1、 课程设计报告 （运动控制模块） 学 院 ： 电气工程与自动化学院 题 目：基于 ARM 控制的交流伺服系统设计 专业班级：自动化 112 班 学 号： 03 学生姓名：何志祥 指导老师：翁发禄老师 2014 年 1 月 14 日 1 摘 要 运动控制技术能够快速发展得益于计算机、高速数字处理器、自动控制、网络技术的发展。基于 ARM 的控制器逐步成为自 动化控制领域的主导产品之一。高速、高精度以及具有良好可靠性始终是运动控制技术追求的目标。 随着 自动化 水平的不断提高，越来越多的工业控制场合需要精确的位置控制。因此，如何更方便、更准确地实现位置控制是工业控制领域内的一个重要问题。伺服系统是
2、以机械运动的驱动设备，伺服电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系 统 ,这类系统控制电动机调转速，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动 要求。 本文介绍了基于 ARM 控制的交流 伺服系统设计。该控制系统采用 STM32 芯片作为控制核心 ，经 keil 编程控制伺服电机驱动器，从而对电机的转速位移进行智能化，精确化控制。 关键词： 自动化 ； ARM； STM32； 伺服电机； D/A 数据采集；控制器 2 Abstract The rapid development of motion control techn
3、ology can benefit the development of computer , high-speed digital processor , automatic control, network technology . ARM-based controllers gradually become one of the leading automation and control products . High-speed , high precision and reliability with good motion control technology is always
4、 the goal . With increasing levels of automation , more and more industrial control applications require precise position control. So , how to be more convenient and more accurate position control achieved is an important issue in the field of industrial control . Servo system is mechanical movement
5、 drives, servo motors to control objects to the controller as the core to power electronic power conversion devices for the implementing agencies , electrical transmission automatic control system under the guidance of the composition of the automatic control theory , such systems control the motor
6、speed adjustment , convert electrical energy into mechanical energy , mechanical movement required to achieve movement . This article describes the AC servo control system design based on ARM . The control system uses the STM32 chip as the control core , by keil programming control servo motor drive
7、s , and thus the speed of the displacement of the motor intelligent , precise control. Keywords : automation ; ARM; STM32; servo motor ; D / A data acquisition ; controller 3 目 录 摘 要 . 1 Abstract . 2 1.1 伺服电机控制技术现状 1. 4 1.2 伺服调速控制技术发展趋势 1. 5 1.3 课题主要研究内容 . 5 第 2 章 相关技术简介 . 7 2.1 交流伺服电机的控制原理简介 23 . 7
8、 2.2 STM32 简介 .10 第 3 章 系统硬件设计 . 11 3.1 总体设计 . 11 3.2 硬件布局设计 . 11 3.3 强电电路连线设计 4.12 3.4 ARM 核心板电路图 .12 第 4 章 系统软件设计 .14 4.1 交流伺服系统程序框图 .14 4.2 测速方式及原理 5 .14 4.2.1 M 法数字测速 .15 4.2.2 T 法数字测速 .16 4.2.3 M/T 法数字测速 .17 4.3 程序设计 .18 第 5 章 系统调试及注意事项 .19 5.1 系统的调试 .19 5.2 系统的注意事项 .19 第六章 小结 .20 致 谢 .21 参考文献
9、.22 附录 1 .23 附录 2 .24 1. 液晶屏显示 .24 2. PWM，中断程序 .25 3. 编码器程序 .31 4. 主程序 .32 4 第 1 章 绪论 1.1 伺服电机控制技术现状 1 从 70年代后期到 80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术 交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（ SM 型）电动机交流伺服系统和感应式异步
10、（ IM 型）电动机交流伺服系统。其中，永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现 弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。
11、系统的执行元件一般为普通三相鼠笼型 异步电动机，功率变换器件通常采用智能功率模块 IPM。为进一步提高系统的动态和静态性能，可采用位置和速度闭环控制。三相交流电流的跟随控制能有效地提高逆变器的电流响应速度，并且能限制暂态电流，从而有利于 IPM 的安全工作。速度环和位置环可使用单片机控制，以使控制策略获得更高的控制性能。电流调节器若为比例形式，三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制，其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些，使被控异步电动机三相交流电流的幅值、相位和频率紧随给定值快速变化，从而实现电压型逆变器的快速电流控制。电流用 比例调节，具有结构简单、电流跟随性能好以及限
12、制电动机起制动电流快速可靠等诸多优点。 5 1.2 伺服调速控制技术发展趋势 1 由于现代微电子技术的不断进步以及电力电子电路良好的控制特性，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。现代控制理论不断向交流调速领域渗透，特别是微型计算机及大规模集成电路的发展，使得交流电动机调速技术正向高频化、数字化和智能化方向发展。 近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论，如自适应控制和滑模变结构控制，以及智能控制和高动态性能控制都是研究的 热点。这些研究必将把交流调速技术发展到一个新的水平。控制系统的软化对 CPU 芯片提出了更高的要求，为了实现高性能的交流调速，
13、要进行矢量的坐标变换，磁通矢量的在线计算和适应参数变化而修正磁通模型，以及内部的加速度、速度、位置的重叠外环控制的在线实时调节等，都需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。可以预见，随着计算机芯片容量的增加和运算速度的加快，交流调速系统的性能将得到很大的提高。 当今科学的快速发展使得各学科之间已没有严格的界线，它们相互影响，相互渗透，从发展的角度来看，把神经网络、模糊控制、滑模变结构控制 等现代控制理论用于伺服电机调速技术有着极其重要的意义和广阔的前景，可以认为这将是伺服电机调速技术的发展方向之一。此外，控制领域的其他新技术如现场总线、自适应控制、遗传算法等，也将引入到交流传动领域，给伺服电机
14、调速的控制技术带来重大的影响。 1.3 课题主要研究内容 本文以高性能的控制芯片 STM32 为控制核心，辅以键盘、显示、测速电路，设计基于 ARM 控制的交流伺服电动机数字化控制系统。系统控制目标为： 1实现电机的转速输入与转速显示，实现电机转速的控制； 2实现电机的正反转控制； 3控制电机定点停止； 4设置合理的电路保护 根据系统要求，本人分以下几个步骤进行了设计： 1 总体模块的布局，设计以及安装； 6 2 弱电控制核心板的设计与焊接； 3 Keil编程对控制板进行调试； 4对控制系统整体进行了分析，总结。 7 第 2 章 相关技术简介 2.1 交流伺服电机的控制原理简介 23 交 流伺
15、服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似 .其定子上装有两个位置互差 90的绕组，一个是励磁绕组 Rf，它始终接在交流电压Uf 上；另一个是控制绕组 L，联接控制信号电压 Uc。所以交流伺服电动机又称两个 伺服电动机。 交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无 “自转 ”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅
16、 0.20.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子 .空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。 交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。 交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点： 1、起动转矩大 ； 由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图 3 中曲
17、线 1 所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线 2 相比，有明显的 区别。它可使临界转差率 S0 1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。 2、运行范围较广 ; 3、无自转现象 。 8 正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（ T1 S1、 T2 S2 曲线）以及合成转矩特性（ T S 曲线） 。 交流伺服电动机的输出功率一般是 0.1100W。当电源
18、 频率为 50Hz，电压有 36V、 110V、 220、 380V；当电源频率为 400Hz，电压有 20V、 26V、 36V、115V 等多种。 交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于 0.5-100W 的小功率控制系统。 与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差 90 电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动 gS 控制的 U V W 三相电形成电磁场 转子在此 磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱
19、动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异。但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓 “ 自转 ” 现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。 当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁 场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼
20、型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制系统有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的。这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向 相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势9 和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转
21、磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180 ， +旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产 生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。 为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率 Sk 大于 1。在电机运行过程中，如果控制信号降为 “ 零 ” ，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合
22、成。一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行。由于转子的惯性，运行点由 A 点移到 B 点，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩。在负载力矩和制动力矩的作用 下使转子迅速停止。 普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态。而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别。 就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快 ;位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。 对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢 (比如 PLC，或低端运动控制器 )，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可 以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率 (比如大部分中高端运动控制器 );如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。因此伺服电机的控制方式下面三类： 1.转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如 10V 对应 5Nm的话，当外
