基于ARM的数字式直流电机控制器的研究

摘要

直流电动机具有起动性能和调速性能好、过载能力大等优点，广泛应用于各种工业场合。对直流电动机的控制主要是对电机的速度、力矩以及位置的控制。 随着科学技术日新月异，尤其是计算机技术、微电子技术、现代控制理论的发展，对于直流电机的控制也开始由传统的模拟控制向数字控制转变，并逐步实现电机控制的智能化。本课题研究的重点就是数字式直流电动机的控制系统。 本文所研究的控制系统，采用晶闸管相控整流方式实现对直流电动机的速度和电流进行控制。控制系统以ARM7系列微控制器LPC2132作为晶闸管数字式触发控制系统的核心，通过对电动机的速度环、电流环的PID控制，实现所需的工作性能。同时，为了扩大该控制系统的适用范围，本论文也对电流环的PID参数自整定方法进行了一定的研究。 本文的主要内容如下： 一、从整体上介绍了直流电动机和直流调速技术的发展和趋势，比较了当前常用的几种直流电动机的调速方案，并介绍了作为电动机控制系统的核心微控制器LPC2132的基本特性。 二、根据直流电机回路，建立电动机的数学模型；针对该电动机模型，选用速度——电流双闭环控制系统，建立双闭环系统的控制方框图；分析晶闸管相控整流方式中出现电流断续现象的解决方法。 三、根据直流电动机的控制特性的要求，研究了微控制器LPC2132的内部硬件资源的分配，设计了相关硬件系统，并对晶闸管的触发方式进行了研究。 四、研究了直流电动机控制系统的软件系统。 五、研究电动机的控制策略，对电动机的速度环和电流环采用PID控制策略，并对电流环的PID参数自整定方法进行了研究。 六、空载情况下对直流电机的速度控制实验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1直流电机速度控制技术的发展与现状

1.1.1直流电机的发展与现状

1.1.2直流调速技术的发展和现状

1.2直流调速技术的原理和方法

1.2.1变电枢回路电阻调速

1.2.2变电枢电压调速

1.2.3变励磁电流调压

1.3目前常用的调速方案

1.3.1晶闸管整流器——直流电动机调速方案

1.3.2直流电动机脉冲调速方案

1.3.3晶体管线性放大器——直流电动机调速方案

1.4 ARM技术

1.4.1 ARM的类型

1.4.2 ARM处理器的工作模式

1.4.3 ARM寄存器的组成

1.4.4 ARM体系中的异常中断

1.4.5 LPC2132特性

1.5课题内容和研究意义

第二章 速度——电流双闭环系统的设计

2.1直流电机动态模型的建立

2.2闭环调速系统

2.2.1闭环调速系统原理

2.2.2闭环调速系统模型

2.3电流断续问题的解决

第三章 电机控制系统硬件电路设计

3.1同步信号检测电路

3.2信号检测和处理电路

3.2.1速度反馈采样电路

3.2.2电流反馈电路

3.2.3给定电压信号调理电路

3.3触发脉冲电路

3.3.1晶闸管触发脉冲类型的选择

3.3.2脉冲功率放大电路

3.4系统保护电路

3.4.1缺相保护电路

3.4.2 ARM芯片端口保护电路

第四章 控制系统软件设计

4.1主程序

4.2双闭环控制程序

4.2.1速度环控制程序

4.2.2电流环控制程序

4.3 PWM中断服务程序

4.4继电反馈PID参数自整定程序

4.5相序判别程序

4.6脉冲输出控制程序

4.7脉冲触发方式的选择

4.8脉冲遗漏问题的解决

第五章 电机控制策略的研究

5.1数字PID控制算法

5.1.1位置式PID控制算法

5.1.2增量式PID控制算法

5.2数字PID控制算法的改进

5.2.1积分分离的PID控制

5.2.2遇限削弱积分PID控制算法

5.2.3不完全微分PID控制算法

5.2.4微分先行PID控制算法

5.2.5带死区的PID控制算法

5.3 PID参数自整定

5.3.1基于模型的自整定

5.3.2基于规则的自整定

5.3.3智能PID参数整定

5.3.4多变量PID参数整定

5.4继电反馈法在电液位置控制系统中的应用

5.4.1继电反馈PID参数自整定法

5.4.2临界灵敏度法

5.4.3电液位置控制系统

5.4.4实验结果

第六章 实验结果和分析

6.1实验设备

6.2实验设备的相关参数

6.3实验结果及分析

6.3.1实验一

6.3.2实验二

6.3.4实验三

6.4结论

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

参考文献

致谢