1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于网络实验平台的电机控制系统设计一、 课题研究意义及现状随着计算机技术的发展，网络化是当今世界的主流，如今的自动控制系统不仅可以通过传统的数字量、模拟量控制，还能通过现场总线或工业以太网实现控制，进而实现资源的共享，避免单机设备因缺乏信息资源的共享而造成“自动化孤岛效应” ，甚至还可以通过利用计算机与互联网，通过组态软件在计算机组态，完成远程控制。网络控制系统是指建立在数字总线基础之上的控制系统。随着现场总线控制的推广应用，网络控制这一融合最新通信网络技术的计算机控制技术已越来越引起人们的广泛关注。与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具有可靠性高
2、、系统连线少、结构灵活、通信协议开放等诸多优点。然而，由于控制网络采用串行数字通信方式，各节点将按照协议规范共享网络通信资源，从而不可避免将把网络环境中诸多不确定因素引入控制系统。如何在网络环境下，充分考虑网络时延等对控制系统的影响，是进行网络控制系统分析与设计的关键。而网络实验平台的电机控制系统是网络控制系统的一种表现形式。通过设计可以使电机完成远程控制。方便了电机的使用。二、课题研究的主要内容和预期目标本设计要求应用 CATS 系统设计出基于网络实验平台的电机控制实验项目：（1）电机控制系统的阶跃响应；（2）电机控制系统的稳定性分析；（3）电机控制系统的根轨迹分析；（4）电机控制系统的设计
3、。本设计的预期目标：（1）熟练掌握实验的器材，应用软件；（2）能独自完成实验的各项内容；（3）在完成实验内容后，能对实验要求有所改进。三、课题研究的方法及措施（1）先收集与设计有关的各种资料（2）在以上的基础上学习与课题有关的各种知识，并掌握课题中以前不懂的知识，理论（3）在以上 2 点的基础上对课题的电路进行初步的设计，并用 MATLAB、SIMULINK 软件进行仿真（4）根据仿真的结果，如果结果错误先自己该正，不行再在导师的指导下改进（5）如果正确就进行实验操作（6）记录实验结果，并总结实验过程四、课题研究进度计划毕业设计期限：自 2010 年 10 月 8 日至 2011 年 4 月
4、22 日。第一阶段（自 2010 年 10 月 8 日至 2010 年 11 月 19 日）：分析任务，收集资料，系统总体方案设计，完成开题报告、文献综述、外文翻译。第二阶段（自 2010 年 11 月 20 日至 2011 年 4 月 1 日）：设计与写论文，算法研究及软件程序设计，撰写设计报告与论文，实验指导书。第三阶段（自 2011 年 4 月 2 日至 2011 年 4 月 22 日）：算法完善，论文修改，准备答辩。五、参考文献1 cbb-，CATS User Guide Version 1.0.1.0. 2010，8.2 C.Bruce-Boye.Automation experim
5、ents with CATS Tutorial，2010，8.3 cbb-，LabMap Handbook The fourtieth edition， ，2009，5.4 cbb-，MTU User Guide Version 1.0.1.0，2010，8.5 黄忠霖，黄京.控制系统 MATLAB 计算及仿真 国防工业出版社 2009.16 晁阳.网络实验系统的开发研究D.成都.电子科技大学 20047 John J.Dazzo,Constantine H.Houpis. Linear Control System Analysis and DesignMMcGraw-Hill.2000，5
6、.8 王成元等. 电机现代控制技术M.北京:机械工业出版社,2006,89 李金钟.机电与电气控制技术M. 苏州: 苏州人学出版社，200410 电机EB/OL.2010,11. http:/ 然 步 进 电 机 已 被 广 泛 地应 用 ， 但 步 进 电 机 并 不 能 象 普 通 的 直 流 电 机 ， 交 流 电 机 在 常 规 下 使 用 。 它 必 须 由 双 环形 脉 冲 信 号 、 功 率 驱 动 电 路 等 组 成 控 制 系 统 方 可 使 用 1。 因 此 用 好 步 进 电 机 却 非 易 事 ，它 涉 及 到 机 械 、 电 机 、 电 子 及 计 算 机 等 许 多
7、 专 业 知 识 。 所 以 研 究 步 进 电 机 的 控 制 系 统 ，对 提 高 控 制 精 密 度 忽 然 响 应 速 度 、 节 约 能 源 都 具 有 重 要 意 义 。1.步进电机的工作原理步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件 2。它实际上是一中单相或多相同步机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的
8、；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的 3。所以步进电机非常适合微机和单片机控制，能广泛使用。步 进 电 机 主 要 有 三 种 类 型 ： 反 应 式 、 永 磁 式 、 混 合 式 。 其 中 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度
9、3。2步进电机的一些参数21.步进电机步矩角（）的确定 4确定步进电机步距角应根据数控系统的脉冲当量而定。脉冲当量是指定单位脉冲所产生的直线位移量或角位移量，通常有系统要求的精度来定。通常步进电机步距角 的一般计算按下式计算.=360/（ZmK）式中 步进电机的步距角；Z转子齿数；m步进电动机的相数(电机内部的线圈组数)；K控制系数，是拍数与相数的比例系数2.2步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户
10、主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则相数 将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。2.3保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机。3 步 进 电 机 的 驱 动步进电动机由脉冲信号驱动，针对一个电
11、压脉冲，转子转动一步。一般情况下，根据电压脉冲的分配方式，步进电动机各相绕组电流轮流切换，使步进电动机转子步进旋转 5。控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统,但对于一些在运行过程中移动距离和速度均确定的具体设备,采用PLC(可编程控制器)就是一种理想的技术方案。电动机其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。步进电动工作方式最常见的有：三相单三拍工作方式、三相双三拍工作方式、三相六拍工作方式 6。步进电动机相绕组通过的电流幅值和电流密度,必须保证电机气隙中有足够的磁通和绕组里有足够的工作电流:工作电流是一种周期性通断的脉冲电流,工作电流
12、也就是起动电流,增大起动电流,可以提高电动机的出力 7。为了提高步进电动机的工作能力,保持转矩恒定和加宽拖动工作频率范围,就要使每相绕组在控制脉冲的控制过程中。同时,相绕组电流上升和下降的过程加快（加速）,并在控制脉冲持续期间,保证有合适的恒定值 8。步进电动机驱动线路构成原则,就在于解决“加快”的方法。4步 进 电 机 特 点 9-101 一 般 步 进 电 机 的 精 度 为 步 进 角 的 3-5%， 且 不 累 积 。2 步 进 电 机 外 表 允 许 的 最 高 温 度 。 步 进 电 机 温 度 过 高 首 先 会 使 电 机 的 磁 性 材 料 退磁 ， 从 而 导 致 力 矩
13、下 降 乃 至 于 失 步 ， 因 此 电 机 外 表 允 许 的 最 高 温 度 应 取 决 于 不 同 电 机 磁性 材 料 的 退 磁 点 ； 一 般 来 讲 ， 磁 性 材 料 的 退 磁 点 都 在 摄 氏 130 度 以 上 ， 有 的 甚 至 高 达摄 氏 200 度 以 上 ， 所 以 步 进 电 机 外 表 温 度 在 摄 氏 80-90 度 完 全 正 常 。3 步 进 电 机 的 力 矩 会 随 转 速 的 升 高 而 下 降 。 当 步 进 电 机 转 动 时 ， 电 机 各 相 绕 组 的电 感 将 形 成 一 个 反 向 电 动 势 ； 频 率 越 高 ， 反 向
14、电 动 势 越 大 。 在 它 的 作 用 下 ， 电 机 随 频 率（ 或 速 度 ） 的 增 大 而 相 电 流 减 小 ， 从 而 导 致 力 矩 下 降 。4 步 进 电 机 低 速 时 可 以 正 常 运 转 ,但 若 高 于 一 定 速 度 就 无 法 启 动 ,并 伴 有 啸 叫 声 。步 进 电 机 有 一 个 技 术 参 数 ： 空 载 启 动 频 率 ， 即 步 进 电 机 在 空 载 情 况 下 能 够 正 常 启 动 的 脉冲 频 率 ， 如 果 脉 冲 频 率 高 于 该 值 ， 电 机 不 能 正 常 启 动 ， 可 能 发 生 丢 步 或 堵 转 。 在 有 负
15、载的 情 况 下 ， 启 动 频 率 应 更 低 。 如 果 要 使 电 机 达 到 高 速 转 动 ， 脉 冲 频 率 应 该 有 加 速 过 程 ，即 启 动 频 率 较 低 ， 然 后 按 一 定 加 速 度 升 到 所 希 望 的 高 频 （ 电 机 转 速 从 低 速 升 到 高 速 ） 。小 结 ：本 文 主 要 是 对 步 进 电 机 的 工 作 原 理 、 参 数 、 以 及 驱 动 和 特 点 进 行 了 简 单 的 介 绍 。 通过 本 文 所 述 可 以 看 出 步进电机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电机。传统电机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电
16、气化过程中起着关键的作用。参 考 文 献1 谢辉，唐勇.步进电机发展回顾与前景展望J.重庆三峡学院报,2010,31(3)2 袁涛.H桥功率驱动电路的设计研究D.成都：电子科技大学，20053 步进电机EB/OL,2010,11. http:/ 孟军，张振兴，刘波.二相步进电动机细分驱动的设计与实现J.电气应用，2007，26（12）：84875 程树康等.步进电动机及其驱动控制系统M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.1997,116 曹海港,朱德明,肖岚.电流反馈对步进电动机运行性能的影响j.电力电子技术,2009,1,43(1):20217 陈理壁.步进电动机及其应用M.上海:上海科学技术出
17、版社,19858 潘金火吴金灿.步进电动机调频调压供电斩波型驱动电路J.泉州:华侨大学学报(自然科学版).1994,10,15(4):3853889 李金钟. 机电与电气控制技术M.苏州:苏州人学出版社，200410 孙兴进,曹广益,朱新坚.步进电动机的最佳细分控制J.自动化与仪器仪表,2001,93(1):3336毕业设计（20_ _届）基于网络实验平台的电机控制系统设计摘 要“CATS”全称为“Control and Automation Training System”即控制与自动化专业培训系统，是将理论教学与实践教学于一体的一套设备。我们把需要控制电机的输入量先利用 MATLAB 软件
18、编程然后通过 “CATS”系统输入到电机中从而控制电机的运行。本文主要利用“CATS”系统和 MATLAB 软件设计的前期必要准备和对设计控制系统的分析。本次设计分为以下几个部分：总体设计，实验准备，电机控制系统的阶跃响应，电机控制系统的稳定性分析，电机控制系统的根轨迹分析，电机控制系统的设计。根据要求本文利用 “CATS”实验设备以及 MATLAB 仿真软件通过理论与实际相结合完成了电机控制系统的阶跃响应，电机控制系统的稳定性分析，电机控制系统的根轨迹分析，电机控制系统的设计。在阶跃响应中利用图像对系统的时域进行了分析；稳定性分析是利用系统的建立的传递函数的特征根和电机运行曲线来分析控制系统
19、的稳定性；根轨迹分析是利用系统的建立的传递函数根轨迹分布和极点的值来分析的。最后我设计了一个系统用超调量的变化来分析系统的性能。关键词：CATS；阶跃响应；稳定性；传递函数Abstract“CATS“ the whole is called “Control and Automation Training System“ that control and automation professional training system, is teaching the theory and practice of teaching in one set of equipment. We need
20、 to control the motors input using MATLAB software program first and then “CATS“ input to the motor system to control motor operation. In this paper, using “CATS“ system and the MATLAB software and the necessary preparations for the preliminary design of control systems analysis. The design is divid
21、ed into the following sections: general design, experiment preparation, the step response of motor control systems, motor control system stability analysis, motor control system root locus analysis, motor control system. In this paper, upon request, “CATS“ test equipment and simulation software MATL
22、AB through a combination of theory and practice basic completion of the step response of motor control systems, motor control system stability analysis, motor control system of the root locus analysis, motor control system design. In the step response of the system, I use images are analyzed in time
23、 domain; stability analysis is to use the system to establish the characteristics of the transfer function curve to the roots and motor control system stability analysis; root locus analysis is the use of the system root locus to establish the transfer function of the value of the distribution and analysis of the pole. Finally, I designed a system changes with the overshoot to analyze system performance.Key words：CATS;Step response; Stability; Transfer function
