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篇1

本文設計的基于以太網(wǎng)的超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)是在復雜的多軸運動控制技術之上結合了遠程通信技術，以此來實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。此系統(tǒng)主要由上位機、多軸運動控制器、步進電機驅動器、步進電機、機械執(zhí)行裝置、限位開關和超聲探頭等組成，其組成框圖如圖1所示。由上位機LabVIEW控制系統(tǒng)為多軸運動控制器發(fā)送運動指令，并由多軸運動控制器將運動信號拆分為步進信號和方向信號，再將這兩種電機控制信號發(fā)送給步進電機驅動器，步進電機驅動器將其轉化為角位移發(fā)送給步進電機，使步進電機轉動相應個步距角，以達到使步進電機按指令運動的目的。步進電機上安裝有機械執(zhí)行裝置，用以固定超聲探頭，機械執(zhí)行裝置上安有限位開關，以此控制電機的運動范圍，當電機運動到限位開關的位置時，限位開關發(fā)出限位信號到多軸運動控制器，運動控制器便停止發(fā)出使電機運動的脈沖信號。在進行自動超聲檢測時，Z軸方向機械執(zhí)行機構上固定的超聲檢測探頭能夠在被檢測物體的表面按照上位機運動控制算法設計的運動軌跡進行連續(xù)檢測，并實時向PC機返回探頭的位置信息，并將數(shù)據(jù)采集卡采集的超聲信號與探頭返回的位置信息建立起對應關系，最終通過上位機的圖像處理系統(tǒng)形成超聲檢測圖像，以此來實現(xiàn)物體的超聲檢測。

2多軸運動控制器的方案設計

多軸運動控制器可以通過遠程以太網(wǎng)通信的方式接收上位機的控制信號，向步進電機驅動器發(fā)送脈沖信號和方向信號以完成對電機的運動控制。采用ARM9處理器S3C2440搭建硬件平臺，配有DM9000A以太網(wǎng)通信芯片使硬件平臺具備遠程通信的功能。在Linux操作平臺上進行控制系統(tǒng)軟件功能設計，并采用UDP通信協(xié)議實現(xiàn)上位機與運動控制器之間的遠程通信［3］。

2．1多軸運動控制器硬件電路設計

本文采用ARM9處理器S3C2440設計了系統(tǒng)中運動控制器的硬件電路部分，并采用DM9000A網(wǎng)絡接口控制器設計了運動控制器的以太網(wǎng)接口。運動控制器硬件整體框圖如圖2所示。運動控制器選用ARM9處理器作為運動控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)之上實現(xiàn)運動控制器的插補等多軸運動控制算法。選用DM9000A以太網(wǎng)控制芯片實現(xiàn)上位機LabVIEW與運動控制器之間的遠程通信，進而實現(xiàn)超聲檢測的遠程自動控制。為了解決步進電機驅動器與主控芯片信號匹配的問題，本文采用光耦器件設計了電壓轉換模塊，負責把主控芯片輸出的3．3V電壓信號轉換至5V電壓信號后輸入到步進電機驅動器中，同時負責把限位開關發(fā)出的24V限位信號轉換至3．3V輸入到主控芯片中。此外，電路中還搭載了用于存儲數(shù)據(jù)的擴展存儲器、以及用于調試的JTAG接口電路和RS232串口電路。

2．2多軸運動控制器軟件設計

本課題所用的限位開關為位置可調的限位開關，每個軸有2個限位開關，在每次超聲檢測前，把每個限位開關調節(jié)到被測工件的邊緣處，從而使探頭移動的范圍即為工件所在范圍。故此設計運動控制器的軟件時便可將限位開關做為邊界條件，以此來設計探頭的運動范圍。其運動控制流程:首先系統(tǒng)初始化，通過上微機控制界面人工控制探頭到被測工件的起點，然后X軸正向運動到X軸限位開關處，Y軸正向運動一個探頭直徑的長度，X軸再反向運動到X軸另一側的限位開關處，之后Y軸繼續(xù)正向運動一個探頭直徑的長度，如此往復運動直至探頭到達Y軸的限位開關處，檢測結束，探頭復位。運動控制軟件流程圖如圖3所示。

3多軸運動控制系統(tǒng)上位機軟件設計

基于以太網(wǎng)的自動超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件是以LabVIEW開發(fā)平臺為基礎，使用圖形G語言進行編寫的，主要包括多軸運動控制軟件和以太網(wǎng)通信軟件。Lab-VIEW是一款上位機軟件，其主要應用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析等領域，具有良好的人機交互界面［4］。LabVIEW軟件中有專門的UDP通信函數(shù)提供給用戶使用，用戶無需過多考慮網(wǎng)絡的底層實現(xiàn)，就可以直接調用UDP模塊中已經(jīng)的VI來完成通信軟件的編寫，因此編程者不必了解UDP的細節(jié)，而采用較少的代碼就可以完成通信任務，以便快速的編寫出具有遠程通信功能的上位機控制軟件［5］。上位機LabVIEW軟件的遠程通信模塊、運動控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊相互協(xié)調配合，共同構成了超聲檢測多軸運動控制系統(tǒng)的上位機軟件。

3．1運動控制軟件設計

運動控制系統(tǒng)軟件部分主要由運動方式選擇、探頭位置坐標、運動控制等模塊組成，可完成對系統(tǒng)運動方式的選擇，運動參數(shù)、控制指令的設定以及探頭位置信息讀取等工作。運動方式選擇模塊可根據(jù)實際需要完成相對運動或是絕對運動兩種運動方式的選擇，并會依照選擇的既定運動模式將X、Y、Z三軸的相應運動位置坐標輸出在相應顯示欄中，以便進行進一步的參數(shù)核對以及設定;運動控制模塊可依照檢測規(guī)則實現(xiàn)對整個系統(tǒng)運動過程的控制，包括:設定相對原點、運行、復位、以及退出等相關操作。相對原點設定可以將探頭任意當前位置設為新的原點，并以原點作為下一個運動的起始點，即為探頭位置坐標的相對零點，并將此刻相對原點的絕對位置坐標值在文本框中顯示出來。運動控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

3．2以太網(wǎng)通信軟件設計

以太網(wǎng)通信模塊采用無連接的UDP通信協(xié)議，通過定義多軸運動控制器與上位機LabVIEW的以太網(wǎng)通信協(xié)議，實現(xiàn)下位機與上位機之間的遠程通信。具體設計如下:首先使用“UDPOpenConnection”打開UDP鏈接，使用“UDPWrite”節(jié)點向服務器端相應的端口發(fā)送命令信息，然后使用“UDPRead”節(jié)點讀取服務器端發(fā)送來的有效回波數(shù)據(jù)，用于后期處理，最后應用“UDPCloseConnection”節(jié)點關閉連接［6］。以太網(wǎng)通信模塊的程序框圖如圖5所示。

4實驗及結果

實驗平臺由步進電機及其驅動器、上位機控制軟件和自主研發(fā)的多軸運動控制器構成。在上位機的用戶控制界面中，首先輸入以太網(wǎng)的IP地址并選擇運動方式，然后根據(jù)用戶的檢測需求設定運動速度和運動距離，點擊運行后探頭即按所設定運行。探頭運動過程中還可以選擇設定當前位置為原點，探頭即按照新的原點重新開始運動。同時，在探頭運動時會實時顯示探頭當前所在位置坐標。模擬開關發(fā)送選通超聲探頭信號并發(fā)送脈沖信號激勵超聲探頭發(fā)射超聲波，F(xiàn)PGA控制A/D轉換電路對超聲回波信號進行轉換，并將數(shù)據(jù)存入雙口RAM，存儲完成后向ARM發(fā)送信號，ARM接收到采集完成信號將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)向上位機發(fā)送。上位機的LabVIEW用戶控制界面如圖6所示。

5結束語

篇2

關鍵詞：毛巾劍桿織機；Cortex-M3；嵌入式實時操作系統(tǒng)

引言

劍桿毛巾織機以其靈活多變、適應性廣、技術發(fā)展成熟而深受毛巾生產企業(yè)的青睞。當前劍桿毛巾織機逐步替代了老舊的有梭織機，成為了毛巾織造行業(yè)的主流設備。近年來，國產劍桿毛巾織機在市場需求的推動下得到了巨大的發(fā)展，但是遍布江浙地區(qū)的中小型劍桿毛巾織機生產企業(yè)的自主研發(fā)能力普遍還很弱，現(xiàn)有的劍桿毛巾織機產品大多數(shù)是在測繪國外中低檔產品的基礎上進行改進，高性能與新機型的研發(fā)能力以及自動控制系統(tǒng)的研發(fā)能力普遍不足，而市場競爭越來越激烈，需要不斷更新和開發(fā)產品。因此，在完成機械部件設計的基礎上，開發(fā)具有自主知識產權的高性能控制系統(tǒng)，逐漸成為國內中小型劍桿毛巾織機生產廠家關注的重點。

文章以劍桿毛巾織機樣機（如圖1所示）為控制對象，在分析毛巾織造工藝的基礎上，提出了一套以ARM技術為核心的新型毛巾劍桿織機控制系統(tǒng)設計方案，并制作樣機。文章的研究成果將在合作單位首先試用并進行產業(yè)化推廣，有利于推動紹興以及浙江地區(qū)中小型劍桿毛巾織機生產企業(yè)產品的升級換代，提高其市場競爭力。

圖1 劍桿毛巾織機樣機

1 硬件設計方案

設計的毛巾劍桿織機控制系統(tǒng)以ARM技術為核心，采用的主控芯片為LPC1766。硬件電路設計過程為：首先，根據(jù)控制系統(tǒng)的詳細設計方案，完成電路原理圖設計，并計算相關電路參數(shù)，采購電路元器件。其次，對關鍵電路模塊進行功能仿真或制作實物電路論證電路設計的合理性與可靠性。最后，繪制電路PCB板圖，重點考慮電路布局與電路板抗干擾性能。在拿到PCB樣板后，焊接控制系統(tǒng)電路板。其核心電路如下所述：

1.1 主控制板硬件電路設計

主控制板硬件電路設計包括：LPC1766芯片供電模塊、電源電路、數(shù)據(jù)存儲模塊、時鐘電路、USB輸入輸出接口、19264液晶顯示屏控制電路、掉電復位保護電路、劍桿毛巾織機運行狀態(tài)信號量輸入模塊、起毛伺服控制器接口、鍵盤接口電路以及電子多臂龍頭控制板、伺服電機連接控制板與8色選緯控制板的接口等電路模塊的設計、驗證與制作調試工作。其中液晶顯示電路如圖2所示。

1.2 卷取伺服電機連接控制板設計

卷取伺服電機連接控制板主要解決主控制板與卷取系統(tǒng)的伺服電機控制器之間的通信問題，具有獨立的控制芯片STCF1104。該連接控制板與主控制板之間的通信采用RS232實現(xiàn)。卷取伺服電機連接控制板與伺服控制器之間需要實現(xiàn)伺服使能信號、伺服硬件異常報警信號、伺服系統(tǒng)定位完成、伺服電機旋轉方向與脈沖數(shù)等信息的讀取與設置。

2 控制系統(tǒng)軟件設計

劍桿毛巾織機控制系統(tǒng)的軟件將以實時嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件管理系統(tǒng)為平臺進行開發(fā)。其設計流程如下：

（1）在控制系統(tǒng)方案設計：首先，進性詳細的市場調研，分析市場上主流的劍桿織機控制系統(tǒng)（包括平布與毛巾織機）的功能特點，借鑒其好的設計思想，使其為我所用，并設法改進其不足之處，確保設計的劍桿毛巾織機控制系統(tǒng)符合當前的技術潮流，并具有自己的特色。其次，與合作單位的機械部件設計人員進行充分的交流，在深刻領會其整機設計思想、織機控制要求與控制系統(tǒng)制造成本要求后撰寫劍桿毛巾織機控制系統(tǒng)用戶需求分析報告與總體方案設計報告，并提交合作單位審核通過。確保項目研究成果能在合作單位使用推廣，并被市場接受。

（2）控制系統(tǒng)詳細設計：首先，詳細分析毛巾織造工藝流程，理清劍桿毛巾織機控制信息點、研究織機動作時序，確立控制時間節(jié)點與控制信息間的邏輯關系。其次，根據(jù)用戶需求分析報告，對總體方案進行細化，提出各個控制模塊與相關控制算法的具體實現(xiàn)方案，并完成關鍵芯片與外購部件的選型工作。

（3）控制系統(tǒng)軟件編寫：首先，選擇合適的軟件開發(fā)工具，建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，并完成嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II與FAT32文件系統(tǒng)在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系統(tǒng)所有控制信息之間的邏輯關系，編寫控制系統(tǒng)軟件流程圖與狀態(tài)向量圖。再次，對控制系統(tǒng)軟件進行模塊劃分，編寫各個子函數(shù)的輸入輸出接口，并設計控制信息數(shù)據(jù)結構模型與控制算法。最后，項目組軟件編寫人員通過分工合作完成軟件代碼編寫與調試。

（4）劍桿毛巾織機控制系統(tǒng)調試：在完成控制系統(tǒng)硬件電路制作與控制軟件設計后進行系統(tǒng)軟硬件聯(lián)合調試，驗證各項控制功能是否完備、織機動作流程控制是否合理、各個控制模塊工作是否穩(wěn)定。通過軟硬件聯(lián)合調試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設計中的缺陷與錯誤。

（5）劍桿毛巾織機整機調試：在完成控制系統(tǒng)軟硬件調試后，將劍桿毛巾織機控制系統(tǒng)安裝到合作單位提供的樣機上進行整機調試，驗證劍桿毛巾織機的整機功能是否達到設計標準、能否正確合理完成毛巾布料制造全部工藝流程與安全性要求。通過整機調試，發(fā)現(xiàn)并修正控制方案、硬件電路、控制系統(tǒng)參數(shù)、軟件設計中的缺陷與錯誤，使得設計開發(fā)的控制系統(tǒng)達到設計要求。

控制系統(tǒng)軟件具體的開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)軟件設計開發(fā)流程圖

3 結束語

設計完成的毛巾劍桿織機控制系統(tǒng)具有以下特點：（1）設計了電子送經(jīng)、伺服卷取功能模塊。由變頻器、交流電機與接近式張力傳感器組成的電子送經(jīng)機構實現(xiàn)了毛巾織造過程中相對穩(wěn)定的經(jīng)紗張力控制，簡化了機械結構，又具有成本優(yōu)勢。伺服卷取機構實現(xiàn)了變緯密織造、毛巾須長停車自走、定位停車后自動補償消除停車擋等功能，并簡化了機械零部件設計，如取消緯密齒等。（2）在不增加硬件設備情況下，設計了軟件自動尋緯算法，能提高布面拼擋效果，而且將減輕擋車工的勞動強度與操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服電機控制起毛凸輪的轉動角度，實現(xiàn)了毛巾織物起毛高度在設計范圍內任意變化，能夠實現(xiàn)波浪型花紋編織。（4）劍桿毛巾織機控制系統(tǒng)軟件基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II構建，改變了傳統(tǒng)織機控制系統(tǒng)軟件普遍采用的前后臺模式，提高了控制系統(tǒng)的實時性，也有利于提高劍桿毛巾織造工藝。

參考文獻

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[4]Goktepe，Bozkan.Study on reduction of air consumpfion on air-jet weaving machines[J].Textile Research Journal，2008（9）.

篇3

關鍵詞：實時以太網(wǎng)； EtherCAT；DSP；MPC5200；主站軟件

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）16-3678-04

將以太網(wǎng)技術應用于現(xiàn)場總線技術是分布式控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，與傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)現(xiàn)場總線具有刷新周期短，數(shù)據(jù)傳輸容量大，數(shù)據(jù)傳輸效率高，同步性能高等優(yōu)點。目前常用的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術有EtherCAT技術、EtherNet/IPIP技術、Ethernet Powerlink技術、Modbus/TCP技術等[1-3]。

EtherCAT是由德國Beckhoff 自動化公司開發(fā)，該總線具有高速和高數(shù)據(jù)有效率的特點，在硬件實現(xiàn)上具有網(wǎng)絡拓撲結構靈活、接線簡單、性價比高等優(yōu)點，為今后實時工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展趨勢，更是今后實時分布式控制系統(tǒng)的首選[4]。

1 Ethercat總線的工作原理與相關協(xié)議[5-6]

1.1 Ethercat總線的工作原理

2 主站的硬件設計

2.1 DSP單元

核心器件采用TMS320C6455[9]，該器件TI公司推出的高速信號處理器，最高工作頻率為1.2GHz，該模塊主要電路包括時鐘、復位、JTAG調試接口、存儲器、通信電路、模擬量接收電路等組成。DSP主要用于復雜的實時信號處理（如：數(shù)控系統(tǒng)多軸的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補算法、誤差補償、伺服濾波算法），并將運算結果通過FPGA傳送到PowerPC控制的EtherCAT總線上。存儲器電路主要包括DDR2存儲器以及FLASH存儲器和DSP的接口，DDR2存儲器用于存放數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH存儲器用于存儲運行程序和系統(tǒng)重要參數(shù)。模擬量接收電路在FPGA控制下，將外部輸入的模擬信號數(shù)字化后送入DSP，用于數(shù)據(jù)信號處理。通信電路主要為千兆以太網(wǎng)接口電路，DSP內部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通過外部擴展PHY芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，千兆網(wǎng)主要用于系統(tǒng)參數(shù)設置和調試使用。

2.2 FPGA單元

在設計中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件內部有39600個LE 資源，有1兆位的RAM，可提供三百多個輸入輸出 引腳，芯片內部集成了一百多個個乘法器和4 個PLL 鎖相環(huán)，滿足硬件設計需求。FPGA用于實現(xiàn)DSP和PowerPC的雙向數(shù)據(jù)交換，PowerPC將接收到的EtherCAT總線上各控制單元的信息通過FPGA傳送到DSP內部，DSP通過FPGA可以將相應的數(shù)據(jù)傳到EtherCAT總線上各單元。另外，F(xiàn)PGA還用于邏輯控制，實現(xiàn)模擬量輸入輸出信息、開關量輸入輸出信息與DSP、PowerPC的無縫連接。

2.3 PowerPC （MPC5200B）單元

主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，該器件為Freescale 公司推出的32位高性能處理器，器件主頻工作頻率為400MHz，為了提高程序運算速度，器件內核分別帶有16K字節(jié)的程序、數(shù)據(jù)高速緩存，帶有一個雙精度浮點處理單元。對于外部關鍵信號，片內帶有標準中斷管理單元。為了實現(xiàn)器件與外部通信，MPC5200B片內集成一路100M的以太網(wǎng)控制器，兩路CAN總線控制器，多路串行口控制器。該單元由MPC5200B、時鐘電路、復位電路、JTAG 調試接口、通信接口電路、存儲器接口電路以及對外擴展接口電路等組成。該模塊主要用于實現(xiàn)用于實現(xiàn)EtherCAT的物理接口以及主站協(xié)議的軟件實現(xiàn)，并提供相應的控制軟件。

2.4 電源單元

2.5 通信單元

在設計中為了考慮硬件的兼容性，采用了多種通信接口，在DSP上掛接一路1000M的以太網(wǎng)，用于DSP系統(tǒng)調試參數(shù)設置，在PowerPC上掛接一路100M以太網(wǎng)接口，六路串行接口（分別為2個RS232口、兩個RS485口、2個CAN接口）。1000M的以太網(wǎng)用于實現(xiàn)EtherCAT總線物理接口，RS232口用于實現(xiàn)與PC通信，RS485口和CAN接口可以實現(xiàn)與其他設備接口，滿足系統(tǒng)通用性要求。

3 主站軟件設計

EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC兩個運行程序，DSP程序主要功能是實現(xiàn)復雜控制算法，PowerPC程序功能為實現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的通信和設備的控制。DSP運行的軟件主要為算法研究，由于篇幅所限，文章著重詳述在PowerPC硬件平臺下，EtherCAT協(xié)議和控制軟件在Linux操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)。

3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站軟件功能

在PowerPC下運行的EtherCAT 主站軟件主要包含如下功能：首先，完成系統(tǒng)主站硬件的初始化，軟件能夠對系統(tǒng)運行時間進行計數(shù)，對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)控；其次，主站軟件通過發(fā)送命令要對EtherCAT 系統(tǒng)以及各個從站進行初始化，實現(xiàn)主站與各從站之間的數(shù)據(jù)實時交換，實現(xiàn)相關協(xié)議解析和轉發(fā)；再次，主站軟件可支持在線下載、實時更新。軟件結構采用模塊化編程，底層軟件提供硬件驅動，中間層軟件為上層應用軟件和底層軟件提供接口，實現(xiàn)上層應用軟件與驅動軟件隔離。

3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站軟件具體實現(xiàn)

EtherCAT初始化完成后，在Linux內新建兩個內核定時器，一個用于完成周期性數(shù)據(jù)通信，另一個用于輪詢非周期性任務，也就是狀態(tài)機處理任務。周期性數(shù)據(jù)通信定時器的優(yōu)先級最高，定時器運行周期通過配置軟件設置，非周期任務查詢定時器的優(yōu)先級較低，周期可定為50毫秒。

初始化和配置完成后，啟動定時器開始發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀，并檢查返回的數(shù)據(jù)幀，對返回的數(shù)據(jù)幀進行解析，獲取從站的數(shù)據(jù)交給DSP處理，DSP對數(shù)據(jù)進行處理后，將新的輸出命令發(fā)給PowerPC，PowerPC繼續(xù)發(fā)送周期性數(shù)據(jù)幀。

4 結論

采用基于DSP和PowerPC的硬件平臺實現(xiàn)了EtherCAT總線主站相關協(xié)議，通過測試可知， 主站周期性的向各從站（測試時，從站數(shù)量為3）發(fā)送EtherCAT 數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包數(shù)量為1518字節(jié)），各從站接收到自己的數(shù)據(jù)包，再向主站返回相應信息，EtherCAT總線延時時間為3.02μS，可以看出主站設計滿足實時性要求。

參考文獻：

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篇4

可編程序控制器簡稱PLC，是一種數(shù)字運算操作的控制系統(tǒng)，專門用于工業(yè)環(huán)境設計。它的主要特點是可靠性高、使用方便、體積小、重量輕、編程簡單易學，在工業(yè)控制領域得到廣泛的應用。目前，利用PLC技術可以方便地實現(xiàn)對電機速度和位置的控制，方便地進行各種步進電機的操作，完成各種復雜的工作。它代表了先進的工業(yè)自動化革命，加速了機電一體化的實現(xiàn)。

本論文以項目教學法的方式探索步進電機的PLC控制轉速方法。本設計控制要求如下：按下啟動按鈕，步進電機以100Hz的基準頻率正轉。按一次加速按鈕，頻率以50Hz遞增，最多加速5次；按一次減速按鈕，頻率以25Hz遞減，最多減速4次。加速時為正轉，減速時為反轉。按下停止按鈕，步進電機立即停止運行。步進電機驅動器的細分設置為1，電流設置為1.5A。

1 控制系統(tǒng)的硬件設計

1.1 控制系統(tǒng)的結構。本設計中，系統(tǒng)硬件部分由上位機、PLC、步進電機驅動器、步進電機、負載等組成。上位機是計算機，作為控制面板、人機交互界面和控制軟件編制環(huán)境，通過與PLC的通信，實現(xiàn)操作監(jiān)控功能；PLC發(fā)出脈沖信號、方向信號，通過步進電機驅動器控制步進電機的運行狀態(tài)。

1.2 控制系統(tǒng)的硬件。

1.2.1 PLC。使用PLC控制步進電機時，應該保證PLC具有高速脈沖輸出功能。通過選擇具有高速脈沖輸出功能或專用運動控制功能的模塊來實現(xiàn)。在本設計中，采用的是三菱系列FX2N-32MT型的晶體管輸出型PLC。在PLC的選型上，必須采用晶體管輸出型PLC，若使用繼電器型的PLC，則高速脈沖的輸出很難達到控制要求。

1.2.2 步進電機。步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜力矩、電流三大要素組成。根據(jù)負載的控制精度要求選擇步距角大小，根據(jù)負載的大小確定靜力矩，靜力矩一經(jīng)確定，根據(jù)電機矩頻特性曲線來判斷電機的電流。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。

1.2.2.1 步距角的選擇。步進電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度（三相電機）等。

1.2.2.2 靜力矩的選擇。步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載兩種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）兩種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2～3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。

1.2.2.3 電流的選擇。靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）。

1.2.3 步進電機驅動器。遵循先選電機后選驅動的原則。電機的相數(shù)、電流的大小是驅動器選擇的決定性因素。在選型中，還要根據(jù)PLC輸出信號的極性來決定驅動器輸入信號是共陽極或共陰極。為了改善步進電機的運行性能和提高控制精度，通常通過選擇帶細分功能的驅動器來實現(xiàn)。目前驅動器的細分等級有2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可達256倍細分。在實際應用中，應根據(jù)控制要求和步進電機的特性選擇合適的細分倍數(shù)，以達到更高的速度和更大的高速轉矩，使步進電機運轉精度更高，振動更小。如圖2所示。公共端：采用共陽極接線方式。將輸入信號的電源5V正極連接到該端子上。控制信號低電平有效。脈沖：共陽極時該脈沖下降沿被驅動器解釋為一個有效脈沖，并驅動電機運行一步。方向：該段信號的高電平和低電平控制步進電機的兩個轉向。共陽極時該端懸空被等效認為輸入高電平。脫機：該端接受控制機輸出的高/低電平信號，共陽極低電平時電機相電流被切斷，轉子處于自由狀態(tài)。A+/A-，B+/B-：該端接兩相混合式步進電機。DC+/DC-：該端接10V-40V間的直流電源。

1.3 控制系統(tǒng)的連接。本設計的相關硬件連接如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)的軟件設計

2.1 PLC的I/O地址分配。

2.2 步進電機驅動器的設置。在驅動步進電機運轉的PLSY指令中，脈沖的個數(shù)=360°/步距角，工作的頻率=脈沖個數(shù)/運行時間。不指定脈沖個數(shù)，則默認為65535個脈沖。在方向信號輸入為0時，默認為反轉。根據(jù)控制要求，步進電機驅動器的細分設置為1，SW1-SW3的設置為000，步進電機的步距角為1.8°；電流設置為1.5A，SW5-SW7的設置為101。

2.3 梯形圖和指令表。

3 步進電機控制系統(tǒng)的調試

3.1 初始化程序。程序開始運行時，D0初始值為K100，指定的頻率為100Hz。

3.2 步進電動機正轉。按下啟動按鈕X0，PLC的Y0脈沖輸出，Y2高電平輸出，步進電機正傳運行。

3.3 正傳加速調整。X2為正傳加速按鈕。當按下一次X2時，在步進電機運行的當前頻率的基礎上，以20Hz遞增，于是步進電機轉速增加。最多加速5次。

3.4 反轉減速調整。X3為反轉減速按鈕。當按下一次X3時，在步進電機運行的當前頻率的基礎上，以20Hz遞減，于是步進電機轉速增加。最多減速4次。

本論文采用了PLC控制兩相混合式步進電機的加減速，方法簡單，控制方便，可靠性高。本論文中的程序通過現(xiàn)場實物調試，驗證了方法的正確性和可行性。用軟件完成脈沖分配功能，可以減少硬件資源，降低成本，控制的參數(shù)改變方法靈活，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本文著重探索了步進電機的PLC控制的調速方法，詳細介紹了步進電機調速的具體控制過程。文中有不妥之處，懇請斧正。

參考文獻

篇5

采用數(shù)字仿真系統(tǒng)考核和調試空調控制裝置，較之在現(xiàn)場進行，可大幅度縮短調試周期、降低能耗和成本，并易于完成裝置處理意外事故的功能調試。本文以實例作了仿真結果與實測結果的對比，指出實時性好的空調數(shù)字仿真裝置可以獲得很好的仿真效果。

1前言

隨著能源問題重要性的日益增加，改革和完善空調控制系統(tǒng)以降低能耗、提高調節(jié)品質，日益成為空調領域的重要課題。近年來許多復雜的空調控制裝置陸續(xù)開發(fā)，尤其微型計算機的廣泛應用，使各種采用微型計算機的控制裝置的開發(fā)調試更成為迫切的任務。但是，控制裝置越復雜，控制系統(tǒng)智能程度越高，這種系統(tǒng)的開發(fā)調試越困難，原因在于：

（1）空調系統(tǒng)的主要擾動源是一年四季以不同規(guī)律隨機變化的室外氣象條件和室內人員及設備的散熱、散溫?？煽康闹悄芑刂葡到y(tǒng)應能自如地應付各種室內外隨機擾動，使被控對象維持在理想狀態(tài)，這在現(xiàn)場至少需有一年以上的運轉時間方可完成一個調試周期，致使研制周期過長，難以應付市場的變化與需要。若建立專門人工氣候室進行此項工作，投資大、能耗高、研制成本劇增，而且還有局限性。

（2）可靠的智能控制系統(tǒng)應能妥善處理各種意外事故，諸如停電、停水、火災和設備損壞等，而這類事故常常不便人為地在現(xiàn)場或實驗室實現(xiàn)，這就給調試現(xiàn)場控制機處理意外事故功能帶來困難。

鑒于上述原因，控制裝置的考核與調試已成為突出的矛盾，本文通過實例介紹空調數(shù)字仿真系統(tǒng)在考核與調試控制裝置上的應用。

關于建筑與空調系統(tǒng)數(shù)字仿真裝置及其實時性的探討，文獻[1]～[3]有詳細論述。裝置包括硬件和軟件兩部分，用戶可以方便地輸入所要研究的系統(tǒng)，并進行輸入、輸出接口定義，然后將被調試的控制裝置像實際現(xiàn)場那樣接入相應接口端子，就可進行調試考核工作。

2被調對象

2．1現(xiàn)場控制機及其功能

被考核調試的控制裝置為DCU-UP-6242型現(xiàn)場控制機，該機具有24路數(shù)字量輸入，8路模擬量輸入，16路數(shù)字量輸出和8路模擬量輸出。編程語言為MCS-51單片機語言，其功能包括：

（1）測量程序。通過數(shù)字量輸入通道和模擬量輸入通道可測出來自各種變送器的溫度、濕度、風量、水流量值以及風機、風閥運行狀態(tài)。

（2）控制閥等被控設備控制量計算及輸出程序。

（3）時鐘處理程序。計時，以不同周期進行參數(shù)測量與控制。

（4）鍵盤顯示程序。根據(jù)操作人員要求，按鍵顯示相應測量參數(shù)、閥門開度，并可進行參數(shù)整定與設備操作。

（5）故障檢查程序。對溫濕度變送器、閥門調節(jié)失靈等狀況進行檢測，并給出故障信息。

（6）控制方案程序。實現(xiàn)用戶控制思想，控制算法，給出控制方案號及各被控設備輸出狀態(tài)。

（7）主程序。負責上述程序的統(tǒng)一管理，見圖1。

圖1主程序流程圖

2．2空調系統(tǒng)

被控制的空調系統(tǒng)為雙風機定風量系統(tǒng)，負擔兩個濕濕度參數(shù)要求相同的房間，該空調系統(tǒng)的處理室有表面式空氣冷卻器、空氣加熱器和噴霧式蒸汽加濕器，可測量與調節(jié)設備為：

（1）室外、房間、混風點、表面式空氣冷卻器后，送風管等處設有溫濕度測點，送風管還裝有風量測點，它們均為數(shù)字量信號。

（2）表面式空氣冷卻器和空氣加熱器通過三通閥對冷熱媒進行量調節(jié)，蒸汽加濕器用兩通閥調節(jié)。

（3）新風、排風、一次回風、二次回風和送風管上設有氣動調節(jié)風閥。

（4）兩個房間的送風支路上設有電加熱器可進行啟?？刂?。

3考核調試

現(xiàn)場控制機的考核調式是對控制裝置功能的全面檢驗。仿真考核調試就是利用仿真裝置替代實際現(xiàn)場。對控制裝置的功能進行檢驗，包括硬件、軟件和功能實現(xiàn)的思想，并給出相應的報告。

考核調試方法采用分層推進法，即首先孤立地對各功能進行考核，然后進行綜合性運轉調試考核。

3．1系統(tǒng)描述

圖2為整體組成示意圖，首先將被控空調系統(tǒng)結構組成、設備數(shù)據(jù)等信息輸入模型機，并進行相應的接口定義；然后將欲考核調試的控制裝置接入仿真系統(tǒng)，并檢查系統(tǒng)定義與接口的正確性。如果控制裝置有通訊接口，可與實驗接口連接，此接口機可采集、存儲與顯示控制裝置的運行結果。

圖2硬件組成

3．2功能考核調試

仿真系統(tǒng)進入功能仿真程序，調試人員可以定義各溫、濕度以及風量等參數(shù)值，同時測量控制裝置輸出的設備狀態(tài)，以便對各功能進行單項考核。

（1）測量功能。仿真系統(tǒng)給出一系列溫度、濕度、風量等各種參數(shù)值，檢查控制裝置測量結果是否正確。給出測量硬件、軟件是否正確，以及精度是否達到要求的考核報告。

（2）控制閥等設備的輸出程序?？刂蒲b置給出被控設備狀態(tài)信號，仿真系統(tǒng)對設備狀態(tài)進行檢測，考核此程序功能實現(xiàn)的準確性。

（3）鍵盤顯示程序。檢查鍵盤實現(xiàn)功能是否正確。

（4）故障檢查程序。制造變送器與閥門調節(jié)的故障信息，檢查控制裝置對故障發(fā)現(xiàn)與處理的能力。

（5）控制方案程序。仿真系統(tǒng)制造一系列室內、室外以及設備狀態(tài)的信息，檢查控制思想及實現(xiàn)正確與否，檢查設備動作正確與否，但此時不檢查調節(jié)效果。

上述僅考核控制裝置的基本功能，如均達到要求，可進入綜合性仿真試驗，否則進行修改、完善。

3．3綜合性仿真試驗

空調系統(tǒng)的控制裝置應能應付作用到空調系統(tǒng)上的各種形式與變化的擾量，但日以不能進行逐日仿真試驗，因此，必須確定試驗工況。單純從考核調控制裝置來說，試驗工況的選擇應考慮三方面問題，即：氣象條件，建筑物的熱慣性；建筑物的使用情況，如人數(shù)、內部發(fā)熱量和使用時間表等。如果為了考核調試用于某地區(qū)某建筑空調系統(tǒng)的控制裝置，則應確定以下兩方面的試驗工況。

（1）為了考查全年運行特性，可按不同季節(jié)進行綜合性仿真試驗。一般可分為冬季嚴寒期、夏季炎熱期、春季、夏初以及秋季。并確定各季節(jié)的氣象條件。當然，為了考核空調工況分區(qū)及其控制方案的合理性，則應根據(jù)工況區(qū)先定氣象條件。一天內室外空氣溫度的變化可視為正弦變化：每天的濕度可按恒定值考慮，不同季節(jié)取不同數(shù)值。

（2）對于建筑物特性及使用情況，應編制內部矛盾熱濕負荷時間表，以便仿真模擬。

4應用示例

為了說明空調控制數(shù)字仿真能否用于控制裝置的考核、調試，以本文第2節(jié)給出的被調對象為例，從過程控制特性和控制精度兩方面，對比仿真結果與實際系統(tǒng)測試結果。

4．1過程控制特性

為了考核控制軟件在跟蹤控制過程上的效果，給定如圖3所示的溫度過程設定值曲線，并按此設定要求，在空調數(shù)字仿真系統(tǒng)中運行被控制的空調系統(tǒng)與被考核的現(xiàn)場控制裝置，其結果如圖4所示，與在實際空調系統(tǒng)按此設定曲線控制的結果（見圖5）相比，可得：

圖3溫度過程設定值曲線

圖4仿真溫度過程曲線

圖5實測溫度過程曲線

（1）仿真結果與實測結果十分相近；

（2）基本可以符合溫度過程設定曲線要求，便跟蹤效果不理想，控制軟件需進一步改進。

4．2控制精度

為了探索空調數(shù)字仿真系統(tǒng)在仿真空調控制精度上的效果，利用實際現(xiàn)場某日逐時室外氣象數(shù)據(jù)，在仿真系統(tǒng)上仿真運行該空調控制系統(tǒng)。對比圖6所示的仿真結果與圖7所增實測結果可以看出：

圖6某日仿真溫度曲線

圖7某日實測溫度曲線

（1）仿真結果與實測結果十分相近

（2）溫度控制精度為±0.5℃，滿足原軟件設計要求。

5結論

上述探討說明，實時性好的空調數(shù)字仿真裝置可以很好地模擬實際空調控制系統(tǒng)，為現(xiàn)場控制裝置（包括硬件、軟件）的開發(fā)與考核調試開辟一條經(jīng)濟、可靠的途徑。當然，通過仿真試驗考核控制裝置的全面性取決于用戶對控制裝置功能的理解，試驗越全面，在實際環(huán)境中出現(xiàn)的錯誤就越少，越節(jié)省人力、物力，應用效果越好。

本文的目的在于對比仿真調試與實際應用的效果，至于如何評估、評價一個控制裝置，尚需進一步探討。

6參考文獻

1彥啟森等，用于空調模擬分析的實時仿真裝置.制冷學報，1987（2）.

篇6

【關鍵詞】電動汽車；LPC2132；無刷直流電機；電子差速

1.概述

當今石油資源匱乏與環(huán)境保護的緊迫需求，對汽車工業(yè)的發(fā)展提出了新的要求，那就是：低噪聲、零排放和節(jié)能等，電動汽車正是當今汽車工業(yè)籍以解決能源、環(huán)保等問題可持續(xù)發(fā)展的最重要途徑，而以輪轂電機為驅動的電動車既可以消除傳統(tǒng)傳動中的機械磨損與損耗，提高了傳動效率，又具有體積小和重量輕的優(yōu)點，使得提高效率的同時，車輪空間也能得到有效利用，更有利于實現(xiàn)機電一體化和現(xiàn)代控制技術；ARM7系列微處理器，作為32位嵌入式處理器，以其極高性能、低功耗、豐富的片上資源、小體積等特性，已經(jīng)被廣泛應用于移動電話、手持式計算機、汽車等各領域，成為極具市場競爭和前景的處理器[1]。本設計方案基于PHILIPS公司的ARM7TDMI-STM處理器LPC2132，分別控制兩個無刷直流電機，實現(xiàn)電動汽車兩后輪獨立驅動，對控制系統(tǒng)進行了可靠設計，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并最終在實踐中進行了驗證。

2.無刷直流電機及驅動控制

無刷直流電動機是由轉子位置傳感器、電動機本體以及電子開關電路組成。其工作原理如下：由位置傳感器（霍爾傳感器）定時動態(tài)檢測轉子所處的位置，并根據(jù)此位置信號來控制開關管的導通或截止，從而控制定子繞組通電與斷電，即實現(xiàn)了電子換向功能，并使電機連續(xù)運轉。

圖1是三相聯(lián)結全橋驅動電路，其中，開關管Q1、Q3、Q5采用P溝道MOSFET功率管，柵極為低電平時MOSFET管導通，VD1、VD3、VD5為相應的保護二極管；開關管Q2、Q4、Q6采用N溝道MOSFET功率管，柵極為高電平時MOSFET管導通，VD2、VD4、VD6為相應的保護二極管。其中位置傳感器的3個輸出端通過特定的邏輯電路控制Q1-Q6開關管工作（導通或截至），其控制方式有兩種：“三三導通方式[2]”與“二二導通方式”。全橋式

驅動下的繞組又分為星形聯(lián)結和角形聯(lián)結，其聯(lián)結方式如圖2所示。

三三導通方式”指的是每次使3個開關管同時導通，在圖1中，各開關管的導通順序為：Q1、Q2、Q3--Q2、Q3、Q4--Q3、Q4、Q5--Q4、Q5、Q6--Q5、Q6、Q1--Q6、Q1、Q2?！叭龑ǚ绞健痹趯嶋H工作時又可以分為六種控制方式，每隔60°改變一次導通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關管，每個開關管導通180°。在每種狀態(tài)下，其合成轉矩的大小都是單相轉矩的1.5倍[3]。

在本文中使用三相全橋星形聯(lián)結，采用“三三導通方式”，驅動電路中MOSFET管的導通或截止由相應的軟件來控制，即根據(jù)位置傳感器的檢測信號來提取相應的MOSFET管對應的控制字，并通過特定的邏輯電路控制MOSFET管，實現(xiàn)對MOSFET管導通或截止控制，

從而實現(xiàn)對無刷直流電機作出換相控制，使電機能連續(xù)運行。[4]電機方向的控制只是上述功率MOSFET管的導通順序不同，也就是所提取的控制字不同。無刷直流電機的轉速控制，可以采用PWM（脈寬調制）方法來控制電機的通電電流，在此不做詳細描述。

3.雙驅電動車控制系統(tǒng)硬件設計

本論文控制系統(tǒng)設計思想是利用一個CPU控制兩個無刷直流電動機，是為實現(xiàn)電動汽車的后輪分別獨立驅動而設計的。在電動汽車控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)主要負責對兩個無刷直流電機的電機速度調節(jié)、正反轉控制，開始和停止控制等功能。這里采用PHILIPS公司LPC2100系列中的LPC2132[5]作為中央處理器。LPC2132是基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，內嵌高速64K字節(jié)Flash存儲器，其寬范圍的串行通信接口和豐富的片內資源（如32位定時器x4個、PWM通道x6個、10位8路ADC和10位DAC，另外具有47個通用I/O口以及9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷源）使其具有強大的處理功能，并具有很強的抗干擾能力，特別適用于工業(yè)控制。電動車智能控制系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，下面給出幾部分功能的硬件設計圖。

3.1 電源設計

本控制系統(tǒng)的電源由4塊12V大容量鉛蓄電池串連后提供48V直流電，而系統(tǒng)中的工作電壓還有+3.3V、+5V和+15V，因此采用常用的穩(wěn)壓電源芯片LM7824、LM7815、1117-3.3和1117-5產生所需各組電壓，具有可靠、穩(wěn)定、簡單的特點。如圖4所示。

3.2 全橋驅動電路的邏輯控制電路

換相控制邏輯包括根據(jù)當前轉子的位置控制電橋上下橋臂，正確給出繞組通電；通過對繞組通電的時間比例控制速度；對電橋實施死區(qū)保護，防止燒毀MOSFET和驅動電路。所以設計的邏輯控制電路具有以下特點：采用邏輯門電路與RC延時電路，避免了控制時出現(xiàn)死區(qū)；另外增加了電機繞組續(xù)流功能，保護了控制管。兩個電機的電橋邏輯控制電路一樣，這里給出了其中一路，如圖5所示。

3.3 霍爾位置傳感器接口電路

無刷電機內置的三個位置傳感器（霍爾）采用5V電源供電，由于電機內部電磁場的作用以及工作時的干擾，對霍爾位置傳感器及其電路的電源要求非常高，[6]這里我們采用獨立電源供電，此外對傳感器脈沖檢測電路進行了濾波處理（同時在軟件中也做了相應的處理），以提高抗干擾能力，這里圖6霍爾位置傳感器接口電路僅畫出其中一路，具體電路如圖6所示。

3.4 電橋驅動電路設計

如圖7所示，全橋驅動電路的每一相都由上、下臂組成，這里給出了其中一相的電原理圖。

其中上橋的控制信號高電平有效，下橋的低控制信號電平有效。針對MOSFET的D-S導通時存在導通電阻Ron，同時考慮電機工作電流較大，這里采用專用驅動芯片IR2103[7]，可以解決死區(qū)保護等各種問題。

限于篇幅，其它接口包括串口通信、模擬采集、油門電路輸入、轉彎電壓輸入、過流采樣、電池電壓采樣等原理圖沒有一一列出。

4.控制軟件設計

為了實現(xiàn)對電動汽車的智能控制，本系統(tǒng)中軟件包含以下功能模塊：兩個無刷直流電機位置檢測模塊、電機換相邏輯控制模塊、速度調節(jié)模塊（轉速采樣、PWM正轉和反轉、PID控制等）、安全管理模塊、電子差速轉彎模塊、串口通信模塊等功能。系統(tǒng)軟件編程采用模塊化結構，以增加調試的靈活性、修改的方便性、移植的通用性。軟件包括主程序、中斷程序和相應的功能子程序[8]。主程序流程圖如圖8所示，主程序主要完成對控制寄存器、數(shù)據(jù)信息單元的初始化以及對各模塊的響應。程序啟動后首先是進行初始化，然后對電機狀態(tài)檢測并進入啟動模塊以及速度管理模塊，在出現(xiàn)異常時進入安全管理模塊，并通過串口向外部發(fā)送車輛狀態(tài)信息。下面簡單介紹下幾個主要模塊。

4.1 系統(tǒng)初始化

本系統(tǒng)采用11.0592MHz（Fosc）晶體振蕩器，處理器工作頻率為4倍主頻即44.2368MHz；TIMER0的0通道中斷實現(xiàn)霍爾位置信號查詢以及軟件定時，設置為IRQ中斷，分配為最高中斷優(yōu)先級，以確保電機換相最快響應；AD轉換器頻率設置在1MHz，由軟件定時啟動轉換，并采用查詢標志位（AD完成標志位）方式確定轉換結束并讀取轉換數(shù)據(jù)；在PWM通道0產生0.1ms（相當于10KHz）的PWM波，通道2和4在此基礎上產生占空比可調的波分別控制兩個電機轉速；串口以57600的波特率定時向外發(fā)送電機相關信息，1個起始位，8位數(shù)據(jù)，無奇偶校驗位，1個停止位。

4.2 模擬量采集

油門采樣電壓、驅動電機過流采樣電壓、轉彎角度傳感器采樣電壓和電池欠壓采樣電壓通過模擬開關4051（8通道選1）切換后輸入片內AD轉換器（AD0.7通道），其中通道選擇控制信號由CPU的P1.2～P1.0實現(xiàn)。由于采樣電阻上的電壓比較小，因此在采樣輸出端和模擬開關間加一級放大電路，對采樣電壓進行適當放大，并用跟隨器隔離，保證系統(tǒng)靈敏、可靠、安全。

4.3 PID控制

PID控制算法比較普遍，這里直接給出離散PID表達式[9]：

5.實驗及結論

本文基于LPC2132設計了電動汽車后兩輪獨立驅動控制系統(tǒng)，通過調節(jié)兩組PWM占空比值，實現(xiàn)對兩個輪轂電機的同時調速。通過智能控制系統(tǒng)軟硬件設計，實現(xiàn)前進、轉向、后退、自動巡航、轉向燈指示、電子差速等功能。實驗結果表明整車控制效果良好，已經(jīng)達到實用指標。

參考文獻

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篇7

關鍵詞：互聯(lián)；歷史；現(xiàn)狀；方法；影響；見解aaaaa

中圖分類號：G353文獻標識碼： A

1.引言

隨著福建電網(wǎng)與華東電網(wǎng)、山東電網(wǎng)與華北電網(wǎng)、川渝電網(wǎng)與華中電網(wǎng)等的連接，以及交直流特高壓的發(fā)展，全國電網(wǎng)互聯(lián)工程在逐步推進。截止到2011年底，除臺灣地區(qū)外，我國各省級電網(wǎng)實現(xiàn)交直流互聯(lián)，全國互聯(lián)格局基本形成。并形成了華北-華中、華東、東北、西北、南方5個同步電網(wǎng)。實現(xiàn)更大范圍內資源優(yōu)化配置、提高電網(wǎng)整體經(jīng)濟效益、推進跨省區(qū)之間的電力交易等電網(wǎng)互聯(lián)的優(yōu)勢日益明顯。

眾所周知，電力系統(tǒng)中負荷在時刻發(fā)生著變化，導致系統(tǒng)中的頻率和電壓也在時刻發(fā)生著變化。在互聯(lián)電網(wǎng)中，區(qū)域負荷的變化不僅影響本區(qū)域，而且還影響相鄰區(qū)域內頻率的變化以及聯(lián)絡線上的功率。電網(wǎng)互聯(lián)加大了穩(wěn)定破壞事故連鎖反應的風險，系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定極限和暫態(tài)穩(wěn)定極限等很容易受到破壞，也加大了系統(tǒng)頻率、電壓和潮流控制的難度。

綜上所述，聯(lián)絡線控制策略的研究一方面而言有很強的理論意義，具有一定的科學研究價值。從另一方面而言有廣泛的實踐和社會意義，具有一定的可實施性。

課題研究內容主要包括：頻率一、二、三次調節(jié)，AGC控制的基本原理，獨立控制區(qū)的基本概念，互聯(lián)電網(wǎng)多區(qū)域控制策略的應用與配合，電力系統(tǒng)調頻與自動發(fā)電控制的控制策略及控制性能評價標準，機組組合、優(yōu)化調度等。

本綜述廣泛選取了大量國內外相關領域內被EI 收錄的優(yōu)秀資料文獻以及部分已出版的經(jīng)典教材。文獻主要包括近幾年國內核心期刊（電力系統(tǒng)自動化、電機工程學報、電網(wǎng)技術等）學術論文，博士碩士學位論文，國外包括IEEE Transaction on Power Systems、IEEE Transaction on Energy Conversion、IEEE Transaction on Evolutionary Commutation等優(yōu)秀期刊論文。同時還引用了一些成文的標準和電子公告等。

2.正文

2.1研究歷史

電力系統(tǒng)負荷波動根據(jù)其周期長短和幅值大小可分為三類。A類，負荷的波動周期在10s以內，導致的頻率變化在0.025Hz以下。B類，負荷波動周期在10s至2-3min，導致的頻率變化在0.05-0.5Hz之間，主要由沖擊負荷變動引起。C類，負荷波動周期在2-3min至10-20min之間，主要由生產、生活及氣象變化引起。

區(qū)域控制誤差（ACE）是根據(jù)電力系統(tǒng)當前的負荷、發(fā)電功率和頻率等因素形成的偏差值，反映了區(qū)域內的發(fā)電與負荷的平衡情況。自動發(fā)電控制（AGC）是現(xiàn)代電網(wǎng)控制的一項基本和重要功能，是調節(jié)B類負荷的主要手段，其基本目標包括：1）發(fā)電功率與負荷平衡；2）保持系統(tǒng)頻率為額定值；3）使凈區(qū)域聯(lián)絡線功率與計劃相等；4）最小化區(qū)域運行成本。

互聯(lián)電網(wǎng)多區(qū)域控制策略的主要模式包括：定頻率控制模式（FFC）,區(qū)域控制偏差計算公式，ACE=B×f，因此只要區(qū)域頻率與額定值出現(xiàn)偏差，該區(qū)域內機組就參與調節(jié)；定交換功率控制模式（CNIC），此時ACE=Pt，聯(lián)絡線功率與計劃值出現(xiàn)偏差，區(qū)域內機組就需要調節(jié)；聯(lián)絡線功率頻率偏差控制（TBC），此時的ACE=Pt +B×f，該種區(qū)域控制偏差能夠近似反應區(qū)域內的供需平衡。

AGC控制考核標準：A1/A2評價標準，A1標準要求在任何一個10min間隔內，ACE必須過零。A2標準規(guī)定了ACE的控制限制，即ACE的10min平均值要小于規(guī)定的Ld；CPS1/CPS2評價標準，CPS1標準是指控制區(qū)在一個長時間段內（如一年）內，其區(qū)域控制偏差應滿足式（2-1）的要求。CPS2標準是指在一個時段內（如1h），控制區(qū)ACE的10min平均值，必須控制在特殊的限制L10內。

（2-1）

頻率調節(jié)的方法大致分為比例、積分、微分三類。比例和微分的手段不能夠實現(xiàn)頻率的無差調節(jié)，積分調節(jié)可以實現(xiàn)頻率無差調節(jié)。現(xiàn)在更多的機組采用比例積分的方法來完成調節(jié)。

2.2研究現(xiàn)狀

聯(lián)絡線控制策略的目標就是使區(qū)域控制偏差恢復到零，實現(xiàn)這一目標的主要手段就是自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）。AGC是實現(xiàn)電網(wǎng)有功功率平衡、維持系統(tǒng)頻率在額定值附近以及聯(lián)絡線交換計劃的有效手段。

2.2.1國外研究現(xiàn)狀

國外AGC研究工作起步較早，隨著電力市場化的逐步深入，AGC研究工作趨于成熟。國外對于AGC控制策略的研究工作主要有以下幾方面的特點：

1）NERC(The North American Electric Reliability Corporation)于年提出了A1\A2聯(lián)絡線控制標準。A1標準要求在任何一個10min間隔內，ACE必須過零。A2標準規(guī)定了ACE的控制限制，即ACE的10min平均值要小于規(guī)定的Ld。其合格指標為：A1≥100%，A2≥90%。

2）NERC(The North American Electric Reliability Corporation)于1996年提出了CPS1\CPS2聯(lián)絡線控制標準。CPS 標準引導各控制區(qū)以頻率質量為控制目標, 鼓勵各控制區(qū)之間的相互支援, 以發(fā)揮互聯(lián)電網(wǎng)的優(yōu)勢。同時, CPS 標準不要求ACE 過0值, 減少了AGC 機組的不必要調節(jié)。

3）在傳統(tǒng)的比例積分（PI）、比例積分微分（PID)控制器的基礎上提出了多種新的控制方法。如FL（fuzzy logic controller）控制器、ANN(artificial neural network controller)控制器、FO（fractional order controller）控制器、GF(genetic fuzzy controller)控制器等。這些新的方法策略都在某種程度上提高了聯(lián)絡線的控制效果。

4）研究了多種新的儲能調節(jié)手段對控制效果的影響。如BES（battery energy storage）技術、SMES(super magnetic energy storage)技術、CES(capacitive energy storage)技術、V2G(vehicle-to-grid)技術等。這些手段的運用很大程度上改善了聯(lián)絡線的控制效果。

5）研究提出了不同的比例積分系數(shù)對控制效果的影響。研究提出了了頻率響應系數(shù)與系統(tǒng)自然頻率響應系數(shù)大小關系給控制效果所帶來的影響。研究對比了AGC不同計算、控制周期給控制效果所產生的影響。

6）研究出了多種仿真方法。如單個獨立控制系統(tǒng)及兩個聯(lián)合系統(tǒng)和三個聯(lián)合系統(tǒng)的負荷-頻率調節(jié)過程的仿真方法、考慮機組出力上升下降速率約束的調節(jié)仿真方法、考慮不同機組類型（非再熱型、再熱型、水電機組）的仿真方法等。這些仿真方法清晰形象地戰(zhàn)象了機組的調節(jié)過程和系統(tǒng)頻率的恢復過程。

2.2.2國內研究現(xiàn)狀

我國AGC工作起始于1957年，近幾年來，隨著華北與東北、華東與福建、華中與川渝的聯(lián)合，我國逐步實現(xiàn)了以三峽電力系統(tǒng)為中心的統(tǒng)一聯(lián)合電網(wǎng)。并且我國交直流特高壓電網(wǎng)飛速發(fā)展，AGC的控制研究再次成為大電網(wǎng)研究的一個熱點問題。國內對于AGC的控制策略研究方面主要有以下幾方面的特點：

1）特高壓聯(lián)絡線投入運行以后，提出了一套完整的、適應特高壓聯(lián)絡線功率控制的自動發(fā)電控制(AGC)控制策略,簡稱T策略。這一控制策略以各省級電網(wǎng)有功功率的就地平衡為基礎, 實現(xiàn)了互聯(lián)電網(wǎng)各控制區(qū)在緊急情況下對特高壓聯(lián)絡線功率恢復的相互支援，該種控制策略已應用到我國首條華北華高壓聯(lián)絡線的控制上。

2）根據(jù)機組的性能差異，提出了機組協(xié)調控制、區(qū)域分層控制的控制策略。提出性能優(yōu)良的機組參與ACE調解，并經(jīng)過計算得出分層機組容量以及需要參與調節(jié)的機組數(shù)量，并提出AGC軟件調整算法。通過具體實際物理電網(wǎng)證明該種策略的合理性和可行性。

3）根據(jù)我國電網(wǎng)采用統(tǒng)一調度、分級管理、分層控制的原則，結合自身電網(wǎng)的特殊性，研究出多種控制區(qū)分級、分區(qū)協(xié)調控制的策略。這些策略的實施很好地抑制了聯(lián)絡線的功率大幅度波動、提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和頻率質量。更好地體現(xiàn)了聯(lián)合電力系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4）綜合考慮了備用跟蹤的遺漏、機組配合和風力發(fā)電并網(wǎng)等因素的影響下，建立了AGC容量需求模型，從而在該模型下使得計算出的AGC容量需求更加符合客觀實際。為AGC的調節(jié)控制提供了強有力的依據(jù)。

5）AGC分配的主要策略：按備用容量分配和按調節(jié)速率分配。按備用容量分配的方法可以有效地避免出現(xiàn)一部分機組調節(jié)已達到上下限，而另一部分機組還有調節(jié)容量。按調節(jié)速率分配的方法體現(xiàn)了不同性能機組之間的配合。

6）AGC軟件設計：CC-2000電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)，是有中國電力科學研究院和原東北電業(yè)管理局聯(lián)合開發(fā)的、具有我國自主知識產權和國際先進水平的軟件系統(tǒng)。1996 年在東北電網(wǎng)正式投入運行，十年來廣泛應用于國家電力調度中心、華北電網(wǎng)、東北電網(wǎng)、北京、天津、遼寧、黑龍江、貴州、甘肅、內蒙古等 70 多個省、自治區(qū)、直轄市和地市電力調度中心。

7）AGC控制策略仿真技術：傳統(tǒng)意義上，一般用MATLAB/Simulink來完成聯(lián)合系統(tǒng)區(qū)域調節(jié)控制過程的仿真。中國電力科學研究院系統(tǒng)所最近研究出PSD-FDS電力系統(tǒng)全過程仿真程序，該軟件可以實現(xiàn)對聯(lián)合系統(tǒng)AGC控制過程的仿真，通過合理性分析和一些簡單的對比分析表明了仿真計算結果的合理性。

2.3研究存在的問題

雖然歷經(jīng)大半個世紀，相關從業(yè)者做出了大量的研究工作，并取得了很多的成果，電網(wǎng)運行地更加堅強、更加智能。但是，就“從人類實踐活動中產生，又服務于改善人類的生存條件”而言，當前研究存在以下問題：

1）隨著大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)以及交直流特高壓電網(wǎng)的發(fā)展，至今還沒有一套合理的聯(lián)絡線控制考核標準體系。現(xiàn)有的考核標準要求各控制區(qū)就地平衡，由于新能源的波動性很強，所以各控制區(qū)就需要有足夠的備用容量，否則就很難更大規(guī)模的接入新能源。

2）當前聯(lián)絡線控制策略的核心之一就是各控制區(qū)就地平衡原則，該種控制策略并沒有很好的體現(xiàn)出區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的優(yōu)勢，不利于資源在整個控制區(qū)內的優(yōu)化配置。未來的研究將會逐步打破分省、分區(qū)平衡控制的模式。

3）當前研究重點放在區(qū)域總調節(jié)功率的生成、AGC調節(jié)功率的分配上。下一步研究更需要側重機組快慢組合協(xié)調、分級分區(qū)協(xié)調控制、區(qū)域控制性能安全約束以及市場因素協(xié)調控制方面。

4）AGC容量計算方法過于單一，大多是按負荷變化、運行經(jīng)驗等來確定。這種方法難以兼顧電力市場運行的經(jīng)濟性電力系統(tǒng)運行安全性要求，而且系統(tǒng)控制調節(jié)在很多時候都難以滿足控制的基本要求。

5）超前負荷預測研究工作存在嚴重缺陷，致使當前AGC控制策略主要以滯后控制為主，超前控制應用較少。滯后控制會增大機組調節(jié)的頻率和調節(jié)幅度，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6）對于穩(wěn)態(tài)過程、機電暫態(tài)過程、電磁暫態(tài)過程的仿真，國內外已有相對成熟的程序，例如。但是，相對而言，當前缺乏專門針對互聯(lián)電網(wǎng)頻率調節(jié)、功率調節(jié)仿真軟件的研究。

3.結論

縱觀聯(lián)絡線控制策略的研究歷史和現(xiàn)狀，當前的理論和技術很好的保證了各獨立控制區(qū)“自負盈虧、就地平衡”的原則，同時也確保了系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定性。并且對互聯(lián)電網(wǎng)之間的相互協(xié)調控制做了一些試探性的研究，做到“一方有難，八方支援”，并取得了一定研究成果，理論研究得到了很好的實際驗證。但是，這些就并沒有形成具體統(tǒng)一的理論，也不能任意的應用到任何一種互聯(lián)電網(wǎng)。這在某些程度上影響了很多電網(wǎng)的運行效果。

機組的控制手段方面，雖然有大量的研究表明改進的方法可以提高機組的調節(jié)性能，但是每一種具體的方法都存在其局限性，一般會受到某些條件的制約。而且大部分是采用數(shù)字仿真的條件下驗證理論研究的合理性，很少通過實際運行的機組來得以驗證。

課題研究秉承繼往開來的精神，在前人研究的基礎上不斷發(fā)現(xiàn)問題、勇于創(chuàng)新，為科學理論研究和經(jīng)濟社會的發(fā)展做出貢獻。

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