（控制理论与控制工程专业论文）电动执行器伺服控制系统的研究.pdf

中文摘要 电动执行器是工业自动控制系统中重要的终端控制元件，对自动调节系统的 安全运行、可靠性及调节品质的优劣有很大的影响。因而，对电动执行器的控制 研究具有重要的意义。电动执行器的定位控制要求精度高、响应速度快并且没有 超调、稳定性好、具有较强的稳态特性的鲁棒性，这就对控制方法提出了很高的 要求。 本文对永磁直流电动机构成的电动执行器的位置伺服控制进行了研究，提出 了一种用于电动执行器的控制方法，旨在实现电动执行器的快速准确定位。模糊 控制的设计不依赖被控对象的数学模型，但它缺乏系统的分析与设计方法；滑模 控制的滑动模态对系统参数变化和负载扰动有着很强的鲁棒性，但滑动模态的抖 振难以消除。由两者结合而成的模糊滑模控制融合两者优点于一身：将模糊控制 融入到滑模控制中，从而有效削弱其抖振；将滑模控制引入到模糊控制中，从而 为模糊控制的设计与分析提供理论基础。本文对模糊滑模控制作了一定的理论分 析并将之运用到电动执行器的控制中，设计了电动执行器位置伺服控制器，并经 过了仿针研究证明其可行性。 由于执行器采用直流永磁电机作为动力元件，因此需要可调的直流电源来进 行控制策略的实施。本文研究了直流电机驱动电源的拓扑结构和控制方法。在尝 试晶闸管移相控制和全控型开关器件直流斩波两种方案的基础上，采用了p w m 控制的非隔离降压开关电源方案。它实现了适应8 0 v - 2 5 0 v 宽范围交流输入下的 功率变换，使得系统在大范围输入的情况下都可以正常工作并实现良好的控制性 能。最后本文利用可编程逻辑门阵列( f p g a ) 完成电动执行器专用控制器的设 计，给出了系统的总体方案。 关键词：电动执行器位置伺服模糊滑模控制p w m 控制功率变换器 a b s t r a c t a sm o s ti m p o r t a n te x e c u t i v ec o m p o n e n t ，e l e c t r i ca c t u a t o rh a sh u g ei m p a c tt ot h e s a f eo p e r a t i o n ，r e l i a b i l i t ya n dm o d u l a t i n gc h a r a c t e r s ot h e r ei sg r e a tv a l u et os t u d y t h ec o n t r o lm e t h o do fe l e c t r i ca c t u a t o r h i g hr e q u i r e m e n th a sb e e ns e tt oc o n t r o l m e t h o dd u et ot h eh i l g hp r e c i s el e v e l ，f a s tr e s p o n s i v es p e e dw i t h o u to v e r s h o o t ，g o o d s t a b i l i t ya n dg o o dr o b u s tc h a r a c t e ro fs t e a d ys t a t e p o s i t i o ns e l t oc o n t r o lo ft h ee l e c t r i ca c t u a t o rm a d eu po fp e r m a n e n tm a g n e td c m o t o rh a sb e e ns t u d i e d ，a n dac o n t r o lm e t h o du s e di ne l e c t r i ca c t u a t o rh a sb e e n p r o p o s e dt oa c h i e v et h ea i mo ff a s ta n dp r e c i s ep o s i t i o n i n go ft h ee l e c t r i ca c t u a t o r d e s i g no ff u z z yc o n t r o l l e rd o e sn o td e p e n do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eo b j e c t ， b u tt h e r ei sl a c ko fm e t h o do fa n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d ；s l i d e - m o d ec o n t r o lh a s g o o dr o b u s tc h a r a c t e rt os y s t e mp a r a m e t e r sc h a n g ea n dl o a dd i s t u r b a n c e ，b u tt h e d i t h e n n go fs l i d e m o d ei sh a r dt oe l i m i n a t e f u z z ys l i d e m o d ec o n t r o lw h i c hi s i n t e g r a t e db yt h et w om e t h o d sh a sa d v a n t a g e so ft h e mb o t h f u z z yc o n t r o lw a s c o m b i n e dt os l i d e - m o d ec o n t r o lt or e d u c ei t sd i t h e r i n g ，a n ds l i d e - m o d ec o n t r o lw a s c o m b i n e dt of u z z yc o n t r o lt op r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o no fd e s i g na n da n a l y s i sf o r i t s o m et h e o r e t i c a la n a l y s i so ff u z z ys l i d e m o d ec o n t r o lh a sb e e nd o n ea n dh a sb e e n u s e di ne l e c t r i ca c t u a t o rc o n t r o l ，t h ed e s i g no fp o s i t i o ns 豇 v oc o n t r o ls y s t e mh a sb e e n s i m u l a t e da n dp r o v e df o ri t sf e a s i b i l i t y b e c a u s ep e r m a n e n tm a g n e td cm o t o ri su s e d 嬲d y n a m i cc o m p o n e n to fa c t u a t o r , a d j u s t a b l ed cp o w e ri sn e e d e dt oi m p l e m e n tc o n t r o lm e t h o d t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e a n dc o n t r o lm e t h o do fd r i v i n gp o w e ro fd cm o t o rh a sb e e ns t u d i e d n o n i s o l a t e d v o l t a g ed r o ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw h i c hi sc o n t r o l l e db yp w m i sa d o p t e da f t e r p h a s es h i f tc o n t r o lu s i n gt h y r i s t o ra n dd cc h o p p e ru s i n gf u l l - c o n t r o ls w i t c h i n g c o m p o n e n tw e r et e s t e d i ti m p l e m e n ta cp o w e rc o n v e r s i o na d a p t a b i l i t yi nt h ew i d e v o l t a g er a n g ef r o m8 0 vt o2 5 0 v , t h u st h es y s t e mc o u l dw o r kw e l la n d s h o wg o o d s y s t e mp e r f o r m a n c ee v e nt h ei n p u tv o l t a g er a n g ea r ew i d e a tl a s t ，t h ed e s i g no ft h e t o t a ls y s t e mw i t hp r o p r i e t a r yc o n t r o l l e ru s i n gf p g ai sg i v e n k e yw o r d s ：e l e c t r i ca c t u a t o r , p o s i t i o ns a i v oc o n t r o l ，f u z z ys l i d e m o d ec o n t r o l ， p u l s e w i d t hm o d u l a f i o nc o n t r o l ，p o w e rc o n v e r s i o nd e v i c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得：丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：您 、翻 t 赴溺 ) 签字日期： 7 年月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫洼盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：、冠电蝤 签字日期：立功7 年月易日 导师签名： 签字r 期：多卯7 年厂月日 第一章绪论 1 1 电动执行器发展概况 第一章绪论 电动执行器是工业自动控制系统中重要的终端控制元件，广泛应用于电力， 冶金，石油，化工等许多部门的生产过程检测和控制系统。它以电为动力，把从 调节器或上位机接受到的标准信号( 4 2 0 m a 电流信号或数字信号) 转换为对 应的机械位移( 转角，直线) 来操作调节阀、风门挡板等调节机构完成自动调节 任务。它是工业过程自动化的手脚，对自动调节系统的安全运行，可靠性及调节 品质的优劣有很大的影响川“。 一般电动执行器与其它类型的执行器( 如气动：液动) 相比，具有如下优势： 1 、无需特殊的气源和空气净化等装置。电源消失时，能保持原来位置。 2 、可以远距离传输信号，电缆的安装比气管方便，且便于检查。 3 、可以很方便地与计算机连接，适应新技术的发展。 电动执行器主要包括直行程、角行程和多转式等三种。 直行程电动执行器是输出直线位移的电动执行器，可用于控制各种需要直线 位移的调节阀，如单座、双座调节阀、套筒阀、高温高压给水、减稳水等调节阀。 角行程电动执行器，可用于控制各类转角9 0 度的阀或门，如蝶阀、球阀、 百页阀、风门、旋塞阀、挡板阀等。 多转式电动执行器是输出超过3 6 0 度的电动执行器，可用于控制各类闸扳 阀、截止阀以及高温高压阀、减温水调节阀或需要多圈转动的调节阀。 目前市场上常见的是以运算放大器等为基础实现信号处理的电子式电动执 行器，这种技术比较成熟，但是由于采用模拟器件控制，精度较差；保护措施使 用继电器和机械装置，可靠性较差。随着微处理器和数字化的发展，智能型的， 以微控制器为核心，主要在研制开发阶段，已经有部分产品，且在进一步发展中。 电动执行器生产厂家中比较有影响的有德国的z m g 、l a w a 、a u m a 和 s i e m e n s 等公司，美国的l i m i t o q e 、v a l t e k 、k e y s t o n e 和b m l e y 等公 司。这些厂家生产的智能电动执行器功能强大，简单可靠，技术先进，代表着该 领域的世界先进水平，有智能化控制，全面保护，智能化通讯，智能化诊断和一 体化结构等特点k 儿副。 纵观发展趋势，执行器的横向发展应该向着小型化、智能化、数字化、控制 第一章绪论 功能的集中化方向发展，并且伴随着提高系统精度、可靠性以及降低成本。在纵 向发展方向，为了管理控制，适合当今信息社会的发展速度，工业控制系统也向 “集中管理、分散控制”的数字化、网络化方向发展，如今现场总线技术的发展 正是朝着这个方向发展的产物。将来的现场仪表和执行器将适应这样的发展方 向，向现场总线上靠拢发展。整体来看当今电动执行器的已经向着小型化、智能 化、数字化、控制功能集中化的方向发展，同时精度、性能不断提高，成本不断 降低，同时适应工业控制的网络化发展，不断的向支持现场总线发展幻3 3 4 3 翻们。 1 2 电动执行器位置伺服控制研究 电动执行器控制的关键是位置控制，要求在保证稳定性的基础上，响应快速， 过渡时间短，同时定位准确且无超调铷。 1 2 1 电动执行器位置伺服的技术要求 伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位 置、速度及动力输出的自动控制系统。伺服系统是用来控制对象的某种状态，使 其能自动地、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。 以电动执行器为终端元件的伺服系统控制主要的控制目标是电动执行器的定位 控制，即对于位置给定信号的跟随。电动执行器的定位控制要求具有精度高、响 应速度快、稳定性好、负载能力强等基本要求，同时还要求体积小、重量轻、可 靠性高和成本低等。其系统设计一般要从稳定性、稳态特性、动态特性和鲁棒性 几个方面来考虑。 l 、定位精度 系统的稳态特性，是系统对给定信号的跟随而不反映干扰，即系统进入稳态 时系统的误差尽量小，最好趋于零。对于电动执行器位置控制来讲，其稳态精度 就是指其最终定位与给定之间的误差大小，是评价位置伺服系统位置控制准确性 的重要性能指标。目前所能达到的最高水平为l 角秒。 2 、稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的干扰消失以后，系统能够恢复到原 来稳定状态的能力；或者当给系统一个新的输入指令后，系统达到新的稳定运行 状态的能力。如果系统能够进入稳定状态，且过度过程时间短，则系统稳定性好； 否则，若系统振荡越来越强烈，或系统进入等幅振荡状态，则属于不稳定系统。 通常按两种方式来定义系统的稳定性：内部稳定性和外部稳定性( 输入输出稳定 性) 。前者是指从平衡点附近任意初始值出发，系统的运动轨迹经过无限长时间 第一章绪论 收敛到平衡点，即在没有输入和干扰的情况下，系统是渐进稳定的。后者是说系 统对有界输入能得到有界输出。一般来说，与内部性相比外部稳定性是较弱的概 念。稳定性是对控制系统最基本的要求，一个控制系统首先必须是稳定的； 3 、动态响应特性 动态响应特性指的是输出量跟随输入指令变化的反应速度，决定了系统的工 作效率。响应速度与许多因素有关，如处理器的运行速度、运动系统的阻尼、质 量等。系统动态响应特性反应了系统的动态性能，一般希望其响应速度越快越好， 以减少过渡过程时间，提高系统运行效率和跟踪速度。但是当系统响应速度提高 时，往往会使其稳定性能变坏，甚至使系统产生振荡。 4 、工作频度 电动执行器一般工作在断续的工作状态下，而其工作频度将决定其控制电 路的功率选择，散热等问题，所以在设计的时候应该充分考虑。 上述的四项特性是相互关联的，利用自动控制理论来研究、分析所设计系 统的频率特性，就可以确定系统的各项动态指标。系统设计时，在满足系统工作 要求的前提下，首先要保证系统的稳定性和精度，并尽量提高系统的响应速度。 除此之外还需要考虑系统的鲁棒性。鲁棒性是控制对象参数变化时，控制 系统特性不受影响，即仍能保持系统的稳定性、稳态特性和动态特性的性能。有 对稳定性的鲁棒性，对稳态特性和对动态特性的鲁棒性，对稳定性的鲁棒性是参 数变化时仍保持稳定性，对稳态特性的鲁棒性是参数变化时稳态偏差仍保持为 零，对动态特性的鲁棒性通常称为灵敏度特性即要求过渡响应不受参数变化的影 响，这里的参数变化不仅包括参数本身的变化还包括设计时控制对的模型和实际 系统的不一致，例如模型的模型的降阶处理的化简以及非线性特性线性化所引起 的不一致。 综上所述，实现电动执行器的位置控制的最终目的是在一定参数或环境变 化时都可以快速准确定位，以满足高精度的作业要求。这一方面要求在硬件方面 电机和传动装置的良好响应特性，另一方面对控制策略提出了很高的要求。 1 2 2 电动执行器位置控制方法研究 电动执行器的位置控制器的任务是对过程变量进行采样，数据处理以及根据 相应的算法和控制方式进行计算和输出等。电动执行器的位置控制要求快速，准 确和无超调的响应特性；控制算法简单；具有较强的鲁棒性和自适应能力“。 电动执行器一般是以电动机作为动力源的执行机构，如果所需动力比较大， 一般选用交流电动机；如果需要高精度定位，用伺服电机定位好，但成本高。直 流电动机具有良好的起、制动性能，相对于交流电机控制比较容易，同时也追求 第一章绪论 高品质的控制结构，适合高速高精度位置控制。从当前情况看，直流电动机能在 大范围内实现精密的位置和速度控制，所以，要求系统性能高的场合都在广泛使 用直流电机作为动力源。 常用的电动执行器的位置控制算法是p i d 算法。它按偏差的比例、积分和微 分进行控制，具有结构简单、参数调整方便、易于实现的特点。经过长期工程时 间，已总结形成一套p i d 控制方法，参数整定方便，机构改变灵活，对于难于得 到精确数学的对象也有较满意的适应性。结合传统p i d 控制的优良特性，很多对 于此的改进和结合应运而生，文献 9 】结合计算机控制，提出了一种积分分离的 p i d 控制算法，使输入偏差较大时积分项没有作用，而输入偏差小到某一数值之 后积分才起作用，避免了常规p i d 在大信号输入时，由于积分项的作用使p i d 控制器积分项很快达到饱和限幅值，从而使系统产生一个很大超调量，引起系统 振荡的问题。而诸如模糊p i d ，参数自适应p i d 算法等都展现出了各自的优越性。 文献【l o 】为了实现直流位置伺服系统的高速和高精度位置控制，针对实际伺服系 统中存在的非线性、强耦合等各种不确定因素，提出了连续型模糊p i d 复合控制 器以抑制各种非线性因素对被控对象的影响，可以明显地提高直流位置伺服系统 的动态性能和稳态精度，并使系统具有较强的适应性和鲁棒性 文献 1 1 1 根据位置控制的特点提出的双模调节，其核心思想是根据偏差的大 小的不同范围来计算控制量。在偏差较大的时候，采用能快速纠偏的非线性控制 作为开始的粗定位。为了保证精度，在偏差进入较小范围内的时候，控制器由非 线性控制换成线性控制，从而保证了位置控制的快速性和精确性1 。文献 1 】针 对常规比例控制无法消除静态误差，而积分控制能消除稳态误差却带来滞后的缺 点，提出的仿人智能比例控制，该算法不断的调整系统的给定值，使系统的输出 不断逼近期望值，在使系统响应速度降低不大的前提下提高了稳态精度”。文献 1 2 1 设计了一种直流伺服系统多模数字控制器，将控制过程划分为3 个阶段，以 提高系统快速性及其精度，仿真结果表明，系统达到无超调及快速性好的指标。 重复控制对于周期性信号有很好的控制效果u “。 除了经典控制方法，智能控制方法也被引入电动执行器的位置控制中。文献 1 4 利用模糊控制技术实现位置控制的算法，并利用p c 机实现了模糊控制，运 行结果表明，系统稳定可靠，控制精度高。 滑模变结构控制具有有鲁棒性强、计算量少和易于实现数字控制等特点。 同时，由于给定相轨迹与控制对象的参数和系统的外扰无关，只要满足滑模条件， 就能保证系统稳定。且有较好的动态性能。因此，只要给出控制对象参数的大致 范围，就能设计出满意的控制系统。因此受到关注，而运用的焦点是如何消除抖 振，而获得理想的控制性能。而文献 1 5 根据对直流伺服系统的要求及其被控对 第一章绪论 象的参数时变性，提出了一种变趋近律滑模变结构控制设计方法。 1 3 课题的研究内容及意义 电动执行器作为工业过程自动化的重要终端设备，直接影响系统控制性能、 可靠性及调节品质。因而，如何实现电动执行器位置控制的快速，准确，无超调 的响应特性并具有较强的鲁棒性和自适应能力就显得非常重要。系统通常存在着 某些不确定的因素( 系统参数的时变，对象特性的非线性等) ，电动机的惯性的 变化以及位置反馈信号的滞后等，这些对控制算法的设计提出了更高的要求。 一般的执行器控制采用继电器或者是其它的速度检测或是变频控制，体积 大，需要的经费多。如果能够找到一种简单的软件控制算法，只通过控制电动机 电压的通断来实现精确的定位控制，这样既可以减少经费的投入，又可以使得执 行器的体积减小，方便实用，有很好的使用价值。 基于以上研究被背景，本课题主要从两个方面对基于永磁直流电动机的位置 控制系统进行研究。首先是电机位置控制方法问题，然后是硬件实现。具体研究 内容如下： 1 、通过对电动执行器发展状况和控制进行方法调研，总结出了电动执行器 控制的一般方法。 2 、研究电动执行器伺服系统的基本构成并推导其数学模型，为后面的算法 研究提供了基础。 3 、以电动执行器的位置控制为目标，研究控制算法，包括滑模控制理论的 研究，模糊控制理论的研究，并结合模糊控制，滑模控制以及它们各自的优缺点 设计了模糊滑模控制的算法。 4 、针对系统的特点，控制要求和应用提出了控制方法，进行控制器的设计， 通过仿真进行控制性能研究。根据实际的控制目标提出控制受限电机模型的控制 方法，并研究系统响应。 5 、研究了针对直流电机控制的可控制直流电源的具体实现，并分别设计了 两款可控直流电源。 6 、在对系统工作性能分析的基础上，搭建硬件电路，实现了对被控对象的 控制。 7 、给出了电动执行器位置控制器的整体设计方案。 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 本章将详细讨论本论文所设计的电动执行器位置伺服系统的系统组成、结构 和数学模型。 2 1 电动执行器位置伺服系统的构成 角 出 图2 1 电动执行器伺服控制系统原理图 图2 1 所示为系统的原理，整个控制过程为：控制器接受位置传感器的角度 反馈信号，与角度给定信号相比较得到误差信号。将误差信号作为控制器的输入， 通过控制算法运算得出控制量。控制量通过功率驱动环节转化为电机的端电压信 号，控制电动机转动。而电机的输出转矩经过减速传动部分带动负载并使输出角 度与给定角度相等或相差在一定范围内。 系统主要由以下几部分构成： 1 、电动机：永磁直流电机通过传动装置带动的输出轴或阀门。电机1 个磁 极对；端电压需0 - 2 4 v 的直流电源供电。 2 、功率驱动：将交流电变成直流电，作为电机的电枢电压驱动电机。具体 设计过程将在第五章阐述。本文设计的电源可以大范围适应工频交流电输入。 3 、传动装置：7 级齿轮减速装置。 4 、检测装置：采用高精度电塑料电位器作为位置传感器。 5 、控制器：控制算法部分在f p g a 控制器内实现，控制量信号以p w m 信 号的形式输出并通过控制开关管的导通与关断控制电机的电枢电压，以实现电机 起、停和正、反转，从而达到控制输出轴或阀门位置的目的。 2 1 1 永磁直流电动机 由于直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，使得 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 其在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流伺服 系统相对于交流伺服系统，控制比较容易，同时也追求高品质的控制结构，即高 速高精度的速度和位置控制。从当前情况看，直流电动机能在大范围内实现精密 的位置和速度控制，所以，要求系统性能高的场合都在广泛使用直流伺服系统。 直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。电磁式的磁场由励 磁绕组产生；永磁式的磁场由永磁体产生。电磁式直流伺服电动机是一种普遍使 用的伺服电动机，特别是大功率电机( 1 0 0 w 以上) 。永磁式伺服电动机具有体 积小、转矩大、力矩和电流成正比、伺服性能好、响应快功率体积比大、功率重 量比大、稳定性好等优点。由于功率的限制，目前主要应用在办公自动化、家用 电气、仪器仪表等领域。 本论文选用一对极永磁直流电动机，额定端电压为2 4 v ，最大输出功率2 0 w ， 额定电流2 a ，额定转速1 6 0 0 r m i n 。电机的输出通过7 级齿轮减速装置，最终执 行器输出角速度为3 0 r m i n 。 系统中的永磁直流电动机的试验测试数据见表2 1 。 表2 1 永磁直流电动机试验测试数据 电压电流输入功转速转矩输出功效率 率 塞 空载 2 40 。2 4 15 7 83 5 2 45 11 9 13 3 1 m a xw2 42 1 65 1 8 51 5 3 61 1 1 41 7 9 43 4 5 制动 2 4 3 2 4 77 7 9 70 1 7 70o 顺 2 41 9 8 24 7 5 71 6 6 61 1 3 31 9 7 94 1 5 2 1 2 位置检测部分 传感器是控制系统中数据采集部分的首要部件，置于系统的最前端，系统的 控制精度与传感器的精密程度直接相关，所以在选择传感器的时候应该特别重 视。由于该系统只有一个位置控制回路，位置传感器的选择对控制系统的精度起 着至关重要的作用。 以往的电动执行器中大多采用绕线电位器，差分变压器，电磁传感器等。绕 线电位器寿命太短，耐磨性差；差动变压器寿命长，但线性区太短且温度特性不 理想；光电传感器性能很好但价格很高。本文综合精度和成本，选择了高精度导 电塑料电位器作为位置传感器。它采用夹心结构，较好的解决了接触电阻大的弊 端，且有如下特点l l o j ： l 、接触电阻变化小，工作寿命很长。 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 2 、表面特别光滑，所以分辨率非常高。 3 、克服了以往电磁传感器的磁滞特性，提高了系统的反馈性能。 本文所选导电塑料电位器独立线性度为o 1 ，标准阻值为l k q 。永磁直流 电机转动时通过传动装置带动高精密导电塑料电位器滑动，使其电阻值的变化来 表示阀门的位置变化，在给电位器两端加5 v 直流电压时其动触点即输出0 5 v 的电压，对应着阀门的开度。 2 1 3 功率变换部分 出于工程需要，需要将交流电变成可调直流电源，作为电机的电枢电压。本 文分别尝试了晶闸管相控调压和经过全波整流滤波得到直流电压后通过p w m 控制的开关管斩波降压这两种方法，具体设计过程将在第五章阐述。本文所设计 的电源可以大范围适应交流输入并做成可调节的直流电源。 2 1 4 位置控制器 由于系统要求准确快速定位，并对精度要求很高，故采用闭环控制。电动执 行器是通过导电塑料电位器采集阀门位置信号，与系统给定的电压信号比较得到 控制信号，控制电机运转，使电机带动阀门达到要求的位置或角度。而控制器需 要实时计算控制输出，为了实时快速实现控制目标，采用现场可编程门阵列 ( f p g a ) 作为位置控制器的核心部分。 f p g a 具有可在线反复编程，开发周期短，并行处理，运算速度快，集成度 高，可靠性高等特点。基于f p g a 设计控制器，可以把一些接口和逻辑器件集成 进来，从而缩小了体积，减少了电路的走线，降低了功耗，提高了可靠性，同时 能够通过在线编程来修改控制器功能，缩短了开发周期，也使系统灵活，扩展方 便。由于f p g a 可以实现真正的并行处理，并且运算速度快，用它实现复杂的控 制算法可以提高算法运算速度，满足工业上的实时控制要求。 因此，本文基于e p l c 6 t 1 4 4 c 8 型f p g a 设计电动执行器专有位置控制器。 通过f p g a 来收集反馈数据、实时计算控制输出并以p w m 信号的形式输出以驱 动功率器件，实现控制目标。其具体实现方案将在第五章给出。 2 2 系统的数学模型 为了分析控制对象的特点并实施适当的控制方法，必须首先建立对象的动态 物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。 建立系统动态数学模型的基本步骤如下： 1 、根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程； 2 、求出各环节的传递函数； 3 、组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。 构成系统的主要环节是电力电子变换器、传动转动装置和直流电动机。 2 2 1 电力电子器件的传递函数 p w m 控制与变换器( 简称p w m 装置) 也可以看成是一个滞后环节，其传 递函数可以写成： 帅) = 器= 驴 ( 2 - 1 ) 式中，k s 为p w m 装置的放大系数， i s 为p w m 装置的延迟时间，t s t o 。 为了简化，将式( 2 一1 ) 按泰勒级数展开为： 形( s ) = _ j i _ 一 (22)1 1 + 互j + 2 l t ，2 5 23 l l ，3 占3 + 当开关频率为l o k h z 时，t = 0 i r e s 。在一般的电力拖动自动控制系统中， 时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节。因此，上式可简 化为： 瞰曲南 倍3 ) 对于本系统而言，可以认为 形0)=k=2(2-4) 2 2 2 直流电动机的传递函数 + 图2 2 直流电机控制系统等效示意图 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 本系统采用永磁直流电动机，其等效电路如图2 - 2 所示。 假定主电路电流连续，则动态电压方程为： = 她+ 上誓+ 乜( 2 - 5 ) 式中 已= k 汐( f ) ( 2 6 ) 其物理意义为额定励磁下的感应电动势。 由电机的转矩方程得： m d = k m i d q 一7 、) 其中疋为电机力矩系数( m a ) ，其数值与k 相等，也可用额定值必、 l 带送入上式求得。k 为电机反电势系数，冠为电机电枢内阻，厶为电枢电感。 ，l ，0 ，矽为电枢电压，电流，电机角度和电机角速度输出。 根据牛顿第二定律，有： md ：j 谷蜥+ 肇( 2 - 8 ) q 式中，= j d + ，南；m c 、以分别为被控对象的摩擦力矩与转动惯量；山 为电机的电枢转动惯量，厂。为减速装置折断到电机轴上的等效转动惯量；i 、7 分别为减速装置的传动比和传动效率。 式( 2 8 ) 中含有a m + 竽非线性因素，须作线性化处理，现以额定输出角速 l 刁 度q 为界，做近似线性化处理，令( 2 - 8 ) 等价于( 2 9 ) 。 m = ，痧( f ) + 厂矽( f ) ( 2 9 ) 式中近似粘性摩擦系数可用下式表示： a m + 丝 厂： ! 翌 ( 2 1 0 ) 2 把式( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) ，可得： 扣玄吠f ) + f e o ) 】( 2 - 1 1 ) 把式( 2 。1 1 ) 代入( 2 5 ) ，可得： l o j s ( t ) + ( l a f + r o j ) 8 ( t ) + ( r f + k r k 。) = k ( 2 1 2 ) 电机的额定参数为：额定电压饥( y ) 、额定电流t ( 彳) 、额定输出功率( 形) 、 额定转j 塞n , ( r m i n ) ，其它相关参数可以用以下关系式和经验公式决定： t =3 0 ( u c - i , r o ) ( v s | r 哦 z n , ( 2 - 1 3 ) 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 心( q ) ( 2 - 1 4 ) 三。竺些( ) ( 2 - 1 5 )厶。j l 爿j p n j f 式( 2 1 5 ) 式中p 为电机的磁极对数。 m e ：9 5 5 p e ( n 删) ( 2 - 1 6 ) 刀 其中由( 2 - 1 6 ) 所得的电机额定输出转矩m e 与由式( 2 8 ) 所得的额定电磁转 矩m d 并不相等，m d m 。= a m 等于电机自身的机械摩擦力矩。 2 2 3 减速装置的传递函数 旦：f( 2 1 7 )= l二一1 l ， 0 0 式中，秒为电机的转角输出，吃为电动执行器的转角输出。 将以上各部分组合起来，即得下图所示系统动态结构图，其中转矩方程采用 的是( 2 - 9 ) 式。 2 2 4 系统的传递函数 根据推导的传递函数可得系统的动态结构图： t r j n e rf o 7 图2 - 3 直流位置伺服系统动态结构图 。= 瓦丽瓦雨k , , , k 丽s 丽i 厕 2 1 8 ) 式中已知参数为额定电压配= 2 4 v 、额定电流( 彳) = 2 彳、额定输出功率 = 2 0 w 、额定转速吃= 1 6 0 0 ( r r a i n ) 。 其它相关参数可以用上文所提到的关系式和经验公式决定：t 第二章电动执行器伺服控制系统的基本构成 由( 2 1 3 ) 司得k = 0 1 0 1 5 由( 2 1 4 ) 可得r 。3 5 ( n ) 由( 2 1 5 ) 可得乞0 0 2 8 6 5 ( h ) 取k m = k = o 1 减速器的减速比为i = 1 6 0 0 3 0 = 5 3 山= o o o o s k g m 2 为电机的电枢转动惯量，以= o 0 0 0 7 k g m 2 为减速装置 折断到电机轴上的等效转动惯量；- ，：= o 0 0 3 6 k g m 2 为负载的转动惯量，则 扣山p + 南= 0 0 0 4 5 k g 嗍2 ( 2 - 1 9 ) 扰动阮i 一三o 2 n m 。 埘+ 丝