3658 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì),功率,直流,伺服系統(tǒng),控制電路,設(shè)計(jì) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 小 論 文 ） 第 I 頁(yè) 共 I 頁(yè)南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(小論文)作 者 : 武曉華學(xué) 號(hào)：05010237系 　 部 : 機(jī)械工程系專 業(yè) : 機(jī)械工程及自動(dòng)化題 目 : 直流伺服系統(tǒng)指導(dǎo)者 王榮林 助教 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 小 論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 6 頁(yè)摘要 隨著伺服技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛于各行各業(yè)。從軍用行業(yè)，到民用行業(yè)，再到航空航天。直流電動(dòng)機(jī)由于具有良好的調(diào)速特性、較寬廣的調(diào)速范圍，長(zhǎng)期以來(lái)在要求調(diào)速的地方，特別是對(duì)調(diào)速性能指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合。所以研究小功率直流伺服系統(tǒng)具有一定應(yīng)用意義。關(guān)鍵詞 伺服系統(tǒng) 小功率電機(jī)控制 1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)況伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一類。它是伴隨電的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的，最早出現(xiàn)于本世紀(jì)初。1934 年第一次提出了伺服機(jī)構(gòu)這個(gè)詞，隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，到本世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)的理論與實(shí)踐均趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用。近幾十年來(lái)在新技術(shù)革命的推動(dòng)下，特別是伴隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，伺服系統(tǒng)更是如虎添翼突飛猛進(jìn)。它的應(yīng)用幾乎遍及社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，下面簡(jiǎn)單地列舉幾例。伺服系統(tǒng)在機(jī)械制造行業(yè)中用得最多最廣，各種機(jī)床運(yùn)動(dòng)部分的速度控制、運(yùn)動(dòng)軌跡控制、位置控制等，都是依靠各種伺服系統(tǒng)控制的。它們不僅能完成轉(zhuǎn)動(dòng)控制、直線運(yùn)動(dòng)控制，而且能依靠多套伺服系統(tǒng)的配合，完成復(fù)雜的空間曲線運(yùn)動(dòng)的控制，如仿型機(jī)床的控制、機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制等。它們可以完成的運(yùn)動(dòng)控制精度高，速度快，遠(yuǎn)非一般人工操作所能達(dá)到 [1]。在冶金工業(yè)中，電弧煉鋼爐、粉末冶金爐等的電極位置控制，水平連鑄機(jī)的拉坯運(yùn)動(dòng)控制，軋鋼機(jī)軋輥壓下運(yùn)動(dòng)的位置控制等，都是依靠伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些更是無(wú)法用人工操作來(lái)代替。在運(yùn)輸行業(yè)中，電氣機(jī)車(chē)的自動(dòng)調(diào)速、高層建筑中電梯的升降控制、船舶的自動(dòng)操舵、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛等，都由各種伺服系統(tǒng)為之效力，從而減緩操作人員的疲勞，同時(shí)也大大提高了工作效率。在軍事上，伺服系統(tǒng)用得更為普遍，如雷達(dá)天線的自動(dòng)瞄準(zhǔn)跟蹤控制，高射炮、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射架的瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制，坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制，防空導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制，魚(yú)雷的自動(dòng)控制等。在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中，也采用了不少伺服系統(tǒng)，如自動(dòng)繪圖儀的畫(huà)筆控制系統(tǒng)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 小 論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 6 頁(yè)如今，我國(guó)已成為世界上少有的幾個(gè)能產(chǎn)生激光電視放像系統(tǒng)的國(guó)家，用激光將信息錄制在光盤(pán)上 [2]。許多信息在電視機(jī)上構(gòu)成一幅畫(huà)面，放像過(guò)程是用很細(xì)的激光束沿信息道讀取信息，各種信息道之間的間隔已達(dá)微米級(jí)，因此控制激光束的位置伺服系統(tǒng)也具有響應(yīng)的控制精度，以保證獲取清晰穩(wěn)定的畫(huà)面。這種具有高精度伺服系統(tǒng)的激光電視放像機(jī)，已開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)人民的家庭生活。2 伺服系統(tǒng)的作用、組成及分類在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸入量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件(或稱執(zhí)行元件)組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測(cè)裝置，反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱直流電機(jī))伺服系統(tǒng)，交流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱交流電機(jī))伺服系統(tǒng)……。按控制方式劃分，有開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等 [3]。(1) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)主要是由驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行元件和負(fù)載三大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，用電液脈沖馬達(dá)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的信號(hào)。(2) 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)主要是由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載五部分組成。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件將負(fù)載移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤(pán)等。通常把安裝在絲杠上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 小 論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 6 頁(yè)誤差為零。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反饋檢測(cè)方式，閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)三種。由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)非常微弱，不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，故需對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路正是為此而設(shè)置的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào)，即來(lái)自比較環(huán)節(jié)的跟隨信號(hào)誤差，將表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動(dòng)電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的 [4]。(3) 開(kāi)環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和區(qū)別開(kāi)環(huán)系統(tǒng)是沒(méi)有輸出反饋的一類控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入直接供給控制器，并通過(guò)控制器堆受控對(duì)象產(chǎn)生控制作用。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、容易維修，缺點(diǎn)是精度低，容易受環(huán)境變化的干擾(例如電源波動(dòng)、溫度變化等)影響。在工業(yè)與國(guó)防等要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，絕大多數(shù)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)方案都是采用反饋原理，其輸出的全部或部分被反饋到輸入端。輸入與反饋信號(hào)比較后的差值(即偏差信號(hào))加給控制器，然后再調(diào)節(jié)受控對(duì)象的輸出，從而形成閉環(huán)控制電路。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為反饋控制系統(tǒng)，這種反饋成為負(fù)反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，包括精度高、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)等，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、價(jià)格比較貴、維修人員要求文化素質(zhì)高 [5]。3 小功率電機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)由于具有良好的調(diào)速特性、較寬廣的調(diào)速范圍，長(zhǎng)期以來(lái)在要求調(diào)速的地方，特別是對(duì)調(diào)速性能指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合，例如軋鋼機(jī)、龍門(mén)刨和高精度機(jī)床等中得到了廣泛的應(yīng)用 [6]。以前直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用直流發(fā)電機(jī)組供電，不僅重量大，效率低，占地多，而且控制的快速性比較差，維護(hù)也比較麻煩。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，已普遍采用了由晶閘管整流器供電的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用來(lái)取代以前廣泛采用的交流電動(dòng)機(jī)——直流發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng)。特別是廣泛采用本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 小 論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 6 頁(yè)了由集成電路運(yùn)算放大器構(gòu)成的電子調(diào)節(jié)器后，晶閘管整流器供電的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了直流發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng)。近年來(lái)在微處理機(jī)研制方面的重大進(jìn)展，更為實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化和高精度創(chuàng)造了條件 [7]。另外，各種小功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍是由它本身所具有的特性決定的。在各類小功率電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最廣泛，這是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，價(jià)格低廉，很少需要維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，噪聲和震動(dòng)小，并有各種轉(zhuǎn)速和容量等級(jí)可供選用。它的缺點(diǎn)是調(diào)速不大方便。小功率同步電動(dòng)機(jī)不需要滑環(huán)，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，它具有恒定的轉(zhuǎn)速，主要用于需要轉(zhuǎn)速恒定的場(chǎng)合，如鐘表、定時(shí)器等。其中磁阻和磁滯兩種型式的力能指標(biāo)較低。除了低速的儀用永磁同步電動(dòng)機(jī)和磁滯電動(dòng)機(jī)能自行起動(dòng)外，磁阻式和一般的永磁式同步電動(dòng)機(jī)都需要在轉(zhuǎn)子上安裝起動(dòng)籠 [8]。4 電子電路的特點(diǎn)電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路 4 個(gè)時(shí)代，新的電子器件出現(xiàn)使電子電路發(fā)生了很大的變化，但就電路理論來(lái)說(shuō)，發(fā)展卻相對(duì)較慢，基本的電路理論和分析方法已經(jīng)比較成熟 [9]。電子技術(shù)中所涉及的電路雖然很多，但將其按功能分類，一般可以分為信號(hào)產(chǎn)生電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)變換電路、信號(hào)存儲(chǔ)電路、信號(hào)運(yùn)算與處理電路、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路和電源電路等 [10]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，器件和電路的性能會(huì)越來(lái)越好，同樣的電路或系統(tǒng)，可以采用不同的器件和功能電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就要求設(shè)計(jì)者進(jìn)行綜合考慮，從而提高性能，降低成本 [11]。5 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)用于不同的目的，要求也往往不一樣。但自動(dòng)控制技術(shù)是研究各類控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門(mén)技術(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)有一個(gè)共同的需求，一般可歸結(jié)為穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速 [12]。(1) 穩(wěn)定性 由于系統(tǒng)往往存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時(shí)，將本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 小 論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 6 頁(yè)會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力 [13]。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。(2) 快速性 這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的?？焖傩允侵府?dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過(guò)程的快速程度。(3) 準(zhǔn)確性 是指在調(diào)整過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。例如數(shù)控機(jī)床精度越高，則加工精度也越高。由于受控對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求各有側(cè)重，例如，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性提出較嚴(yán)格的要求。同一系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快有時(shí)是相互制約的。快速性好，可能會(huì)有強(qiáng)烈振蕩；改善穩(wěn)定性，控制過(guò)程又可能過(guò)于遲緩，精度也可能變差。這就要求我們必須分析和解決這些矛盾。6 總結(jié)上述的各種控制策略基本上都是根據(jù)經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論提出來(lái)的，它們都依賴于電機(jī)的模型，當(dāng)模型受到參數(shù)變化和擾動(dòng)作用的影響時(shí)，系統(tǒng)的性能將受到很大的影響 [14]。現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)對(duì)控制的要求是響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的高性能控制是滿足這些要求的關(guān)鍵因素 [15]。因此，現(xiàn)代高精度交流伺服系統(tǒng)要取得良好的控制性能，各種控制策略必須互相滲透，形成各種互補(bǔ)的復(fù)合控制策略。這樣可以控制各種單一控制策略本身的缺點(diǎn)，更好地滿足伺服系統(tǒng)的控制需要。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 小 論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 6 頁(yè)參 考 文 獻(xiàn)[1] 鄭靜.小功率伺服無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,(3).[2] 何希才.常用電子電路(應(yīng)用 365 例)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006-9[3] 邵瑜.一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J]. 微電機(jī),2008,(8). 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Salah, M. McIntyre, D. Dawson, J.Wagner克萊姆森，克萊姆森大學(xué)電氣與機(jī)械工程學(xué)院編號(hào)：29634E-mail: msalah@ces.clemson.edu摘要：本文闡述的是，為了使壓電驅(qū)動(dòng)器更好的工作，而對(duì)一種以遲滯模型為基礎(chǔ)的非線性魯棒控制方法進(jìn)行了改進(jìn)。該改進(jìn)利用李雅普諾夫?yàn)榛A(chǔ)的穩(wěn)定性分析，以確保理想的位移軌跡是準(zhǔn)確地跟蹤。模擬結(jié)果被提出并加以討論以證明有效控制策略的可行性。1 引言以壓電陶瓷（PZTA）為基礎(chǔ)的系統(tǒng)正在越來(lái)越明確的成為一種非常重要的精確定位的技術(shù)，無(wú)論是在科學(xué)和工業(yè)上，都得到了廣泛的關(guān)注。這些器件能完成高精度驅(qū)動(dòng)任務(wù)。由于其高剛度，響應(yīng)速度快，分辨率極大等特點(diǎn)，他們往往利用在機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中 [19]，并可以用來(lái)作為傳感器或執(zhí)行器等系統(tǒng)。PZTA 的優(yōu)點(diǎn)[14]包括： 1）無(wú)磨損，2）高效率，3）幾乎是無(wú)限小的定位能力，4）超快速擴(kuò)張，還有 5）有能力提供大驅(qū)動(dòng)力量。這些微定位元素在許多重要的應(yīng)用發(fā)揮了巨大作用，如掃描隧道顯微鏡 [31]，掃描探針顯微鏡 [9], [23]，激光應(yīng)用 [29]，及液壓伺服控制系統(tǒng) [5]等等。盡管 PZTA 在微型定位系統(tǒng)中有不可取代的優(yōu)點(diǎn)，但是，由于它們由鐵電體和陶瓷材料組成，驅(qū)動(dòng)器的定位反應(yīng)會(huì)表現(xiàn)出一種強(qiáng)大的歇斯底里的活動(dòng)。具體地說(shuō)，一個(gè)應(yīng)用電壓是典型的啟動(dòng) PZTA 的輸入控制信號(hào)，但是萬(wàn)一該輸入控制電壓是比較大的情況下，PZTA 會(huì)出現(xiàn)大量的失真，這是由于裝置中固有的滯后現(xiàn)象。這種效應(yīng)可能會(huì)在反饋控制等方面降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [26]。由于這一非線性行為，我們可以想象在使用 PZTA 進(jìn)行精確跟蹤控制時(shí)的困難。因此，在非線性控制策略中，都需要使用 PZTA 的微型定位與跟蹤系統(tǒng)。過(guò)去 PZTA 研究集中于建立精確的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)模型 [3]，[18]，[30] ，而其他的研究都集中在發(fā)展主動(dòng)控制策略，用于精密定位和跟蹤應(yīng)用系統(tǒng) [13]，[14]，[19]，[25]，[27] 。在第[12]篇參考文獻(xiàn)中，作者們對(duì)于建立 PZTA 的動(dòng)力學(xué)模型問(wèn)題提供了一個(gè)簡(jiǎn)明的文獻(xiàn)綜述。由于 PZTA 低能的非線性性質(zhì)，最近的著作側(cè)重于開(kāi)發(fā)新模型來(lái)替代它，以避免其內(nèi)部的遲滯現(xiàn)象。在第 [30]篇文獻(xiàn)中，作者將非線性彈簧單元引入遲滯模型，并利用了麥克斯韋滑動(dòng)構(gòu)造，而 [16]的作者將其用于支持向量回歸的非線性模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 [17]和 [22]的作者發(fā)現(xiàn)，如果控制輸入是電荷，而不是外加電壓，用電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) PZTA 的線性補(bǔ)償是可以實(shí)現(xiàn)的。 Furutani 等人的 [10]通過(guò)將電荷反饋與逆?zhèn)鬟f函數(shù)補(bǔ)償相結(jié)合，能改進(jìn) PZTA 的控制策略。 Vautier 和 Moheimani的 [26]表明，采用一種電荷控制，PZTA 的非線性效果的影響能被有效地降低，另外他們還提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明使用電荷控制的效率。此外，Main 等的 [21]同時(shí)呈獻(xiàn)了電壓和電荷控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明，在相同條件下，電荷控制相比電壓控制有更好的線性和更低的遲滯性。在第 [20]篇文獻(xiàn)中，作者提出了一種新的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述復(fù)雜的滯后性，它基于一個(gè)新的參數(shù)，即 PZTA 的轉(zhuǎn)折電壓。在論文中，作者們能夠利用這個(gè)參數(shù)，以遏制固有的滯后性，以符合 PZTA 的±1%充分跨度范圍。Shieh 等人的 [24]制定了一個(gè)建立在魯格里模型的功能基礎(chǔ)上的參數(shù)化滯遲摩擦函數(shù)，以描述 PZTA 的遲滯特性。因此，這些研究人員能夠設(shè)計(jì)出一種擁有參數(shù)自適應(yīng)算法的合適的位移跟蹤控制。在 [3]中，Bashash 和 Jalili 提出了擾動(dòng)估計(jì)技術(shù)，以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)非線性和未建模 PZTA 的動(dòng)力學(xué)。在著作中， [3] 的作者們通過(guò)對(duì)由含有電容式位置傳感器的PZTA 的納米級(jí)的驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述提出的模型。其他的研究在文獻(xiàn)中，重點(diǎn)發(fā)展為精確控制 PZTA 的智能控制計(jì)劃。一些這樣的設(shè)計(jì)都是基于逆遲滯模型，其被假設(shè)為預(yù)先驗(yàn)證的，所以前饋技術(shù)可以被利用在控制的設(shè)計(jì)中 [2],[18]。其他的，如 [4],[6],[13],[14]等，應(yīng)用了反饋線性化，以補(bǔ)償遲滯動(dòng)態(tài)，然后實(shí)施跟蹤控制器。Wu 和 Zou 在 [28]中介紹了基于反轉(zhuǎn)的迭代控制方法，以彌補(bǔ)在高速、大范圍的追蹤中滯后和振動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制也被使用于對(duì) PZTA 遲滯非線性的建模和控制 PZTA 的微觀運(yùn)動(dòng) [14]，[27] 。在 [19]中，作者提出了一個(gè)精確定位跟蹤的有效控制策略。要實(shí)施這些管制法，只需要一個(gè)估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的知識(shí)和相應(yīng)的約束，以及包括擾亂的滯后效應(yīng)的上下限。在 [25]中，Stepanenko 等人推出并實(shí)施了一個(gè)近似的函數(shù)，并由模糊邏輯技術(shù)補(bǔ)償遲滯非線性。在這篇文獻(xiàn)中，PZTA 的位移被緊密的跟蹤控制以獲得期望的軌跡。一種非線性有效控制策略在 PZTA 的電荷反饋和遲滯模型的部分知識(shí)基礎(chǔ)上被改進(jìn)。電荷控制消除 PZTA 滯后性影響的辦法，并提供在上的更好的有效控制 [1] 。通過(guò)對(duì)嵌入在 PZTA 電路中的電容的電壓測(cè)量，該電荷測(cè)量方法得到了確認(rèn)。以李雅普諾夫?yàn)榛A(chǔ)的分析，證明了精確跟蹤能被利用于改進(jìn)該控制策略。模擬結(jié)果呈獻(xiàn)出來(lái)，都表明了主動(dòng)控制辦法是切實(shí)可行的。本文的組織結(jié)構(gòu)如下：在第 2 條中，基于科爾曼-赫吉敦的遲滯模型隨壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及所需的對(duì)系統(tǒng)的假設(shè)一起被呈獻(xiàn)。在第 3 條中，非線性有效控制計(jì)劃方案被改進(jìn)，而與穩(wěn)定性分析驗(yàn)證壓電理想位移能夠被有效的跟蹤。在第 4 條中，模擬結(jié)果被給出以證明有效控制策略。最后，第 5 節(jié)是結(jié)束語(yǔ)。2 PZTA 系統(tǒng)模型2.1 PZTA 的伸長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)圖 1．輸入電壓導(dǎo)致 PZTA 伸長(zhǎng)示意圖如圖 1 所示，擁有單一伸長(zhǎng)軸的 PZTA，可以動(dòng)態(tài)地描述為：（1）pLFym???式中，m ∈R 表示 PZTA 的質(zhì)量，L ∈R 表示沒(méi)被激活前 PZTA 的長(zhǎng)度，F(xiàn) p (t) ∈ R 表示由于 PZTA 伸長(zhǎng)產(chǎn)生的力， 表示作用在 PZTA 上的垂直力，??L??,表示位移、速度和加速度，分別是 PZTA 伸長(zhǎng)的有效參數(shù)。??Rtyt?)(,?PZTA 的等效電路模型如圖 2 所示：圖 2．PZTA 的等效電路模型在這幅示意圖中，V(t) ∈R 表示輸入的控制電壓， 表示通過(guò) PZTA 的Rtq?)(?電流，因?yàn)?。另外， 是一個(gè)串聯(lián)電容器，它方便了通過(guò)測(cè)量穿)(tqi????Cm過(guò) 的電壓 而實(shí)現(xiàn)對(duì) 的測(cè)量，因?yàn)?。在圖二中，H 顯示mCV?t)( mVC?電路元件在電壓 和感應(yīng)電荷 q(t)之間的固有的滯后傾向，一個(gè)隨后的部分Rth)(將更進(jìn)一步確定滯后模型。參數(shù) 是 PZTA 的內(nèi)部電容， 是通過(guò)??Cc Rtq?)(?的電流，而 是穿過(guò)電容的電壓。最后， Tem 指示的電路元件代表后來(lái)cCtVc)(確定的伸長(zhǎng)模型，而 是與伸長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)[19]。另外， 表示流過(guò)RTem tp)(?支路的電流。2.2 遲滯模型我們定義一個(gè)非線性的遲滯模型 ，用它來(lái)描述輸入電壓 與驅(qū)RVHh?)( )(tVh動(dòng)電荷 之間的關(guān)系。對(duì)于這篇文章來(lái)說(shuō)，一個(gè)基于杜赫姆的滯后模型可以被定)(tq義作為 [8]：(2))()()(hhhVdfVq???式中， 是一個(gè)后來(lái)確定的信號(hào)。 變量 被定義作為：RVfh?)(式中， 是在 時(shí)刻的驅(qū)動(dòng)電荷， 是在 時(shí)刻的輸入電壓，Rq?00t?RVh?00t?是一個(gè)常數(shù)，而 是 與輸入電壓 有關(guān)的偏導(dǎo)數(shù)，參數(shù)??Rf?)(?)(f )(h， 以及 有以下性質(zhì) [7]：)(hVd)(hfgh性質(zhì) 1：函數(shù) 是分段光滑，單調(diào)遞增，而且是奇函數(shù)。V性質(zhì) 2：函數(shù) 分段連續(xù)，而且是偶函數(shù)。)(h性質(zhì) 3：函數(shù) 是已知的，而、而且是可逆的，例如 ，f )(hVf?。)(1hhVf??性質(zhì) 4： 的與 有關(guān)的偏導(dǎo)數(shù)不為零，因此，)hf )(.,)(hhVfeit?，其中， 是常量。0)(????f ??R0性質(zhì) 5：函數(shù) 有一個(gè)有限的上限 ，式中，)(hVg )()(.,???gfei)()(hhVf??性質(zhì) 6：函數(shù) 的范圍由下式限制：)(hd（5）d??式中， 是一個(gè)常量（證明請(qǐng)參閱附錄一） 。??Rd?2.3 伸長(zhǎng)模型我們用兩個(gè)線性關(guān)系來(lái)模仿 PZTA 的伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。其中一個(gè)模仿了驅(qū)動(dòng)伸長(zhǎng)軸位移 的電荷 的作用，并由下式給出：)(ty)(tqp(6)yTqemp?另一個(gè)關(guān)系將由伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力 描述成一個(gè)有電壓 表示的函數(shù) [19]，)(tF)(tVc并由下式給出：(7)cempVT?在式（6）和（7）中， 是 PZTA 固有的伸長(zhǎng)常量。emT2.4 動(dòng)態(tài)模型與假設(shè)為方便以后的控制目的，一個(gè)動(dòng)力學(xué)的，與伸長(zhǎng)軸位移 y(t)相關(guān)的表達(dá)方式應(yīng)該被給出，并且應(yīng)該由作用在 PZTA 的驅(qū)動(dòng)電荷 q(t)來(lái)表示函數(shù)。有了這樣一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型的工作的有點(diǎn)是很明顯的，因?yàn)樗倭诉t滯的限制，關(guān)于這點(diǎn)我們已經(jīng)在以前討論過(guò)了 [10]，[21] ，[26] 。由圖二中我們可以看出，驅(qū)動(dòng)電荷可以明顯地被表達(dá)為：(8)pcqVCq??從上式可以看出，式（1）的表達(dá)可以改寫(xiě)為：(9)qTFymcemL?????????式中我們用到了式（6）和（7） ，變量 由下式定義：RyL?),(? （10）yCTFcemL????????2為了便于跟蹤控制的設(shè)計(jì)，我們給出以下三個(gè)假設(shè)：假設(shè) 1：我們假定 PZTA 的參數(shù)以及其他的參數(shù)如 m， 和 都是已知的，CemT而且隨時(shí)間變化維持常量。假設(shè) 2：假定 PZTA 有效點(diǎn)的速度 和位移量 y(t)都是可測(cè)的。)(ty?假設(shè) 3：假定力 以及一介導(dǎo)數(shù) 都是有界的， （),(yFL? ),yFL?，而 ）??yFeiL),(.,? ??tty(),( 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)系 　 　 　 部 ： 機(jī)械工程系專 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué) 生 姓 名： 武曉華學(xué) 號(hào)：05010237設(shè) 計(jì) (論 文 )題 目 ： 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)起 迄 日 期 : 2009 年 3 月 9 日—6 月 14 日設(shè)計(jì) (論文 )地點(diǎn) : 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院指 導(dǎo) 教 師 :專 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人 :發(fā)任務(wù)書(shū)日期: 2009 年 2 月 26 日任務(wù)書(shū)填寫(xiě)要求1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)由指導(dǎo)教師根據(jù)各課題的具體情況填寫(xiě)，經(jīng)學(xué)生所在專業(yè)的負(fù)責(zé)人審查、系部領(lǐng)導(dǎo)簽字后生效。此任務(wù)書(shū)應(yīng)在第七學(xué)期結(jié)束前填好并發(fā)給學(xué)生；2．任務(wù)書(shū)內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書(shū)寫(xiě)，禁止打印在其它紙上后剪貼；3．任務(wù)書(shū)內(nèi)填寫(xiě)的內(nèi)容，必須和學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）完成的情況相一致，若有變更，應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)所在專業(yè)及系部主管領(lǐng)導(dǎo)審批后方可重新填寫(xiě)；4．任務(wù)書(shū)內(nèi)有關(guān)“系部” 、 “專業(yè)”等名稱的填寫(xiě)，應(yīng)寫(xiě)中文全稱，不能寫(xiě)數(shù)字代碼。學(xué)生的“學(xué)號(hào)”要寫(xiě)全號(hào)；5．任務(wù)書(shū)內(nèi)“主要參考文獻(xiàn)”的填寫(xiě)，應(yīng)按照國(guó)標(biāo) GB 7714—2005《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的要求書(shū)寫(xiě)，不能有隨意性；6．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo) GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：（1）引導(dǎo)學(xué)生自覺(jué)地將知識(shí)學(xué)習(xí)與科學(xué)、技術(shù)、工程研究相結(jié)合，學(xué)會(huì)查找并利用相關(guān)的文獻(xiàn)資料，基本掌握科學(xué)研究的思路、方法和手段；（2）提高學(xué)生的實(shí)踐能力和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)與敬業(yè)精神；（3）培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)拼搏精神，使學(xué)生能更好地熔入社會(huì)；（4）學(xué)會(huì)撰寫(xiě)科技論文報(bào)告。2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：要求學(xué)生應(yīng)用學(xué)過(guò)的模擬電路、控制理論等知識(shí)，根據(jù)題目的要求，設(shè)計(jì)小功率直流伺服系統(tǒng)的控制電路，控制電機(jī)工作。要求：1. 清楚控制對(duì)象的工作情況； 2. 控制信號(hào)可以是直流的，也可以是交流的； 3. 根據(jù)執(zhí)行電機(jī)的功率估算放大器各級(jí)所選的元件參數(shù)；4. 控制電路要保證電機(jī)能在正、反二個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；5. 完成控制電路實(shí)驗(yàn)（如果能帶動(dòng)電機(jī)工作更好） ；6. 分析直流伺服系統(tǒng)的工作特點(diǎn)；7. 執(zhí)行電機(jī)的參數(shù)如下表電機(jī)型號(hào) 額定功率 額定電流 額定電壓S221D 36W 1.5A 24V測(cè)速機(jī) 輸出電壓 轉(zhuǎn)速 線性精度30CY-1 15V 3000r/m 1％畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕：課題成果內(nèi)容包括：1. 完成小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)；2. 完成小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路的實(shí)驗(yàn)；3. 應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪制小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路圖并注明參數(shù)；4．主要參考文獻(xiàn)：[1] 何希才.常用電子電路（應(yīng)用 365 例）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006. [2] 楊興瑤等.新編實(shí)用電子電路 500 例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007. [3] 章燕申，袁曾任等.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992.[4] 馮國(guó)楠.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.[5] 曾樂(lè)生，施妙和.隨動(dòng)系統(tǒng)[M].北京：北京工業(yè)學(xué)院出版社，1988.[6] 胡家耀，趙雅君. 現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)[M].北京：輕工業(yè)出版，1990.[7] 孫輝，張濤，張旭東.快學(xué)易學(xué) Protel 99[M] .北京：郵電大學(xué)出版社，2001.[8] 王遠(yuǎn).模擬電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997.[9] 王耀德.交直流電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.[10] 王炳欽.集成電路應(yīng)用原理[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1994.[11] 邵瑜，李聲晉，蘆剛.一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2008,(8). [12] 李超，李波.一種實(shí)用型直流電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008,(15). [13] 鄭靜,渠慎豐.小功率伺服無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2006,(3). 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容2009 年3 月 9 日 ~ 3 月 28 日3 月 29 日 ~ 4 月 15 日4 月 16 日 ~ 5 月 15 日5 月 16 日 ~ 6 月 8 日6 月 9 日~ 6 月 14 日學(xué)生查資料，根據(jù)題目寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告（文獻(xiàn)綜述） 、翻譯一篇與題目相關(guān)的外文資料根據(jù)題目的要求，制定出初步的放大器原理方案根據(jù)修改后的設(shè)計(jì)方案，做實(shí)驗(yàn)用 Protel 畫(huà)最終的電路，并完成畢業(yè)論文論文答辯所在專業(yè)審查意見(jiàn)：負(fù)責(zé)人： 年 月 日系部意見(jiàn)：系部主任： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名： 武曉華學(xué) 號(hào)：05010237專 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動(dòng)化設(shè)計(jì) (論文 )題目 ： 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)指 導(dǎo) 教 師 : 王榮林2009 年 3 月 22 日開(kāi)題報(bào)告填寫(xiě)要求1．開(kāi)題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述” ）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)及所在專業(yè)審查后生效；2．開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書(shū)寫(xiě)或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁(yè)上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)；3． “文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書(shū)寫(xiě)（或打印）在本開(kāi)題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫(xiě)文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15 篇（不包括辭典、手冊(cè)） ；4．有關(guān)年月日等日期的填寫(xiě)，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo) GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書(shū)寫(xiě)。如“2008 年 3 月 15 日”或“2008-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述摘要 隨著伺服技術(shù)的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛于各行各業(yè)。從軍用行業(yè)，到民用行業(yè)，再到航空航天。直流電動(dòng)機(jī)由于具有良好的調(diào)速特性、較寬廣的調(diào)速范圍，長(zhǎng)期以來(lái)在要求調(diào)速的地方，特別是對(duì)調(diào)速性能指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合。所以研究小功率直流伺服系統(tǒng)具有一定應(yīng)用意義。關(guān)鍵詞 伺服系統(tǒng) 閉環(huán)系統(tǒng) 小功率電機(jī)控制 直流電動(dòng)機(jī)1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)況伺服系統(tǒng)是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一類。它是伴隨電的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的，最早出現(xiàn)于本世紀(jì)初。1934 年第一次提出了伺服機(jī)構(gòu)這個(gè)詞，隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，到本世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)的理論與實(shí)踐均趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用。近幾十年來(lái)在新技術(shù)革命的推動(dòng)下，特別是伴隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，伺服系統(tǒng)更是如虎添翼突飛猛進(jìn)。它的應(yīng)用幾乎遍及社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，下面簡(jiǎn)單地列舉幾例。伺服系統(tǒng)在機(jī)械制造行業(yè)中用得最多最廣，各種機(jī)床運(yùn)動(dòng)部分的速度控制、運(yùn)動(dòng)軌跡控制、位置控制等，都是依靠各種伺服系統(tǒng)控制的。它們不僅能完成轉(zhuǎn)動(dòng)控制、直線運(yùn)動(dòng)控制，而且能依靠多套伺服系統(tǒng)的配合，完成復(fù)雜的空間曲線運(yùn)動(dòng)的控制，如仿型機(jī)床的控制、機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制等。它們可以完成的運(yùn)動(dòng)控制精度高，速度快，遠(yuǎn)非一般人工操作所能達(dá)到 [1]。在冶金工業(yè)中，電弧煉鋼爐、粉末冶金爐等的電極位置控制，水平連鑄機(jī)的拉坯運(yùn)動(dòng)控制，軋鋼機(jī)軋輥壓下運(yùn)動(dòng)的位置控制等，都是依靠伺服系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些更是無(wú)法用人工操作來(lái)代替。在運(yùn)輸行業(yè)中，電氣機(jī)車(chē)的自動(dòng)調(diào)速、高層建筑中電梯的升降控制、船舶的自動(dòng)操舵、飛機(jī)的自動(dòng)駕駛等，都由各種伺服系統(tǒng)為之效力，從而減緩操作人員的疲勞，同時(shí)也大大提高了工作效率。在軍事上，伺服系統(tǒng)用得更為普遍，如雷達(dá)天線的自動(dòng)瞄準(zhǔn)跟蹤控制，高射炮、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射架的瞄準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制，坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制，防空導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制，魚(yú)雷的自動(dòng)控制等。在計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中，也采用了不少伺服系統(tǒng)，如自動(dòng)繪圖儀的畫(huà)筆控制系統(tǒng)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。如今，我國(guó)已成為世界上少有的幾個(gè)能產(chǎn)生激光電視放像系統(tǒng)的國(guó)家，用激光將信息錄制在光盤(pán)上 [2]。許多信息在電視機(jī)上構(gòu)成一幅畫(huà)面，放像過(guò)程是用很細(xì)的激光束沿信息道讀取信息，各種信息道之間的間隔已達(dá)微米級(jí)，因此控制激光束的位置伺服系統(tǒng)也具有響應(yīng)的控制精度，以保證獲取清晰穩(wěn)定的畫(huà)面。這種具有高精度伺服系統(tǒng)的激光電視放像機(jī)，已開(kāi)始進(jìn)入我國(guó)人民的家庭生活。伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大至控制上噸重的巨型雷達(dá)天線，可及時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤人造衛(wèi)星的發(fā)射，小至用音圈電機(jī)來(lái)控制電視放像機(jī)的激光頭，從國(guó)防、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)兰彝ド?，而且必將發(fā)展應(yīng)用到更新的領(lǐng)域。2 伺服系統(tǒng)的作用、組成及分類在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把輸入量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)元件(或稱執(zhí)行元件)組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測(cè)裝置，反饋實(shí)際的輸出狀態(tài)。伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱直流電機(jī))伺服系統(tǒng)，交流電動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱交流電機(jī))伺服系統(tǒng)……。按控制方式劃分，有開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等 [3]。(1) 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)圖 1 是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖。它主要是由驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行元件和負(fù)載三大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，用電液脈沖馬達(dá)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的信號(hào)。圖 1 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖(2) 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)主要是由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載五部分組成。其構(gòu)成框圖如圖 2 所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件將負(fù)載移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤(pán)等。通常把安裝在絲杠上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。圖 2 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反饋檢測(cè)方式，閉環(huán)(半閉環(huán))系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)三種。由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)非常微弱，不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，故需對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路正是為此而設(shè)置的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào)，即來(lái)自比較環(huán)節(jié)的跟隨信號(hào)誤差，將表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動(dòng)電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的 [4]。(3) 開(kāi)環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和區(qū)別開(kāi)環(huán)系統(tǒng)是沒(méi)有輸出反饋的一類控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入直接供給控制器，并通過(guò)控制器堆受控對(duì)象產(chǎn)生控制作用。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、容易維修，缺點(diǎn)是精度低，容易受環(huán)境變化的干擾(例如電源波動(dòng)、溫度變化等)影響。在工業(yè)與國(guó)防等要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，絕大多數(shù)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)方案都是采用反饋原理，其輸出的全部或部分被反饋到輸入端。輸入與反饋信號(hào)比較后的差值(即偏差信號(hào))加給控制器，然后再調(diào)節(jié)受控對(duì)象的輸出，從而形成閉環(huán)控制電路。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為反饋控制系統(tǒng)，這種反饋成為負(fù)反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)比開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，包括精度高、動(dòng)態(tài)性能好、抗干擾能力強(qiáng)等，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、價(jià)格比較貴、維修人員要求文化素質(zhì)高 [5]。3 小功率電機(jī)控制電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，電機(jī)控制的方法也多種多樣，但其中最為普遍而具有代表性的是電動(dòng)機(jī)的速度控制和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事裝備乃至人們的日常生活中，有許多機(jī)械有調(diào)速的要求，如車(chē)輛、電梯、機(jī)床、造紙機(jī)械、紡織機(jī)械等等，為了滿足運(yùn)行及生產(chǎn)工藝的要求需要調(diào)速；而另一類設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵等以前一般是不調(diào)速的，現(xiàn)在為了減少運(yùn)行損耗、節(jié)約電能，也廣泛地采用了調(diào)速技術(shù)。直流電動(dòng)機(jī)由于具有良好的調(diào)速特性、較寬廣的調(diào)速范圍，長(zhǎng)期以來(lái)在要求調(diào)速的地方，特別是對(duì)調(diào)速性能指標(biāo)要求較高的場(chǎng)合，例如軋鋼機(jī)、龍門(mén)刨和高精度機(jī)床等中得到了廣泛的應(yīng)用 [6]。以前直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用直流發(fā)電機(jī)組供電，不僅重量大，效率低，占地多，而且控制的快速性比較差，維護(hù)也比較麻煩。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，已普遍采用了由晶閘管整流器供電的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用來(lái)取代以前廣泛采用的交流電動(dòng)機(jī)——直流發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng)。特別是廣泛采用了由集成電路運(yùn)算放大器構(gòu)成的電子調(diào)節(jié)器后，晶閘管整流器供電的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了直流發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng)。近年來(lái)在微處理機(jī)研制方面的重大進(jìn)展，更為實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化和高精度創(chuàng)造了條件 [7]。另外，各種小功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍是由它本身所具有的特性決定的。在各類小功率電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最廣泛，這是因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，價(jià)格低廉，很少需要維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)，噪聲和震動(dòng)小，并有各種轉(zhuǎn)速和容量等級(jí)可供選用。它的缺點(diǎn)是調(diào)速不大方便。小功率同步電動(dòng)機(jī)不需要滑環(huán)，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，它具有恒定的轉(zhuǎn)速，主要用于需要轉(zhuǎn)速恒定的場(chǎng)合，如鐘表、定時(shí)器等。其中磁阻和磁滯兩種型式的力能指標(biāo)較低。除了低速的儀用永磁同步電動(dòng)機(jī)和磁滯電動(dòng)機(jī)能自行起動(dòng)外，磁阻式和一般的永磁式同步電動(dòng)機(jī)都需要在轉(zhuǎn)子上安裝起動(dòng)籠 [8]。4 電子電路的特點(diǎn)電子技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路4 個(gè)時(shí)代，新的電子器件出現(xiàn)使電子電路發(fā)生了很大的變化，但就電路理論來(lái)說(shuō)，發(fā)展卻相對(duì)較慢，基本的電路理論和分析方法已經(jīng)比較成熟 [9]。電子技術(shù)中所涉及的電路雖然很多，但將其按功能分類，一般可以分為信號(hào)產(chǎn)生電路、信號(hào)放大電路、信號(hào)變換電路、信號(hào)存儲(chǔ)電路、信號(hào)運(yùn)算與處理電路、組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路和電源電路等 [10]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，器件和電路的性能會(huì)越來(lái)越好，同樣的電路或系統(tǒng)，可以采用不同的器件和功能電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣就要求設(shè)計(jì)者進(jìn)行綜合考慮，從而提高性能，降低成本 [11]。5 對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求自動(dòng)控制系統(tǒng)用于不同的目的，要求也往往不一樣。但自動(dòng)控制技術(shù)是研究各類控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門(mén)技術(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)有一個(gè)共同的需求，一般可歸結(jié)為穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速 [12]。(1) 穩(wěn)定性 由于系統(tǒng)往往存在著慣性，當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時(shí)，將會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動(dòng)態(tài)過(guò)程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復(fù)平衡狀態(tài)的能力 [13]。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應(yīng)該隨著時(shí)間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。(2) 快速性 這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的?？焖傩允侵府?dāng)系統(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過(guò)程的快速程度。(3) 準(zhǔn)確性 是指在調(diào)整過(guò)程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標(biāo)。例如數(shù)控機(jī)床精度越高，則加工精度也越高。由于受控對(duì)象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求各有側(cè)重，例如，隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性提出較嚴(yán)格的要求。同一系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快有時(shí)是相互制約的。快速性好，可能會(huì)有強(qiáng)烈振蕩；改善穩(wěn)定性，控制過(guò)程又可能過(guò)于遲緩，精度也可能變差。這就要求我們必須分析和解決這些矛盾。6 總結(jié)上述的各種控制策略基本上都是根據(jù)經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論提出來(lái)的，它們都依賴于電機(jī)的模型，當(dāng)模型受到參數(shù)變化和擾動(dòng)作用的影響時(shí)，系統(tǒng)的性能將受到很大的影響 [14]?，F(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)對(duì)控制的要求是響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的高性能控制是滿足這些要求的關(guān)鍵因素 [15]。因此，現(xiàn)代高精度交流伺服系統(tǒng)要取得良好的控制性能，各種控制策略必須互相滲透，形成各種互補(bǔ)的復(fù)合控制策略。這樣可以控制各種單一控制策略本身的缺點(diǎn)，更好地滿足伺服系統(tǒng)的控制需要。參 考 文 獻(xiàn)[1] 鄭靜.小功率伺服無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,(3).[2] 何希才.常用電子電路(應(yīng)用 365 例)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006-9[3] 邵瑜.一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J]. 微電機(jī),2008,(8). 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