【正文】 ................................................. 28 致 謝 ................................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 30 附錄一：系統(tǒng) 原理圖 ......................................................................................................... 32 附錄二：部分程序清單 ..................................................................................................... 33 1 第一章 緒論 課題研究的目的和意義 伺服系統(tǒng)也稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)的一種，它是用來(lái)控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角或位移，使其能自動(dòng)的、連續(xù)的、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律，它通常具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場(chǎng)合也可以用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，伺服系統(tǒng)在電機(jī)設(shè)備中具有很重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以 提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動(dòng) 【 1】 。 位置伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)部門(mén)，例如機(jī)床加工行業(yè)、冶金加工、機(jī)器人或機(jī)械手的控制、火炮群跟蹤雷達(dá)和陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等，都涉及到了位置定位和軌跡跟蹤，因此位置伺服技術(shù)的高低，將直接影響我們國(guó)家的工業(yè)技術(shù)的發(fā)展水平 【 2】 。 位置伺服系統(tǒng)是通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制理論的各種控制算法，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電力電子功率變換裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，來(lái)達(dá)到位置伺服的目的 【 3】 。其中控制器可以說(shuō)是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。有些伺服系統(tǒng)的控制器主要由模 擬控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但對(duì)于那些較復(fù)雜控制算法，單靠硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制相對(duì)比較困難 【 4】 。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，研發(fā)出各種高性能數(shù)字信號(hào)處理器，其運(yùn)算能力強(qiáng)而且具有豐富的外部接口。 將數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用在 位置伺服系統(tǒng)，構(gòu)成數(shù)字位置伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)就可以通過(guò)軟件編程的方式完成各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的傳動(dòng)控制算法，通過(guò)外部接口實(shí)現(xiàn)與電力電子功率變換裝置的連接，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，這樣既可以提高系統(tǒng)的靈活性的也可以減小系統(tǒng)的體積 【 5】 。 近幾年基于數(shù)字信號(hào)處理芯片開(kāi)發(fā)的位置伺服系統(tǒng)成為研究的熱點(diǎn)，并且很多芯片廠家還開(kāi) 發(fā)一些電機(jī)專用控制芯片，并在芯片內(nèi)部集成了 PWM發(fā)生單元等，簡(jiǎn)化了與電力電子功率變換裝置間的連接，而且具有強(qiáng)大的處理功能可以完成現(xiàn)代控制理論或智能控制理論的一些復(fù)雜算法，如果采用這些電機(jī)專用控制芯片來(lái)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即可以節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期，又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 【 6】 。 自上世紀(jì) 80年代末以來(lái)的短短二十幾年間，交流伺服系統(tǒng)取得了舉世矚目的發(fā)展，同時(shí)伴隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，使系統(tǒng)已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，其動(dòng)、靜態(tài)特性已完全可與直流伺服系統(tǒng)相媲美，對(duì)交流伺服系統(tǒng)的研究 ，仍然是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)?，F(xiàn)在，數(shù)字式交流位置伺服系統(tǒng)研究熱點(diǎn)之一，就是以交流永磁伺服電機(jī)為控制對(duì)象。因?yàn)殡S著交流永磁電機(jī)制造工藝的不斷進(jìn)步，使其具有低慣性、快響應(yīng)、高功率密度、低損耗、高效率等優(yōu)點(diǎn) [7]。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì) 伺服控制技術(shù)是自動(dòng)化學(xué)科中與產(chǎn)業(yè)部門(mén)聯(lián)系最緊密、服務(wù)最廣泛的一個(gè)分支，它是伴隨著電的應(yīng)用二發(fā)展起來(lái)的，最早出現(xiàn)于 20 年代初，并且極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，推動(dòng)了現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)的巨大進(jìn)步， 1934 年，的一次提出了伺服機(jī)構(gòu)這個(gè)詞，世界上第一個(gè)伺服系統(tǒng)是由美國(guó)麻省理 工學(xué)院輻射實(shí)驗(yàn)室于 1944 年研制成功，這就是火炮自動(dòng)跟蹤目標(biāo)的伺服系統(tǒng)，隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，到 20 世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)理論與實(shí)踐均趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用，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，伺服技術(shù)更加如虎添翼、突飛猛進(jìn)，它的應(yīng)用幾乎遍布社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域 [8]。 隨著控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)伺服系統(tǒng)的性能不斷地提出新的要求，今年來(lái)，數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，將計(jì)算機(jī)與伺服控制系統(tǒng)相結(jié)合，是計(jì)算機(jī)稱為伺服系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)已成為現(xiàn)實(shí)。 在直流伺服系統(tǒng)中，利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成系統(tǒng)的校正，改變伺服系統(tǒng)的增益、帶寬、完成系統(tǒng)的管理、監(jiān)視等任務(wù)，是系統(tǒng)向智能化發(fā)展 【 9】 。 伺服控制技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中用到的最多也最廣，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，完成負(fù)載的空間曲線運(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)非一般工人操作所能達(dá)到 【 10】 。 在冶金工業(yè)中，電弧煉鋼爐，粉末冶金路等電極位置控制，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)位置的 控制等，都是依靠伺服控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些更是無(wú)法用人工代替的。 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，都是由各種伺服系統(tǒng)為之效力，從而減緩操作人的疲勞，同時(shí)也大大的提高了工作效率。 在軍事上，一定程度上提高了武器的精確度和威力，以雷達(dá)高射炮為例，在敵方飛行器飛行時(shí)，雷達(dá)天線必須時(shí)刻旋轉(zhuǎn)，隨時(shí)自動(dòng)保持指向敵方飛行器。 雷達(dá)測(cè)出敵方飛行器方位和仰角數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)工并計(jì)入射擊提前量后，又用來(lái)控制高射炮炮身的轉(zhuǎn)動(dòng)，使高射炮時(shí)刻保持瞄準(zhǔn)敵方飛行器，隨時(shí)準(zhǔn)備開(kāi)火 ，而瞄準(zhǔn)的角度誤差只有幾分，如不用控制技術(shù)的相關(guān)支持，折現(xiàn)顯然是做不到的?，F(xiàn)代軍用飛行器速度很快，炮身又沉重，用人力直接轉(zhuǎn)動(dòng)炮身是完全不可能適應(yīng)戰(zhàn)陣需求的。 在航天、制導(dǎo)、核能等方面，控制技術(shù)更是不可缺少，比如，要把重達(dá)數(shù)噸的人造衛(wèi)星準(zhǔn)確的送入位于數(shù)百公里高空的預(yù)先計(jì)算好的軌道和指定的位置，并一直保持他的姿態(tài)正確，是他的太陽(yáng)能電池一直朝向太陽(yáng)，無(wú)線電天線一直指向 3 地球，還要保持衛(wèi)星內(nèi)的正常，使他攜帶的各種儀器自動(dòng)準(zhǔn)確的工作，所有的這一切都是以高水平的控制系統(tǒng)為前提的。 伺服控制技術(shù)和控制技術(shù)還處于發(fā)展的過(guò)程中 ，由于計(jì)算機(jī)的誕生和迅速發(fā)展，控制技術(shù)一定會(huì)不斷地提高水平，以適應(yīng)難度系數(shù)日益增大的控制要求，在未來(lái)的幾年中，伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是： 作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服系統(tǒng)的特性一直是影響系統(tǒng)加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來(lái)發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著超高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字伺服系統(tǒng)、直線電動(dòng)機(jī)及高速電主軸等將成為數(shù)控機(jī)床行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，并成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向 [11]。 （ 1）交流化 伺服技術(shù)將繼續(xù)迅速地由 DC 伺服系 統(tǒng)轉(zhuǎn)向 AC 伺服系統(tǒng)。從目前國(guó)際市場(chǎng)的情況看，幾乎所有的新產(chǎn)品都是 AC 伺服系統(tǒng)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， AC 伺服電機(jī)的市場(chǎng)占有率已超過(guò) 80％ 。國(guó)內(nèi)生產(chǎn) AC 伺服電機(jī)的廠家也越來(lái)越多，正逐步超過(guò)生產(chǎn) DC 伺服電機(jī)的廠家?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，除了在某些微型電機(jī)領(lǐng)域之外， AC 伺服電機(jī)將完全取代 DC 伺服電機(jī)。 （ 2）全數(shù)字化 采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（ DSP）的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使 在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法（如：最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等）成為可能。 （ 3）采用新型電力電子半導(dǎo)體器件 目前，伺服控制系統(tǒng)的輸出器件多采用開(kāi)關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管（ GTR）、功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET）和絕緣門(mén)極晶體管（ IGBT）等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著降低了伺服單元輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。 尤其是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已開(kāi)始使用一種把控制電路功能和大功率電子開(kāi)關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊。 這種器 件將輸人隔離、能耗制動(dòng)、過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)及故障診斷等功能全部集成于一個(gè)不大的模塊中。其輸入邏輯電平與 TTL 信號(hào)完全兼容，與微處理器的輸出可直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡(jiǎn)化了伺服單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。 （ 4）高度集成化 4 新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元2 個(gè)模塊的做法，代之以單一、高度集成化、多功能的控制單元。同一個(gè)控制單元，只要通過(guò)軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)就可改變其性能，既可以使用電機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩 傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 高度的集成化 ， 顯著縮小了整個(gè)控制系統(tǒng)的體積，使伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到簡(jiǎn)化。 （ 5）智能化 智能化是當(dāng)前一切工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢(shì)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為一種高級(jí)的工業(yè)控制裝置也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計(jì)為智能型產(chǎn)品，其智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在： ① 都具有參數(shù)記憶功能。系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式由軟件來(lái)設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過(guò)通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改，應(yīng)用方便； ② 都具有故障自診斷與分析功能。無(wú)論什么時(shí)候，只要 系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)將故障類(lèi)型及可能引起故障的原因通過(guò)用戶界面清楚地顯示出來(lái)，這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性； ③ 有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)較多時(shí)間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可通過(guò)幾次試運(yùn)行，自動(dòng)將系統(tǒng)的參數(shù)整定出來(lái)，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。對(duì)于使用伺服單元的用戶來(lái)說(shuō)，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點(diǎn)之一。 （ 6）模塊化和網(wǎng)絡(luò)化 在國(guó)外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動(dòng)化（ Factory Automation，簡(jiǎn)稱 FA）工程技術(shù)在近 十 年來(lái)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢(shì)頭。 為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口和專用的局域網(wǎng)接口。 這些接口的設(shè)置顯著增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備問(wèn)的互聯(lián)能力，從而，與 CNC 系統(tǒng)問(wèn)的連接也變得簡(jiǎn)單，只需 1 根電纜或光纜就可將數(shù)臺(tái)，甚至數(shù)十臺(tái)伺服單元與上位計(jì)算機(jī)連接為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。也可通過(guò)串行接口與可編程控制器（ PLC）的數(shù)控模塊相 連。 設(shè)計(jì)要求及參數(shù) 高精度位置伺服系統(tǒng)采用一個(gè)功率為 的寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電機(jī)，拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。 系統(tǒng)要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為： （ 1）定位精度 ；（ 2）定位過(guò)程超調(diào)量 10%；（ 3）輸入階躍、速度、加速度轉(zhuǎn)角信號(hào)時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間 its250ms；（ 4）跟隨速度信號(hào)時(shí)，無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差；（ 5）跟隨加速度信號(hào)時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差 。 控制系統(tǒng)功能要求：鍵盤(pán)有：復(fù)位、給定轉(zhuǎn)角設(shè)置、控制參數(shù)修改、控制啟 5 動(dòng)等功能鍵。顯示器：能顯示給定設(shè)置、參數(shù)修改過(guò)程中的值及控制過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置 (角度 )。系統(tǒng)工作不正常時(shí)能實(shí)現(xiàn)報(bào)警并停機(jī)，防止故障擴(kuò)大。 6 第二章 系統(tǒng) 總體 方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 控制方案 的選擇 本系統(tǒng)是 三 閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法是從內(nèi)環(huán)到外 環(huán)，逐個(gè)設(shè)計(jì)個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，其中位置調(diào)節(jié)器 APR是位置換的校正裝置，他的類(lèi)型和參數(shù)決定了位置隨動(dòng)系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動(dòng) 態(tài)性能，其輸出限幅值決定著電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，位置、轉(zhuǎn)速及電流 閉環(huán)畫(huà)成單位反饋，反饋系數(shù)或存儲(chǔ)系數(shù)都已計(jì)入各調(diào)節(jié)器的比例運(yùn)算系數(shù)中去。 位 置 調(diào) 節(jié) 器A S R A C R P W M直 流 電 機(jī)光 電 編 碼 器轉(zhuǎn) 速 檢 測(cè)位 置 檢 測(cè)電 流 檢 測(cè) 圖 21 直流伺服控制系統(tǒng)方框圖 直流 伺服 電機(jī) 的 數(shù)學(xué)模型 無(wú)刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動(dòng)機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比 (21) 所以控制逆變器輸出方波電流的幅值即可以控制 BLDC 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，且在每半個(gè)周期內(nèi)，方波電流的持續(xù)時(shí)間為 120176。 電角度，梯形波反電動(dòng)勢(shì) 平頂部分也為 120176。電角度，兩者應(yīng)嚴(yán)格同步。由于在任何時(shí)刻，定子只有兩相導(dǎo)通，則： 7 電磁功率可表示為： (22) 電磁轉(zhuǎn)矩又可表示為： (23) 無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為： (24) 其中 為電磁轉(zhuǎn)矩； 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩； B 為阻尼系數(shù)； 為電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速； J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 傳遞函數(shù)： 無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性和傳統(tǒng)直流電機(jī)基本相同，其