最新位置随动系统设计基于PLC的三相异步电动机能耗制动系统设计Word文档下载推荐.docx
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基于PLC的三相异步电动机能耗制动系统设计
DESIGNOFENERGYCONSUMPTIONBRAKINGSYSTENFORTHREEPHASEASYNCHRONOUSMOTORBASEDONPLC
学生姓名
王华伟
学院名称
信电工程学院
学号
20120501155
班级
12电气1
专业名称
电气工程及其自动化
指导教师
曹言敬
2015年
7月
10日
摘要
位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统，在数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动追踪等等方面应用广泛。
本设计是基于8051单片机为主控制器，选用积分分离PID算法来调节参数，使用伺服电机为广义被控对象的位置随动系统。
整个系统设计采用方案比较的方法确定为位置环、电流环、速度环三环结构，查找参考文献确定各调节器的参数，并在MATLAB环境下对所设计的系统进行了仿真。
关键词8051单片机；
积分分离PID；
三环结构；
MATLAB
3.2速度检测电路9
3.3位置检测电路9
3.4MCS-51系列单片机内部结构和引脚说明10
3.5系统时钟电路设计12
3.6复位电路13
1绪论
1.1位置随动系统
1.1.1位置随动系统的概念
位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。
位置随动系统的被控量（输出量）是负载机械空间位置的线位移和角位移，当位置给定量（输入量）作任意变化时，该系统的主要任务是使输出量快速而准确地复现给定量的变化，所以位置随动系统必定是一个反馈控制系统。
位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。
它属于自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。
随着科学技术的发展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。
例如，数控机床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动操纵，火炮方位的自动追踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等，随着机电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高科技领域中不可或缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重要分支。
1.1.2位置随动系统的特点及品质指标
位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统，即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的控制原理是相同的，对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要求系统维持输出量恒定，所以抗扰性能成为主要技术指标。
对于随动系统闻言，给定量即位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，因而跟随性能指标即系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要主要性能指标。
位置随动系统需要实现位置反馈，所以系统结构上必定要有位置环。
位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基本特征体现在位置环上。
根据给定信号与位置检测反馈信号综合比较的不同原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。
总结后可得位置随动系统的主要特征如下：
1.位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移。
2.必须具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号。
3.电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。
4.控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求，其中快速响应中，更强调快速跟随性能。
1.1.3位置随动系统的结构组成
机电一体化的随动控制系统的结构,类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。
1.比较环节：
是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。
2.控制器：
通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。
3.执行环节：
作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。
机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压，气动伺服机构等。
4.被控对象：
机械参数量包括位移、速度、加速度、力和力矩为被控对象。
5.检测环节：
是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。
1.1.4随动系统的控制要求
1.系统精度
随动系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度,以误差的形式表现,可概括为动态误差,稳态误差和静态误差三个方面组成。
2.稳定性
随动系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原来稳定状态的能力；
或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。
随动系统正常运行的最基本条件是系统必须是稳定的，否则其他性能指标都是毫无意义的。
随动系统的稳定性包括两方面的含义：
一是通常意义的稳定性；
另一方面是系统的稳定程度，或者说系统震荡的程度，指系统的相对稳定性。
例如，一个系统虽然是稳定的，但在收到扰动作用后，震荡倾向很强烈，而震荡的衰减却很慢，这种系统的稳定度就很差。
必须注意的是，稳定性只表示系统本身的一种特性，它决定系统结构与元件参数，与外部输入指令或扰动信号无关。
3.响应特性
响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工作效率。
响应速度与许多因素有关，如计算机的运行速度,运动系统的阻尼和质量等。
4.工作频率
工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。
当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；
而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。
1.2课程设计
1.2.1课程设计目的
利用位置传感器和直流电动机的位置随动系统，见图1-1。
该系统是利用位置传感器形成位置环，由所选定的单片机来完成数字控制器。
1.2.2课程设计要求
1.定位精度0.4°
。
2.定位过程超调量＜10%。
3.输入阶跃、速度、加速度转角信号时，调节时间为250ms。
1.2.3课程设计指导
利用单片机实现全数字位置随动系统，由键盘输入PID参数及给定值。
利用功能键实现点动和自动以及复位。
直流电动机实现可逆运行，并由位置传感器（如光电码盘等）检测转角信号，经频压转换电路实现位置检测。
控制器参数可以用SIMULINK仿真确定，但为了实现系统快速性好、超调小和无静差的控制要求，设计中可采用积分分离式PID控制算法。
（注：
控制算法也可以自行设计）
手柄
角度盘
直流电机
位置给定
位置反馈
电源
键盘输入
图1-1全数字位置随动系统示意图
2位置控制系统总体设计方案
2.1随动系统控制方案的选择
2.1.1方案一
双闭环随动系统由两个闭环组成，可以构成两种不同形式的双环位置随动系统，即位置-速度双环随动系统。
图2-1双闭环系统结构图
其中在里面的反馈环是速度环，在外面的反馈环是位置环。
一般来说，双闭环系统具有比较满意的动态性能：
1.动态跟随性能
双闭环系统在启动和升速过程中，能够在电流受到电机过载能力约束条件下，表现出很快的动态跟随性能。
只要指定位置参数，它便迅速控制电机正转或反转，以达到指定的目的。
2.态抗扰性能
当系统处于正常工作时，出现不正常的扰动干扰时，位置反馈系统便把位置信号反馈回主控制系统，之后，便会调节电机，使其转速提高或下降，最终达到控制稳定的目的。
因此，本系统具有极强的抗干扰性能。
为了提高系统快速跟随能力，要求外环即位置环有较高的截止频率，因为外环的截止频率表征了系统的快速性。
2.1.2方案二
在双闭环随动系统基础上加电流反馈，组成三环随动系统。
和双闭环控制系统一样，多环控制控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环节的调节器。
按此规律，对于如图的三环位置随动系统，应先设计电流调节器，
然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其他环节一起构成转速调节器的控制对象，再设计电流调节器。
最后，再把整个转速环简化位置环中的一个环节，从而设计位置调节器。
逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性。
图2-2三闭环系统结构图
2.1.3两个方案的比较
三环控制的优点明显，当电流环和转速环内的对象参数变化或扰动时，电流反馈和转速反馈都能起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小，同时每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。
但同时，三环的逐环设计的多环控制系统也有明显的不足，即对外环的控制作用的响应不会很快。
这是因为设计每个环节时，都要将内环等效成其中的一个环节，为这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率圆圆低于内环为前提的。
由此可知位置环的截止频率会被限制的很低，从而影响系统的快速性。
但在近代数字控制的随动系统中，控制对象的快速响应性能已经大大提高，个控制环的采用周期也可以大大缩短，其转速环频率也大大提高，因而位置环的截止频率也得到显著的提高，在要求高动态性能的数控机床轨迹控制和机器人控制中都取得了很好的应用效果。
在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
此时，双闭环随动控制系统就不能很好的满足这个要求。
而三环控制则能使控制达到完美的地步[1]。
综上所述，我选择方案二，使用三环随动控制系统。
2.2位移检测装置的选择
位置随机系统的区别首先在于信号的检测位置随机系统的区别首先在于信号的检测。
由于位置随机系统要控制的量多数是直线位移或角位移，组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。
位置随动系统中常用的位移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘、光栅等。
1.自整角机
自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号变换成转角，以实现角度传输、变换和指示的元件。
它可以用于测量或控制远距离设备的角度位置，也可以在随动系统中用作机械设备之间的角度联动装置，以使机械上互不相联的两根或两根以上转轴保持同步偏转或旋转。
通常是两台或多台组合使用。
2.旋转变压器
旋转变压器是—种转角检测元件。
它实际上是一种特制的两相旋转交流发电机，它有定子和转子两部分，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。
当转子旋转时，定、转子绕组间的相对位置之变化，使输出电压与转子角呈一定的函数关系。
在不同的自动控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途，在随动系统中主要用作角度传感器。
3.感应同步器
感应同步器的工作原理与旋转变压器一样。
4.光电编码盘
光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
光电编码
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