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| HT46R24 based气动马达转速控制器设计与制作 |
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MCU创意设计与应用设计（8）
【作者： 林柳絮,林憲陽】2008年01月14日 星期一
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前言
气压系统在产业自动化中，属于低成本自动化的领域，在各制造业中被广泛应用，如自动进料退料系统、包装机械、塑料射出机、IC插件机、高速研磨机等，对于省力化、少人化的自动生产系统，扮演着极重要且基本的角色，同时气压系统若搭配适当的机构、传感器及电动机控制即是机电整合(Mechatronics)。气压系统致动器依其运动方式之不同，可分为产生直线运动之气压缸、产生旋摆运动之气压旋摆器与产生回转运动之气压马达。其中气压马达(air motor)与电气马达相较，气压马达有如下特性：
- ●可以无限制的反复正逆转或停止、起动而不会烧毁。
- ●起动或停止时的切换无火花产生，无爆炸之虞。
- ●转速的选择范围大。
- ●受外界环境如湿气、气温、尘埃等因素的影响少。
- ●超负载时马达停止不会有烧毁之虞。
- ●重量、外型均较同马力之电气马达轻巧。
虽然气压马达有上述之优点，但是由于气体具有可压缩性、高摩擦力、易于泄漏、非线性等问题，所以气压马达的应用多属简单的开路控制，无法像电气马达进行精密伺服控制。●可以无限制的反复正逆转或停止、起动而不会烧毁。然而，近年来随着集成电路的快速发展，各种微计算机数字控制器的种类不断的推陈出新，与功能不断的增强；此外各种现代控制方法与理论也不断地提出，诸如模糊控制、类神经网络控制、适应性控制、强健性控制等，使得过去无法与不易进行的气压系统精密伺服控制，如今也有学者尝试以现代控制方法与理论来研究开发[1-8]。所以本文尝试使用HT46R24 AD-Type之微控制器，导入「?MCU平行处理」的观念，研究开发以微控制器为基础之气压马达伺服控制用之控制器，进而探讨微控制器于各种气压系统精密伺服控制应用上之可能性。
气动马达之动态模式
所以本文尝试使用HT46R24 AD-Type之微控制器，导入「?MCU平行处理」的观念，研究开发以微控制器为基础之气压马达伺服控制用之控制器，进而探讨微控制器于各种气压系统精密伺服控制应用上之可能性。
轮叶式气动马达动态模式[1-3]整理分析如下，在气动马达控制系统中主要由电磁阀与气动马达本体构成，由于电磁阀的电磁响应远快于气动马达气体响应，于此将忽略电磁阀的电磁响应，仅考虑气动马达气体响应。首先考虑气动马达入口处压力变化方程序为(公式一)：
其中， Pi为入口处压力， Vi为入口处气室体积， ei与hi为正值常数， ui为电磁阀输入电压值， fi为一非线性不连续函数，如下方程序所示(公式二):
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其中， Cp为定压比热， Cv为定容比热， Ti为气室温度，Y为k之非线性函数。相同地，气动马达出口处压力变化方程序为(公式四):
由于气动马达出入口处之压力变化，产生气动马转轴旋转运动，忽略气压泄漏因素，气动马达转动动态模式可以推导如下列方程序(公式五):
其中，Jl、Jr分别为负载与转子转动惯量，Bl、Bm分别为负载与马达阻尼，dl、dm分别为转子与空气摩擦阻力，Pa为大气压力，由以上的分析得知气动马达转动动态模式为一非线性时变函式。
气动马达控制系统架构
由于气动马达出入口处之压力变化，产生气动马转轴旋转运动，忽略气压泄漏因素，气动马达转动动态模式可以推导如下列方程序(公式五):
本文之气压马达转速控制系统，主要是由气压源、空气调理组、5口3位比例阀(FESTO MPYE-5-1/8)、快速排气阀(FESTO)、轮叶式气压马达(TONSON V1-L)、旋转光学编码器、控制器(内建HT46R24 MCU与转速转换电路)、个人计算机及相关运动控制卡(ADLINK 9112 )所构成。其系统架构图，如(图一)所示。经控制器内运算放大电路送出0~10V电压至比例阀，比例阀依输入电压大小控制高压空气进入气压马达之流量与方向，使气压马达按照期望之转速与方向运转，最后经由光学编码器的量测，送出方波讯号至速度转换电路经由HT46R24 MCU计时/计数器计算出气压马达转速并转换为模拟电压讯号传输至控制驱动电路，控制器根据此回授转速值与内建控制法则(control law) ，调整输出模拟电压讯号进而达到气压马达转速闭回路控制。其中位于气动马达出入口之2只快速排气阀，其功能是使气动马达排气不再经由5/3气压比例阀排气，而是经由快速排气阀较大口径排气口排气，由于气动马达排气是经由最短路径排放，阻力最小，气动马达背压减小，因此气动马达转速大幅增加。气动马达转速闭回路控制方块图，如(图二)所示。
其中位于气动马达出入口之2只快速排气阀，其功能是使气动马达排气不再经由5/3气压比例阀排气，而是经由快速排气阀较大口径排气口排气，由于气动马达排气是经由最短路径排放，阻力最小，气动马达背压减小，因此气动马达转速大幅增加。气动马达转速闭回路控制方块图，如(图二)所示。
HT46R24 Based 控制器电路图
本文之气压马达伺服控制用控制器，主要是由控制驱动电路与速度转换电路所构成，分述如下:
控制驱动电路是由HT46R24 MCU、数字转模拟电路与运算放大电路所构成，方块图如(图三)所示，电路图如(图四)所示。功能分述如下：
- ●HT46R24 MCU：担任主控制器的任务，判断手动/自动控制，读取输入电压值，计算转速并输出(8 bits)讯号。
- ●DAC电路：采用R-2R Ladder DAC 电路，简单、稳定，不怕干扰。
- ●放大电路：使用741运算放大器将0~5V电压放大0~10V，送至比例阀。
速度转换电路
速度转换电路，主要是由HT46R24 MCU、数字转模拟电路与脉波计数电路所构成，方块图如(图五)所示，电路图如(图六)所示。功能分述如下：
- ●脉波计数电路：使用2个串接74193计数IC电路，来读取光学旋转编码器脉波。
- ●HT46R24 MCU：读取脉波计数电路送来之计数值，使用HT46R24 MCU之Timer0 以中断方式产生计数所需之取样时间(Sampling time)，计算转速值并输出对应转速之电压值(8 bits)。
- ●DAC电路：采用R-2R Ladder DAC 电路，简单、稳定，不怕干扰。
| 《图五 速度转换电路方块图》 - BigPic:567x270 |
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| 《图六 速度转换电路图》 - BigPic:592x322 |
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实验结果
速度转换电路图
为了测试与验证本文所提出之HT46R24 Based 控制器之性能与可行性，本文进行下列仿真与实验。首先选择比例阀开度60%(8V)之气动马达动态为常态系统(nominal plant) ，其转移函式为(公式六)：
系统性能边界
设定系统于低频有50%的扰动，高频有200%的扰动，系统不确定上边界为(公式八)
根据Hinf控制理论[9-10]，使用Matlab软件演算可获得满足强健性能条件之PI控制器(公式九)
并使用此控制器进行数值仿真，(图七)显示控制系统之单位步阶响应，结果显示系统稳态误差均小于5%，安定时间约为0.3秒，显示系统有良好时域性能。
| 《图七 仿真之步阶响应》 - BigPic:560x420 |
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| 《图八 不同操作点之步阶响应》 - BigPic:560x420 |
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结论
仿真之步阶响应
本文使用HT46R24 AD-Type 微控制器，导入「?MCU平行处理」的观念，设计制作以微控制器为基础之气压马达伺服控制用控制器，并采用强健性控制理论，设计气动马达转速控制法则，进行气动马达转速强健性控制，从实验的结果与过程中，可得下列结论：
（1）本文所使用的控制方法与硬件电路，在控制精度上，皆可以控制在5%之内，在瞬时反应上，大约0.3秒即达安定时间，故具很高控制性能。
（3）使用高性能低价的微控制器构成感测与驱动电路，检修容易具成本优势，符合工业需求。
综合以上所述，证明本文所提之控制方法与硬件之可行性与优越性。
（3）使用高性能低价的微控制器构成感测与驱动电路，检修容易具成本优势，符合工业需求。
本文给出电源设计中如何利用低端栅极驱动器IC的设计指南。其中包括如何选择适当的驱动器额定电流及功能，驱动器需要哪些支持组件，以及如何估算损耗和结温。在开关电源设计中，通过正确运用栅极驱动器IC，能够提高效率、减小尺寸并简化设计。
＜作者为德霖技术学院机械工程学系讲师、副教授＞
[2]S. R. Pandian and F. Takemura, Control Performance of an Air Motor, Proceeding of the IEEE Int. Conference on Robtics and Automation, Michigan, pp. 518-524, May 1999.
[3]F. Takemura, S. R. Pandian and Y. Nagase, Control of a Hybrid Pneumatic /Electric Motor, Proceeding of the IEEE/RSJ Int. Conference on Intelligent Robots and System, pp. 209-214, 2000.
[4]J. Wang, J. Pu, C. B. Wong and P. R. Moore, Robust Servo Motion Control of Air Motor Systems, Proceeding of UKACC Int. Conference on Control, pp.90-95, 1996.
[5]R. Marumo, M. O. Tokhi, Neural-Model Reference Control of an air Motor, IEEE AFRICON, pp.467-472, 2004.
[6]R. Marumo, M. O. Tokhi, Intelligent Modeling andcontrol of a Pneumatic Motor, IEEE CCECE, pp.1163-1166, 2004.
[7]李仁森，气动马达定速控制，硕士论文，中央大学机械系，2005。
[8]许云峰，气动马达的适应性控制，硕士论文，台湾大学机械系，2006。
[9]J. C. Doyle, B. A. Francis, and A. R. Tannenbaum, Feedback Control Theory, Macmillan Publishing Company, New York, 1992.
[10]Kemin. Zho, Essential of Robust Control, Prentice Hall Publishing Company, New York, 1998.
[11]钟启仁,HT46XX微控制器理论与实务宝典,全华科技图书公司.
[12]HT-IDE3000使用手册,盛群半导体股份有限公司.
[13]HT46R24规格手册,盛群半导体股份有限公司.
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