毕业设计(论文)-数字电动伺服控制器的设计(2)

第1章 绪 论

1.1课题在国内外的现状

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电动机分为直流和交流伺服电动机两大类，直流伺服电动机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点，因而常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内的到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰艇平台、雷达天线、机器人控制等对位置速度的控制精度要求较高的场合。

伺服系统[16]属于自动控制系统中的一种随动系统，要求被控量能够以一定准确度跟踪输入量的变化，常常被称为随动系统。它伴随现在电机的制造和驱动技术最早出现于二十世纪初，一九三四年有人第一次提出了伺服机构（Servo Mechanism）这个概念。伺服系统的发展与伺服电动机的不同发展阶段紧密地联系在一起。伺服驱动技术经历了步进电机构成的开环驱动系统、闭环直流伺服系统及目前广泛应用的交流伺服系统三个主要的发展阶段。交流伺服系统的研究工作国外始于70年代，80年代就开始进入实用阶段，到90年代技术趋于成熟，其中日本的三菱、三洋、松下电器、东芝、立石电机、安川电机、PANUC公司，美国的ABB公司、Gettys公司，德国的Siemens公司的产品都已经达到比较高的实用水平。

我国的伺服技术开始于70年代，主要集中在高等院校和科研单位，如北京机床所，西安微电机研究所，中科院沈阳自动化研究所等，产品主要以军工及航天卫星技术为主。改革开放后，随着工业发展，国内对伺服系统的需求不断增加，在国际品牌大批进入中国市场的同时，也同时出现了一批自主品牌，如华中数控、广数、森创、南京埃斯顿、兰州电机厂等。但是与国际大品牌的产品相比，在控制精度、调速范围等各项性能指标上还完全不可同日而语。国外大公司都已推出多种先进控制技术的高性能数字交流伺服产品，而国内的大多厂家还停留在初级的电机控制阶段，远远达不到高性能水平。

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

目前，我国在现代工业各个领域中所使用的交流伺服驱动控制器依然主要依赖进口，

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数字电动伺服控制器的设计

我们国家在交流伺服系统控制器方面的研究工作任重而道远。作为一个经济飞速发展的新兴制造工业大国，研制拥有自主知识产权、自主品牌、且具有国际先进水平的高性能交流伺服系统，对促进我国的工业自动化发展，打破国外大公司品牌垄断及对国防科技领域的发展具有非常重要的战略意义。

1.2课题的目的和意义

近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进，它的应用几乎遍及社会的各个领域。从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。

由于现代工业中伺服系统[1]被广泛的应用于机器人、数控机床、包装、印刷、食品、纺织、航空航天以及变频器等众多工业领域，特别微电子技术、功率半导体技术、计算机技术以及控制理论取得的惊人的进步，新型控制策略如矢量控制的应用，使得伺服系统的性能取得了长足的发展，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态性能等良好的技术性能。数字伺服控制器已成为现代控制器的方向。

1.3伺服系统的介绍

伺服系统是用来控制被控对象的某种状态，使其能够自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律，通常是闭环控制系统。 1.3.1伺服系统的基本要求

1.稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态。

2.精度高：数控伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.00lmm之间。

3.快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。 1.3.2伺服系统的主要特点

1.精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。

2.有多种反馈比较原理与方法:根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种。

3.高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺

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服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。

4.宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。 1.3.3伺服系统的分类

伺服系统按其驱动元件划分为步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统等。按控制方式划分为开环伺服系统、闭环伺服系统、版闭环伺服系统等。实际上数控系统也分为开环、闭环和半闭环三种类型，就是雨伺服系统这三种方式相关。 1.开环伺服系统

开环--即无位置反馈的系统，其主要由驱动电路、执行单元和电机三大部分组成。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。具体构成如图1-1所示。

驱动电路 执行元件 图1-1 开环伺服系统构成图

电 机 2.闭环伺服系统

闭环--误差控制随动随动系统。主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。具体如图1-2所示。

检测元件 图1-2 闭环伺服系统构成图

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比较单元 驱动电路 执行元件 电 机 数字电动伺服控制器的设计

在闭环系统中，检测单元将电机的实际转速检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅、和编码盘等。

比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续工作，闭环（半闭环）系统可以分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。由于比较环节输出的信号比较弱，不足以驱动执行执行元件，故需要对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。

执行元件的作用就是控制信号，即来自比较环节的跟随误差信号，将表示转速的电信号转化为机械转速。常用的执行元件有直流电动机，交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同。

通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统成为闭环系统（在设计中不做过多介绍）。由于丝杠和工作台之间传动从在误差，半闭环伺服系统的精确度要比闭环伺服系统的精度低一些。

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