基于单片机的多电机同步控制器设计电气自动化专业.doc

摘 要 随着工业技术的不停发展，越来越多的场合下我们需要对多台电机进行控制，特别是在冶炼金属、建材、造纸、纺织工业等领域，多台电机的同步性能直接影响到产品的质量是好是坏。因此，很有必要进行对多电机同步控制的研究。 本文先简要介绍了多电机同步控制技术的几个比较典型的同步控制策略，分析了各同步控制策略的具体内容，比较了不同同步控制策略的优点和缺点。其中本次设计所应用的控制策略是偏差耦合控制策略。接着针对设计需求设计了以AT89S52单片机为控制核心的硬件电路，其中包括了A/D转换模块、D/A转换模块，键盘和显示模块、储存模块、开关量输入输出模块、串行通讯模块等电路。本次设计的多电机同步控制器最终能够实现四台电机的同步控制，它不仅操作简单，而且还有系统结构简单，控制算法易实现，成本低廉等优点。 关键词：多电机；同步控制；偏差耦合控制；单片机；硬件电路 - I - Design of Multi-motor Synchronous Controller Based on Microcomputer Abstract With the continuous development of industrial technology, various types of machine performance and product quality continues to improve in the industrial production, only for a motor control has been slowly unable to meet the needs and now more than one motor to control has gradually become mainstream. And now synchronization exists in our lives in large numbers. Synchronous control has penetrated into various fields, in many cases, multiple motor synchronization performance directly affects the quality of the product. Therefore, it is necessary to carry out the study of multi-motor synchronous control. In this paper, the research background and significance of multi-motor synchronous control are expounded in detail, and the design status of multi-motor synchronous control is analyzed. Then, the multi-motor synchronous control technology is introduced systematically, which includes the definition and classification of multi-motor synchronous control. Then we introduce some typical synchronous control strategies, analyze the specific contents of each synchronization control strategy, and compare the advantages and disadvantages of different synchronization control strategies. The control strategy applied in this design is the deviation coupling control strategy. Finally, we design to 51 single-chip for the core of the hardware circuit, which includes the A / D and D / A conversion module, keyboard and screen modules and other circuits. Finally we write the program according to the deviation of the control strategy and the actual circuit of the specific requirements. After the design is completed, according to the experimental analysis, verify the design of the control strategy, hardware circuit and program design is correct and effective. Finally, we summed up the work of this design study, review the problems encountered in the study and solutions, but also reflect the design of the inadequacies of the place, and finally thank the instructor's hard work. Key Words：Multi-motor; Synchronous Control; Deviation Coupling Control; Single-chip; Hardware Circuit - IV - 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 课题的研究背景以及研究意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.3 本文主要内容 3 2 多电机同步控制系统的控制算法及设计方案 4 2.1 多电机同步控制算法 4 2.1.1 机械方式 4 2.1.2 并行控制 4 2.1.3 主从控制 5 2.1.4 交叉耦合控制方式 6 2.1.5 电子虚拟总轴控制 6 2.1.6 偏差耦合控制方式 7 2.2 主要设计要求和设计方案 9 2.2.1 主要设计要求 9 2.2.2 设计方案 9 3 多电机同步控制器硬件电路设计 11 3.1 系统整体结构 11 3.2 晶振和复位电路 11 3.3 A/D转换模块 13 3.4 D/A转换模块 15 3.5 屏幕与键盘模块 17 3.6 储存模块 20 3.7 开关量输入输出模块 21 3.8 串行通讯模块 22 3.9 电源模块 23 4 多电机同步控制器的软件设计 25 设 计 总 结 28 参 考 文 献 29 附录A 硬件总电路图 30 致 谢 31 1 绪论 1.1 课题的研究背景以及研究意义 随着工业技术的不断发展，在工业生产中对各类机器性能以及产品质量的要求不停提高。仅仅对于一台电机进行控制在很多场合中已经慢慢无法满足现代工业生产的需要，在现代的工业生产过程中，特别是在冶炼金属、建材、造纸、纺织工业等领域，常常需要许多台电机同时运行进行传送和卷取产品。为了避免产品出现损坏或者产生堆积，提高产品质量和运送效率，这就要求电机与电机之间保持协调同步地运行，因此人们就有必要同时地对多台电机加以控制，让其能更好地同步运行[1]。因此，多电机同步控制技术应运而生。 多电机同步控制是一门多门学科相互交叉并且综合性很强的研究课题，它涉及电力电子技术、机械、控制科学以及计算机技术等多门学科。控制多电机同步运行通常分成以下两大类：一是传统的机械方式，即采用链条，皮带，齿轮，轴等传动器械，由于这些传动器械的物理结构相对复杂、工作时灵活性差、噪声大、易磨损机械等缺点，因此机械方式的应用场合越来越少，尤其是在许多对电机的同步性有很高要求的控制场合，几乎不能获得很好的控制效果；另一种是电方式，也就是通过控制多台电机的位移和转速等参数，从而实现多电机之间的同步运行。 在多电机同步控制系统中，由于机械传动机构自身的特点很多，因此影响系统各电机同步运行的因素有很多。从机械结构方面开始考虑，由于机械系统给各电机分配到的负载不平等，这样会使每台电机自身的运行状态都不一样。从电机及驱动器角度上考虑，电网的波动、随环境参数变化而变化的电气参数以及各类电磁干扰等都可能将破坏多电机之间的同步运行。因此，要使多台电机能够同步运行，必须选择有效合理的控制算法，减少系统中的由于各类不确定干扰而产生的影响。 非耦合控制是早期的多电机同步控制最喜欢采用的控制方式。当时提出的控制方法大多都是是针对每一电机，各电机的运动控制均是由各自的控制器实现。当某电机的运行状态发生改变时，就不会反映到其他电机上，从而使系统降低同步性。对于非耦合控制，减少各电机的实际输出速度和给定速度的差值就是控制各电机的目的。对于多电机同步控制的系统，控制的目的就是使多电机之间速度、位移等参数的差值减少。因此，当利用非耦合控制时，虽然能使单台电机的稳态误差减少，却不一定能够减少系统中各电机之间的同步差值。 因此，在实际的多电机同步控制中，一种非常重要的设计原则就是使各电机控制器的特性相互匹配。但是，因为多电机同步系统涉及到的环节有很多，比如机电、控制等一些环节，还有环境影响的各种扰动较多，所以很难真正让各电机完全匹配。所以，有些学者就自然而然地想到在双电机协调控制系统中引入了交叉耦合控制思想，即不仅在每一个电机的控制回路中减少稳态误差的值，同时还将其他电机的反馈信息反馈到这台电机上，从而使各电机的运行状态与其他电机的运行状态相互关联，使其能够协调起来。自20世纪80年代开始，国内外的许多学者都在研究双电机同步，双电机跟踪的交叉耦合控制，其中以Koren、Kul Kami和Srinivasan等人为代表，先后发表了十多篇研究论文，这些论文都是关于交叉耦合控制的，从而为多电机耦合控制的研究与应用奠定了基础。后来，Hua YiChuang、Tomizuka等为了提高系统的动态响应和抗干扰能力，把自适应前馈控制策略应用到交叉耦合控制、双电机同步控制中。 近年来，越来越多的智能控制算法相继被提出及对其不断深入的研究，许多学者也还奋斗在探索应用智能控制算法的技术来实现双电机同步控制的道路上。 基于以上的设计背景，本文提出了一种基于单片机的多电机同步控制系统的设计方案，通过对变频器的控制从而对电机进行控制。变频调速是电机调速[2,3]其中的一种。它不仅具有故障率低，操作方便等优点，而且变频调速的节能效果明显，优于调压调速、滑差调速、变级调速、整流子调速、串级调速和液力偶合器调速等。 1.2 国内外研究现状 早些时候的多电机控制系统都喜欢机械控制的控制方式，即电机通过皮带、轴、齿轮、链式传送等方式进行物理连接。但是机械控制方式的缺点就是使用一台电机作为动力源，这样各单元分配到的功率小，其次由于其物理结构十分复杂，因此维修也不方便，传动范围受限，而且由于采用皮带，链，齿轮，轴等链接机构过多，多处误差较大而且不断积累，机械之间由于长时间的摩擦使机器很容易受损，经常需要维修，大大减少了机器的使用寿命，影响系统的精度。由于电力电子技术和控制技术的飞速发展，电控制方式以其性能好、可靠性高、控制简