基于ARM的微型电缸控制系统研究

发布时间：2017-04-09 09:01

  本文关键词：基于ARM的微型电缸控制系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着自动化控制的不断发展,气缸、液压缸到电动缸的更新换代标志着国内外自动化水平的不断提高。较之气缸与液压缸,电缸使用伺服电机作为动力源,拥有控制精度高、结构简单、维护方便等优势,因此广泛应用于军事、医疗、家庭生活等诸多方面,逐渐成为相关领域学者关注的焦点。然而,国内对大型电缸的研发与国外相比差距较大,目前主要处于装配生产阶段,但对微型电缸的研究却有一些收获。纵观国内外,微型电缸的控制方案主要有:51/AVR/PIC等普通单片机控制、DSP控制、PLC控制和PC机+运动控制卡控制。这些控制方案都因各自的缺点而局限了它们的通用性。因此,本文提出了一种基于ARM架构的新型控制方案,该方案结合了上述控制方案的优点,并有很强的通用性。首先,对比现有微型电缸控制方案,提出了一种基于ARM Cortex-M3微处理器为核心的控制系统,并分析该控制系统的工作原理。其次,对微型电缸的主要零部件进行选型。本文驱动电机采用噪音小,位置精度高的无刷直流电机,并阐述了它的工作原理和换相过程;传动元件采用精度高,传动平稳的滚珠丝杆;检测元件采用既能检测电机的转速又能检测位置信息的光电编码器。然后,搭建控制系统硬件平台,设计了外围电路,主要包括功率驱动电路、逆变电路、光电编码器电路、电源电路和串口通信电路。同时,搭建控制系统软件平台,移植了uClinux操作系统,并详细阐述了微型电缸控制系统uClinux的移植过程。设计了系统各个功能模块。此外,对微型电缸控制系统以及无刷直流电机等各个模块建模。并在MATLAB/Simulink建立仿真模型,利用PID控制及模糊自整定PID控制算法对比仿真,从仿真曲线可以得到,模糊自整定PID明显优于常规PID控制。最后,在样机上对微型电缸进行实验验证,从数据可以得出本控制系统具有良好的稳定性和较高的控制精度。本文研究设计的微型电缸控制系统能够精确的实现微型电缸的定位,并且设计成本低廉,对国内外微型电缸控制的研究作出了一定贡献。
【关键词】：微型电缸 ARM uClinux移植 MATLAB/Simulink仿真 PID控制
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 课题背景和研究意义11-15
• 1.1.1 电动缸的优势与发展11-13
• 1.1.2 微型电缸优点及应用13-14
• 1.1.3 微型电缸常用驱动电机14-15
• 1.2 国内外研究现状15-16
• 1.3 本文的主要工作和章节安排16-18
• 第二章 电缸总体控制方案设计18-30
• 2.1 整体控制系统工作原理18
• 2.2 微型电缸主要机构选型18-22
• 2.2.1 电机的选择18-20
• 2.2.2 滚珠丝杠20-21
• 2.2.3 光电编码器选型21-22
• 2.3 无刷直流电机的控制原理22-25
• 2.3.1 无刷直流电机驱动方式选择23-24
• 2.3.2 两相导通星形三相六状态运行原理24-25
• 2.3.3 功率开关管的选型25
• 2.4 电缸总体控制方案的选择25-27
• 2.5 电缸控制系统硬件需求分析27-28
• 2.6 电缸控制系统软件需求分析28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 第三章 控制系统硬件设计30-40
• 3.1 ARM主控芯片30-32
• 3.1.1 ARM芯片的选型30-31
• 3.1.2 STM32介绍31-32
• 3.2 功率驱动电路设计32-34
• 3.2.1 驱动器的选择32-33
• 3.2.2 功率驱动电路工作原理33-34
• 3.3 电机逆变电路设计34-35
• 3.4 光电编码器电路35
• 3.5 电源电路35-36
• 3.6 串口通信电路设计36-37
• 3.7 PWM信号调理电路设计37-38
• 3.8 硬件系统抗干扰措施38-39
• 3.9 本章小结39-40
• 第四章 控制系统软件设计40-55
• 4.1 软件开发环境40-41
• 4.1.1 ARM开发环境简介40-41
• 4.1.2 上位机软件开发环境41
• 4.2 uClinux系统的移植41-47
• 4.2.1 BootLoader的设计42-44
• 4.2.2 修改uClinux内核44-46
• 4.2.3 编译uClinux内核46
• 4.2.4 配置生成uClinux系统46
• 4.2.5 uClinux内核的下载与执行46-47
• 4.3 功能模块设计47-51
• 4.3.1 主程序模块47-48
• 4.3.2 系统初始化模块48
• 4.3.3 中断服务模块48-51
• 4.4 数据采集设计51-53
• 4.5 串口通信程序设计53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第五章 电缸控制系统仿真55-74
• 5.1 PID控制55-57
• 5.1.1 PID控制原理55-56
• 5.1.2 数字PID控制56
• 5.1.3 PID控制局限性及其发展方向56-57
• 5.2 模糊PID控制57-62
• 5.2.1 模糊控制的结构原理57-58
• 5.2.2 参数自整定模糊PID控制原理58-59
• 5.2.3 模糊PID控制器设计59-62
• 5.3 电缸数学模型的建立62-67
• 5.3.1 电缸的数学模型62-63
• 5.3.2 无刷直流电机数学模型63-67
• 5.3.3 速度反馈环节数学模型67
• 5.4 仿真实验67-72
• 5.4.1 电缸运动机构仿真67-70
• 5.4.2 控制算法的对比仿真70-72
• 5.5 实验72-73
• 5.5.1 实验准备72
• 5.5.2 实验结果与结论72-73
• 5.6 本章小结73-74
• 第六章 总结与展望74-76
• 6.1 总结74
• 6.2 展望74-76
• 参考文献76-79
• 致谢79-80
• 在校发表的学术论文及其他科研成果80

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