硬磁盘驱动器数字伺服控制系统的设计

第一章伺服系统概述伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统。

在伺服系统中，输出量能够自动、快速、准确地尾随输入量的变化，因此又称之为随动系统或者自动跟踪系统。

机械参数主要包括位移、角度、力、转矩、速度和加速度。

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、计算机技术、现代控制技术、材料技术的快速发展以及机电创造工艺水平的逐步提高，伺服技术已迎来了新的发展机遇，伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁同步机电、感应电机为伺服机电的新一代交流伺服系统。

目前，伺服控制系统不仅在工农业生产以及日常生活中得到了广泛的应用，而且在许多高科技领域，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路创造、办公自动化设备、卫星姿态控制、雷达和各种军用武器随动系统、柔性创造系统以及自动化生产线等领域中的应用也迅速发展。

1.1 伺服系统的基本概念1.1.1 伺服系统的定义“伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动作，即控制信号到来之前，被控对象时静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制信号消失之后，被控对象应自行住手。

伺服系统的主要任务是按照控制命令要求，对信号进行变换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出的转矩、速度及位置都能灵便方便的控制。

1.1.2 伺服系统的组成伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。

它由检测部份、误差放大部份、部份及被控对象组成。

1.1.3 伺服系统性能的基本要求1 )精度高。

伺服系统的精度是指输出量能复现出输入量的精确程度。

2 )稳定性好。

稳定是指系统在给定输入或者外界干扰的作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。

3 )快速响应。

响应速度是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。

4)调速范围宽。

调速范围是指生产机械要求机电能提供的最高转速和最低转速之比。

5 )低速大转矩。

在伺服控制系统中，通常要求在低速时为恒转矩控制，电机能够提供较大的输出转矩；在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

伺服系统的设计要求、步骤、方法伺服系统结构上的复杂性，决定了其设计过程的复杂性。

实际伺服系统的设计是很难一次成功的，往往都要经过多次反复修改和调试才能获得满意的结果。

下面仅对伺服系统设计的一般步骤和方法作一简单介绍。

伺服系统设计要求1、稳定性伺服系统的稳定性指在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令信号作用下，能够达到的新的稳定运行状态的能力。

稳定性要求是一项最基本的要求，是保证伺服系统能够正常运行的最基本条件。

2、精度伺服系统的精度是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。

系统中各个元件的误差都会影响到系统的精度，如传感器的灵敏度和精度、伺服放大器的零点漂移和死区误差、机械装置中的反向间隙和传动误差、各元器件的非线性因素等。

反映在伺服系统_上就会表现出动态误差、稳态误差和静态误差，伺服系统应在比较经济的条件下达到给定的精度。

3、快速响应性快速响应性是指系统输出量快速跟随输入指令信号变化的能力，它主要取决于系统的阻尼比和固有频率可以提高快速响应性，但对系统的稳定性和最大超调量有不利影响，因此系统设计时应该对两者进行优化，使系统的输出响应速度尽可能快。

4、灵敏度系统各元件的参数变化等都会影响系统的性能，系统对这些变化的灵敏度要小，即系统的性能应不受参数变化的影响。

具体措施为：对于开环系统，应严格挑选各元件;对于闭环系统，对输出通道中元件的挑选标准可适当放宽，对反馈通道的各元件必须严格挑选，以改善系统的灵敏度。

伺服系统设计步骤及方法1、设计要求分析，系统方案设计首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用场合和目的、基本性能指标及其它性能指标，然后根据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比，选定一种比较合理的方案。

方案设计应包括下述一些内容：控制方式选择；执行元件选择；传感器及其检测装置选择；机械传动及执行机构选择等。

方案设计是系统设计的第一步，各构成环节的选择只是初步的，还要在详细设计阶段进一步修改确定。

《面向数控的伺服控制器的设计与实现》面向数控的伺服控制器设计与实现一、引言随着制造业的快速发展，数控技术已经成为现代制造业中不可或缺的一部分。

伺服控制器作为数控系统中的关键部件，其性能的优劣直接影响到整个数控系统的运行效率和加工精度。

因此，本文旨在设计并实现一种面向数控的伺服控制器，以满足现代制造业对于高精度、高效率的加工需求。

二、系统设计1. 硬件设计伺服控制器的硬件设计主要包括主控制器、驱动器、电机和传感器等部分。

主控制器采用高性能的DSP或FPGA芯片，以实现高速的数据处理和控制算法运算。

驱动器采用先进的电力电子技术，将主控制器的控制信号转换为电机所需的驱动信号。

电机选用高精度、高转矩的伺服电机，以保证加工精度和运动平稳性。

传感器采用高精度的位置和速度检测装置，实时反馈电机的位置和速度信息。

2. 软件设计伺服控制器的软件设计主要包括控制系统软件和通信接口软件两部分。

控制系统软件采用数字信号处理技术，实现对电机的高精度控制。

通信接口软件则负责与上位机进行通信，接收上位机的控制指令，并将电机的状态信息反馈给上位机。

三、控制算法设计与实现1. 位置控制算法位置控制算法是伺服控制器的核心算法之一。

本文采用PID 控制算法，通过实时比较目标位置和实际位置，计算出差值，并根据差值调整电机的运动状态，使电机能够快速、准确地到达目标位置。

2. 速度控制算法速度控制算法是保证电机运动平稳性的关键。

本文采用矢量控制算法，通过控制电机的电流和电压，实现对电机速度的精确控制。

同时，还采用了加速度控制算法，根据电机的运动状态和加速度限制，合理规划电机的运动轨迹，以保证电机的运动平稳性和加工精度。

四、实验与结果分析为了验证本文设计的伺服控制器的性能，我们进行了多组实验。

实验结果表明，本文设计的伺服控制器具有高精度、高效率的加工性能，能够满足现代制造业对于高精度、高效率的加工需求。

具体来说，本文设计的伺服控制器在位置控制方面具有较高的稳定性，能够在短时间内快速到达目标位置；在速度控制方面，能够实现对电机速度的精确控制，保证电机的运动平稳性；在加工精度方面，能够满足高精度的加工需求，提高加工效率和质量。

每个扇区开始时由磁盘控制器产生一个扇标脉冲。扇标脉冲的出现即标志一 个扇区的开始。两个扇标脉冲之间的一段磁道区域即为一个扇区（一记录 块）。每个记录块由头部空白段、序标段、数据段、校验字段及尾部空白 段组成。其中空白段用来留出一定的时间作为磁盘控制器的读写准备时间， 序标被用来作为磁盘控制器的同步定时信号。序标之后即为本扇区所记录 的数据。数据之后是校验字，它用来校验磁盘读出的数据是否正确。
在磁道上，信息是按区存放的，每个区中存放一定数量的字或字节，各个区存放的 字或字节数是相同的。为进行读/
位置称为“索引”。索引标志在传感器检索下可产生脉冲信号，再通过磁 盘控制器处理，便可定出磁道起始位置。
磁盘存储器的每个扇区记录定长的数据，因此读／写操作是以扇区为单位 一位一位串行进行的。每一个扇区记录一个记录块。数据在磁盘上的记录 格式如下图所示。
目前的发展趋势是采用B，C两种接口形式，增强设备的功能，以使设备相对独 立。
7.4.4 磁盘上信息的分布
盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁盘片表面称为记录面。记录面上一道，每个磁道又分为若干 个扇区。如下图所示。
磁道的编址是从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心 圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积并不用来记录信息。扇区的编号有多种方法，可 以连续编号，也可间隔编号。磁盘记录面经这样编址后，就可用n磁道m扇区的磁 盘地址找到实际磁盘上与之相对应的记录区。除了磁道号和扇区号之外，还有记 录面的面号，以说明本次处理是在哪一个记录面上。例如对活动头磁盘组来说， 磁盘地址是由记录面号(也称磁头号)
主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑如图所示：
磁盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进行数据与时钟的分离， 再进行串-并变换、格式变换，最后送入数据缓冲器，经DMA（直接存储器传送） 控制将数据传送到主机总线。