【正文】 WM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM 控制技術(shù)。 選題的目的與意義 對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有穩(wěn)速、調(diào)速、加速或減速三個(gè)方面，而在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)于后兩個(gè)要求已能很好地實(shí)現(xiàn)，但工程應(yīng)用中穩(wěn)速指標(biāo)卻往往不能達(dá)到預(yù)期的效果，穩(wěn)速要求即以一定的精度在所需要的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度 上滿足了生產(chǎn)要求，但是因?yàn)樵菀桌匣驮谑褂弥幸资芡饨绺蓴_影響，并且線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性及準(zhǔn)確性得不到保證，甚至出現(xiàn)事故。 目前，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字化已經(jīng)走向?qū)嵱没?，伴隨著電子技術(shù)的高度發(fā)展，促使直流電機(jī)調(diào)速逐步從模擬化向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，特別是單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)又進(jìn)入到一個(gè)新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。 所以本系統(tǒng)在以前的研究背景下，結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用，我們采用適應(yīng)性較強(qiáng)的 雙閉環(huán)反饋直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，合理選用 系統(tǒng)的各個(gè)執(zhí)行單元，使系統(tǒng)能 在負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響下均可以滿足控制穩(wěn)定轉(zhuǎn)速精度要求的直流電機(jī)控制器。 2 一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般是由硬件和控制軟件組成的。一個(gè)典型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件主要由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、功率驅(qū)動(dòng)器、傳感器和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)好比人體。電機(jī)是產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的元件，功率控制器是產(chǎn)生電機(jī)所需的電流；運(yùn)動(dòng)控制是智能元件，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)指令由運(yùn)動(dòng)控制器給出；位置傳感器檢測電機(jī)的位置并將結(jié)果告知控制器，形 成閉環(huán)。 圖 1： 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成圖 設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其中控制精度是衡量系統(tǒng)水平的最重要的尺度。一個(gè)高質(zhì)量的系統(tǒng)，在整個(gè)運(yùn)行過程中，被控量與給定值的偏差應(yīng)該很小。考慮到動(dòng)態(tài)過程 Y(t)在不同階段中的特點(diǎn)，工程上常常從穩(wěn)定性、響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度三個(gè)方面來評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體要求。 所以要想設(shè)計(jì)一個(gè)滿意的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)從硬件和軟件綜合考慮。其中硬件構(gòu)成由為重要，對(duì)硬件構(gòu)成中的每一部分選擇的好壞，都將決定整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。 執(zhí)行電機(jī)的選擇 電機(jī) 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的主要作用是作為執(zhí)行元件和檢測元件。執(zhí)行元件是用來驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象的；而檢測元件是將輸出量變換成和輸入量相同的物理量，以便與輸入量進(jìn)行比較。先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，電機(jī)主要用做執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用是將控制作用轉(zhuǎn)換成被控負(fù)載的位移信號(hào)。隨動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常由各種類型的伺服電機(jī)和減速器構(gòu)成。 控制用電機(jī)廣泛用于辦公自動(dòng)化、工廠自動(dòng)化相關(guān)機(jī)器、機(jī)器人、數(shù)字控制工具機(jī)、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、量測機(jī)器、醫(yī)療機(jī)器等，具有良好的響應(yīng)性、可靠性、小型化、高效率，可說是與近年代迅速發(fā)達(dá)的電子式驅(qū)動(dòng)電路相匹配的“特殊 電機(jī)” .控制電機(jī)為了提高響應(yīng)性，必須以增加轉(zhuǎn)矩。其對(duì)策為轉(zhuǎn)子構(gòu)造采用細(xì)長化的鐵心、使用高性能磁鐵以增加轉(zhuǎn)矩，減少慣性力矩等。常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等。 3 表 1: 控制用電機(jī)定位控制性能比較 控制用電機(jī) 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)（開環(huán)控制） 驅(qū)動(dòng)控制電路簡單；可靠性高、維護(hù)容易 動(dòng)作慢；振動(dòng)大、效率低 DC 伺服電機(jī) 驅(qū)動(dòng)控 制電路不太復(fù)雜，效率高，動(dòng)作快 碳刷需要保護(hù) 步進(jìn)電機(jī)（閉環(huán)控制） 驅(qū)動(dòng)控制電路比無刷 DC 伺服電機(jī)簡單；響應(yīng)速度快；保養(yǎng)容易 效率稍低 無刷 DC 伺服電機(jī)（ AC 伺服電機(jī)） 響應(yīng)速度與 DC 伺服電機(jī)一樣快；可靠性高；效率高 因控制電路復(fù)雜，價(jià)格稍貴 伺服電機(jī) 無論是位置控制系統(tǒng)還是速度控制系統(tǒng)，均由系統(tǒng)的伺服電機(jī)帶動(dòng)被控對(duì)象做機(jī)械運(yùn)動(dòng)。被控對(duì)象能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)動(dòng)狀況，完全取決于系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其中伺服電機(jī)和被控對(duì)象相聯(lián)系的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)其影響極大。一般根據(jù)整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和控制方 案，分析負(fù)載特性和運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，并以此作為依據(jù)，來選擇伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器。具體的做法是由整機(jī)的能力指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)初步確定伺服電機(jī)的功率和力矩，并且負(fù)載折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般小于電機(jī)本身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 5倍，最好是差不多相等。然后根據(jù)電機(jī)的電流來決定伺服驅(qū)動(dòng)器的容量，其中伺服驅(qū)動(dòng)器所能提供的最大電流要不小于電機(jī)的峰值電流，而且調(diào)整中切不可使輸入電流大于伺服電機(jī)的退磁電流。電機(jī)和負(fù)載的慣量之和要小于伺服驅(qū)動(dòng)器所允許的最大慣量。 選擇伺服電機(jī)應(yīng)符合下列基本要求： （ 1）具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍 （ 2）具有較硬的機(jī)械特性和良好的調(diào)節(jié)特性 （ 3）具有快速響應(yīng)特性 （ 4）空載始動(dòng)電壓和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小 （ 5）高解析度：定位時(shí)為 對(duì)位置型伺服驅(qū)動(dòng)器的基本技術(shù)要求是：在系統(tǒng)的定位精度上，位置控制系統(tǒng)一般為無靜差系統(tǒng)，因?yàn)橄到y(tǒng)測量元件的分辨率有限和系統(tǒng)的死區(qū)均可造成系統(tǒng)的定位誤差；對(duì)速 4 度型伺服驅(qū)動(dòng)器來說，基本要求有速度控制精度、速度范圍和階躍特性。 目前主要的伺服電機(jī)包括直流有刷伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)。其中直流有刷電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，種類也最多。具體有傳統(tǒng)型直流伺 服電機(jī)、低慣量無槽直流電機(jī)、寬調(diào)速直流伺服電機(jī)、和直流力矩電機(jī)。這些電機(jī)中主要的技術(shù)指標(biāo)是選擇它們的主要依據(jù)，有以下幾項(xiàng)： （ 1） 額定功率 )(WPN ：電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)時(shí)，從其軸上輸出的機(jī)械功率。 （ 2） 額定電壓 )(VUN ：電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組和電驅(qū)繞組上應(yīng)加的電壓。永磁式直流伺服電機(jī)只有額定電驅(qū)電壓。 （ 3） 額定電流 )(AIN ：電機(jī)在額定電壓運(yùn)行下，輸出額定功率時(shí)繞組中的電流。額定電流一般就是電機(jī)長期連續(xù)運(yùn)行所允許的最大電流。 （ 4） 額定轉(zhuǎn)速 min)/(rnN ：電機(jī)在額定電壓下，輸出額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速。 （ 5） 額定轉(zhuǎn)矩 )( mNTN :電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩，額定轉(zhuǎn)矩可以由額定功率和額定轉(zhuǎn)速求出NNN nPT ? 。 （ 6） 最大轉(zhuǎn)矩 )(max mNT ：電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)可輸出最大轉(zhuǎn)矩，它反映了電機(jī)的瞬時(shí)過載能力。最大轉(zhuǎn)矩一般是額定轉(zhuǎn)矩的 5倍 ~ 10 倍。 （ 7） 機(jī)電時(shí)間常數(shù)ξ j和時(shí)間常數(shù)ξ d：分別反映了電機(jī)的兩個(gè)過渡時(shí)間。Ξ j通常小于20ms，ξ d通常小于 5ms,令兩者之比大于 3. （ 8） 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J(kg 2m ):電機(jī)電樞轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 （ 9） 最大電流 ）（ AmaxI ：對(duì)應(yīng)于可能允許最大輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)電樞電流。 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角或位移與輸入的電脈沖數(shù)成正比，它的速度與脈沖頻率成正比，而運(yùn)動(dòng)方向是由步進(jìn)電機(jī)通電的順序所決定的。步進(jìn)電機(jī)是常用的控制用電機(jī)，分為轉(zhuǎn)子使用永久磁鐵的 PM 型、利用磁阻變化產(chǎn)生吸力的 VR型，以及兼具以上兩者的復(fù)合型、直線動(dòng)作的線性型等。 步進(jìn)電機(jī)的選擇主要考慮步距角、靜力矩及電流三大要素。一旦這三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 （ 1） 步矩角的選擇：電機(jī)的步矩角取決于負(fù)載的精度要求，將負(fù)載的最小分辨率換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量應(yīng)走多少角度。電機(jī)的步矩角應(yīng)等于或小于此角度。 （ 2） 靜力矩的選擇：步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩的選擇的依據(jù)是電機(jī)的工作負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載兩種單一 5 的慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載是不存在的。直接啟動(dòng)和直接加速的時(shí)候兩者都有考慮，恒速運(yùn)行時(shí)只要考慮摩擦負(fù)載。 （ 3） 電流的選擇：靜力矩 相同的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大。可以依據(jù)矩頻特性曲線圖，判定電機(jī)的電流。 綜述 綜上所述，在世界當(dāng)中是選擇步進(jìn)電機(jī)還是伺服電機(jī)，主要視具體應(yīng)用情況而定，簡單地說要確定：負(fù)載的性質(zhì)（如水平負(fù)載還是垂直負(fù)載等），轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速度等要求，上位控制要求（如對(duì)端口和通信方面的要求），主要控制方式是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式，供電電流是直流、交流電源、還是電池供電、電壓范圍、據(jù)此以確定電機(jī)和配用驅(qū)動(dòng)器和控制器的型號(hào)。 表 2:步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)和 伺服電機(jī)系統(tǒng)的性能比較 從以上的分析可以得知，該系統(tǒng)電機(jī)的選型，從功率控制到定位精度等綜合方面的考慮，直流電機(jī) 都是最好的選擇。因?yàn)樗鼭M足了小型化、定位精度高、機(jī)械性好等優(yōu)點(diǎn)。 性能指標(biāo) 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng) 伺服電機(jī)系統(tǒng) 力矩范圍 中小力矩（一般在 20N m以下） 小中大，全范圍 速度范圍 低（一般在 2021r/min 以下，大力矩電機(jī)小于 1000r/min） 高（可達(dá) 5000r/min） ,直流伺 服 電 機(jī) 更 可 達(dá)min/10)2~1( 4 r? 控制方式 主要是位置控制 多樣化、可能化的控制方式、位置 /轉(zhuǎn)速 /轉(zhuǎn)矩方式 平滑式 低速時(shí)有振動(dòng) 好，運(yùn)行平滑 精度 一般較低，細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高 高（具 體要看反饋裝置的分辨率） 矩頻特性 高速時(shí)，力矩下降快 力矩特性好，特性較硬 過載特性 過載時(shí)會(huì)失步 可 3倍 10 倍過載