伺服控制系统的硬件设计

电 子 信 息 与 电 气 工 程 系

课程设计报告

设计题目： 直流伺服电机控制系统设计

系 别： 电子信息与电气工程系

年级专业：

学 号：

学生姓名：

2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书

论文

题目 直流伺服电机控制系统设计 设计类型 导师姓名 丁健

干开峰

主要内容及目标 设计对象是直流伺服电机实验台，设计一个计算机控制的直流伺服电机控制系统。由测量元件(位移传感器)对被控制对象(电机)的被控参数(位移)进行测量，由变换发送单元(A/D转换器)将被控参数变成一定形式的信号 ，送给控制器CPU，控制器将测量信号(实际位移量)与给定信号（位移量）进行比较，若有误差则按预定的控制规律产生一控制信号驱动执行机构(伺服电机控制电源)工作，使被控参数(实际位移量)与给定信号（位移量）保持一致。其电机位置随动系统：

312(Ts+1)()(1)(1)KGssTsTs

其中：1T =，2T=，3T=，K =100，控制算法选用数字PID控制。

设计条件 1． PC机一台，教学实验箱一台;

计划学生数及任务 3人

（1）：明确课题功能。

（2）：把复杂问题分解为若干模块，确定各模块处理方法，画出流程图。

（3）：存储器资源分配

（4）：编制程序，根据流程图来编制源程序

（5）：对程序进行汇编，调试和修改，直到程序运行结果正确为止。

计划设计进程 一、总体方案设计

二、控制系统的建模和数字控制器设计

三、硬件的设计和实现

1、 选择计算机字长(选用 51内核的单片机)

2、 设计支持计算机工作的外围电路(EPROM、RAM、I/O端口、键盘、显示接口电路等)；

3、 设计输入信号接口电路；

毛　登　如　现代驱动与控翩　

永磁同步直线电机伺服控制系统设计　

吕　飞　余凤豪　张松涛秦福星　海军蚌埠士官学校（２３３０１２）　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｓｅｒｖｏ・ｓｙｓｔｅｍ　ＬｖＦｅｉ　ＹｕＦｅｎｇｈａｏ　ＺｈａｎｇＳｏｎｇｔａｏ　Ｏｉ．Ｆｕｘｉｎｇ　Ｎａｖａｌ　Ｐｅｔｔｙ　Ｏｆｆｉｃｅｒ　Ａｃａｄｅｍｙ　

摘　要：直线电机与旋转电机相比能直接获得直线　运动，永磁同步直线电机能直接驱动需直线运动的设　备，以获得有限可控位移。文章设计了一种基于Ｄ　ＳＰ的永　磁同步直线电机伺服控制系统，试验表明该系统能快速　准确地追踪位置指令，为实际应用奠定基础。　关键词：永磁同步直线电机伺服系统数字信号　处理器位置检测　中图分类号：ＴＭ３５１　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎｌ００６・２８０７．２０１２．０２．００８　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｏｒ　ｃａｎ　ｏｂｔａｉｎ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｒｙ　ｍｏｔｏｒ，ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｄｒｉｖｅ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｔｈｅ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｗｈｅｒｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｉｏｎ　ｉｓ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ，ｔｏ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．Ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　ｓｅｒｖｏ—ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｗｏｒｋｅｄ　ｏｕｔ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｏ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｒａｃｋｅｄ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｍｍａｎｄ　ｒａｐｉｄｌｙ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｔｏ　ｓｕｐｐｌｙ　ａ　ｒｉｇｉｄ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐ—　ｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｌｉｎｅａｒ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　Ｓｅｒｖｏ－ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　直线电机能直接获得直线运动，省去中间的　变换环节，给被控对象提供直线运动形式的推　力，以获得单向或双向的有限可控位移［】１。永磁　同步直线电机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｓｙｎ—　ｃｈｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ缩写的ＰＭＬＳＭ）将具有三相绕　组的初级做成定子，而永磁体的次级作为动子，　借助于支撑系统，动子和静子之间保持恒定的气　隙。主要用作为推力或位置控制的平板形直线电　动机［　￣３］。　ＰＭＬＳＭ因具有高效、高可靠陛、体积小、时　间常数小、响应快和可控性好等优势，而大量的　应用于小功率设备，作为伺服驱动和精度较高的　定位控制［引。合理的伺服控制系统的设计方案，　必将推动ＰＭＬＳＭ进一步应用。　本文分析设计了＿一种永磁同步直线电机伺服　控制系统中硬件和软件构成，并用实际电路和电　机进行了系统实验。试验表明所设计系统能快速　准确地追踪位置指令，电机动子运行快速且平　稳，为进一步实际应用奠定基础。　１　硬件　永磁同步直线电机伺服控制系统的机构　框图如图ｌ，由以Ｔ　Ｍ￥３２０Ｆ２４０数字信号处理器　（ＤＳＰ）为核心的系统板、电流检测环节、位置及　速度检测环节、ＩＲ２１３０芯片栅极驱动保护环节以　及由功率场效应晶体管ＩＲＦ８３０组成的主电路等　构成。系统的所有控制调节全部由ＴＭ￥３２０Ｆ２４０　控制器用软件完成，然后直接输出逻辑电平型的　空间矢量脉宽调制控制信号（ＳＶＰＷＭ）到栅极　驱动器ＩＲ２１３０中，使之触发ＩＲＦ８３０。　ｌ－ｌ系统板　系统板以Ｔ　Ｍ　Ｓ３２０Ｆ２４０高速定点Ｄ　Ｓ　Ｐ作为控　制器，板上有两片外部６４Ｋ￣８位程序／数据存储　《电帆技求》２０１２年第２期・２９．

摘 要

直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设计作了深入研究。

本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方便有效的装配过程。

建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策略，选择了矢量控制方法。确定0di的矢量控制实现形式。通过SVPWM方法进行脉宽调制，合成三相正弦波。选用TI公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法在DSP中的实现形式。采用了C语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中，以智能功率模块IPM为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过压欠压保护和电源模块等。

由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。

关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制

Abstract

Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade,

especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software

and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear

motor(PMSLM).

First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which

第１９卷　Ｖｏ１．１９　第ｌ８期　ＮＯ．１８　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１１年９月　Ｓｅｐ．２０１１　

单轴转台伺服控制系统电路设计　

蔡刚刚　

（国防科学技术大学光电科学与工程学院，湖南长沙４１００７３）　

摘要：单轴转台作为一种运动控制装置，已经在许多领域得到广泛应用。为了缩短转台伺服控制系统的开发周期和　

提高系统的可靠性。提出了以永磁同步电机为执行机构、以ＩＲＭＣＫ２０３为伺服控制器的设计方案，并以智能功率模块　

ＰＳ２１８６７和ＩＲＭＣＫ２０３为核心进行了控制电路软硬件设计。　关键词：单轴转台：永磁同步电机；智能功率模块；ＩＲＭＣＫ２０３　’　

中图分类号：ＴＰ３９１；ＴＭ３４１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１１）１８－０１４５－０３　

Ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｓｉｎｇｌｅ－ａｘｉｓ　ｔａｂｌｅ　

ＣＡＩ　Ｇａｎｇ・・ｇａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓ　ｏｆＤｅｆｅｎｓｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００７３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｇｌｅ－ａｘｉｓ　ｔａｂｌｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ａｒｅａｓ　ａｓ　ａ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｏ　ｓｈｏ￣ｅｎ　ｔｈｅ　

ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃｙｃｌｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｕｓｉｎｇ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）　

ａｓ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ａｎｄ　ＩＲＭＣＫ２０３　ａｓ　ｓｅｒｖｏ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ