自动平衡装置伺服控制工程系统的设计与研究

第1章 绪论1.1 课题的研究意义与背景随着科学技术的发展，各种机械的自动化程度越来越高。工程中常用的旋转机械设备做了很多改进，由原来的小功率变成了现在的大功率，转速也由原来的每分钟几千转变成现在的每分钟最高几万转[1]。在控制方面，要求机械设备自动化程度越来越高，控制越来越精准。在电力电子方面，因为集成电路、各类芯片的快速发展，从而带动了机械领域的迅速发展。人们不断追求机械设备高效率、高安全性以及高性价比，在探索的过程中，也遇到了很多问题，尤其是旋转机械设备在高速运转中出现的振动问题，这严重制约了旋转机械设备的快速发展[2~4]。机械设备的运转速度越高，这一问题越为明显。过去那种低精度、低转速的机械设备显然不能满足现在的要求，所以旋机械设备的振动问题是工程师必须解决的问题[5]。如果不能及时解决机械设备的振动问题，就会导致因振动过大而导致生产中断，设备不能正常工作，严重的时候会使整个机械系统瘫痪，甚至对人造成伤害[6]。引起旋转机械设备振动的主要原因是转动件设计不合理、材料材质不均匀、热变形以及装配误差等，最终造成转动件的几何中心线与重心线不重合[7]。另外转子在其长期运转后会发生磨损或者质量脱落，工作环境中的粘性介质也常会粘附到转子上，同样造成转动件的几何中心线与重心线不重合，也就是转动件上存在不平衡质量[8]。转动件由于存在不平衡质量，在旋转过程中就会产生惯性力，从而导致了机械设备振动[9]。对于转子本身来说，旋转过程中不平衡质量会使其产生内应力造成弯曲变形，这样就会造成在其运转过程中产生机械噪声以及机械震动。与其直接接触部件的磨损就会增加，比如轴承等零件，使其不能正常工作，降低工作效率和机械设备的使用寿命[10]。..........1.2 自动平衡技术的发展现状国外，早在 1916 年在线自动平衡的概念被 Vegte 提出来了[13]。随后 1932 年Thearle 便研制出离线平衡机标志着自动平衡技术的开始。随着集成电路的深入研究，以及在控制技术和计算机领域取得的非凡成就，在线自动平衡技术也紧随其后取得了突破性的进展[14]。1964 年 Caruso 和 Huffman 设计出伺服直流电机的平衡头[15]。研究一开始由于生产水平、科学技术知识，以及思想的局限性，人们只对刚性转子做了研究。但是后来随着科学技术的进步，转子的转速在不断提高，发展至今，转速最高的转子可以达到每分钟 2 万多转，多用于航空领域。所以仅仅对刚性转子进行平衡满足不了实际需要，直到 1972 年 Bishop 对柔性转子平衡方法做了专门的研究[16]，柔性转子的动平衡问题引起了国内外学者的高度关注，这一问题也成为了该领域的热门话题。后来出现了一系列，例如影响系数法、模态平衡法等手段专门研究柔性转子的平衡[17]。Goodman 和 Austrow 两位工程师先后在 1964 年[18]和 1994 年提出了优化速度的平衡算法[19]。2000 年 Shin 和 Ni 进一步研究了基于 eiffcott 转子自适应自动平衡[20]。2001 年 Shiyu Zhou 建立了变速自适应控制模型，对测量平面和校正平面的优化位置进行了计算[21]。同年，美国人wang-eun Shin 等提出变速现实的自适应控制策略，利用新的算法把平衡时间大大减短[22]。技术成熟稳重后获得了企业的认可，并根据此理论批量生产，投入市场。自动平衡控制策略是自动平衡的关键。工程师在控制策略上进行了很多探索，尤其在自适应控制策略方面做了很多研究并应用于自动平衡。20 世纪初 Lee 和Zumbach 先后实现了单平面的自动平衡和利用加热法的在线稳态自动平衡[23]。转向国内，我国对于动平衡技术的发展较晚，1958 年才开始研究动平衡相关的技术，最早的动平衡产品也在当时被研制出来[24]，直到 1960 年出我国专门生产平衡机的企业不到三家[25]，而且不用于民用，当时只限于军工。但自 1978 年以来，中国开始了变革性的发展，对很多问题有了新的认识，并对外有了很多的跨国合作，与当时工业远远强于我们的工业强国进行了深度合作[26]。经过几十年的不懈努力，我们从零基础到现在我们已经有了自己的一套理论，并且建设了自己的科研团队。生产能力和科研能力都有了很大的提高。对于在线自动平衡技术，国内近几年也引起了许多学者的关注并取得了很多突破性的研究成果。沈阳理工大学动平衡技术研究所从事动平衡技术研究已经 20 余年，1992 年完成的 IMB-2 智能化多功能动平衡测试仪，其性能指标达到了国际先进水平[27]。1995 年孙宝东在高速转子自动平衡技术方面进行了深入研究，并取得了一定成就[28]。次年陆永平、孙宝东等人成功研制了一种用于柔性转子系统的自动平衡头，其中一个关键性技术彻底的解决了安装问题，和配重自锁问题[29]。他们利用红外线传递控制信号并运用了一种新型的步进电动机驱动方式自锁。曾胜于 1997 年对电磁式旋转机械在线自动平衡问题进行了研究[30]，另外浙江大学依据电磁理论为基础设计了一种基于电磁力驱动的自动平衡装置[31]，对执行器的结构也进行了进一步简化，不管从性能方面和可靠性方面都比原来有大幅度的提高，实验证明也可以进行实际的安装，有望在不久的将来投入到市场中进行推广。..........第2章 自动平衡系统的基本原理2.1 转子动平衡的力学原理本节主要以刚性转子和柔性转子为研究对象，对这两类转子的动平衡的力学原理加以论述。机械转子的旋转运动是最常见的机械运动方式之一，在汽车的轮毂，飞机以及电机等机械机构中都有广泛的应用。对于低速旋转的转子，为了计算方便我们常常忽略其在旋转过程中产生的变形，而建立了一个理想化的模型，我们把这类转子称为刚性转子。但是，机械转子发展到今天，比如用于航天上的一些转子的最高转速可以达到每分钟 2 万多转，当其工作转速超过一阶临界转速时，一般会产生较大的振动，因此工件十分容易发生损坏，甚至整个设备都会出现很严重的问题，而造成不可挽留的损失。我们把这类在旋转过程中的变形不能忽略的转子称为柔性转子[32]。在研究机械转子的振动问题时，我们一般分为以上这两种情况进行讨论。对于刚性转子来说，应该消除力偶不平衡和静不平衡。而对于柔性转子，理想的平衡现实是使该转子的质心位于其回转轴线上，且使每一段的质心都在其回转轴上。此时，柔性转子转动时产生的偶不平衡、模态不平衡以及静不平衡都会消失。平衡后的转子在高速运转时也会很平稳不会再出现较大的振动量。下面分几种情况对刚性转子及柔性转子分别提出了平衡方法。..........2.2 自动平衡的力学原理对于刚性转子的自动平衡，在其进行自动平衡时，可依据刚性转子的二面平衡原理在转子的两侧对称安装上两个结构相同的平衡头。两个平衡头的的结构示意图如图 2.10 所示。图中平衡块的质量 m1=m2，设由 m1、m2补偿不平衡力分别为1F 、2F 。工程中进行自动平衡时，可以使一个质量为 m 的配重块沿着平衡头做滑动来改变偏心半径，同时可以做周向旋转，此时便可以完成自动平衡，这种方式称为单配重极坐标方式，如图 2.12(a)。另外我们可以利用两个配重块进行平衡，使配衡块沿着两个固定并且相互垂直的平衡头滑动，平衡快的质量大小可以改变，如图 2.12(b)，这种平衡转子离心力的方式称为双配重直角坐标方式。除了这两种方式还可以利用可以任意改变角度的两个固定质量大小的配重块，通过恰当的周向旋转，合成一个恰好与不平衡量相抵消的补偿力矢，来完成自动平衡。这种方式称为双配重固定半径极坐标方式。如下图 2.12(c)。平衡头力补偿的方式一般被分成这三种。.........第 3 章 自动平衡伺服控制方法 ..........173.1 伺服系统的工程实现 ...... 173.1.1 伺服系统的组成 .... 173.1.2 伺服系统的分类 .... 183.2 自动平衡控制方法 .......... 193.2.1 单校正面平衡 ........ 193.2.2 双面平衡方法 ........ 213.3 基于 80ST-M02430 电机的数学模型建立及矢量控制原理 ......... 233.4 本章小结 .......... 30第 4 章 自动平衡装置伺服控制系统的硬件电路设计.......314.1 自动平衡装置伺服控制系统硬件电路组成...........314.2 自动平衡装置中传感器的选用.......314.3 控制信号电路设计...........364.4 本章小结...........48第 5 章 伺服控制系统的软件设计与功能实现...........495.1 PC 机与单片5.1.1 上位机 VB 程序设计 .....505.1.2 下位机 C 语言程序设计 ........515.2 正弦脉宽调制信号（SPWM）程序设计 .......535.2.1 Qt 软件介绍.....535.2.2 正弦脉宽调制信号主程序设计......545.3 本章小结...........58第 5 章 伺服控制系统的软件设计与功能实现上一章比较详细的介绍了自动平衡装置伺服控制系统的硬件设计部分，本章将会从串口通讯和如何设计正弦脉宽调制信号两大方面加以介绍。在硬件设计时提到对专业技能的要求比较严格，因为一旦出错，将不可挽留，想要重新改动将会十分困难。对比之下进行软件设计时会灵活很多，一个系统能够正常工作必须依靠软硬件协同工作才能完成。因为软件编程的灵活性，所以当硬件设计出现某些缺陷时，可以利用软件的程序设计来弥补，使整个系统更加完善[49]。本课题设计的自动平衡装置伺服控制系统串口通讯部分上位机主要是利用 Visual Basic 6.0软件进行 VB 语言设计的程序。VB 可以在 Windows 系统直接进行编程设计，而且具有可视化的窗口，便于观察和理解，因此使用 VB 语言进行编程十分方便。现在VB 语言在很多领域都发挥着极为重要的作用。5.1 PC 机与单片机串口通信程序设计在单片机应用系统中，上位机与下位机一般都是独立编程，做后通过串口将他们联系起来，进行编程前首先要明确编程的目的，设计编程的流程，本实验中PC 机与单片机串口通信流程图如图 5.1 所示。串口通讯分为并行通信和串行通信两种形式，下面介绍一下串行通信的通讯方法，其中串行通信又包括 RS-232 和 RS-485 两种。串行通讯一般按照按位传送的方式进行二进制数据的传输。并且串行通讯的线路比较简易，一般只需要三条传输线即可，可用于分层，分级通信。而并行通讯因其多条线路可以同时进行数据传输，因此大大提高了效率，传输速度一般是串行通讯几倍甚至几十倍，但是并行通讯也有它的缺点，数据电压在传送过程中，标准电位容易受线路因素影响，致使数据传输的不准确，对整个系统的性能产生极大的影响，而对于传输数据的准确性来说，串行通讯的优势很明显，因为它一次只能传输一位，所以几乎不会出现错误，数据电压也只有一位便于后期数据处理。对比 S-232 和 RS-485 两种常用串行通信方式，RS-232 是最简易，线路连接也很简易，因此本课题选择它来完成数据的传输作业。本课题的系统数据传输距离较短，所以可忽略 RS-232 的抗干扰能力差的问题。下位机要将浮点数的十六进制传给上位机之前，首先要进行浮点数变换，变换示意图如图 5.2 所示，将其转化成十进制数。运算过程中将参加运算的数据和运算的中间结果存储在单片机的片内RAM 中。

........结 论本文通过对自动平衡装置的研究，解决了风机类转子自动平衡的基本问题，方法具有实用性和普遍性。根据自动平衡系统的总体方案设计以及自动平衡原理的分析，设计了风机类转子的自动平衡方案，进行了上位机与下位机的串口通讯设计，完成了程序设计并进行串口通讯实验，完成了伺服控制信号的设计，并进行了实验验证，最后通过伺服控制系统原理性验证实验，从原理上验证了本课题设计的伺服系统的可行性。现在将本文的主要结论归纳成以下几点：(1) 对转子不平衡的原理进行了深度剖析，针对不同情况分别建立了数学模型，结合实际理论提出了有效的解决办法 。对 PMSM 的控制原理进行了详细的论述并建立了数学模型加以剖析，对控制方法做了研究。(2) 设计自动平衡装置伺服控制系统的硬件电路。硬件电路的设计分为设计需求分析、原理图设计、PCB 设计，具体包括锁相倍频电路设计，电平转换电路设计，二进制全加器外围电路设计，光电隔离电路设计以及输出信号整型驱动电路设计和驱动板电路设计。(3) 自动平衡装置伺服控制系统的软件设计，主要包括 PC 机与单片机间的串口通信部分以及正弦脉宽调制信号生成程序设计部分。正弦脉宽调制信号生成程序设计，此部分和硬件电路设计一同为整个系统不可或缺的重要组成部分。(4) 依据正弦脉宽调制信号的产生原理设计了一种基于 Qt 软件的调制波幅值可调的正弦脉宽调制信号生成方法。(5) 对整个系统进行调试及完成串口通信、脉宽调制信号软件仿真等相关实验，并验证了系统的准确性和稳定性。(6) 本文最后对伺服控制系统进行了原理性验证实验，通过上位机向下位机发送控制命令，从而控制伺服电机转子与异步电机转子的相对位置。最终的实验结果表明整个系统进行联机后，80ST-M02430 伺服电机可以在该伺服系统的指令控制下平稳运行，成功的证明了该伺服控制系统的实用性。..........参考文献（略）