（控制理论与控制工程专业论文）水听器运动控制系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着社会的进步和发展，自动化运动控制设备的应用不断地深入各个行业， 改变着行业的工作方式，提高其工作效率。本论文详细介绍了水听器运动控制系 统的设计和实现。该系统以三菱公司的q 0 0 1 jp l c 为控制核心，通过运动控制 模块控制4 轴步进电机进行精确定位，通过增量型编码器反馈位置或角度信息。 本系统利用接近开关划定安全工作区域。用户可以通过现场触摸屏、控制室内的 工控机、局域网内的任一电脑来监控实际设备的运行。 论文首先介绍了水听器运动控制系统的相关技术。水听器运动控制系统和 p l c 技术、步进电机技术、伺服电机技术、变频器技术、工业监控界面技术密切 相关。它们的发展都会影响运动控制的整体设计、位置定位精度、设备规模和用 户操作的简易度。 论文介绍了水听器运动控制系统的整体架构设计，包括机械设计、电气设计 和软件设计。p l c 是水听器运动控制系统的控制核心，步进电机、伺服电机和变 频电机是该系统的主要运动执行机构。系统采用了当今工控行业内流行的工业监 控界面。 论文详细介绍了电气系统设计和软件设计。电气系统部分包括p l cc p u 及 其各个扩展模块、控制柜设计、步进电机及其驱动器、伺服电机及其驱动器、编 码器、接近开关等。软件设计包括p l c 软件、触摸屏控制界面软件、工控机控 制界面软件和远程控制界面接口软件三大块。 论文最后做了总结，讨论了系统可以改进的地方，并提出了相关的改进方法。 关键词：水听器，运动控制，p l c ，步进电机，伺服电机，变频，监控界面 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , t h ea u t o m a t i o nm a c h i n e sf o rm o v e m e n t c o n t r o la r ew i d e l yu s e d t h e yc a l lc h a n g et h ew o r ks t y l ea n dp r o c e s s t h i st h e s i s d i s c r i b e st h ed e s i g no ft h em o v e m e n tc o n t r o ls y s t e mo fs o n a r t h eq 0 0 1jp l cw h i c h i sd e v e l o p p e db ym i s t s b u i s h ii st h em a i nc o n t r o l l e r i tc a nc o n t r o l4s t e pm o t o r su s i n g t h em o v e m e n tc o n t r o lm o d u l e a n dt h ep o s i t i o na n da n g l ec a l lb ef e e d b a c k e dv i a t h e c o d e r t h eu s e rc a nc o n t r o lt h em a c h i n ev i a t h et o u c hs c r e e no fa n yc o m p u t e ri nt h e n e t w o r k t h i st h e s i si n s t r o d u c e st e c h n o l o g i e sr e l a t e dt ot h es o n a rm o v e m e n tc o n t r o l ，s u c h a sp l c ，s t e pm o t o ls e r v o m o t o r , t r a n s d u c e ra n di n d u s t r yc o n t r o lg u i t h ea r c h t e c t u r ed e s i g ni n c l u d i n gt h em a c h i n ed e s i g n ，h a r d w a r ed e s i g na n dt h e s o f t w a r ed e s i g na r ei n t r o d u c e d p l ci st h em a i nc o n t r o l l e r , a n dt h es t e pm o t o r , s e r v o m o t o ra n dt r a n s d u c e ra r et h em a i nc o m p o n e n t s t h ep o p u l a ri n d u c t r yc o n t r o l g u ii sa d o p t e df o rt h ee a s yc o n t r o lo ft h eu s e r s t h i sp a p e rd e s c r i b e se l e c t r i c a ls y s t e md e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g ni nd e t a i l e l e c t r i c a ls y s t e mc o n t a i n st h ep l ca n di t sm o d u l e s ，c o n t r o lb o x ，s t e pm o t e ra n di t s d r i v e ，s e r v o m o t o ra n di t sd r i v e ，c o d e ra n ds oo n s o f t w a r ed e s i g nc o n t a i n ss o f t w a r ei n p l c ，t o u c hs c r e e ni n t e r f a c e ，i n d u s t r yc o m p u t e ri n t e r f a c ea n di n t e r f a c ef o rr e m o t e n e t w o r kc o m p u t e r a tl a s t ，t h i st h e s i sg i v e sas u m m a r yo ft h es y s t e ma n ds o m ep o i n t sn e e db e i m p r o v e d k e y w o r d s ：s o n a r , m o v e m e n tc o n t r o l ，p l c ，s t e pm o t o r , s e r v o m o t o r , t r a n s d u c e r , i n d u s t r yc o n t r o lg u i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水听器运动控制系统的研究意义 水听器俗称声纳，主要用于水下物体的精确探测。水听器通过水平、垂直和 旋转运动来对周围环境进行探测。根据其工作环境，水听器的运动控制系统是一 个高精度、强稳定性的运动控制系统。随着水听器技术的不断发展，水听器的工 作方式也发生了突飞猛进的变化。水听器阵列概念的提出便是该领域最新的概 念。水听器阵列顾名思义，是通过控制同一阵列上不同水听器进行不同的运动， 来实现对周围环境的全方位的监测或对某一物体的跟踪监控。这一概念的提出， 对水听器的运动控制带来了巨大的挑战，需要进一步提高其精度和协调控制。 水听器的运动控制系统是一个非常典型2 5 1 ，又有着自身独特性的运动控制 系统。该系统可以被轻松移植到其他的精确定位控制系统中，如数控机床【l5 】等。 随着社会的发展，自动化控制的深入，越来越多的行业开始采用自动化设备来替 代人力工作。很多行业由于没有高精度自动化设备，面临着很多瓶颈。水听器行 业就是一个很好的例子。水听器研究所需要运用水听器在不同的位置，不用的角 度，不同的水下深度对材料进行检测。由于水听器采用的波段的局限和其他检测 设备的落后，水听器位置的细小差异就会造成检测结果的巨大差异。因此高精度 的自动化仪器可以极大的提高其测量精度。 在技术方面，很多行业都要求高精度的运动控制。步进电机、伺服电机和变 频电机在该领域上都有着广泛的应用。根据系统功率的要求，需要采用不用的电 机来达到最佳的效果和性价比。其中步进电机主要用于各种小型系统，伺服电机 则主要用于功率较大平稳度要求较高的系统，变频电机则主要用于各种起重设 备。由于技术上的相通性，水听器的运动控制系统可以方便地移植到其他的数控 自动化设备。 1 2 水听器运动控制系统的发展现状和前景 水听器的运动控制系统主要牵涉到p l c 技术1 1 】、步进电机技术、伺服电机 浙江火学硕十学位论文 技术和变频技术。 1 2 1p l c 的发展 p l c 由g m 公司在1 9 6 8 年首次开发成功，其核心思想是用程序代替硬接线、 输入输出电平可与外部装置直接相联、结构易于扩展。具有体积小、可靠性高、 柔性好、可在线更改程序、对环境条件无要求、价格低廉等多种特点。而且有 8 0 以上的行业的设备均可使用p l c 。在它的发展历史上经历了三个阶段。 1 、早期的p l c ( 6 0 年代末7 0 年代中期) 早期的p l c 一般称为可编程逻辑控制器。这时的p l c 多少有点继电器控制 装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定时 等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在i o 接口电路上作了改进以适应工业 控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器 采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程 上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式一梯形图。因此， 早期的p l c 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂、便于安装、 体积小、能耗低、有故障指示和能重复使用等。其中p l c 特有的编程语言 梯形图一直沿用至今。 2 、中期的p l c ( 7 0 年代中期踟年代中，后期) 在7 0 年代，微处理器的出现使p l c 发生了巨大的变化。美国，日本，德国 等一些厂家先后开始采用微处理器作为p l c 的中央处理单元( c p u ) 。这样，使 p l c 的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等 功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件 方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i o 模块、 各种特殊功能模块，并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提 供了一定数量的数据寄存器，使p l c 的应用范围得以扩大。 3 、近期的p l c ( 8 0 年代中、后期至今) 进入8 0 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器 的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的p i , c 所采用的微处理器的档次普遍提 高。而且，为了进一步提高p l c 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专 2 浙江大学硕士学位论文 用逻辑处理芯片。这样使得p l c 软、硬件功能发生了巨大变化2 6 】。 p l c 发展至今，仍有着很强的生命力，在工业领域发挥着举足轻重的作用。 在面临其他控制器的挑战，它也有着自己的发展方向。 1 、向高速度、大容量方向发展3 5 】 为了提高p l c 的处理能力，要求p l c 具有更好的响应速度和更大的存储容 量。目前，有的p l c 的扫描速度可达o 1 m s k 步左右。p l c 的扫描速度已成为 很重要的个性能指标。 在存储容量方面，有的p l c 最高可达几十兆字节。为了扩大存储容量，有 的公司已使用了磁泡存储器或硬盘。 2 、向超大型、超小型两个方向发展 当前中小型p l c 比较多，为了适应市场的多种需要，今后p l c 要向多品种 方向发展，特别是向超大型和超小型两个方向发展。现已有i o 点数达1 4 3 3 6 点 的超大型p l c ，其使用3 2 位微处理器，多c p u 并行工作和大容量存储器，功能 强。小型p l c 由整体结构向小型模块化结构发展，使配置更加灵活，为了市场 需要已开发了各种简易、经济的超小型微型p l c ，最小配置的i o 点数为8 1 6 点，以适应单机及小型自动控制的需要，如三菱公司q 系列p l c t 3 5 1 。 3 、p l c 大力开发智能模块，加强联网通信能力 为满足各种自动化控制系统的要求，近年来不断开发出许多功能模块，如高 速计数模块、温度控制模块、远程i o 模块、通信和人机接口模块等。这些带 c p u 和存储器的智能i o 模块，既扩展了p l c 功能，又使用灵活方便，扩大了 p l c 应用范吲2 7 1 。 加强p l c 联网通信的能力，是p l c 技术进步的潮流。p l c 的联网通信有两 类：一类是p l c 之间联网通信，各p l c 生产厂家都有自己的专有联网手段；另 一类是p l c 与计算机之间的联网通信删，一般p l c 都有专用通信模块与计算机 通信。为了加强联网通信能力，p l c 生产厂家之间也在协商制订通用的通信标准， 以构成更大的网络系统，p l c 已成为集散控制系统( d c s ) 不可缺少的重要组成部 分。 4 、增强外部故障的检测与处理能力 根据统计资料表明：在p l c 控制系统的故障中，c p u 占5 ，i o 接口占1 5 ， 3 浙江大学硕士学位论文 输入设备占4 5 ，输出设备占3 0 ，线路占5 。前二项共2 0 故障属于p l c 的内部故障，它可通过p l c 本身的软、硬件实现检测、处理；而其余8 0 的故 障属于p l c 的外部故障。因此，p l c 生产厂家都致力于研制、发展用于检测外 部故障的专用智能模块，进一步提高系统的可靠性。 5 、编程语言多样化 在p l c 系统结构不断发展的同时，p l c 的编程语言也越来越丰富，功能也 不断提高。除了大多数p l c 使用的梯形图语言外，为了适应各种控制要求，出 现了面向顺序控制的步进编程语言、面向过程控制的流程图语言、与计算机兼容 的高级语言( b a s i c 、c 语言等) 等。多种编程语言的并存、互补与发展是p l c 进 步的一种趋势。 1 2 2 步进电机控制技术的发展 步进电机最早是在1 9 2 0 年代由英国人所开发。1 9 5 0 年代后期晶体管的发明 也逐渐应用在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良， 使得今日步进电机已广泛运用在需要高定位精度、高分解能、高响应性、信赖性 等灵活控制性高的机械系统中。在生产过程中要求自动化、省人力、效率高的机 器中，我们很容易发现步进电机的踪迹，尤其以重视速度、位置控制、需要精确 操作各项指令动作的灵活控制性场合步进电机用得最多。现在比较常用的步进电 机包括反应式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 、混合式步进电机( h b ) 和单 相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7 5 度或1 5 度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1 5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定 子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永 磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1 8 度，而五相 步进角一般为0 7 2 度。目前市场上所使用的工业用步进电机，以混和式( r m 型) 最为普遍。 细分技术是步进电机技术中非常重要的一点。细分的基本概念为：步进电机 通过细分驱动器的驱动，其步距角变小了。如驱动器工作在1 0 细分状态时，其 步距角只为“电机固有步距角”的十分之一，也就是：当驱动器工作在不细分的 4 浙江大学硕士学位论文 整步状态时，控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1 8 。；而用细分驱动器工作 在1 0 细分状态时，电机只转动了0 1 8 。细分功能完全是由驱动器靠精确控制电 机的相电流所产生的，与电机无关。 步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术2 1 1 ，其主要目的是提高电 机的运转精度，实现步进电机步距角的高精度细分。其次，细分技术的附带功能 是减弱或消除步进电机的低频振动，低频振荡是步进电机( 尤其是反应式电机) 的 固有特性，而细分是消除它的唯一途径，如果步进电机有时要在共振区工作( 如 走圆弧) ，选择细分驱动器是唯一的选择。 驱动器细分后的主要优点为：完全消除了电机的低频振荡；提高了电机的输 出转矩，尤其是对三相反应式电机，其力矩比不细分时提高约3 0 - 4 0 提高了 电机的分辨率，由于减小了步距角、提高了步距的均匀度，“提高电机的分辨率 是不言而喻的。 在性能上的优点是细分的真正优点。由于细分驱动器要精确控制电机的相电 流，所以对驱动器要有相当高的技术要求。目前，国内外的步进电动机细分技术 的最高微步距细分水平为2 5 5 ”，而随着科学和工业技术发展，这细分水平对 于目前很多要求5 ”以下的微步距角来说，仍远远不能满足要求。 1 2 3 伺服系统技术的发展 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电 机类型分为直流( d c ) 伺服系统和交流( a c ) 伺服系统。5 0 年代，无刷电机和直流 电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。7 0 年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。从7 0 年代后期到8 0 年代初期， 随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺 的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为 主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并 将逐渐取代直流伺服系统。 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步 ( s m 型) 电动机交流伺服系统和感应式异步( t m 型) 电动机交流伺服系统。其中， 永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速 5 浙江大学硕士学位论文 性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动 的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动 化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。感应式异步电 动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而 具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换 控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还 存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应用。 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电 机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响 了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向 器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在 的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特 性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性【2 2 1 。所以交流伺服系统在工厂自动 化( f a ) 等各个领域得到了广泛的应用。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺 服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应 用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。 数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越 高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面： 1 、交流化 伺服技术将继续迅速地由d c 伺服系统转向a c 伺服系统。从目前国际市场 的情况看，几乎所有的新产品都是a c 伺服系统。在工业发达国家，a c 伺服电 机的市场占有率已经超过8 0 。在国内生产a c 伺服电机的厂家也越来越多，正 在逐步地超过生产d c 伺服电机的厂家。可以预见，在不远的将来，除了在某些 微型电机领域之外，a c 伺服电机将完全取代d c 伺服电机【2 3 1 。 2 、全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机( d s p ) 的伺服控制单元将全面 代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全 数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统 中应用现代控制理论的先进算法( 如：最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网 6 浙江大学硕士学位论文 络等) 成为可能。 3 、采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半 导体器件，主要有大功率晶体管( g t r ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 和绝缘门极晶 体管( i g b t ) 等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提 高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制 系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新 型模块，称为智能控制功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ，简称i p m ) 。这种器 件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于 一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与1 1 凡信号完全兼容，与微处理器的输 出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的 小型化和微型化。 4 、高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元 两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制 单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配 置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传 感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著得缩小了整个控制系统 的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 5 、智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的 工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产 品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能，系 统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内 部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用 起来十分方便；其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系 统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显 示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；除以上特点之外，有的伺服系统还具 有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标 7 浙江大学硕十学位论文 的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元 可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于 使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 6 、模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n 简称 f a ) t 程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适 应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口( 如r s 一2 3 2 c 或 r s - 4 2 2 接口等) 和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服单元 与其它控制设备间的互联能力，从而与c n c 系统间的连接也由此变得十分简单， 只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接 成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器( p l c ) 的数控模块相 连。 1 2 4 变频技术的发展 早期通用变频器如东芝t o s v e r t - - 1 3 0 系列、f u j if v r g 5 p 5 系列， s a n k e ns v f 系列等大多数为开环恒压比( v f - 常数) 的控制方式其优点是控 制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵调这 场合。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电视转矩 利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降稳定性变差 等。对变频器u f 控制系统的改造主要经历了三个阶段： 第一阶段：八十年代初，日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量( 或 称磁通轨迹法) 。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的 理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空 间矢量控制。引人频率补偿控制，以消除速度控制的稳态误差。基于电机的稳态 模型，用直流电流信号重建相电流。将输出电压、电流进行闭环控制，以提高动 态负载下的电压控制精度和稳定度，同时也一定程度上求得电流波形的改善。这 种控制方法的另一个好处是对再生引起的过电压、过电流抑制较为明显，从而可 以实现快速的加减速。 第二阶段：矢量控制也称磁场定向控制。它是七十年代初由德国e b l a s s c h k e 8 浙江大学硕士学位论文 等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述了这一原理，由 此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管 控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点 是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两 个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测， 以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是 矢量控制技术在实践上的不足。此外它必须直接或间接地得到转子磁链在空间 上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置 或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。仅管如此，矢量控制技术仍然 在努力融入通用型变频器中。 第三阶段：1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理 论( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l 简称d t c ) 。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过 控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩 控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控 制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；所引入的定子磁键观测器 能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方 法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感 器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自 动识另1 ( i d e n t i f i c a t i o n 向你i d ) ，通过d 运行自动确立电机实际的定子阻抗互感、 饱和因素、电动机惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型估算出电动机的 实际转矩、定子碰链和转子速度，并由磁链和转矩的b a n d - - b a n d 控制产生p w m 信号对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很 高的速度、转矩控制精度。 控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，自从1 9 9 1 年i n t e l 公司 推出8 x 1 9 6 m c 系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性 价比等方面都有很大的发展。如日本三菱电机开发用于电动机控制的m 3 7 7 0 5 、 m 7 9 0 6 单片机和美国德州仪器的t m s 3 2 0 c 2 4 0 d s p 等都是颇具代表性的产品。 9 浙江火学硕士学位论文 1 3 项目介绍 论文所讨论的课题来源于企业的实际应用项目。课题的基本应用要求是能通 过触摸屏或工控机界面来控制水听器的水平、垂直和旋转运动。针对该基本要求， 该水听器运动控制系统主要包括机械系统、电气系统和软件系统三大块。以p l c 为控制核心，步进电机和伺服电机为执行机构，用户可通过现场的触摸屏，控制 室的上位机组态软件和远程网络加以监控和控制。机械系统主要有杭州某机械加 工厂生产研制，采用平台可升降，4 轴运动控制的机架结构。 为了保证系统的稳定性，系统采用了三菱的q 0 0 1 jp l c 。该款p l c 有着丰 富的扩展模块，主要用于数控机床等系统。q d 7 0 p 4 运动模块可以方便的实现4 轴同时控制。q d 6 2 e 对各轴实现脉冲计数反馈，进一步提高系统的精度和可靠 性。扩展i o 模块来对外部继电器实现控制，同时接受外部传感器的i o 信号。 根据系统的精度和功率的要求，采用特定的步进电机作为精确定位的执行机构， 采用2 5 0 0 线的编码器作为反馈机构。电气布线和工控柜均采用工控标准进行设 计，不仅具有强大的抗干扰能力，而且美观，散热性好。 软件系统主要包括p l c 控制策略的设计、上位机和触摸屏的操作界面的设 计和网络扩展接口程序设计。系统采用单计数通道2 轴共用，分时复用的设计思 想。因此系统运动方式是先进行水平2 维运动，完毕后再进行垂直和旋转2 维机 械的动作。各轴之间的控制都完全独立，不实现插补。采用并行实时监控各种传 感器，来保障机械设备的安全性。同时触摸屏和上位机也是实时的读取和写入 p l c 内部数据，确保了数据交互的实时性。 1 4 文章结构 本文作者在深入了解项目以及相关基础知识的基础上，完成了水听器运动控 制系统的整体设计和实施。搭建了整套系统的硬件框架，设计并编写了p l c 控 制程序和操作界面程序。本文将按照以下几个章节来对水听器运动控制系统进行 阐述： 第一章为绪论，主要介绍了课题的研究意义和水听器运动控制系统的发展状 况和前景。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章为系统的整体构架设计，主要介绍了水听器运动控制系统的具体要求 和系统的整体构架设计思想。 第三章为电气系统设计，主要介绍了本系统的各电气硬件模块。详细分析了 p l c 各模块的功能、控制柜的电气布置思想、步进电机控制模块、脉冲反馈模块、 伺服系统控制和触摸屏的特性。 第四章为p l c 软件设计，详细介绍了p l c 软件的设计思想和具体实现方式。 详细介绍了点动、连动、暂停、停止、重新启动、报警、校零等软件功能。 第五章为程序界面设计，详细地展示和介绍了触摸屏和工控机上的各个操作 界面的特点和控制方式。 第六章为总结和展望，对本论文进行总结和展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章系统整体构架设计 2 。1 系统具体要求 整个系统安装在一个小水池上方，水池规格为8 m ( 长) 木5 m ( 宽) 宰5 m ( 高) 。系统 的运动指标如下： l 、最大起吊重量：2 0 k g 。 2 、最大升降高度：3 m ；最大入水深度：2 6 m ；精度：o 1 m m m 。 3 、迪转范围：0 。 - - 3 6 0 。；精度：0 2 。3 6 0 。 4 、扫描范围：1 1 m x 2 6 0 m ( y 宽度方向x z 深度方向) ：精度：o 1 m m m ；速 度分级可控。 5 、前后移动范围：0 5 m ( x 长度方向) ；精度：0 1 m m m 。 6 、扫描方式：连续扫描、步进逐点扫描。 7 、控制方式：现场触摸屏和实验室计算机控制操作，也可以由测量软件编 程g p i b 接口或其它接口控制。 对坐标量的机械刻度要求如下： 1 、x ，y 方向：在容易观察的位置进行刻度标识，最小刻度为l m m 。 2 、旋转方向：在回转台上有方位角的主刻度盘，最d , n 度为1 。，再配以 游标，精度达到0 1 。 对控制执行器的功能要求如下： 1 、操作方式：手控点动方式、手动连续方式、手控预设方式。 2 、显示：实时显示各坐标位置，包括轴当前位置和设定位置。 对实验室工控机的功能要求如下： 1 、通讯采用g p i b 4 8 5 等接口，上位机能够读到回转扫描装置的实时坐标数 据。 2 、控制界面直观友好。 1 2 浙江大学硕士学位论文 2 。2 解决方案 整个系统是一个4 维控制系统，水平x ，y 两维，垂直维z 和旋转维0 。所 以本系统采用4 电机控制4 轴的方案。根据系统在高精度方面的需求，系统必须 采用步进电机或伺服电机作为具体的执行机构。步进电机具有高精度，高扭矩的 优点，但是在低速运行时电机的震动特别大【1 1 】。伺服电机却能克服这方面的缺点， 实现高精度和低震动的理想的运动方式【l6 】。仅仅从这个方面考虑，伺服电机似 乎是比较好的选择。可是本系统要应用到水声测试中，水声测试对周边的声音环 境有着苛刻的要求。伺服电机在静止状态下能产生声波噪声干扰水听器的声波 段，造成测量数据的不准确【1 9 】。而步进电机不会产生这种声波干扰。因此，4 轴 都采用步进电机驱动。平台移动所需功率很大，因此平台采用伺服电机控制。 作为工业现场设备，稳定性和安全性是整个系统设计的重中之重。因此本系 统采用p l c 作为核心控制器，现场触摸屏为现场操作平台，工控机作为远程界 面操作平台。同时系统提供网络接口，作为用户开发远程网络操作使用。系统采 用三菱公司的q 0 0 1 j 型号的p l c ，q 0 0 1 j 用着丰富的运动控制方面的模块，主要 适用于各种数控机床的开发。而水听器运动控制系统在各个方面的要求都和数控 机床有着惊人的相似性。采用q d 7 0 p 4 运动模块产生步进电机所需的脉冲控制信 号，内置4 路脉冲发生通道，可以实现4 轴同时控制。同时它内置多种控制方案 足够满足本系统的需求。 系统采用编码器计数的方式将角度或位移信息反馈回p l c ，从而避免了由步 进电机失步带来的误差或脉冲在传输过程中丢失带来的误差【1 7 】【1 8 】。系统便可从 输出和反馈端双重保护系统的高精度性能。编码器的脉冲被送入q o o l j 的高速 计数模块q d 6 2 e 。q o o l j 通过转换q d 6 2 e 的计数值将脉冲数转化为实际移动的 位移或角度i l 训。 为实现位置记忆功能，可以将各轴的当前位置记录在p l c 的断电保存区域。 这样不管是突然断电还是安全断电的情况，都可以将轴当前位置记录在p l c 内。 等上电后系统就根据断电前记录下来的值进行运动。利用这点就可以方便地实现 系统的断电记忆功能。 系统需携带样品进入水中，同时样品是连接着各种电缆的。因此旋转轴采用 的运动方式是单周旋转，以此来避免电缆的缠绕。即只在0 - 3 6 0 度之前旋转。如 浙江大学硕j ：学位论文 果当i ； 值1 0 ，而目标是3 6 0 度的话，旋转轴将转动3 5 0 度，而不是只反向转动 l o 度。 以工控机作为服务器，远程计算机作为客户端登陆该服务器对设备进行操 作。工控机上插有p b i b 卡和网卡。通过调用作者设计的软件接口，其他设备可 以方便地从工控机得到自己所需的数据。系统整体框图如图2 1 所示。 脉冲反馈 图2 1 系统整体框图 由于丝杠入水深度较深，因此垂直维采用两级升降模式。上端是由6 根细丝 杠组成，下端由4 根细丝杠组成。这样通过多股丝杠组成不仅提供了强度和柔韧 度，而且减轻了丝杠的总量，从而减少电机的负荷。对了方便工作人员安装样品， 1 4 系统、r 台也采用炳拙升降模式。问为步进电机难咀提供如此r a 的力矩，平台的升 降f 伺服电机来拖动。 整个机械系统是个商3 水，k3 米，宽2 水北靠f l ! j j jl 触结糊，如闻2 2 所 示。十系统长期在水池l 方和水中r 作，l 矧此个部秉用不锈钢。系统山阁闱四 条粗不锈钢支撑柞支撑牲个系统的重力。安装在顶部的伺服电机通过链条来拖动 整个平台的l r l 和f 降运动。各个轴都在甲台上山山的2 - 右或旋转移动。结构脂 边两块承重制r 4 以平衡电机两端的重力，从而减轻r 电机的负荷。4 轴全部都u r 在平台上u j 自由移动。x 轴在y 轴平台上水、i - 移动，币直轴和雠转轴则都在x 轴平台上动作。 在平台升起之后，r 作人员力可进去安姨样品。r l ir 、r ? 的t 鼬i 雨如 果不| 真跌落，将带柬不呵想象的后果。因此在再个轴j 都增j ur 一个r 寺锁紧装 咒，用一阎定平台用，如图23 所示。当平台j ：引j = 雎高亿t j l 之后将丌关合r 锁紧平台。通常情况下，伺服电机的扭矩足以立持整个、r 台，丑他址断 u 情况。， 所以平台锁紧装置h 是个保障装嚣，以免仃。f 台l 艟口化许安装竹警示蜘， 谆警水灯为州段形式，红灯和绿灯。 异轴电机通过皮惜轮进行传动。为了保证系统的精度，增加丁一减速器和张紧 装置使皮带直保持张紧状态，如图2 4 所h i 。但是即使如此，还址会有微小的 误差，【划此安装编6 q 器对备轴进行脉冲讨数反馈。 罂鲤 警凸一黼q l ，哆i - 盛函簟；8 搬互毯 目23 r 音锁紧址置 吲24l u 机的减速出* 张紫* h l 乜机通过减速器和皮带作用n ：各种的缒朴h 缝杆通过旋转运动带动齿轮， 最后转化为位移j 耋动。各轴的齿轮比为： x 轴：f u 机1 阁，机械移动1 5 r a m ，编码器1 8 圈。 y 轴：电机1 嘲，机械移动1 5 r a m ，编列器】，8 罔。 z 轴：u 机l 湖，机械移动2 1 r a n ，编州器l 5 幽。 o 轴：f a 机2 4 圈机械移动3 6 0 度，编码器2 4 圈。 以i ：所述均足小功率的水听器运动控制系统的整体山案，对于大功牢的运动 荆削系统，只需进行稍微改进口可。大功率的水听嚣运动控制系统小仅是返功的 量样增大丁运动所需的力姐也增人很多倍。闲此在控制的执行l 也仃相心的改 变。_ 人功率的水听器运动控制系统- n ，采1 月4 轴4 通道_ 【= 】【叶挡制，4 个编码器 通过4 个脉数通道对吾轴实时反馈。这样便省去了中f i i j 切换n | ；j | j 州- j ，h 叫也 ，避免了小少的麻烦，增强了系统的稳定性。任此艰i _ f 【jl 确定r 系统的牡i 、框架 p l c 、d a 模块、计数植块、编码器莉f 变频f u 机组成。p l c 最川丝公c ij f l jf x 2 n 浙江大学硕士学位论文 c p u ，该款p l c 是市面上最流行的p l c 。它自带1 6 个数字输入点和1 6 个数字 输出点，同时具有1 2 v 输出电源，具有丰富的扩展模块。软件上支持浮点数运 算。这也是吸取小功率的水听器运动控制系统的经验教i ) l l 。c p u 的可扩展点数 必须支持4 轴4 个计数模块和4 个d a 输出模块。总结了q 0 0 1 j 由于不支持浮点 数所带来的诸多不便之后，因此在p l c 选型上也有了不少该方面的考虑。由于 p l c 自带有1 2 v 的输出电源，因此大功率水听器运动控制系统采用了1 2 v 的编 码器，这样就不需再去购置开关电源来给编码器供电。大功率水听器运动控制系 统的精度要求远远不如小功率系统，因此编码器的精度要求就比较低，1 0 0 0 线 的编码器就可轻松完成。 在该硬件基础上，程序架构也有着诸多方便。4 轴的控制策略几乎一模一样。 按下启动按钮以后，4 轴开始同时运动。运动过程中，编码器实时反馈位置信息， p l c 根据当前位置决定运动速度，当运动位置已在指定位置时，系统停止运动。 由于采用了4 个编码器，4 个脉冲计数通道，因此系统的位置信息具有高度的实 时性。f x 2 n 支持浮点数运算，因此在计算过程无需转换，节省了大量的数值转 换过程。 利用变频电机实现位置的精确定位是一个难题。它不像步进电机和伺服电机 那样，电机可以有非常大的停止扭矩使电机精确的停止下来。为了达到这个目的 系统采用了两点来保证位置的精确性，设置短减速时间和设计分段减速停止模 式。本系统采用5 级调速方案，暂定为速度1 ，速度2 ，速度3 ，速度4 ，速度5 ， 依次递减。当前位置距离目标位置很远时，系统允许采用速度1 运动，当位置慢 慢靠近目标位置时，相应的速度便逐渐下降。最后速度将是速度5 ，这档速度非 常小，轴只是缓慢运动。当驱动器得到停止信号时，轴将马上停止，而不会有太 多的惯性。这样便能实现变频电机的精确定位。减速时间是电机从运动状态到停 止状态的所需时间。时间越小越有利于电机定位精确，但是通常驱动器都有一个 最小值，不可能让电机马上停止。过快停止也会对电机造成一定的损害，不利电 机长久工作。其工作方式如图2 5 所示。 1 7 浙江大学硕上学位论文 1 5 v 氇 1 ，3 v 2 y 1 v d s 0 s 1 s 2 s 3 s 4 图2 5 变频电机工作方式 浙江大学硕士学位论文 第三章电气系统设计 该系统的电气设计不同与一般的小型板级系统设计，是一个真正的工业控制 现场设备。控制系统设计、布线以及控制柜的设计都有着很强的特殊性，带来了 不少的挑战，本人从该过程中学到了不少的东西。电气部分的设计主要包括p l c 控制模块的选型，整体电路的搭建，控制柜的设计和内部布线，机械结构和控制 柜之间的电气布线。 3 1p l c 模块 从图2 1 的系统框图中，可以清楚的看出本系统采用一个c p u 模块，c 2 4 串口通讯模块，q d 7 0 p 4 运动控制模块，q d 6 2 e 高速脉冲计数模块，以及q x 4 0 i o 输入模块和q y 4 0i o 输出模块。其他模块都是作为c p u 模块的扩展模块，因 此必须对它进行地址分配。根据各模块的安装位置，各模块的地址如表3 1 所示。 c 2 4 、q d 7 0 p 4 和q d 6 2 e 被称为智能模块。q x 4 0 和q y 4 0 被称为数字输入输出 i o 模块。 表3 i 模块地址 模块c 2 4 q d 7 0 p 4q d 6 2 eq x 4 0 q y 4 0 占用位数3 2 点3 2 点1 6 点1 6 点1