论文题目：电机同步控制模块设计（软件）专 业：电气工程及其自动化指导老师：黄梦涛 （签名） 本 科 生：李大威 （签名） 摘 要多电机同步控制广泛应用于工业生产中。论文以两台电机的同步为研究对象，采用主从式的控制结构，设计了一个两台小功率低电压直流电机的同步控制系统，两台直流电机采用PWM技术调速。为了提高控制精度，采用了带速度反馈的闭环调速系统，选用单片机C8051F040作为控制器。为了能够根据需要改变电机的转速以及实时显示两台电机的速度，我们还建立了单片机和上位机之间的串行通信。设计的核心是用C语言编程实现了PID控制算法。为了增加PID算法的自适应性，设计中整定了多组控制参数，并给出了控制结果。关键词：多电机同步，PWM，C语言，PID算法SUBJECT ：The software design of Multi-electric motors synchronism control moduleSpecialty ：Electrical Engineering and AutomationInstructor：Huang Mentao （Signature） Name ：Li Dawei （Signature） ABSTRACT Multi-electric motor synchronism control system has been widely used in the industrial manufacture. Taking the synchronization of two engines as research object, a synchronous control system for two DC motors, which work on small power and low voltage, is designed in this paper. It has a Master-slave structure. The speeds of the two DC motors are regulated with the technology of PWM. In order to improve the control precision, a closed loop speed control system with a speed feedback is adopted, while the single chip computer C8051F040 is selected as the controller. We also establish a serial communication between the single chip computer and a PC, so it is easy to set up the motors speed you want and show the real-time speeds of them. The core of the design is to realize the PID algorithm, using the C language to program. In order to improve the PID algorithms adaptability, several group control parameters are set in the design, and their control effects are given.KEY WORDS：Multi-electric motor synchronism, PWM, C language, PID 目 录前 言5第一章 多电机同步控制方案及硬件电路71.1 多电机同步控制结构71.1.1 并行控制71.1.2 主从控制81.2 PWM调速原理与发展概况81.3 直流电机驱动电路101.4 速度检测电路131.5控制器141.6 通信模块15第二章 PID控制方法172.1 PID控制方法介绍172.2 数字式增量PID控制算法182.3 标准PID算法的改进202.4 干扰的抑制202.5 PID调节器的参数整定212.5.1 采样周期的选定212.5.2 PID参数的整定22第三章 软件实现233.1 C51语言233.2 单片机片内的资源配置243.2.1 单片机内各功能模块配置243.2.2 单片机的端口配置253.3 程序模块介绍263.3.1初始化模块263.3.2 测速子程序283.3.3 串口通信子程序303.3.4主程序323.4 程序调试34第四章 参数的整定结果374.1 高速段内的参数整定及结果374.2中速段内的参数整定及结果384.3低速段内的参数整定及结果394.4 结果分析40结 论41致 谢42参考文献43附录1 总程序44前 言直流电机是最早出现的电机，也是最早能实现调速的电动机。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态性能，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位，是大多数调速控制电动机的最优选择。PWM是控制数字化的基础，用PWM技术控制直流电机方法简单，能实现宽范围内的速度和位置调整，如今已成为主流的直流电机调速方式。多电机同步控制问题在工业生产中的许多场合已成为一个突出的难题。在多台电机驱动系统中，采用传统的机械长轴虽然能够准确地保持电机同步，但其缺点日益显著，如各电机的工作状态相互影响，彼此之间存在严重的耦合作用，通过链、齿轮、轴等多级链接机构后含有积累误差，使用范围也受到限制，某些场合已不能满足现代控制的需要。采用电的方式控制多电机的同步是一种有效的解决手段，人们对这方面已作出了大量的研究。对多电机的同步控制结构有并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制、偏差耦合控制等多种控制理论，控制方法除了常规的PID外，还有各种现代控制理论，包括神经网络、模糊控制、专家系统等，将它们与PID控制相结合更衍生出多种控制理论。在本设计中以C8051F040单片机为控制器，设计了一个两台小功率低电压直流电机的主从式同步控制系统，设计任务是从电机能够跟踪主电机的实时速度，主电机的速度可以通过上位机设定，然后传给单片机去调节。设计的目的是尝试用改进的PID控制算法，用C语言编程去实现两台电机的速度同步，并达到一定的控制精度，简单地探讨一下实际应用中对多电机进行同步控制的基本方法。PID控制是最早发展起来也是应用最广泛的控制规律之一，由于其原理简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，至今仍有90%左右的控制回路具有PID结构。但其不足之处是对非线性、不确定性系统的控制效果不理想。本设计采用了数字PID算法，为了提高控制精度，对于不同的速度段，整定了多组控制参数，以提高PID算法的自适应性。软件设计中一个关键的任务是为电机的速度设定一个合适的控制参数，为了方便查看一组控制参数下的控制效果，我们通过中断程序运行，在调试环境下查看实时的电机速度，多次查看并记录下这些数值。通过对这些数据的分析，反复的调整控制参数，直到满意为止。对最终控制结果的分析表明，主电机速度的调整精度和从电机跟踪的精度都能达到期望的水平。 第一章 多电机同步控制方案及硬件电路 本章主要对目前多电机同步的两种基本控制结构以及直流电机PWM调速的发展概况和原理做了一些介绍和分析，确定了本系统两台直流电机的主从式同步控制结构，给出了直流电机的驱动电路和速度反馈电路，并对控制器C8051F040单片机的优点作了介绍。1.1 多电机同步控制结构在工业生产中，传动控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常有多个轴需要传动控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种传动系统中，目前存在的同步控制技术包括并行控制、主从控制、交叉耦合控制、虚拟总轴控制、偏差耦合控制。这里对并行控制和主从控制这两种基本的控制方式作一下简单的介绍和比较，并选择了主从式的双电机同步控制结构。1.1.1 并行控制 并行控制是一种基于同一定值控制的并联运行方式，这是一种最简单的同步控制方法。并行式适用于每个单独系统的控制目标基本一致的情况，要求伺服系统具有良好的速度稳定性。调速系统采用同一给定电压，其控制结构图如图1.1所示。采用并行运行方式的同步控制系统其优点在于启动和停止阶段系统的同步性能很好，但是由于整个系统相当于开环控制，当运行过程中某一台电机受到扰动时，电机之间将会产生同步偏差，同步性能很差。控制器电机1控制器电机2 图1.1 并行控制系统结构图1.1.2 主从控制主从控制是一种基于跟踪随动原理的串联运行方式。以双电机为例，主从同步控制系统的结构图如图1.2所示。在这种控制方式中，主电机的输出转速作为从电机的转速参考值。由此可推断，任何加在主电机上的速度命令或是负载扰动都会被从电机反映并且跟随，但是任何从电机上受到的扰动却不会反馈回给主电机，也不会影响到其他的从电机。主从式特点是从系统跟踪主系统的输出，大大增加了其控制策略的稳定性，但存在跟踪滞后。这种控制方式要求伺服系统具有良好的跟踪性能，主要应用在对速度或者位置的同步精度不是很高的工业生产中。控制器控制器电机1电机2 图1.2 主从同步控制结构图本系统设计的电机同步控制为了提高抗干扰能力，在一台电机速度受到外部扰动或人为干扰时两台电机仍能保持速度的同步，采用了带速度反馈的主从式的控制结构，一台电机作为主电机，一台为从电机，主电机的输出即转速作为从电机的输入，主电机的输入根据需要设置。为了提高主从电机的抗干扰能力以及从电机对主电机的跟踪精度，在设计中尽可能地改善了数字控制电路。1.2 PWM调速原理与发展概况 目前用大功率晶体管控制的PWM永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控制领域应用最为广泛的驱动形式。这种装置能实现宽范围内的速度和位置控制，较常规的驱动方式，如晶体管线性放大驱动，电液驱动或晶闸管驱动，具有无可比拟的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高。PWM装置一跃成为现代伺服驱动系统的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视。国外于上世纪60年代已开始注意PWM伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服系统，70年代中后期较为广泛地应用在中等功率的直流伺服系统上，到了80年代，PWM驱动在直流伺服系统中的应用已经普及。现在从国外引进的高精度伺服系统大都采用PWM伺服系统，各工业先进国家竞相发展PWM伺服机构。国内一些高校，研究所和工厂在上世纪70年代末相继开展了PWM系统的研究，在一定范围内达到了工业推广水平，应用于数控机床，精密机床的进给，机器人驱动装置及精密速度控制器中，也用于军用雷达天线驱动，火炮和导弹发射架驱