毕业设计 文献综述 基于ARM的闭环定位控制系统设计文献综述 正式版Word下载.docx

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1、概况

选题“基于ARM的闭环定位控制系统设计”，其中有许多用到的概念，许多很陌生或者需要进行阐述与说明，现将部分重要概念列举如下：

1.1、位置（position;

place;

seat;

site）

位置一词在中国的汉语意思中，有很多种意思，具体到物理学或者自然科学领域，一般是指物体在某一时刻在某个空间所在或所占的地方，其内涵包括所占面积、与基准的距离及方向、一、二、三维空间的坐标点等要素。

例如，物体沿一条直线运动时，可取这一直线作为坐标轴，在轴上任意取一原点O，物体所处的坐标定义点，就是其在这个坐标系下的“位置”。

因此在数理上，位置是由它的位置坐标（即一个带有正负号的数值）确定的。

1.2、定位（spotting;

locating;

fixing;

setposition;

positioning）

确定某一事物在一定环境中的位置成为定位，如产品在市场中定位、人物在组织中的定位、物品在某一地理位置的定位等。

这里主要包括三种：

确定方位、确定或指出的地方;

确定场所或界限（如通过勘察）；

指测量过程。

在本次课程设计中主要是利用CPU控制电机转动，并对电机转动的角位移等赋值，从而通过对转动圈数或者步数的测量值确定物体的位置，并对实现对位置控制、调节等功能。

1.3、控制系统（controlsystem）[3][9][13]

控制系统控是指能对被控制对象的工作状态进行遥控或自控的系统，其在各个领域中的定义不尽相同，在电子、电力、电气、机械等领域。

通常是由各种元件连接成的一种成套装置，控制各种运动，并使其中各个元件相互作用，维持某种工作状态，或者以预定方式修改工作状态。

控制系统一般包括控制主体、控制客体和控制媒体组成，并具有达到自身目标的功能。

由此意味着通过控制系统可以按照所希望的方式保持和改变产品或设备的可变量。

因此，可以看出控制系统的主要目的，一是使被控制对象达到预定的理想状态而实施的，二是使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。

1.4、闭环（closed_loop）[14][15]

闭环是一种控制方式。

闭环也叫反馈控制系统，是将系统输出量的测量值与所期望的给定值相比较，由此产生一个偏差信号，利用此偏差信号进行调节控制，使输出值尽量接近于期望值。

例如笔记本的电源适配器，它对输出电压进行了侦测反馈至前端并以此作为调节电压,使其输出恒定电压。

闭环一般是相对于开环（open-loop）而定义存在的。

开环是指“不将控制的结果反馈回来影响当前控制的系统”。

1.5、ARM处理器（AdvancedRISCMachines）[7]

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。

ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。

一般来讲比等价32位代码节省达35％，却能保留32位系统的所有优势。

ARM处理器的三大特点是：

耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

1.6、电机（motor）[9]

电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。

电动机也称（俗称马达），在电路中用字母“M”（旧标准用“D”）表示。

它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

电机种类很多：

按工作电源种类划分：

可分为直流电机和交流电机；

按结构和工作原理划分：

可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机；

按起动与运行方式划分：

电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机；

按用途划分：

驱动用电动机和控制用电动机，其中控制用电动机又划分：

步进电动机和伺服电动机。

1.7定位控制系统应用[5]

定位控制系统的应用——机床控制系统改造。

原系统缺陷分析

1）该机床行程控制系统控制器是采用八十年代初的Z80单板机技术的专用控制装置，一旦损坏无同类替换产品，直接影响生产。

2）定位系统的执行机构为直流调速系统，直流调速系统在国内机床工业中虽然占据较大的份额，但由于它技术落后，并存在故障率高、稳定性差、控制不灵活等缺点，已经逐步被更为先进的交流调速系统所代替。

3）位置控制系统及直流调速系统均是淬火机公司自己研制开发的产品，由于产品的更新换代这个产品已淘汰，无法购买到备件，如果单独定做价格极其昂贵。

改造设计方案

PLC及变频调速技术在国内已经得到了非常广泛的应用。

在国内同行业中，应用PLC技术对各种机床包括大型自动线的改造的例子非常多，但对于像凸轮轴淬火机这样要求定位精度很高的设备应用变频调速技术结合PLC技术进行闭环调速系统改

造的例子却很少。

1）采用位置闭环控制，能满足定位准确，达到定位精度的要求。

利用机床中广泛采用的一种闭环位置检测装置一脉冲编码器进行位置控制。

2）由于PLC技术控制灵活简单、故障率低、功能强大、价格较低，目前已得到了广泛的应用。

本次控制器改造采用的是日本OMRON公司的C60PLC。

3）该机床行程控制系统的关键部件除控制器和编码器之外，还有驱动装置及执行机构。

本次改造方案定为：

用YEJ系列自刹车交流电机替代原直流电机。

用日本SANKEN电气株式会社的IHF系列变频器替代原控制板。

2核心部件或功能概况

2.1步进电机[4]

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

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（及步进角）。

您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;

同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到速的目的。

步进电机按其构造可分为三大类：

可变磁阻式（VR型）：

转子以软铁加工成齿状，其转子惯性小、响应性佳，但其容许负荷惯性并不大。

其步进角通常为15°

。

永久磁铁式（PM型）：

转子由永久磁铁构成，其磁化方向为辐向磁化，无激磁时有保持转矩。

混和式（HB型）：

转子由轴向磁化的磁铁制成，磁极做成复极的形式，其乃兼采可变磁阻式步进电机及永久磁铁式步进电机的优点，精确度高、转矩大、步进角度小。

步进电机主要用于一些有定位要求的场合。

例如：

线切割的工作台拖动，植毛机工作台（毛孔定位），包装机（定长度）。

基本上涉及到定位的场合都用得到。

特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。

步进电机工作原理分析，这里只介绍四相单四拍步进电动机相许控制的工作原理。

如图2-1所示，环形分配器送来的脉冲信号，对定子绕组轮流通电，设先对A相绕组通电，B、C、D三相都不通电。

由于磁通具有力图沿磁阻最小路径通过的特点，因此在A极附近的转子就只受到径向力的作用而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。

然后使B相断电，C相通电，同理转子又沿顺时针方向旋转360。

／（k*m*z）的角度。

转子就按照A—B—C—D—A……的旋转顺序运动下去。

图2-1四相步进电机示意图

2.2ARM处理器[7][8][10][11]

ARM（AdvancedRISCMachines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。

技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。

适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。

ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。

利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。

目前，总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括Intel、IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。

至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和MRI等一系列知名公司。

（1）CPU内核

--ARM7：

小型、快速、低能耗、集成式RISC内核，用于移动通信。

--ARM7TDMI（Thumb）:

这是公司授权用户最多的一项产品，将ARM7指令集同Thumb扩

展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。

同时，它还利用嵌入式ICE调试技

术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。

该产品的典型用途是数

字蜂窝电话和硬盘驱动器。

--ARM9TDMI:

采用5阶段管道化ARM9内核，同时配备Thumb扩展、调试和Harvard总

线。

常用于连网和顶置盒。

（2）体系扩展

--Thumb:

以16位系统的成本，提供32位RISC性能，特别注意的是它所需的内存容

量非常小。

（3）嵌入式ICE调试

由于集成了类似于ICE的CPU内核调试技术，所以原型设计和系统芯片的调试得到了

极大的简化。

（4）微处理器

--ARM710系列，包括ARM710、ARM710T、ARM720T和ARM740T:

低价、低能耗、封装式

常规系统微型处理器，配有高速缓存（Cache）、内存管理、写缓冲和JTAG。

广泛

应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。

--ARM940T、920T系列:

低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有Cache、内存管理和写缓冲。

应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高档打印机。

3部分设计方案

3.1PID控制的原理和特点[6][12][14]

　　在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

3.1.1比例（P）控制

比例调节是数字控制中最简单的一种调节方法。

其特点是调节器的输出与控制偏差e成线性比例关系，控制规律为：

（公式-1）

式中：

-比例系数，

-偏差e为零时调节器的输出值．

当输出值S与设定的期望值R间产生偏差时，比例调节器会自动调节控制变量y（如为控制阀门的开度）的大小。

控制变量y的大小会朝着减小偏差e的方向变化．比例系数

的大小决定了比例调节器调节的快慢程度,

大调节器调节的速度快，但

过大会使控制系统出现超调或振荡现象。

小调节器调节的速度慢，但

过小又起不到调节作用。

3.1.2积分（PI）控制

比例调节器的主要缺点是存在无法消除的静差值，影响了调节精度．为了消除静差值，在比例调节器的基础上并人一个积分调节器构成比例积分调节器，其调节规律可用下列（公式3-2）式表示．

（公式3-2）

为积分常数，它的物理意义是当调节器积分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为积分常数。

积分常数

的大小决定了积分作用强弱程度，

选择的越小，积分的调节作用越强，但系统振荡的衰减速度越慢。

3.1.3微分（PID）控制

加入积分调节后，虽可消除静差，使控制系统静态特性得以改善，但由于积分调节器输出值的大小是与偏差值e的持续时间成正比的，这样就会使系统消除静差的调节过程变慢，由此带来的是系统的动态性能变差．另外，当系统受到冲激式偏差冲击时，由于偏差的变化率很大，而PI调节器的调节速度又很慢，这样势必会造成系统的振荡，给生产过程带来很大的危害．改善的方法是在比例积分调节的基础上再加人微分调节，构成比例积分微分调节器（PID）。

其调节规律可用（公式3-3）式表示。

（公式3-3）

为微分常数，它的物理意义是当调节器微分调节作用与比例调节作用的输出相等时所需的调节时间称为微分常数．

3.2步进电机驱动[4][9]

方案一ULN2003系列芯片驱动步进电机

ULN2003系列是NPN晶体管驱动器芯片，芯片内部资源丰富，可用以驱动大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中，也可以可直接驱动电机或者继电器等负载。

ULN2003系列是双列16脚封装，NPN晶体管矩阵，最大驱动电压=50V，电流=500mA，输入电压=5V，输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。

图3-1ULN2003A芯片图3-2ULN2003内部结构图图3-3ULN2003与步进电机连接图

方案二L298芯片驱动步进电机

L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。

由于其性能较好，L298也被经常用来驱动电机。

但是它能驱动电机转动，如果要控制电机转动方向、速度等功能需要另接CLK时钟控制电路，REST复位电路，CW正传反转控制电路，HALF速度控制信号电路等，设计电路较为复杂，且会引入更多的误差。

图3-4L298芯片图3-15L298驱动步进电机连接图

方案三L297—L298芯片联合驱动步进电机

L297芯片能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。

芯片内的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。

L297的芯片引脚特别紧凑，采用双列直插20脚塑封封装，其引脚见图2-10.

L297芯片作为L298芯片的补充能够很好的补充，将速度、方向等控制信号电路集成到一块芯片中，比较方便，其连接图见图2-11。

图3-6L297引脚图图3-7L297-L298与步进电机连接图

4实现方式

主程序流程[1][2][13]

首先ARM控制器从串口接收运动位移信号，然后折算出步进电机完成转位所需的脉冲数，发出脉冲控制步进电机转位；

脉冲发送完毕后，从串口接收时栅测量结果的反馈信号，并与上位机的预设值进行比较。

比较结果若一致，则输出定位完毕信号，再从串口接收上位机传来的下一个位移值；

若不一致，再判断是否超过了设定值，以控制电机转动。

图4-1主程序流程图

参考文献

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