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伺服电机控制系统毕业设计

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百度文库 - 让每个人平等地提升自我

I

南京邮电大学

毕 业 设 计（论 文）

题

目 伺服电机控制系统

专 业

电气工程及其自动化

学生姓名 zhdong

班级学号 B07050405

指导教师

指导单位 自动化学院

日期：2011 年 3 月至2011 年 6月

目录

目录 ............................................................................................................................................. I

第1章 绪论 ....................................................................................................................... - 1 - 百度文库 - 让每个人平等地提升自我

II 直流伺服电动机发展及现状 ....................................................................................... - 1 -

直流伺服电动机的特点及应用 ................................................................................... - 1 -

1.2.1直流伺服电动机的特点 .............................................................................. - 1 -

1.2.2 直流伺服电动机的应用 ............................................................................. - 2 -

课题主要研究内容 ....................................................................................................... - 3 -

第2章 直流伺服电动机的工作过程 ............................................................................... - 4 -

直流伺服电动机基本组成 ........................................................................................... - 4 -

2.1.1电动机本体 .................................................................................................. - 4 -

2.1.2 转子位置传感器 ......................................................................................... - 5 -

2.1.3电子换向电路 .............................................................................................. - 6 -

直流伺服电动机的工作原理 ....................................................................................... - 7 -

直流伺服电动机的数学模型 ....................................................................................... - 8 -

2.3.1电压平衡方程 .............................................................................................. - 8 -

2.3.2转矩方程 ...................................................................................................... - 9 -

2.3.3传递函数 .................................................................................................... - 10 -

直流伺服电动机的调速方法 ..................................................................................... - 10 -

2.4.1电势和调速方法 ........................................................................................ - 10 -

2.4.2电磁转矩 ..................................................................................................... - 11 -

直流伺服电动机双闭环系统 ..................................................................................... - 12 -

2.5.1双闭环控制系统组成 ................................................................................ - 12 -

2.5.2双闭环控制系统动态数学模型 ................................................................ - 13 -

第3章 调速系统方案确定 ............................................................................................. - 15 -

无刷电机样机参数 ..................................................................................................... - 15 -

主控单元 ..................................................................................................................... - 15 -

80C196MC单片机简介 ..................................................................................... - 15 -

80C196MC单片机的结构 ................................................................................. - 15 -

80C196MC单片机的特点 ................................................................................. - 17 -

系统的组成 ................................................................................................................. - 18 -

第4章 基于单片机的调速系统硬件设计 ..................................................................... - 19 -

供电电源设计 ............................................................................................................. - 19 -

检测电路设计 ............................................................................................................. - 20 -

4.2.1位置检测 .................................................................................................... - 20 -

4.2.2整形电路 .................................................................................................... - 22 -

4.2.3 正反转控制 ............................................................................................... - 22 -

4.2.4电流检测电路 ............................................................................................ - 23 -

主功率和驱动电路 ..................................................................................................... - 24 -

4.3.1主功率电路 ................................................................................................ - 24 -

4.3.2功率驱动电路 ............................................................................................ - 26 -

过流过压保护电路 ..................................................................................................... - 29 -

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电机伺服控制系统数字化设计

电机伺服控制系统数字化设计

第23卷第1期2007年8月 山西大同大学学报(自然学科版)JournalofShanxiDatongUniversity(NaturalScience) Vol.23.No.1Aug.2007

电机伺服控制系统数字化设计

史建华(山西大同大学物理与电子科学学院,山西大同037009)摘　要:传统电机伺服控制系统的设计一般均采用模拟电路来实现,本文介绍一种数字化设计方法.关键词:伺服系统　数字化　多环控制中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:167420874(2007)0120050203 一般的自动控制系统中,为了获取控制信号,要将被控制量y与给定值r相比较,以构成误差信号e=f-r.直接利用误差进行控制,使系统趋向减小误差,以至使误差为零,从而达到使被控制量y趋于给定值r的控制目的.这种控制由于被控制量是控制系统的输出,被控制量的变动又反馈到控制系统的输入端,与作为系统输入量的给定位相减,所以称为闭环负反馈系统[1],如图1所示.

图1　闭环控制系统框图如果把图1用计算机来代替,就可以构成计算机控制系统[1],其基本框图如图2所示.

图2　计算机控制系统框图本文以某项目中电机伺服系统控制环数字化为例分析电流、速度、位置环的数字化设计.1　电机伺服系统控制环概述 电机伺服系统由位置环、速度环和电流环三个闭环组成,是多环控制系统.可以采用设计多环系统的一般方法来设计此控制系统:从内环开始,逐步向外扩大.首先设计电流环,把电流环看作速度环中的一个环节,再设计速度环,最后将电流环和速度环看作位置环中的一个环节设计位置环.本系统所采用电动机参数为如下:电动机额定功率:300W;电动机额定转速:2000r/min;电动机额定电流:2.5A;电动机额定电压:110V;电动机定子电阻Rs:0.85Ω;电动机定子电感L:7.2mH;电磁时间常数TL:3.5ms;机械时间常数TM:1.3ms;转动惯量J:(1.0×10-3)kg·m2.1.1电流环设计传统电流环的设计常采用PI调节器,可按典型系统的校正方法设计参数[2].从稳态要求和动态要求上看,希望电流环做到无稳态误差,保持电枢电流在起动过程中不超过允许值,因而不希望产生超调,收稿日期225作者简介史建华(82),男,山西宁武人,硕士,讲师,研究方向计算机控制:2007011:197:.或者超调越小越好,可以采用典型Ⅰ系统校正.由于电流环有另一个重要作用是对电源电压波动的即时调节,为提高抗扰动性,系统采用典型Ⅱ系统校正.图3为电流环动态结构简图[3].图中各参数变量意义如下:Kpi:电流环PI调节器比例系数;τi:电流环PI调节器时间常数;β:电流反馈系数;Ti:电流环时间常数;Ks:功率放大系数.

基于伺服电机的换向器控制系统的设计与研究

基于伺服电机的换向器控制系统的设计与研究

基于伺服电机的换向器控制系统的设计与研究

由于水流量标准装置检定准确性和可靠性的要求,人们对其不确定度的研究越来越重要。换向器是水流量标准装置的主要不确定度来源,换向器的改造和控制系统的创新近年来成为了研究的重点。

对换向器控制系统的设计与研究对于提高换向器的准确度和不确定度水平具有重要意义。因此,本课题在熟悉了热水水流量标准装置的基础上建立了一套基于伺服电机的换向器控制系统,其目的为提高换向器的不确定度水平,解决其原有换向方式带来的换向不平稳、不准确的问题;通过对调整同步触发位置的方式进行研究,减少其以往的人工调整的方式带来的误差对整体水流量装置的影响。

确定了本课题装置的控制系统设计的关键后,使用Solidworks进行了装置零件建模,并通过机械加工对装置整体进行了装配,完成了本控制系统的硬件设计。根据控制系统的软硬件的需求,完成了对各个部件的选型、搭建和装配。

利用编程软件LabVIEW进行控制系统软件设计与编程,实现了对换向器的平稳控制和同步触发方式的创新,减少了人工操作带来的不确定度影响。利用换向器检定中的流量计检定法对本控制系统下的换向器进行了实验研究,通过对实验数据的分析和研究,验证了此控制系统的可行性和可靠性,达到了换向器换向过程中稳定和精确换向的要求。

通过对其不确定度影响因素的分析和评估,得到本系统控制下的换向器不确定度为0.005%,大大提高了换向器的不确定度水平,验证了本控制系统的合理性。整套控制装置运行平稳,响应速度灵敏,换向精度高,对热水水流量装置的换向器研究有着重大意义。

基于FPGA的直流电机伺服控制系统设计与实现

基于FPGA的直流电机伺服控制系统设计与实现

２０１７年　第３８卷　ｌ１月　第６期　郑州大学学报（工学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　Ｎ０ｖ．　２０１７　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．６　

文章编号：１６７１—６８３３ｌ２０１７）０６—００５４—０５　

基于ＦＰＧＡ的直流电机伺服控制系统设计与实现　

常怡萍，刘　琴，杨　蕾　

（中原工学院电子信息学院河南郑州４５０００７）　

摘　要：为了满足直流电机伺服控制系统实时控制的要求，提高电机跟踪控制的精度，设计了基于单片　

ＦＰＧＡ的直流电机伺服控制系统．该控制系统采用Ｎｉｏｓ　ＩＩ内核实现位置环和速度环控制策略，系统的电　流环通过并行硬件电路实现．为了减小电机的力矩波动，设计了基于Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ策略的ＰＩ速度控制　

器；为了减小系统的超调量和调节时间，位置环采用了超前滞后校正器．仿真和实验结果表明，设计的伺　服控制系统具有较好的稳态精度和动态性能，满足系统的设计要求．　

关键词：ＦＰＧＡ；Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ；Ｂｉｓｓ；伺服控制　中图分类号：ＴＰ　２７３　文献标志码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１—６８３３．２０１７．０３．００６　

０　引言　

直流电机以其优异的性能在航空航天、数　

控机床、汽车电子等领域得到了广泛的应用．传　

统的直流电机伺服控制系统通常采用基于ＤＳＰ　

和ＦＰＧＡ架构的控制器，此类控制器电路结构复　

杂、灵活性较差，不利于系统的升级和维护．为　

了简化外围硬件电路设计，近年来基于单片ＦＰ．　

ＧＡ的伺服控制器成为研究的热点，并且在工业　控制领域得到了成功的应用¨　．文献［４］采用　

ＦＰＧＡ完成了基于Ａｎｔｉ．Ｗｉｎｄｕｐ策略的永磁同步　

电机速度控制，实现了永磁同步力矩电机转速的　

快速无超调控制；文献［５］在ＦＰＧＡ中实现了感　

应电机的神经网络控制，实现了感应电机的集成　

伺服控制；文献［６］通过硬件语言在ＦＰＧＡ中完　成了永磁同步直线电机的自适应模糊控制　．上　

伺服电机控制系统的三种控制方式

伺服电机控制系统的三种控制方式

力辉伺服控制系统一般分为三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。

（1）如果对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。

（2）如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。

换一种说法是：

1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为；如果电机轴负载低于时电机正转，外部负载等于时电机不转，大于时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。

应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。