设计控制系统时，我们普遍采用的原则是：先调节内环，然后在调节外环。所以，再设计时，我们首先通过设计电流调节器的模型，然后我们可以把整个电流环，看作是电机转速调节中系统中的一个环节，然后再设计转速调节器的环节。4.1.2直流电动机参数整定允许的过载倍数： 晶闸管装置放大系数：电枢回路总电阻：；电动机额定励磁下的转矩系数 机电时间常数 电磁时间常数 转矩反馈系数 4.1.3调节器参数的整定1.确定时间常数（1）通过三相桥式电路，我们可以知道平均失控时间为。（2）根据本设计的初始条件可以，电流滤波时间常数为。（3）本控制系统中的电流环的时间常数，应该小于时间常数的和。2.选择电流调节器结构由本控制系统的设计要求可以知道：要求稳态时系统的静态误差十分小,系统的超调量满足，为此根据电路调节器设计一阶环节。其中对于电流环控制是双惯性型的控制环节，所以往往使用PI型电流调节器，其中系统的传递函数为：电源电压的抗干扰性能的检测：3.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：对于电流环开环增益来讲：控制要求超调量，所以可以取，因此：ACR的比例系数4.检验近似条件电流环截至频率：（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取 ，取 ，取由上述的参数可以知道，电流环中的超调量，满足控制系统设计的要求。4.1.4转速调节器设计对于转速的给定电压，为转速换中转速负反馈时反馈的电压信号，：转速调节器输出，即电流调节器的给定电压。1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数（2）转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即（3）转速环最小时间常数2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为转速开环增益ASR的比例系数为检验近似条件转速环截止频率4.计算电流环传递函数（1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。（2）转速环小的时间常数近似处理条件为满足简化条件。 5.计算调节器电阻和电容取 则，取 ，取 ，取6.检验电机的转速超调量当时，由于超调量不能满足控制系统设计的要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。7. 按ASR退饱和重新计算超调量4.2直流电机仿真模型建立根据数学模型各变量之间的关系，可以将电流调节器，转速调节器共同组成控制系统，建立Simulink系统的控制模型，如下图：图4.3直流双闭环调速系统Simulink模型图4.3 PID控制器下系统的输出本控制系统通过输入不同幅值的阶跃信号来达到实现模拟不同的转速输出的目的,通过观察输出看验证控制器的实用性。1.当阶跃信号的值为10时，输出如图5.2所示：图4.4控制器输入为10的输出2. 当阶跃信号的值为50时，输出如图5.3所示：图4.5控制器输入为50的输出3. 当阶跃信号的值为100时，输出如图5.4所示：图4.6控制器输入为100的输出4. 当阶跃信号的值为400时，输出如图5.5所示：图4.7控制器输入为400的输出5. 当阶跃信号的值为800时，输出如图5.6所示：图4.8控制器输入为800的输出6. 当阶跃信号的值为1200时，输出如图5.7所示：图4.9控制器输入为1200的输出第5章 电励磁直线音圈电机平台的软件设计5.1 RTI模型的建立5.1.1测量电机转速RTI的构建由第3章可以知道，测量电机转速时，通常采用霍尔式的位置传感器来测量。由霍尔式元件在DS1104控制面板所对应的接口电路可以知道，分别对应着的接口电路为DS1104ENC_SETUP和DS1104ENC_POS_Cx（x为12），DS1104ENC_SETUP有设置通道的作用，而DS1104ENC_POS_Cx的作用是通过它可以反馈回来电机的位置的角度以及位置的偏差角；通常采用脉冲数的形式表示出来。通常利用一个转速周期位置的偏差角的脉冲数，通过一定的换算可以得到电机的转速。此外将这种转速信号与DS1104中的反馈信号收集端DS1104_DSP_F2D相连接，其中DS1104_DSP_F2D对应着控制面板上的管脚为2，3，21输入口。利用脉冲数与电机转速的线性关系，我们可以得到电机的转速。5.1 电机转速测量RTI模型5.1.2 PWM接口RTI模型的建立PWM接口根据PWM的产生方式的不同为对应不同的接口，对于单相直流电机来讲，我们采用DS1104SL_DSP_PWM来调节电机，通过DS1104SL_DSP_PWM输出PWM波，从而控制电机占空比，调节电机的转速。实现对于直流电机的转速调节。5.2 I/O口输出PWM第6章 在线调试与仿真过程6.1 半实物平台的调试 我们通过第四章可以知道，利用simulink建立的电机控制系统的仿真模型，如图6.1所示：6.1电机控制系统模型6.2 控制系统模型的编译6.2.1参数的设定在untitled中可以通过单击Simulation，选中其中的第三个选项Configuration Parameters，会弹出一个界面如下图：图6.2 求解器设置界面需要改变其中几个参数：Start time :0Stop time : infType : Fixed-stepFixed-step size:0.001单击鼠标Configuration Parameters，选中Optimization，将会出现如下图所示的窗口，如下图：图6.3最优化设置界面需要改变其中两个选项：Block reduction：offSignal storage reuse：off单击Configuration Parameters，选中Real-Time Workshop的选项，将会出现新的操作窗口，如下图所示：图6.4实时操作单击其中的Browse，会出现新的窗口如下图:图6.5系统目标文件的选择选中其中的rti1401,则Simulink中模型的编译已经完成。6.2.2代码的生成及下载可以通过单击功能栏里的Tools选项，选中其中的Real-Time workshop ，选中RTW中的Build Model,可以将已经建好的模型，自动生成代码，并且下载到Auto Box中。6.2.3建立观测界面（1）打开dSPACE中的ControlDesk，然后通过单击鼠标platform(平台)，选中其中的选项Initialization，选中初始化选项中的Refresh platform connection选项。注意这里可以用来每次更换系统程序，但是都需要重新刷新系统的平台连接。接着我们可以在work文件夹中，可以找到相应的程序，文件格式为（.sdf）格式，再将它下载到ds1401的控制器中。当观察到Auto Box上面的指示灯，由红色变成绿色的时候，这样表明控制系统的模型已经在可以在Auto Box中运行了。（2）此外我们还需要建立一个观测参数的界面：首先单击屏幕上方功能栏里的File选项，选中其中的New选型，选中其中的layout选项,观测界面创建完成之后，可以看到在屏幕的右方，通过单击Data Acquisition的选项，选中其中的plotter Array的选项，通过此选项layout中画出一个方框，方框大小自己确定。（3）接着单击屏幕左下角的untitled选项，选中其中的Model Root选型，可以分别选择sine ware中找到Outl和Inl，在和scope中找到Outl和Inl,然后再把他们选择到上面的方框中。完成后，可以看到方框中会出现一红一绿两个小点。之后在方框图中单击右键，选中其中的属性选项，在属性中选中Frameless选项。（4）此外我们还需要加入几个需要观察的参数的模块。通过单击方框图右边的irtual Instrument选型,选择number input选项，接着在方框图中，可以画四个小方框出来。我们可以通过这四个小方框来观察我们需要观察的参数。当然我们也可以给其中的每个小方框，可以设置成一个可调的参数。选中Model Root中的Gain,Frequency选项,以及Constant,phase，将他们添加到这四个小方框中。然后单击屏幕上面的运行按钮，看到了观测图形：图6.6观测界面改变其中的参数：增益（Gain）和频率（Frequency）,可以看到新的的图形，如下图：图6.7改变参数后的观测界面6.3嵌入半实物（1）模型更改。要加入实物，先要把模型中的示波器模块换成DA模块。双击DA模块，设置其输出通道，选择默认的通道1就可以了。（2）连入电机。MicroAutBox上的输出卡上有很多个输出端，其中正负接地各有八个，找出其中的正极A1、接地B1，连接到5V电机上。图5.8加入DA的Simulink模型小结本章主要讲述了实验台硬件与软件的调试，在实际操作时很好的验证了实验台的功能，但在连入实物（也就是电机）的时候发现了一点小问题：MicroAutBox直接输出的信号并不能使电机运行。经过检验发现是电流过小，MicroAutBox输出的电流只有40mA，致使输出功率达不到电机运转的要求。为了解决这一问题，我们以驱动芯片L298N为主，加入保护电路等做了一个简单的电机驱动电路。把驱动电路接入实验，电机就可以正常运转了，通过设置转速，通过PID控制器来达到设定转速的目的。做到这里，我们的平台调试就已经完成了，成功完成。平台状态性能良好。可以进行其他深入的实验了。第7章 结 论本控制系统通过长达几个月的仿真与在线调试,终于达到了预期的设计要求,即通过一系列的计算与查阅资料，建立起来电机控制系统的数学模型,并且通过离线仿真，了解各种参数以及模型的正确性，并且通过了在线调试进行验证,通过将电机控制系统中的电机换成实际的电机,并通过将实验数据通过dSPACE上位机运行的综合管理的图形界面软件Control Desk进行记录和存储,通过观察系统的各项参数判断控制系统中控制器的参数是否正确,通过实验运行及监控由 Control Desk中图形界面软件来完成。通过控制器输出的信号，我们可以将它输出给电机驱动电路,实现普通电机的转动，从而达到实现电机转速的目的。通过霍尔式的传感器采集的电机转速送给电机控制系统,通过电机控制系统中各项参数的值,实现达到电机转速的实时监测与控制。通过一系列的仿真实验，该控制系统的控制器终于达到理想的实验要求，并且本实验平台可以完成离线仿真实验、硬件在回路仿真实验，从而达到控制直流电机0-1200转可调及正反转可控的目的。致谢本次设计非常感谢指导教师,教授的帮助，在她的亲切关怀下，本设计才得以顺利完成，我和老师在本毕业设计中最初的开题，后续搜集资料，到撰写比较好的论文，修改完整的论文，到最后的定稿，她给了我十分耐心的指导，给与我非常多的帮助，尤其在系统控制模型的确定，以及硬件的选取以及参数的选取，李老师给与了我许多的非常不错的建议，使我在整个设计过程学到了大学四年没有学到的东西，也给与我以后的研究生生活提供更加有用的指导。李老师在这几个月中，给我们提供了许多关于我们今后工作，以及我们自己人生规划，论文上的指导与建议，对我们今后的人生，我相信一定会有很大的帮助。李老师通过牺牲了自己大量的休息时间，全身心的投入，来帮助我们完成毕业设计，她这种无私奉献的敬业精神，深深的打动着我们每一个人。在此，我对我的老师表示十分真挚的感谢，并对所有帮助我的同学表示衷心的感谢。老师，是你们教会了我好多有用的专业技能。历时