凌波基于以太网的远程运动控制系统设计与实现Word格式文档下载.docx
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所撰写的毕业论文是在指导老师的指导下自主完成,文中所有引文或引用数据、图表均注解并说明来源,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学院及系部的处理。
学生(签名):
2017年月日
基于以太网的远程运动控制系统设计与实现
中文摘要
对于我国自动化生产线生产效率慢、耗费大量劳动力、无网络化等问题,为了解决以上问题开发了基于以太网的远程运动控制系统。
该系统通过以太网控制无刷直流电机模拟生产线解决生产线运行过程中控制高效、网络化控制、以及生产线安全问题等。
自动化生产线网络化控制,自动化生产线重点是对无刷直流电机控制。
我们需要设计对应的无刷直流电机控制器,模拟自动化生产线的场景。
无刷直流电机控制器具有较好的调速功能,无刷直流电机是以电子换向器取代机械换向器[3]。
在控制无刷直流电机的基础上,更进一步通过网络进行控制电机的运行状态。
电机的控制器上加上传统的正转、反转、停止的按钮,同时加上旋钮电位器调速。
网络方面需要通过以太网转串口模块ENC28J60以太网收发芯片,该模块特点是通过SPI总线直接和单片机连接。
通过UIP协议实现TCP或是UDP的通信,预留一个供web访问的端口。
通过网页和无刷直流电机控制器通信实现对无数直流电机控制,无刷直流电机控制器的主控芯片是STM32F103C8T6(简称STM32),STM32是主流的32位微控制器,通过STM32利用6路互补PWM脉冲对无刷直流电机进行调速,控制器内部驱动时加上电流环、速度环,通过两个PID实现对电机更好的位置控制。
网页WEB作为上位机主机,电机控制器则作为下位机从机,主机控制从机网络作为两者通信的媒介。
网页上位机上也是通过虚拟按钮的形式控制电机的正转、反转、电机的转速、以及电机的移动步数,以折线统计图的形式显示电机的运行速度,细微调节电机的移动步数,和电机供电系统的电压电流。
无刷直流电机的控制器是利用已有硬件电路知识设计的原理图、PCB图,其中原理图PCB都是通过AltiumDesigner09绘制的。
通过PCB印刷厂打样制造出来,通过烙铁焊接把所需的元器件全部焊接在上面,实现毕业设计要求的动手能力。
另外对驱动无刷直流电机的选型,根据自己电路的设计参数选了一个功率60W的57系列无刷直流电机(台湾东元电机)。
关键词:
STM32;
PWM;
PID;
ENC28J60;
WEB
TheDesignandImplementationofRemoteMotionControlSystemBasedonEthernet
ABSTRACT
Inordertosolvetheaboveproblems,wehavedevelopedaremotemotioncontrolsystembasedonEthernetfortheproductionefficiencyofChina'
sautomatedproductionlineisslow,consumingalotoflaborforceandnonetwork.ThesystemthroughtheEthernetcontrolbrushlessDCmotorsimulationproductionlinetosolvetheprocessofrunningtheproductionlinecontrolefficient,networkcontrol,andproductionlinesecurityissues.
BrushlessDCmotornetworkcontrol,forbrushlessDCmotorcontrolweneedtodesignthecorrespondingbrushlessDCmotorcontroller.BrushlessDCmotorcontrollerhasabetterspeedcontrolfunction,brushlessDCmotorisanelectroniccommutatortoreplacethemechanicalcommutator.InthecontrolofbrushlessDCmotoronthebasisoffurtherthroughthenetworktocontrolthemotorrunning.Themotorcontrollerwiththetraditionalforward,reverse,stopthebutton,plustheknobpotentiometerspeed.ThenetworkneedsthroughtheEthernettotheserialportmoduleENC28J60Ethernettransceiverchip,themoduleischaracterizedbydirectconnectionwiththemicrocontrollerthroughtheSPIbus.ThroughtheUIPprotocoltoachieveTCPorUDPcommunication,setasideaportforwebaccess.ThroughthewebandbrushlessDCmotorcontrollercommunicationtoachievecountlessDCmotorcontrol,brushlessDCmotorcontrollermasterchipisSTM32F103C8T6(referredtoasSTM32),STM32isthemainstream32-bitmicrocontrollers,throughtheSTM32using6complementaryPWMpulseonthebrushlessDCmotorspeed,thecontrollerdrivewiththecurrentloop,thespeedloop,throughthetwoPIDtoachieveabetterpositioncontrolofthemotor.WebWEBasthehostcomputerhost,themotorcontrolleristhenextmachinefromthemachine,thehostcontrolfromthemachinenetworkasacommunicationmedium.Thepositionofthewebisalsocontrolledbythevirtualbuttonintheformofforward,reverse,thespeedofthemotor,andthenumberofmovingstepsofthemotor.Thespeedofthemotorisdisplayedintheformofabrokenlinechart,thenumberofmovingstepsofthemotor,Voltageandcurrentofthemotorpowersupplysystem.
BrushlessDCmotorcontrolleristheuseofexistinghardwarecircuitknowledgedesignschematicdiagram,PCBdiagram,whichschematicPCBaredrawnthroughtheAltiumDesigner09.ThroughthePCBprintingplantproofingmanufacturing,throughthesolderingirontotherequiredcomponentsallweldedtotheabove,toachievegraduationdesignrequirementsofhands-onability.InadditiontotheselectionofbrushlessDCmotorselection,accordingtotheirowncircuitdesignparametersselectedapower60W57seriesbrushlessDCmotor(TaiwanTECOmotor).
KEYWORDS:
brushlessdcmotor;
pwm;
stm32;
pid;
web
第一章绪论
1.1自动化生产线的动力电机
自动化生产线发展至今,现国内的自动化生产线还是比较落后的,简单的依靠电机的转动完成生产线的功能。
这种生产线效率低下、耗费大量劳动力、浪费能源,因此自动化生产线需要进一步再发展。
自动化生产线自动化控制是对于电机选型以及电机控制两个方面[3]。
国内现有的BLDC控制器都是通过传统的人工开关启动的,现有的设备还没有完全做到自动化控制。
另外新型永磁材料的出现,BLDC电机的制作成本大大降低了。
另外这几年功率驱动元件、驱动控制方案等较以往都取得很大的成就。
未来几年电机控制领域会大范围的淘汰以往的有刷直流电机或是单相交流电机,传统的家电领域大多是使用这两类电机。
BLDC电机的电能转化效率高,在未来的几年不仅会应用生产线上还会应用于其他的不同领域[1]。
1.2无刷直流电机BLDC电机与传统电机比较
自动化生产线可以运用的电机的种类很多,现在主要的有步进电机、无刷直流电机、有刷直流点击等。
本文对比的是无刷直流电机和传统有刷直流电机两类。
电机是一种把电能转换为机械能的电磁装置。
电机的主要作用是产生驱动转矩,作为电器和各种机械的动力源。
电机的种类繁多,但是按照电源供电的种类区分分为直流电机和交流电机两类。
这里我们重点作为比较的是有刷直流电机和无刷直流(BLDC)电机两种,有刷直流电机在结构上有个电刷换向器,通过电刷换向器进行换向实现工作;
无刷直流电机则是通过霍尔传感器把转子位置反馈回控制电路,获得正确的相位位置是驱动无刷直流电机的必要条件。
无刷直流电机的优点是寿命长,结构简单,控制电机的效率也更高。
有刷直流电机的电刷决定了电机的寿命,并且电机在换向的时候容易产生电火花。
因此无刷直流电机(BLDC)会应用的很多领域,比如汽车、机器人等都会用到[2]。
1.3以太网控制与工业控制
嵌入式的发展随着技术的更新,半导体行业的不断进步,软件算法的成熟。
嵌入式的在不断完善系统的时候,也开始将嵌入式产品加入到网络中。
大多数的系统还是单一存在的,没有加入到网络中。
信息技术不断发展与传统的工业控制技术日益密切结合,可以说嵌入式加入网络发展是必然的。
信息技术的大潮,互联技术的革新,可以说影响到我们身边的每一个人。
我们的吃穿住行都紧密的联系起来。
工业技术的发展自工业革命后,网络的发展又再一次的冲击。
国外嵌入式以太网的发展已经有半导体科技公司,开始提供网络服务技术。
我国在嵌入式以太网的发展还处于初级阶段,全世界都知道嵌入式以太网是我们工业再次长足发展所必须的。
1.3.1以太网工业发展趋势
以太网控制自动化生产线,通过网络的的形式控制工业自动化生产线。
以太网简单的来说是局域网的一种,是互联网基础的一环。
利用以太网控制工业自动化生产线可以说是,网络控制自动化生产线,这是网络控制中的一小步。
但是结合工业再发展的趋势,以太网控制自动化生产线是必然的。
以太网作为当下最通用的局域网协议,以太网应用在通信的诸多设备中。
以太网连接控制自动化生产线,因为在局域网中不用互联网中的网络攻击问题。
简单的局域网系统可以控制生产线的操作流程,高效简洁是以太网的一大亮点[4]。
1.3.2以太网控制自动化生产线背景
自动化生产线最早起源欧美国家的工业革命流水线,其意是利用流水线完成工业生产。
工业革命至今,人们确实利用简单的自动化流水就做出很多非凡成就。
但是自动化生产线在我国发展还是比较缓慢的。
国内的自动化流水线就是简单的利用传统电机的正转、反转、停止,完成仅有的生产操作。
甚至于一些中下城市还在利用手工,完成一些本该是机械完成的工作。
我们国家的发展在工业自动化生产线发展这一块还是有所欠缺,比如先进的汽车自动化生产线是进口发达国家的产品,进口成本高昂、维修服务成本高等。
因为我国的工业发展起步较晚,在这个背景下我们应当赶上工业再次发展的机遇。
以太网控制自动化生产线,在以后将彻底和我们的网络结合起来,符合现代的互联网工业大潮[5]。
1.4嵌入式以太网与WEB技术
Web浏览器是我们平时和互联网打交道最常用的工具之一,日常生活中人们的看新闻、购物、查阅资料等无不通过浏览器来完成。
嵌入式以太网和Web技术相结合,将成为信息技术行业的新浪潮。
Web浏览器和我们的嵌入式以太网结合,这样我们个人常用的3C数码产品就能对嵌入式产品做出控制。
人们就可以利用PC上的web浏览器、智能手机上的浏览器进行操作。
实质上我们的嵌入式以太网产品就是一个小型服务器,嵌入式web服务器是我们对web浏览器定制的。
Web浏览器是嵌入式以太网的可视化图形窗口,操作者是web浏览器操作完成嵌入式以太网的功能。
1.5研究意义
基于以太网的控制自动化生产线的运动状态,这在工业上还是没有的。
工业生产发展的
要求可能不是要求最先进的科技技术,而是要求稳定、安全、可靠。
正是基于以上问题,在现在网络安全成熟的情况下,通过网络进行控制正在成为趋势。
现在的工业发展已经由早期的机械控制,转变成电子控制。
在这里电子控制领域加入了网络化控制操作,这在我们的生活中已经越来越成为可能。
我国的工业发展起步晚,根基不厚。
我们要赶上在互联网大时代发展的工业自动化生产线,在未来世界占有一席之地。
反观我国工业现状,我们由劳动密集型大国正在向科技制造大国转变。
人力劳动力曾是我国快速发展的优势,但是这些优势正在消失。
我们不得不大力发展我们的工业科技进步[9]。
综上所述,本文研究意义主要包括以下几点:
(1)传统生产线与先进的BLDC电机优缺点,BLDC电机必将取代传统电机。
(2)以太网作为当今应用最广泛的局域网协议,应用到很多的设备中,应用到工业自动化生产线是必然的。
(3)PC通过Web浏览器操作控制界面,简单高效常用等特点。
关于工业生产线改造对工业生产效率,对于国家工业发展有一定的意义。
第二章系统分析
2.1需求分析
嵌入以太网的发展和工业技术的结合是一个很大的系统,这里我们只是做的系统中的一个方面。
将嵌入式以太网和无刷直流电机(BLDC)相结合,利用嵌入式以太网对电机进行详细操作。
以太网远程控制装置应做到以下几点:
(1)电机控制方式:
电机控制需要与其配套的电机控制器,要考虑到电机的功率。
对应的控制器也要考虑功率大小。
电机相位准确识别才是电机运行的关键,霍尔传感器反应电机的相位。
(2)Web对控制器的操作:
Web浏览器我们输入一个IP地址,Web展示的界面我们可以直接操作控制电机的运行状态。
(3)输出:
Web数据显示应该设计的简洁、直观,观察结果时能够做到一清二楚,无其它无关信息干扰。
根据以上分析,以太网远程控制装置设计分为电机控制器、以太网装置、Web显示输出显示三大部分:
(1)电机控制器:
电机控制器采用STM32F103C8T6作为微控制器,输出6路互补PWM经过栅极驱动器控制MOS驱动器导通关闭,检测无刷直流电机相位的正确位置进行操作。
这里对电机的控制需要加入数字式速度环和电流环两种PID。
(2)以太网装置:
以太网装置需要嵌入UIP协议栈,实现web端和电机控制器通信。
在这里以太网装置相当于转换连接装置,使web可以间接的和电机控制器通信。
(3)Web输出显示:
Web作为常用的工具,功能比较完善,Web和控制器通信对电机的操作是以16进制指令的的形式。
Web端一般都是字符串的形式,这里我们需要进行进制转换。
该系统可视情况继续添加其他功能,使系统更加完善,效果更加立体。
2.2可行性分析
基于STM32单片机的以太网远程运动控制的系统设计主要的部分是STM32单片机、AD电流采集、霍尔相位的捕捉、速度PID、控制旋钮开关、电路板和若干杜邦线。
这些系统所需要的硬件都是常见的,便宜实惠的。
系统需要的软件都是需要自己去独立完成,对硬件的调试。
随着嵌入式以太网控制无刷直流电机的迅速发展,在工业的发展上带来巨大的经济效益,也是一场对传统工业控制革新的变革。
STM32单片机随着近几年的发展,技术越来越成熟,已经在工业控制、嵌入式产品设计等多个领域得到广泛应用,单片机已经渗透到我们的日常生活中。
此外,各种芯片的高度集成,不仅提高了运行速度,还提高了运算精度,操作起来也比以往简便许多,所以在技术上也是可行的[14]。
第三章系统硬件设计
1
2
3
3.1系统的硬件电路
本文设计的以太网远程运动控制的系统设计,该设计我们考虑到我们的电机选型是24V、60W的57系列电机。
因此在这里整个系统的供电电压是24V,通过降压的模式不断给我们的系统下一级的电路供电。
需要完成电源有电路电源、单片机电源、霍尔传感器电源、栅极驱动器电源、电机MOS管电源等。
系统电路板印刷电路板(简称PCB)的原理图绘制是首要任务,只要确保原理图是准确无误的我们才可以去做印刷电路板(简称PCB)。
在对原理图检查上,可以借助于仿真软件得出客观的分析。
另外对PCB的打样电子元器件的焊接调试,这些是保证我们电机控制器的正常工作的前提。
一方面考验我们对实际工业上的学习,另一方面考验到我们的自己动手能力。
本系统用于控制三相BLDC电机即代表三个霍尔相位传感器,系统的软件和硬件构成,其中硬件电路模块由以下构成:
(1)电机驱动逆变器
(2)电流、电压检测电路
(3)电位器旋钮、开关电路
(4)电路板负载电源24Vdc、12Vdc、5Vdc、3.3Vdc
(5)MAX3232电路,用于调试控制器和电脑串口通信的电路。
整个系统的框图如图3-1所示。
图3-1系统组成框图
3.1
3.1.1微控制器的选取
系统选取的是处理速度快的性能高的32位双时钟STM32F103C8T6系列单片机,STM32是ARM架构的单片机。
STM32具有A/D转换,针对强干扰场合、电机控制杰出等功能。
与传统8051单片机相比,该单片机具有速度更快、功耗更低、抗干扰性能更强的特点。
供电3.3V电压,I/O管脚一共48PIN。
在这里本设计主要运用了单片机的6路PWM、3个定时器、两个通道的AD、1个串口中断,当然该单片机还有其他功能我们暂时只是用了这部分功能。
STM32作为32位的微控制器,在价格上、性价比上、都不是普通8位、16位单片机所能比的。
因为起初选型就是高端的32位控制器,这对以后产品的更新迭代只需要在原来的硬件基础上更新软件就行了。
关于微控制器STM32的最小系统如图3-2所示,关于最小系统考虑到简单可靠的原则。
单片机的复位电路采取的是上电复位,上电瞬间低电平有效。
另外最小系统设计的时候特别加上BOOT口,我们下载程序的时候可以直接BootLoader引导模式下载。
图3-2微控制器最小系统
3.1.2供电电源电路
电路板所必须的就是供电电源的稳定性,如图3-3所示J1是我们电路板供电的入口。
这里供电范围是12V-24V之间,该电路都是可以正常工作的。
电源我们默认是24V电源,其中Q1是大功率三极管TIP122。
我们电路上24V经过稳压二极管VZ1稳压到12V,VZ1连接是TIP122三极管的基极。
根据三极管的特性我们知道三极管的基极到发射极导通电压是0.6V,因此发射极输出11.4V左右的电压。
紧接着通过7805降压至5V,在经过AMS1117降压至3.3V电压。
电路设计中指示灯对我们来说是非常重要的,AMS1117输出连接的R1是个10K的限流电阻,LED灯正常发光则说明电源电压是正常的。
这样我们整个系统的电源电路可以看得很清楚了,其中Q1是必须要注意的:
因为三极管的集电极和发射极有12V的压差,即使是很小的电流,三极管功率相对来说也是不小的。
根据每个元器件的压差大小,再根据元器件的封装大小,适当的加上散热片保护电路防止过热烧毁芯片。
图3-3电路板的供电电源
3.1.3MAX232电平转换电路
MAX232是我们常用的电平转换芯片,单片机是TTL电平而我们的PC计算机是232电平,单片机和计算机通信过程是必须要电平转换芯片的。
MAX232电路原理图如图3-4所示。
图3-4MAX232电平转换电路
3.2系统反馈控制电路
电路系统中一般都有系统反馈电路,反馈对系统的稳定性很重要。
常见的反馈有电流反馈、电压反馈,这是经常用到的反馈调节。
运算放大器中我们常用的有正反馈、负反馈,这里是模拟电路的基本概念。
本系统是利用关键的电流、电压反馈,以硬件的形式反馈,通过系统的软件进行调节反馈量。
最终的目的更好的控制系统,达到预期的目标。
3.2.1电压反馈电路
电机运转系统里需要的反馈是非常重要的。
为了方便调试,加入电位器旋钮如图3-5示PA0是STM32具有AD采样功能的普通I/O接口。
根据AD采样线性的控制BLDC电机转速,相当于旋钮开关控制电机的转速。
AD用的是ADC1、通道1、12位的AD采集;
采样的频率是2.38KHZ,采样频率比较平稳,不需要额外对采样的数据滤波。
图3-5电位器AD采样
3.2.2电流反馈电路
电机在运转的时候,会产生一定的电流。
我们根据电流的情况就可以知道电机的运行状况。
经过测试我们知道电机在启动瞬间电流是比较大的,还有就是在电机发生堵转的时候电流较大。
这里是电流的负反馈,电机上运用电流负反馈是十分必要的。
生活中的汽车车窗就是一个例子,汽车车窗在升降的时候,如果遇到障碍物就会停止运动。
汽车上有名“汽车防夹”实例,系统上也是采集转子驱动时的电流大小。
图3-5是系统中电流采样的关键部分,R24是一个功率采样电阻0.03欧姆。
这个功率电阻的作用是采集3相BLDC电机转子电流大小。
图3-6电机启动电流、堵转电流图3-
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