基于嵌入式无轴传动控制器研制

论文摘要

无轴传动技术是一门新兴的、跨学科的综合型技术,是传动技术、控制技术、通信技术和机械技术的有机结合。无轴传动技术在印刷、机械加工等要求实现多轴同步传动的领域可以代替传统的机械传动实现较好的传动关系,有着很好的应用前景。首先,论文对无轴传动技术进行了全面、深入的研究,针对无轴传动技术的结构特点设计了系统的总体方案,在此基础上完成了无轴传动控制器的硬件模块电路设计,主要有以下几部分:LM3S615芯片控制电路设计;电机驱动电路设计;速度检测电路设计;液晶显示电路设计;按键电路设计。其次,分析了主从式同步结构和平行式同步结构各自优缺点,综合考虑选择平行式结构进行同步控制。控制器软件设计采用了PID控制算法,并对算法进行了改进:采用速度差补偿的方法提高速度同步的精度;采用带有死区的PID控制算法来消除由于系统频繁调节所引起的振荡;采用了数字滤波技术对偏差信号中的干扰、噪声进行滤波提高PID控制算法的精度。对实验平台进行了调试,系统工作稳定,控制效果良好。最后,针对PID控制算法实现同步协调控制存在的问题,本文采用了基于隐式广义预测控制算法进行改进。文中讨论了隐式广义预测控制算法的基本结构和原理。利用隐式广义预测控制求取最优控制律,即根据输入输出数据直接辨识求取最优控制律中的参数,简化了控制算法;通过对一个非最小相位系统数学模型进行仿真来分析广义预测中主要参数对系统的影响。根据直流伺服电机参数推导出电机的数学模型,对该模型采用隐式广义预测算法和PID算法分别进行了仿真,通过实验结果比较,基于隐式广义预测控制使系统动态响应变快、速度跟踪性能得到提高和速度同步误差减小,具有较好的控制性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 无轴传动控制系统概述
• 1.2 无轴传动技术的应用
• 1.3 无轴传动控制系统国内外的研究动态及发展趋势
• 1.4 课题研究的意义和内容
• 2 控制器硬件设计
• 2.1 系统总体设计方案
• 2.2 控制芯片LM3S615
• 2.3 直流伺服电机
• 2.3.1 直流伺服电机的特点
• 2.3.2 直流伺服电机的调速原理
• 2.3.3 PWM 调速原理
• 2.4 直流伺服电机驱动器设计
• 2.4.1 H 桥驱动原理
• 2.4.2 直流伺服电机驱动电路
• 2.5 速度检测模块设计
• 2.5.1 数字测速技术
• 2.5.2 速度检测电路
• 2.6 芯片控制和外围电路设计
• 2.6.1 芯片控制电路
• 2.6.2 液晶显示电路
• 2.6.3 按键模块电路
• 2.7 本章小结
• 3 控制器软件设计
• 3.1 系统软件开发环境和设计基本原则
• 3.1.1 系统软件开发环境
• 3.1.2 系统软件设计的基本原则
• 3.2 无轴同步控制策略
• 3.2.1 无轴同步方式
• 3.2.2 速度补偿控制
• 3.3 程序设计模块
• 3.3.1 系统初始化模块
• 3.3.2 测速子模块
• 3.3.3 系统主程序模块
• 3.3.4 同步控制程序模块
• 3.3.5 液晶显示模块
• 3.3.6 键盘中断模块
• 3.4 硬件实验结果
• 3.4.1 实验结果
• 3.4.2 实验结果分析
• 3.5 本章总结
• 4 基于隐式广义预测同步控制仿真
• 4.1 广义预测控制原理
• 4.1.1 预测模型
• 4.1.2 滚动优化
• 4.2 隐式广义预测自校正控制
• 4.2.1 隐式广义预测自校正控制算法
• 4.2.2 隐式广义预测算法中参数选取
• 4.2.3 隐式广义预测控制算法仿真实现
• 4.3 基于隐式广义预测伺服电机控制器设计
• 4.3.1 直流伺服电机的数学模型推导
• 4.3.2 直流伺服电机同步控制仿真
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录