3658 小功率直流伺服系統控制電路設計

3658 小功率直流伺服系統控制電路設計,功率,直流,伺服系統,控制電路,設計 本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 小 論 文 ） 第 I 頁 共 I 頁南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設計(小論文)作 者 : 武曉華學 號：05010237系 　 部 : 機械工程系專 業(yè) : 機械工程及自動化題 目 : 直流伺服系統指導者 王榮林 助教 本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 小 論 文 ） 第 1 頁 共 6 頁摘要 隨著伺服技術的發(fā)展，伺服系統的應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速特性、較寬廣的調速范圍，長期以來在要求調速的地方，特別是對調速性能指標要求較高的場合。所以研究小功率直流伺服系統具有一定應用意義。關鍵詞 伺服系統 小功率電機控制 1 伺服系統的發(fā)展簡況伺服系統是自動控制系統中的一類。它是伴隨電的應用而發(fā)展起來的，最早出現于本世紀初。1934 年第一次提出了伺服機構這個詞，隨著自動控制理論的發(fā)展，到本世紀中期，伺服系統的理論與實踐均趨于成熟，并得到廣泛應用。近幾十年來在新技術革命的推動下，特別是伴隨著微電子技術和計算機技術的飛速進步，伺服系統更是如虎添翼突飛猛進。它的應用幾乎遍及社會的各個領域，下面簡單地列舉幾例。伺服系統在機械制造行業(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控制的。它們不僅能完成轉動控制、直線運動控制，而且能依靠多套伺服系統的配合，完成復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，都是依靠伺服系統來實現的，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，伺服系統用得更為普遍，如雷達天線的自動瞄準跟蹤控制，高射炮、戰(zhàn)術導彈發(fā)射架的瞄準運動控制，坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制，防空導彈的制導控制，魚雷的自動控制等。在計算機外圍設備中，也采用了不少伺服系統，如自動繪圖儀的畫筆控制系統、磁盤驅動系統等。本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 小 論 文 ） 第 2 頁 共 6 頁如今，我國已成為世界上少有的幾個能產生激光電視放像系統的國家，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也具有響應的控制精度，以保證獲取清晰穩(wěn)定的畫面。這種具有高精度伺服系統的激光電視放像機，已開始進入我國人民的家庭生活。2 伺服系統的作用、組成及分類在自動控制系統中，把輸入量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統稱為隨動系統，亦稱伺服系統。伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件(或稱執(zhí)行元件)組成，高性能的伺服系統還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。伺服系統按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統，交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統……。按控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統、閉環(huán)伺服系統和半閉環(huán)伺服系統等 [3]。(1) 開環(huán)系統開環(huán)系統主要是由驅動電路、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)系統為步進式伺服系統，在這種系統中，如果是大功率驅動時，用電液脈沖馬達作為執(zhí)行元件。驅動電路的主要任務是將指令脈沖轉化為驅動執(zhí)行元件所需的信號。(2) 閉環(huán)系統閉環(huán)系統主要是由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅動電路和負載五部分組成。在閉環(huán)系統中，檢測元件將負載移動部件的實際位置檢測出來并轉換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉變壓器、感應同步器、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稱為半閉環(huán)系統；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統稱為閉環(huán)系統。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統的精度要比閉環(huán)伺服系統的精度低一些。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的跟隨誤差，經驅動電路，控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到跟隨本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 小 論 文 ） 第 3 頁 共 6 頁誤差為零。根據進入比較環(huán)節(jié)信號的形式以及反饋檢測方式，閉環(huán)(半閉環(huán))系統可分為脈沖比較伺服系統、相位比較伺服系統和幅值比較伺服系統三種。由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號非常微弱，不足以驅動執(zhí)行元件，故需對其進行放大，驅動電路正是為此而設置的。執(zhí)行元件的作用是根據控制信號，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化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調速電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統中必不可少的一部分，驅動電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的 [4]。(3) 開環(huán)、閉環(huán)系統的優(yōu)缺點和區(qū)別開環(huán)系統是沒有輸出反饋的一類控制系統，這種系統的輸入直接供給控制器，并通過控制器堆受控對象產生控制作用。開環(huán)系統的主要優(yōu)點是結構簡單、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用領域，絕大多數控制系統的基本結構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)控制系統又稱為反饋控制系統，這種反饋成為負反饋。閉環(huán)控制系統比開環(huán)控制系統，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，缺點是結構比較復雜、價格比較貴、維修人員要求文化素質高 [5]。3 小功率電機控制直流電動機由于具有良好的調速特性、較寬廣的調速范圍，長期以來在要求調速的地方，特別是對調速性能指標要求較高的場合，例如軋鋼機、龍門刨和高精度機床等中得到了廣泛的應用 [6]。以前直流電機調速系統采用直流發(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速系統，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。特別是廣泛采用本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 小 論 文 ） 第 4 頁 共 6 頁了由集成電路運算放大器構成的電子調節(jié)器后，晶閘管整流器供電的直流電機調速系統在性能上遠遠地超過了直流發(fā)電機組供電的系統。近年來在微處理機研制方面的重大進展，更為實現直流電機調速系統的數字化和高精度創(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，感應電動機應用最廣泛，這是因為它結構簡單、牢固，價格低廉，很少需要維護，使用壽命長，噪聲和震動小，并有各種轉速和容量等級可供選用。它的缺點是調速不大方便。小功率同步電動機不需要滑環(huán)，結構也比較簡單，它具有恒定的轉速，主要用于需要轉速恒定的場合，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子上安裝起動籠 [8]。4 電子電路的特點電子技術的發(fā)展經歷了電子管、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比較成熟 [9]。電子技術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，可以采用不同的器件和功能電路來實現，這樣就要求設計者進行綜合考慮，從而提高性能，降低成本 [11]。5 對控制系統的基本要求自動控制系統用于不同的目的，要求也往往不一樣。但自動控制技術是研究各類控制系統共同規(guī)律的一門技術，對控制系統有一個共同的需求，一般可歸結為穩(wěn)定、準確、快速 [12]。(1) 穩(wěn)定性 由于系統往往存在著慣性，當系統的各個參數設置不當時，將本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 小 論 文 ） 第 5 頁 共 6 頁會引起系統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能夠恢復平衡狀態(tài)的能力 [13]。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應該隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性的要求是系統工作的首要條件。(2) 快速性 這是在系統穩(wěn)定的前提下提出的。快速性是指當系統輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。(3) 準確性 是指在調整過程結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，這也是衡量系統工作性能的重要指標。例如數控機床精度越高，則加工精度也越高。由于受控對象的具體情況不同，各種系統對穩(wěn)、準、快的要求各有側重，例如，隨動系統對快速性要求較高，而調速系統對穩(wěn)定性提出較嚴格的要求。同一系統穩(wěn)、準、快有時是相互制約的?？焖傩院?，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 總結上述的各種控制策略基本上都是根據經典控制理論和現代控制理論提出來的，它們都依賴于電機的模型，當模型受到參數變化和擾動作用的影響時，系統的性能將受到很大的影響 [14]。現代交流伺服系統對控制的要求是響應快、精度高、轉矩脈動小。實現交流電動機瞬時轉矩的高性能控制是滿足這些要求的關鍵因素 [15]。因此，現代高精度交流伺服系統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的控制需要。本 科 畢 業(yè) 設 計 （ 小 論 文 ） 第 6 頁 共 6 頁參 考 文 獻[1] 鄭靜.小功率伺服無刷直流電機驅動器設計[J].電子測量技術,2006,(3).[2] 何希才.常用電子電路(應用 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動及保護電路設計[J]. 微電機,2008,(8). [4] 肖英奎.伺服系統實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004-2[5] 章燕申.控制系統的設計與實踐[M].北京：清華大學出版社，1992-3[6] 李清新.伺服系統與機床電氣控制[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：浙江大學出版社，1995-2[9] 寇戈.模擬電路與數字電路[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：化學工業(yè)出版社，2007-4[11] 黃錦安.電工技術基礎[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004-9[12] 董景新.控制工程基礎[M].第二版，北京：清華大學出版社，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[M].北京：清華大學出版社，1997-10[15] 王耀德.交直流電力拖動控制系統[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994-5南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設計(論文)前期工作材料學 生 姓 名 : 武曉華 學 號： 05010237系 　 部 : 機械工程系專 業(yè) : 機械工程及自動化設計 (論 文 )題 目 : 小功率直流伺服系統控制電路指 導 教 師 : 王榮林 助教(姓 名) (專業(yè)技術職務)材 料 目 錄序號 名 稱 數量 備 注1 畢業(yè)設計(論文)選題、審題表 12 畢業(yè)設計(論文)任務書 13 畢業(yè)設計(論文)開題報告〔含文獻綜述〕 14 畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯〔含原文〕 15 畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 12009 年 5 月 南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯系　　部： 機械工程系 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 武曉華 學 號： 05010237 外文出處： Clemson University 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導教師評語：該同學，結合畢業(yè)設計課題查找相關資料，完成翻譯。譯文語句通順，專業(yè)詞匯準確，編排符合規(guī)范和畢業(yè)設計相關要求。翻譯質量優(yōu)。簽名： 年 月 日(用外文寫)注：請將該封面與附件裝訂成冊。附件 1：外文資料翻譯譯文對壓電執(zhí)行器的有效跟蹤控制M. Salah, M. McIntyre, D. Dawson, J.Wagner克萊姆森，克萊姆森大學電氣與機械工程學院編號：29634E-mail: msalah@ces.clemson.edu摘要：本文闡述的是，為了使壓電驅動器更好的工作，而對一種以遲滯模型為基礎的非線性魯棒控制方法進行了改進。該改進利用李雅普諾夫為基礎的穩(wěn)定性分析，以確保理想的位移軌跡是準確地跟蹤。模擬結果被提出并加以討論以證明有效控制策略的可行性。1 引言以壓電陶瓷（PZTA）為基礎的系統正在越來越明確的成為一種非常重要的精確定位的技術，無論是在科學和工業(yè)上，都得到了廣泛的關注。這些器件能完成高精度驅動任務。由于其高剛度，響應速度快，分辨率極大等特點，他們往往利用在機構的驅動系統中 [19]，并可以用來作為傳感器或執(zhí)行器等系統。PZTA 的優(yōu)點[14]包括： 1）無磨損，2）高效率，3）幾乎是無限小的定位能力，4）超快速擴張，還有 5）有能力提供大驅動力量。這些微定位元素在許多重要的應用發(fā)揮了巨大作用，如掃描隧道顯微鏡 [31]，掃描探針顯微鏡 [9], [23]，激光應用 [29]，及液壓伺服控制系統 [5]等等。盡管 PZTA 在微型定位系統中有不可取代的優(yōu)點，但是，由于它們由鐵電體和陶瓷材料組成，驅動器的定位反應會表現出一種強大的歇斯底里的活動。具體地說，一個應用電壓是典型的啟動 PZTA 的輸入控制信號，但是萬一該輸入控制電壓是比較大的情況下，PZTA 會出現大量的失真，這是由于裝置中固有的滯后現象。這種效應可能會在反饋控制等方面降低系統的穩(wěn)定性 [26]。由于這一非線性行為，我們可以想象在使用 PZTA 進行精確跟蹤控制時的困難。因此，在非線性控制策略中，都需要使用 PZTA 的微型定位與跟蹤系統。過去 PZTA 研究集中于建立精確的動態(tài)驅動模型 [3]，[18]，[30] ，而其他的研究都集中在發(fā)展主動控制策略，用于精密定位和跟蹤應用系統 [13]，[14]，[19]，[25]，[27] 。在第[12]篇參考文獻中，作者們對于建立 PZTA 的動力學模型問題提供了一個簡明的文獻綜述。由于 PZTA 低能的非線性性質，最近的著作側重于開發(fā)新模型來替代它，以避免其內部的遲滯現象。在第 [30]篇文獻中，作者將非線性彈簧單元引入遲滯模型，并利用了麥克斯韋滑動構造，而 [16]的作者將其用于支持向量回歸的非線性模型和神經網絡。 [17]和 [22]的作者發(fā)現，如果控制輸入是電荷，而不是外加電壓，用電壓來實現對 PZTA 的線性補償是可以實現的。 Furutani 等人的 [10]通過將電荷反饋與逆?zhèn)鬟f函數補償相結合，能改進 PZTA 的控制策略。 Vautier 和 Moheimani的 [26]表明，采用一種電荷控制，PZTA 的非線性效果的影響能被有效地降低，另外他們還提供了實驗數據，證明使用電荷控制的效率。此外，Main 等的 [21]同時呈獻了電壓和電荷控制的實驗數據，這些數據表明，在相同條件下，電荷控制相比電壓控制有更好的線性和更低的遲滯性。在第 [20]篇文獻中，作者提出了一種新的數學模型來描述復雜的滯后性，它基于一個新的參數，即 PZTA 的轉折電壓。在論文中，作者們能夠利用這個參數，以遏制固有的滯后性，以符合 PZTA 的±1%充分跨度范圍。Shieh 等人的 [24]制定了一個建立在魯格里模型的功能基礎上的參數化滯遲摩擦函數，以描述 PZTA 的遲滯特性。因此，這些研究人員能夠設計出一種擁有參數自適應算法的合適的位移跟蹤控制。在 [3]中，Bashash 和 Jalili 提出了擾動估計技術，以補償結構非線性和未建模 PZTA 的動力學。在著作中， [3] 的作者們通過對由含有電容式位置傳感器的PZTA 的納米級的驅動實驗，驗證了上述提出的模型。其他的研究在文獻中，重點發(fā)展為精確控制 PZTA 的智能控制計劃。一些這樣的設計都是基于逆遲滯模型，其被假設為預先驗證的，所以前饋技術可以被利用在控制的設計中 [2],[18]。其他的，如 [4],[6],[13],[14]等，應用了反饋線性化，以補償遲滯動態(tài)，然后實施跟蹤控制器。Wu 和 Zou 在 [28]中介紹了基于反轉的迭代控制方法，以彌補在高速、大范圍的追蹤中滯后和振動的動態(tài)變化。神經網絡和模糊控制也被使用于對 PZTA 遲滯非線性的建模和控制 PZTA 的微觀運動 [14]，[27] 。在 [19]中，作者提出了一個精確定位跟蹤的有效控制策略。要實施這些管制法，只需要一個估計系統參數的知識和相應的約束，以及包括擾亂的滯后效應的上下限。在 [25]中，Stepanenko 等人推出并實施了一個近似的函數，并由模糊邏輯技術補償遲滯非線性。在這篇文獻中，PZTA 的位移被緊密的跟蹤控制以獲得期望的軌跡。一種非線性有效控制策略在 PZTA 的電荷反饋和遲滯模型的部分知識基礎上被改進。電荷控制消除 PZTA 滯后性影響的辦法，并提供在上的更好的有效控制 [1] 。通過對嵌入在 PZTA 電路中的電容的電壓測量，該電荷測量方法得到了確認。以李雅普諾夫為基礎的分析，證明了精確跟蹤能被利用于改進該控制策略。模擬結果呈獻出來，都表明了主動控制辦法是切實可行的。本文的組織結構如下：在第 2 條中，基于科爾曼-赫吉敦的遲滯模型隨壓電執(zhí)行機構以及所需的對系統的假設一起被呈獻。在第 3 條中，非線性有效控制計劃方案被改進，而與穩(wěn)定性分析驗證壓電理想位移能夠被有效的跟蹤。在第 4 條中，模擬結果被給出以證明有效控制策略。最后，第 5 節(jié)是結束語。2 PZTA 系統模型2.1 PZTA 的伸長動力學圖 1．輸入電壓導致 PZTA 伸長示意圖如圖 1 所示，擁有單一伸長軸的 PZTA，可以動態(tài)地描述為：（1）pLFym???式中，m ∈R 表示 PZTA 的質量，L ∈R 表示沒被激活前 PZTA 的長度，F p (t) ∈ R 表示由于 PZTA 伸長產生的力， 表示作用在 PZTA 上的垂直力，??L??,表示位移、速度和加速度，分別是 PZTA 伸長的有效參數。??Rtyt?)(,?PZTA 的等效電路模型如圖 2 所示：圖 2．PZTA 的等效電路模型在這幅示意圖中，V(t) ∈R 表示輸入的控制電壓， 表示通過 PZTA 的Rtq?)(?電流，因為 。另外， 是一個串聯電容器，它方便了通過測量穿)(tqi????Cm過 的電壓 而實現對 的測量，因為 。在圖二中，H 顯示mCV?t)( mVC?電路元件在電壓 和感應電荷 q(t)之間的固有的滯后傾向，一個隨后的部分Rth)(將更進一步確定滯后模型。參數 是 PZTA 的內部電容， 是通過??Cc Rtq?)(?的電流，而 是穿過電容的電壓。最后， Tem 指示的電路元件代表后來cCtVc)(確定的伸長模型，而 是與伸長有關的常數[19]。另外， 表示流過RTem tp)(?支路的電流。2.2 遲滯模型我們定義一個非線性的遲滯模型 ，用它來描述輸入電壓 與驅RVHh?)( )(tVh動電荷 之間的關系。對于這篇文章來說，一個基于杜赫姆的滯后模型可以被定)(tq義作為 [8]：(2))()()(hhhVdfVq???式中， 是一個后來確定的信號。 變量 被定義作為：RVfh?)(式中， 是在 時刻的驅動電荷， 是在 時刻的輸入電壓，Rq?00t?RVh?00t?是一個常數，而 是 與輸入電壓 有關的偏導數，參數??Rf?)(?)(f )(h， 以及 有以下性質 [7]：)(hVd)(hfgh性質 1：函數 是分段光滑，單調遞增，而且是奇函數。V性質 2：函數 分段連續(xù)，而且是偶函數。)(h性質 3：函數 是已知的，而、而且是可逆的，例如 ，f )(hVf?。)(1hhVf??性質 4： 的與 有關的偏導數不為零，因此，)hf )(.,)(hhVfeit?，其中， 是常量。0)(????f ??R0性質 5：函數 有一個有限的上限 ，式中，)(hVg )()(.,???gfei)()(hhVf??性質 6：函數 的范圍由下式限制：)(hd（5）d??式中， 是一個常量（證明請參閱附錄一） 。??Rd?2.3 伸長模型我們用兩個線性關系來模仿 PZTA 的伸長運動。其中一個模仿了驅動伸長軸位移 的電荷 的作用，并由下式給出：)(ty)(tqp(6)yTqemp?另一個關系將由伸長運動產生的力 描述成一個有電壓 表示的函數 [19]，)(tF)(tVc并由下式給出：(7)cempVT?在式（6）和（7）中， 是 PZTA 固有的伸長常量。emT2.4 動態(tài)模型與假設為方便以后的控制目的，一個動力學的，與伸長軸位移 y(t)相關的表達方式應該被給出，并且應該由作用在 PZTA 的驅動電荷 q(t)來表示函數。有了這樣一個動力學模型的工作的有點是很明顯的，因為它少了遲滯的限制，關于這點我們已經在以前討論過了 [10]，[21] ，[26] 。由圖二中我們可以看出，驅動電荷可以明顯地被表達為：(8)pcqVCq??從上式可以看出，式（1）的表達可以改寫為：(9)qTFymcemL?????????式中我們用到了式（6）和（7） ，變量 由下式定義：RyL?),(? （10）yCTFcemL????????2為了便于跟蹤控制的設計，我們給出以下三個假設：假設 1：我們假定 PZTA 的參數以及其他的參數如 m， 和 都是已知的，CemT而且隨時間變化維持常量。假設 2：假定 PZTA 有效點的速度 和位移量 y(t)都是可測的。)(ty?假設 3：假定力 以及一介導數 都是有界的， （),(yFL? ),yFL?，而 ）??yFeiL),(.,? ??tty(),( 南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設計（論文）任務書系 　 　 　 部 ： 機械工程系專 業(yè) ： 機械工程及自動化學 生 姓 名： 武曉華學 號：05010237設 計 (論 文 )題 目 ： 小功率直流伺服系統控制電路設計起 迄 日 期 : 2009 年 3 月 9 日—6 月 14 日設計 (論文 )地點 : 南京理工大學泰州科技學院指 導 教 師 :專 業(yè) 負 責 人 :發(fā)任務書日期: 2009 年 2 月 26 日任務書填寫要求1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據各課題的具體情況填寫，經學生所在專業(yè)的負責人審查、系部領導簽字后生效。此任務書應在第七學期結束前填好并發(fā)給學生；2．任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；3．任務書內填寫的內容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經過所在專業(yè)及系部主管領導審批后方可重新填寫；4．任務書內有關“系部” 、 “專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數字代碼。學生的“學號”要寫全號；5．任務書內“主要參考文獻”的填寫，應按照國標 GB 7714—2005《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；6．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標 GB/T 7408—2005《數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“2009 年 3 月 15 日”或“2009-03-15”。畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：（1）引導學生自覺地將知識學習與科學、技術、工程研究相結合，學會查找并利用相關的文獻資料，基本掌握科學研究的思路、方法和手段；（2）提高學生的實踐能力和動手能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)造、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)與敬業(yè)精神；（3）培養(yǎng)學生的團隊拼搏精神，使學生能更好地熔入社會；（4）學會撰寫科技論文報告。2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）：要求學生應用學過的模擬電路、控制理論等知識，根據題目的要求，設計小功率直流伺服系統的控制電路，控制電機工作。要求：1. 清楚控制對象的工作情況； 2. 控制信號可以是直流的，也可以是交流的； 3. 根據執(zhí)行電機的功率估算放大器各級所選的元件參數；4. 控制電路要保證電機能在正、反二個方向運動；5. 完成控制電路實驗（如果能帶動電機工作更好） ；6. 分析直流伺服系統的工作特點；7. 執(zhí)行電機的參數如下表電機型號 額定功率 額定電流 額定電壓S221D 36W 1.5A 24V測速機 輸出電壓 轉速 線性精度30CY-1 15V 3000r/m 1％畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書3．對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設計論文、圖表、實物樣品等〕：課題成果內容包括：1. 完成小功率直流伺服系統控制電路的設計；2. 完成小功率直流伺服系統控制電路的實驗；3. 應用計算機繪制小功率直流伺服系統控制電路圖并注明參數；4．主要參考文獻：[1] 何希才.常用電子電路（應用 365 例）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006. [2] 楊興瑤等.新編實用電子電路 500 例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007. [3] 章燕申，袁曾任等.控制系統的設計與實踐[M].北京：清華大學出版社，1992.[4] 馮國楠.現代伺服系統的分析與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.[5] 曾樂生，施妙和.隨動系統[M].北京：北京工業(yè)學院出版社，1988.[6] 胡家耀，趙雅君. 現代控制理論基礎[M].北京：輕工業(yè)出版，1990.[7] 孫輝，張濤，張旭東.快學易學 Protel 99[M] .北京：郵電大學出版社，2001.[8] 王遠.模擬電子技術[M].北京：清華大學出版社，1997.[9] 王耀德.交直流電力拖動控制系統[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.[10] 王炳欽.集成電路應用原理[M].成都：電子科技大學出版社，1994.[11] 邵瑜，李聲晉，蘆剛.一種無刷直流電動機驅動及保護電路設計[J].微電機,2008,(8). [12] 李超，李波.一種實用型直流電機控制電路的設計[J].現代電子技術，2008,(15). [13] 鄭靜,渠慎豐.小功率伺服無刷直流電機驅動器設計[J].電子測量技術，2006,(3). 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：起 迄 日 期 工 作 內 容2009 年3 月 9 日 ~ 3 月 28 日3 月 29 日 ~ 4 月 15 日4 月 16 日 ~ 5 月 15 日5 月 16 日 ~ 6 月 8 日6 月 9 日~ 6 月 14 日學生查資料，根據題目寫開題報告（文獻綜述） 、翻譯一篇與題目相關的外文資料根據題目的要求，制定出初步的放大器原理方案根據修改后的設計方案，做實驗用 Protel 畫最終的電路，并完成畢業(yè)論文論文答辯所在專業(yè)審查意見：負責人： 年 月 日系部意見：系部主任： 年 月 日 南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設計(論文)開題報告學 生 姓 名： 武曉華學 號：05010237專 業(yè) ： 機械工程及自動化設計 (論文 )題目 ： 小功率直流伺服系統控制電路設計指 導 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)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2．開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見；3． “文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15 篇（不包括辭典、手冊） ；4．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標 GB/T 7408—94《數據元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數字書寫。如“2008 年 3 月 15 日”或“2008-03-15”。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據所查閱的文獻資料，每人撰寫2000 字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述摘要 隨著伺服技術的發(fā)展，伺服系統的應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速特性、較寬廣的調速范圍，長期以來在要求調速的地方，特別是對調速性能指標要求較高的場合。所以研究小功率直流伺服系統具有一定應用意義。關鍵詞 伺服系統 閉環(huán)系統 小功率電機控制 直流電動機1 伺服系統的發(fā)展簡況伺服系統是自動控制系統中的一類。它是伴隨電的應用而發(fā)展起來的，最早出現于本世紀初。1934 年第一次提出了伺服機構這個詞，隨著自動控制理論的發(fā)展，到本世紀中期，伺服系統的理論與實踐均趨于成熟，并得到廣泛應用。近幾十年來在新技術革命的推動下，特別是伴隨著微電子技術和計算機技術的飛速進步，伺服系統更是如虎添翼突飛猛進。它的應用幾乎遍及社會的各個領域，下面簡單地列舉幾例。伺服系統在機械制造行業(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控制的。它們不僅能完成轉動控制、直線運動控制，而且能依靠多套伺服系統的配合，完成復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，都是依靠伺服系統來實現的，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，伺服系統用得更為普遍，如雷達天線的自動瞄準跟蹤控制，高射炮、戰(zhàn)術導彈發(fā)射架的瞄準運動控制，坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制，防空導彈的制導控制，魚雷的自動控制等。在計算機外圍設備中，也采用了不少伺服系統，如自動繪圖儀的畫筆控制系統、磁盤驅動系統等。如今，我國已成為世界上少有的幾個能產生激光電視放像系統的國家，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也具有響應的控制精度，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。伺服系統的應用越來越廣泛，大至控制上噸重的巨型雷達天線，可及時準確地跟蹤人造衛(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、交通運輸道家庭生活，而且必將發(fā)展應用到更新的領域。2 伺服系統的作用、組成及分類在自動控制系統中，把輸入量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化的系統稱為隨動系統，亦稱伺服系統。伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件(或稱執(zhí)行元件)組成，高性能的伺服系統還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。伺服系統按其驅動元件劃分，有步進式伺服系統、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統，交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統……。按控制方式劃分，有開環(huán)伺服系統、閉環(huán)伺服系統和半閉環(huán)伺服系統等 [3]。(1) 開環(huán)系統圖 1 是開環(huán)系統構成圖。它主要是由驅動電路、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)系統為步進式伺服系統，在這種系統中，如果是大功率驅動時，用電液脈沖馬達作為執(zhí)行元件。驅動電路的主要任務是將指令脈沖轉化為驅動執(zhí)行元件所需的信號。圖 1 開環(huán)系統構成圖(2) 閉環(huán)系統閉環(huán)系統主要是由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅動電路和負載五部分組成。其構成框圖如圖 2 所示。在閉環(huán)系統中，檢測元件將負載移動部件的實際位置檢測出來并轉換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉變壓器、感應同步器、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稱為半閉環(huán)系統；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統稱為閉環(huán)系統。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統的精度要比閉環(huán)伺服系統的精度低一些。圖 2 閉環(huán)系統構成圖比較環(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的跟隨誤差，經驅動電路，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))系統可分為脈沖比較伺服系統、相位比較伺服系統和幅值比較伺服系統三種。由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號非常微弱，不足以驅動執(zhí)行元件，故需對其進行放大，驅動電路正是為此而設置的。執(zhí)行元件的作用是根據控制信號，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化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調速電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統中必不可少的一部分，驅動電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的 [4]。(3) 開環(huán)、閉環(huán)系統的優(yōu)缺點和區(qū)別開環(huán)系統是沒有輸出反饋的一類控制系統，這種系統的輸入直接供給控制器，并通過控制器堆受控對象產生控制作用。開環(huán)系統的主要優(yōu)點是結構簡單、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用領域，絕大多數控制系統的基本結構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)控制系統又稱為反饋控制系統，這種反饋成為負反饋。閉環(huán)控制系統比開環(huán)控制系統，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，缺點是結構比較復雜、價格比較貴、維修人員要求文化素質高 [5]。3 小功率電機控制電機的應用領域十分寬廣，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)電機的勵磁調節(jié)。在工業(yè)、農業(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工藝的要求需要調速；而另一類設備如風機、水泵等以前一般是不調速的，現在為了減少運行損耗、節(jié)約電能，也廣泛地采用了調速技術。直流電動機由于具有良好的調速特性、較寬廣的調速范圍，長期以來在要求調速的地方，特別是對調速性能指標要求較高的場合，例如軋鋼機、龍門刨和高精度機床等中得到了廣泛的應用 [6]。以前直流電機調速系統采用直流發(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速系統，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。特別是廣泛采用了由集成電路運算放大器構成的電子調節(jié)器后，晶閘管整流器供電的直流電機調速系統在性能上遠遠地超過了直流發(fā)電機組供電的系統。近年來在微處理機研制方面的重大進展，更為實現直流電機調速系統的數字化和高精度創(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，感應電動機應用最廣泛，這是因為它結構簡單、牢固，價格低廉，很少需要維護，使用壽命長，噪聲和震動小，并有各種轉速和容量等級可供選用。它的缺點是調速不大方便。小功率同步電動機不需要滑環(huán)，結構也比較簡單，它具有恒定的轉速，主要用于需要轉速恒定的場合，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子上安裝起動籠 [8]。4 電子電路的特點電子技術的發(fā)展經歷了電子管、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比較成熟 [9]。電子技術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，可以采用不同的器件和功能電路來實現，這樣就要求設計者進行綜合考慮，從而提高性能，降低成本 [11]。5 對控制系統的基本要求自動控制系統用于不同的目的，要求也往往不一樣。但自動控制技術是研究各類控制系統共同規(guī)律的一門技術，對控制系統有一個共同的需求，一般可歸結為穩(wěn)定、準確、快速 [12]。(1) 穩(wěn)定性 由于系統往往存在著慣性，當系統的各個參數設置不當時，將會引起系統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能夠恢復平衡狀態(tài)的能力 [13]。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應該隨著時間收斂并且最后回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性的要求是系統工作的首要條件。(2) 快速性 這是在系統穩(wěn)定的前提下提出的。快速性是指當系統輸出量與給定的輸入量之間產生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。(3) 準確性 是指在調整過程結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，這也是衡量系統工作性能的重要指標。例如數控機床精度越高，則加工精度也越高。由于受控對象的具體情況不同，各種系統對穩(wěn)、準、快的要求各有側重，例如，隨動系統對快速性要求較高，而調速系統對穩(wěn)定性提出較嚴格的要求。同一系統穩(wěn)、準、快有時是相互制約的?？焖傩院?，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 總結上述的各種控制策略基本上都是根據經典控制理論和現代控制理論提出來的，它們都依賴于電機的模型，當模型受到參數變化和擾動作用的影響時，系統的性能將受到很大的影響 [14]。現代交流伺服系統對控制的要求是響應快、精度高、轉矩脈動小。實現交流電動機瞬時轉矩的高性能控制是滿足這些要求的關鍵因素 [15]。因此，現代高精度交流伺服系統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的控制需要。參 考 文 獻[1] 鄭靜.小功率伺服無刷直流電機驅動器設計[J].電子測量技術,2006,(3).[2] 何希才.常用電子電路(應用 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動及保護電路設計[J]. 微電機,2008,(8). [4] 肖英奎.伺服系統實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004-2[5] 章燕申.控制系統的設計與實踐[M].北京：清華大學出版社，1992-3[6] 李清新.伺服系統與機床電氣控制[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：浙江大學出版社，1995-2[9] 寇戈.模擬電路與數字電路[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：化學工業(yè)出版社，2007-4[11] 黃錦安.電工技術基礎[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004-9[12] 董景新.控制工程基礎[M].第二版，北京：清華大學出版社，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[M].北京：清華大學出版社，1997-10[15] 王耀德.交直流電力拖動控制系統[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994-5 畢 業(yè) 設 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)設計是要求設計一個小功率直流伺服系統控制電路，通過實驗，驗證所設計的控制電路是否能控制電機運動。在設計過程中，控制電路要保證電機能在正、反兩個方向運動。要改變電動機的轉向，必須改變其電磁轉矩方向。根據直流電動機工作原理可知：電磁轉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反轉。但是，由于勵磁繞組的電感較大，改變其電流方向時會產生較高的感應電動勢，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反轉，通常采用改變電樞電流方向實現反轉。 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)設計使用直流控制信號，既方便了控制電路的設計，也遍于完成實驗。設計伺服系統必須按照畢業(yè)設計的要求，主要是依據被控對象工作的性質和特點，明確對伺服系統的基本性能要求；同時要充分了解市場上器材、元件的供應情況，了解它們的性能質量、品種規(guī)格和價格，在此基礎上進行設計。此外，伺服系統的制造成本、系統的壽命與可維修性，系統組成的標準化程度……，這些也是在設計時需要考慮的因素。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告指導教師意見：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計（論文）結果的預測：指導教師： 年 月 日所在專業(yè)審查意見：負責人： 年 月 日