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)繪圖儀的畫筆控制系統(tǒng)、磁盤驅(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上 [2]。許多信息在電視機(jī)上構(gòu)成一幅畫面，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)定的畫面。這種具有高精度伺服系統(tǒng)的激光電視放像機(jī)，已開始進(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) 開環(huán)系統(tǒng)開環(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) 開環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)和區(qū)別開環(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] 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