3658 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計

3658 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計,功率,直流,伺服系統(tǒng),控制電路,設(shè)計 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告學(xué) 生 姓 名： 武曉華學(xué) 號：05010237專 業(yè) ： 機械工程及自動化設(shè)計 (論文 )題目 ： 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計指 導(dǎo) 教 師 : 王榮林2009 年 3 月 22 日開題報告填寫要求1．開題報告（含“文獻綜述” ）作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見；3． “文獻綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻綜述的參考文獻應(yīng)不少于15 篇（不包括辭典、手冊） ；4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo) GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2008 年 3 月 15 日”或“2008-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000 字左右的文獻綜述：文 獻 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。直流電動機由于具有良好的調(diào)速特性、較寬廣的調(diào)速范圍，長期以來在要求調(diào)速的地方，特別是對調(diào)速性能指標(biāo)要求較高的場合。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) 小功率電機控制 直流電動機1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展簡況伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中的一類。它是伴隨電的應(yīng)用而發(fā)展起來的，最早出現(xiàn)于本世紀(jì)初。1934 年第一次提出了伺服機構(gòu)這個詞，隨著自動控制理論的發(fā)展，到本世紀(jì)中期，伺服系統(tǒng)的理論與實踐均趨于成熟，并得到廣泛應(yīng)用。近幾十年來在新技術(shù)革命的推動下，特別是伴隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速進步，伺服系統(tǒng)更是如虎添翼突飛猛進。它的應(yīng)用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域，下面簡單地列舉幾例。伺服系統(tǒng)在機械制造行業(yè)中用得最多最廣，各種機床運動部分的速度控制、運動軌跡控制、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)動控制、直線運動控制，而且能依靠多套伺服系統(tǒng)的配合，完成復(fù)雜的空間曲線運動的控制，如仿型機床的控制、機器人手臂關(guān)節(jié)的運動控制等。它們可以完成的運動控制精度高，速度快，遠非一般人工操作所能達到 [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，水平連鑄機的拉坯運動控制，軋鋼機軋輥壓下運動的位置控制等，都是依靠伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)的，這些更是無法用人工操作來代替。在運輸行業(yè)中，電氣機車的自動調(diào)速、高層建筑中電梯的升降控制、船舶的自動操舵、飛機的自動駕駛等，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，如雷達天線的自動瞄準(zhǔn)跟蹤控制，高射炮、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈發(fā)射架的瞄準(zhǔn)運動控制，坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制，防空導(dǎo)彈的制導(dǎo)控制，魚雷的自動控制等。在計算機外圍設(shè)備中，也采用了不少伺服系統(tǒng)，如自動繪圖儀的畫筆控制系統(tǒng)、磁盤驅(qū)動系統(tǒng)等。如今，我國已成為世界上少有的幾個能產(chǎn)生激光電視放像系統(tǒng)的國家，用激光將信息錄制在光盤上 [2]。許多信息在電視機上構(gòu)成一幅畫面，放像過程是用很細的激光束沿信息道讀取信息，各種信息道之間的間隔已達微米級，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，已開始進入我國人民的家庭生活。伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，大至控制上噸重的巨型雷達天線，可及時準(zhǔn)確地跟蹤人造衛(wèi)星的發(fā)射，小至用音圈電機來控制電視放像機的激光頭，從國防、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?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)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件(或稱執(zhí)行元件)組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動元件劃分，有步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統(tǒng)，交流電動機(簡稱交流電機)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)圖 1 是開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖。它主要是由驅(qū)動電路、執(zhí)行元件和負載三大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進電機，通常稱以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動時，用電液脈沖馬達作為執(zhí)行元件。驅(qū)動電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。圖 1 開環(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、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和負載五部分組成。其構(gòu)成框圖如圖 2 所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將負載移動部件的實際位置檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉(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)；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在，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和反饋信號進行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動電路，控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進入比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式，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)輸出的信號非常微弱，不足以驅(qū)動執(zhí)行元件，故需對其進行放大，驅(qū)動電路正是為此而設(shè)置的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號，即來自比較環(huán)節(jié)的跟隨信號誤差，將表示位移量的電信號轉(zhuǎn)化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動電路是隨執(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)缺點和區(qū)別開環(huán)系統(tǒng)是沒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，并通過控制器堆受控對象產(chǎn)生控制作用。開環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、容易維修，缺點是精度低，容易受環(huán)境變化的干擾(例如電源波動、溫度變化等)影響。在工業(yè)與國防等要求較高的應(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。輸入與反饋信號比較后的差值(即偏差信號)加給控制器，然后再調(diào)節(jié)受控對象的輸出，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，包括精度高、動態(tài)性能好、抗干擾能力強等，缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、價格比較貴、維修人員要求文化素質(zhì)高 [5]。3 小功率電機控制電機的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，電機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機的速度控制和發(fā)電機的勵磁調(diào)節(jié)。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、軍事裝備乃至人們的日常生活中，有許多機械有調(diào)速的要求，如車輛、電梯、機床、造紙機械、紡織機械等等，為了滿足運行及生產(chǎn)工藝的要求需要調(diào)速；而另一類設(shè)備如風(fēng)機、水泵等以前一般是不調(diào)速的，現(xiàn)在為了減少運行損耗、節(jié)約電能，也廣泛地采用了調(diào)速技術(shù)。直流電動機由于具有良好的調(diào)速特性、較寬廣的調(diào)速范圍，長期以來在要求調(diào)速的地方，特別是對調(diào)速性能指標(biāo)要求較高的場合，例如軋鋼機、龍門刨和高精度機床等中得到了廣泛的應(yīng)用 [6]。以前直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用直流發(fā)電機組供電，不僅重量大，效率低，占地多，而且控制的快速性比較差，維護也比較麻煩。近年來隨著電力電子技術(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調(diào)速系統(tǒng)，用來取代以前廣泛采用的交流電動機——直流發(fā)電機組供電的系統(tǒng)。特別是廣泛采用了由集成電路運算放大器構(gòu)成的電子調(diào)節(jié)器后，晶閘管整流器供電的直流電機調(diào)速系統(tǒng)在性能上遠遠地超過了直流發(fā)電機組供電的系統(tǒng)。近年來在微處理機研制方面的重大進展，更為實現(xiàn)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化和高精度創(chuàng)造了條件 [7]。另外，各種小功率電動機的應(yīng)用范圍是由它本身所具有的特性決定的。在各類小功率電動機中，感應(yīng)電動機應(yīng)用最廣泛，這是因為它結(jié)構(gòu)簡單、牢固，價格低廉，很少需要維護，使用壽命長，噪聲和震動小，并有各種轉(zhuǎn)速和容量等級可供選用。它的缺點是調(diào)速不大方便。小功率同步電動機不需要滑環(huán)，結(jié)構(gòu)也比較簡單，它具有恒定的轉(zhuǎn)速，主要用于需要轉(zhuǎn)速恒定的場合，如鐘表、定時器等。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機和磁滯電動機能自行起動外，磁阻式和一般的永磁式同步電動機都需要在轉(zhuǎn)子上安裝起動籠 [8]。4 電子電路的特點電子技術(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 個時代，新的電子器件出現(xiàn)使電子電路發(fā)生了很大的變化，但就電路理論來說，發(fā)展卻相對較慢，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，一般可以分為信號產(chǎn)生電路、信號放大電路、信號變換電路、信號存儲電路、信號運算與處理電路、組合邏輯電路、時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越來越好，同樣的電路或系統(tǒng)，可以采用不同的器件和功能電路來實現(xiàn)，這樣就要求設(shè)計者進行綜合考慮，從而提高性能，降低成本 [11]。5 對控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)用于不同的目的，要求也往往不一樣。但自動控制技術(shù)是研究各類控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門技術(shù)，對控制系統(tǒng)有一個共同的需求，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)的各個參數(shù)設(shè)置不當(dāng)時，將會引起系統(tǒng)的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動態(tài)過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，消除這種偏差過程的快速程度。(3) 準(zhǔn)確性 是指在調(diào)整過程結(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)控機床精度越高，則加工精度也越高。由于受控對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求各有側(cè)重，例如，隨動系統(tǒng)對快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對穩(wěn)定性提出較嚴格的要求。同一系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快有時是相互制約的。快速性好，可能會有強烈振蕩；改善穩(wěn)定性，控制過程又可能過于遲緩，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)代控制理論提出來的，它們都依賴于電機的模型，當(dāng)模型受到參數(shù)變化和擾動作用的影響時，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)對控制的要求是響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩脈動小。實現(xiàn)交流電動機瞬時轉(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，更好地滿足伺服系統(tǒng)的控制需要。參 考 文 獻[1] 鄭靜.小功率伺服無刷直流電機驅(qū)動器設(shè)計[J].電子測量技術(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.一種無刷直流電動機驅(qū)動及保護電路設(shè)計[J]. 微電機,2008,(8). [4] 肖英奎.伺服系統(tǒng)實用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004-2[5] 章燕申.控制系統(tǒng)的設(shè)計與實踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，1992-3[6] 李清新.伺服系統(tǒng)與機床電氣控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994-7[7] 陳永校.小功率電動機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992-9[8] 許大中.電機控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1995-2[9] 寇戈.模擬電路與數(shù)字電路[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005-2[10] 楊興瑤.新編實用電子電路 500 例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007-4[11] 黃錦安.電工技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004-9[12] 董景新.控制工程基礎(chǔ)[M].第二版，北京：清華大學(xué)出版社，2003-8[13] 鄧為民.自動控制原理試驗教程[M].北京：航天工業(yè)出版社，1991-8[14] 王遠.模擬電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1997-10[15] 王耀德.交直流電力拖動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994-5 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：本畢業(yè)設(shè)計是要求設(shè)計一個小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路，通過實驗，驗證所設(shè)計的控制電路是否能控制電機運動。在設(shè)計過程中，控制電路要保證電機能在正、反兩個方向運動。要改變電動機的轉(zhuǎn)向，必須改變其電磁轉(zhuǎn)矩方向。根據(jù)直流電動機工作原理可知：電磁轉(zhuǎn)矩的方向是由磁通的方向和電樞電流的方向決定的。因此只要改變勵磁電流的方向或者改變電樞電流的方向，兩者任取其一便可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。但是，由于勵磁繞組的電感較大，改變其電流方向時會產(chǎn)生較高的感應(yīng)電動勢，造成不良后果。因此，一般不采用改變勵磁電流方向方法實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，通常采用改變電樞電流方向?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)。 雖然控制信號可以是直流的，也可以是交流的，但是綜合考慮到控制電路的設(shè)計問題和實驗的難易程度，如采用交流控制信號，那么控制電路部分的設(shè)計顯得較為麻煩，實驗進行起來也比較困難，所以本畢業(yè)設(shè)計使用直流控制信號，既方便了控制電路的設(shè)計，也遍于完成實驗。設(shè)計伺服系統(tǒng)必須按照畢業(yè)設(shè)計的要求，主要是依據(jù)被控對象工作的性質(zhì)和特點，明確對伺服系統(tǒng)的基本性能要求；同時要充分了解市場上器材、元件的供應(yīng)情況，了解它們的性能質(zhì)量、品種規(guī)格和價格，在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計。此外，伺服系統(tǒng)的制造成本、系統(tǒng)的壽命與可維修性，系統(tǒng)組成的標(biāo)準(zhǔn)化程度……，這些也是在設(shè)計時需要考慮的因素。 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：1．對“文獻綜述”的評語：2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：指導(dǎo)教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見：負責(zé)人： 年 月 日