伺服电机调速系统的控制设计与仿真

1、武汉理工大学 硕士学位论文基于DS的直流伺服电机调速系统的控制设计与仿真姓名：于龙飞申请学位级别：硕士专业：轮机工程指导教师：鲁凯生20070501武汉理工大学硕士学位论文摘要近年来，直流伺服控制系统己经在船舶港口行业、精密数控机床、加工中 心、机器人等领域得到了广泛的应用。随着计算机控制技术、数字信号处理器、 电力电子、信息技术以及传感与检测等数控技术的发展，使得直流伺服控制系 统朝着高精度、高速度和控制电路数字化、功率器件的模块化的方向发展。针对直流伺服电动机和DSP的国内外发展现状和前最，本论文就此作了以 下几个方面的工作；首先，详细分析了直流伺服电动机与DSP的发展现状和前 景，并认为

2、进疔DSP对直流伺服电动机的调速研究具有很好的现实意义；其次, 比较深入地介绍了直流电动机的主要特点和工作原理；随后介绍DSP在控制系 统中的使用情况，特别是专用性DSP；再其次，介绍了本系统中要用到的直流 伺服电机、电源、光电编码器和ICETEKLF2407A实验板；再其次，比较详细 地描述了 PWM调压调速原理以及H型双极性可逆PWM驱动系统的工作过程; 再其次，依IS TMS320LF2407APSP芯片特点、在所搭建的实验平台上，用软件 对直流伺服电动机的全数字双闭环的调速控制进行了编程，并进行了硬件的调 速系统设计（其中软件设计主要包括：主程序设计、A/D中断处理子程序、电流 PI调

3、节、读编码器脉冲/计算转角增量和转速以及速度PI调节等；硬件设计则主 要包括：整个直流伺服电动机调速系统方案的设计.电源及驱动电路设计和测 量反馈单元设计）；再其次，根据前面所介绍的理论铺垫、硬件设计和软件设计 进行实验，检验并实现了最初目的，同时，结合理论与实验结果进行了一些必 要的分析。在本文最后，就普通PID控制在一些特殊场合可能存在的一些不足，引入 了模糊PID控制这个概念，在简要的描述了模糊控制理论之后，通过 MATLAB/Simulink对普通PID控制和模糊自适应PID控制进行了仿真，进而比 较了两者的优劣，为今后实现在DSP上用模糊PID算法来迸行调速控制做了试 探性的探讨。同

4、时也对本文今后的研究方向提出了一些改进思路。关键词：数字信号处理器直流伺服系统脉宽调制模糊PID控制AbstractIn recent years, the DC servo control system has been shipping port industry, precision CMC machine tools, machining centers, Robot fields have been widely applied. With computer control, digital signal processors, power electronics, informat

5、ion technology, and sensing and detection NC technology, the development of DC servo control system toward precision, and high-speed digital control circuits, power devices modular direction.Against DC servo motor and the internal and external DSP development situation and the prospects The papers w

6、ere made following several aspects : First, detailed analysis of the DC servo motor and DSP development situation and the prospects DSP and think of the DC servo motor speed control is very useful for the practical significance; Secondly; more iibdepth introduction of the DC motor and the main featu

7、res of physics; then introduced the DSP system control the use of the special is a dedicated DSP Besides, introduced the system to use the DC servo motor, power, Photoelectric encoder and ICETEK-LF2407-A experimental plate; Besides, a more detailed description of PWM Speed Surge principle of H-type

8、bipolar PWM drive system irreversible course of the work; Moreover, the basis for TMS320LF2407A DSP features, which built the experimental platform. Software on the DC servo motor digital-loop speed control of programming, and the hardware design of the control system (software design include : main

9、 program design, D interrupt handling subroutine, current PI regulator, Reading pulse encoder / increment and calculate angular speed and speed PI regulator; Hardware design is mainly include : the entire DC servo motor speed control system program design, power and drive circuit design and measurem

10、ent feedback module design); Besides, as described under the previous theoretical groundwork, hardware and software design experiments test and achieved the first objective, in conjunction with theoretical and experimental results of some of the necessary analysis.In this last respect to the ordinar

11、y PID control in some special occasions, there may be some shortcomings. Fuzzy introduced the concept of PID control, in a brief description of the theory of fuzzy control, Simulink right through ordinary PED control and adaptive fuzzy PID control of imitation true, then a comparison of these candid

12、ates, To achieve in the future DSP fuzzy PED algorithm to speed control done exploratory study. In this paper, but also to the direction of future research made some improvement ideas.Keywords : DSP DC servo system PWM Fuzzy PID control武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1课题的研究背景及意义伺服系统就是用来控制被控对象的某种状态，使其能自动地、连续地、精 确

13、地复现输入信号的变化规律，通常称闭环系统.伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随控制理论、微电子和电力电 子技术的应用而发展起来的，最早出现于20世纪初.1934年第一次提出了伺服 机构(Servomechanism)这个词，随着自动控制理论的发展，到20世纪中期， 伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并逐渐得到了广泛应用。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。本文通过调研可知，它的应用几乎遍及社会的 各个领域。伺服系统在机械制造行业中用得最多最广泛，各种高性能机床运动部件 的速度控制、运动轨迹控制、位置控制，都是依靠各

14、种伺服系统控制的.它们 不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成 复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制 尊等。它们可以完成的运动控制精度高、速度快、远非一般人工操作所能达到。在冶金工业中，电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，水平连铸机 的运动控制，轧钢机轧棍压下运动的位置控制等等，都依靠伺服系统来实现， 这些更是无法用人工操作所能代替的。在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶 的自动操舵.飞机的自动驾驶，都有各种伺服系统为之效力，既减缓了操 作人员的疲劳，也大大提高了工作效率。在军事上，伺服系统用的更为普

15、遍，雷达天线的自动瞄准的跟踪控制、高 射炮、战术导弹的制导控制、鱼雷的自动控制等等.真是不胜枚举。在计算机外围设备中，也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制 系统、磁盘驱动系统尊等。可以说，伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线， 武汉理王大学硕士学位论文可及时准确地跟踪人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光 头，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新的领域。电动机是伺服系统的重要执行元件，又称为执行电动机.在自动控制系 统中，其任务是将输入的电信号转换为转角或转速，以带动控制对象。按电流 种类不同，伺服电动机可分为直流和交流两种。因此，

16、对伺服系统的控制关键 所在就是对伺服电机的控制。世界上各大DSP"生产商将DSP的高速运算速度和单片机的髙控制能力 相结合，开发出电动机控制的专用DSP。这些DSP集成了电动机控制所必需的 可增加死区且灵活多变的PWM信号发生器、高速高精度ADC,以及用于电动 机速度和位置反馈的编码器接口等电路，因而DSP可以被称为目前用于电动机 控制中功能最强大的控制器。近几年来，随着对DSP的研究越来越专业化，DSP 功能的也就不断完善，价格不断下降，与普通单片机的价格也越来越接近，以 及其开发工具的价格不断下降，使工业生产中DSP的使用范围不断扩大，一个 DSP控制电动机的时代己经来临。因此，

17、本论文选择DSP控制伺服电机作为研究内容具有很重要的现实意义, 可以说，不管是现阶段技术发展、抑或今后发展都有很强的代表性。1.2国内外发展现况1.2.1伺服系统的国内外发展现状和前景伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的 电机类型分为直流(DC)伺服系统和交流(AC)伺服系统。50年代，无刷电机和直 流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。 70年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代炉约从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体 功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交 流伺服技术、交

18、流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服 驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一。交流伺服系统按其釆用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同 步(SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。其中, 永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低 速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服 驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生 产自动化领域中的应用将越来越广泛.目前已成为交流伺服系统的主流。感应 式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格

19、 低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统 采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电 机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，因此目前并 未得到普遍应用随着电子技术，特别是电子计算机的高速发展，带来了伺服系统向智能化 方向的快速发展。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。由于直 流电机容易进行调速，尤其他励直流电机又具有较强的机械特性，所以在数控 伺服系统中早有使用.直流电机具有良好的机械特性，使之能在大范围内平滑 调速、启动、制动和正反转等，

20、目前在传动领域中仍占重要的地位.电力电子技术沟、单片机和微型计算机的高速发展，外围电路元件专用集 成电路的不断出现，使得直流伺服电动机控制技术有了显著进步。这些技术领 域的髙速发展，可以很容易地构成高精度、快响应的直流伺服系统，因而近年 来世界各国在高精度、速度和位置控制场合（比如机床进给伺服系统.军用伺服 系统）,都己由电力半导体驱动装置取代了电液驱动。从传动系统来看，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛发展，在许多方面 正向直流电机调速技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交 流传动的基础.直流调速系统也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装 置己经成功地用于生产.以微机作为控制

21、系统的核心部件，并具有控制、检测、 监视、故障诊断及故障处理等多功能电气传动系统正在形成和不断地完善.由 于近年来微电子和电力电子技术突飞猛进的发展，促使各种伺服电机控制的智 能化功率集成电路得到应用，使得这类系统正朝着数字化、模块化的方向发展.从前面的讨论可以看出，数字化伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱 动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个 方面：全数字化采用新型髙速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的伺服控制单元将全 面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。 全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使

22、在伺服 系统中应用现代控制理论的先进算法(如蹑优控制、人工智能、模糊控制、神经 元网络等)成为可能。采用新型电力电子半导体器件目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率 半导体器件，主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应管(MOSFET)和绝缘门极 晶体管(IGBT)等.这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗, 提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服 控制系统己经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起 的新型模块，称为智能控制功率模块(Intelligent Power Modules,简称IPM)这 种器件

23、将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部 集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理 器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺 服系统的小型化和微型化。高度集成化新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元 两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元.同一个控 制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本 身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或 力矩传感黑构成高精度的全闭环调节系统。髙度的集成化还显著地缩小了整个 控制系统的体积

24、，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化.智能化智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的 工业控制装置当然也不例外.最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型 产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能, 系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单 元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改, 应用起来十分方便；其次它们都具有故障自诊断与分析功能无论什么时候，只 要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清 楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；除以上特点之外

25、，有的伺服 系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系 统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作.带有自整定功 能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现 其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特 点之一。模块化和网络化在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化(Factory Automation简称队) 工程技术在最近十年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应 这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口(如RS-232C或 RS422接口等)和专用的局域网接口。这些接口的设

26、置，显著地增强了伺服单元 与其它控制设备间的互联能力，从而与CNC (Computer Numerical Control数控 技术)系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将 数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过 串行接口与可编程控制器(PDC)的数控模块相连.- 综上所述，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求， 对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱 动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导 产品一伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度.数字化、智能型、网 络化的

27、驱动控制，以满足用户较髙的应用要求。1.2.2 DSP的国内外发展现状数字信号处理(Digital Signal Processing)是一门涉及许多学科而又广泛应 用于许多领域的新兴学科20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速 发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展.虽然数字信号处理的理 论发展迅速，但在20世纪80年代以前，由于实现方法的限制，数字信号处理 的理论还得不到广泛的应用.直到20世纪70年代末80年代初世界上笫一片单 片可编程DSP (Digitel Signal Processor,简称DSP)芯片的诞生，才将理论研究 结果广泛应用到低成本的实际系统中，并且推

28、动了新的理论和应用领域的发展。 DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的 微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字 信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下主要特点判：1. 在一个指令周期内可完成一次乘法或一次加法；2. 程序和数揺空间分开，可以同时访何指令和数揺；3. 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两块RAM中同时访 问；4. 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持；5. 快速的中断处理和硬件I/O支持；6. 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器；7可以并行执行多个操作；8.支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重

29、叠执行。世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811, 1979 年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑. 这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980年，日本 NEC公司推出的PD7720是第一个具有乘法器的商用DSP芯片.在这之后,最 成功的DSP芯片当数美国德州仪器公司gs Instruments,简称TI）的一系列 产品。B公司在1982年成功推出其第一代DSP芯片TMS32010及其系列产品 TMS3201L TMS320C 10/C 14/C 15/C 16/C 17 等，之后相继推出了第二代 DS

30、P 芯片 TMS32020, TMS320C25/C26/C28,第三代 DSP 芯片 TMS320C30/C31/C32, 第四代DSP芯片TMS320C40/C44,第五代DSP芯片TMS320CSx/54x,第二代 DSP芯片的改进型TMS320C2XX.,集多片DSP芯片于一体的高性能DSP芯片 TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等.T1 将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即：TMS320C2000系列（包括 TMS320C2X/C2XX ）、TMS32OC5OOO 系列（包括 TMS320C5X/C54X/C55X）、 TMS320C6

31、000 系列（TMS320C62X/C67X）.DSP发展到今天，大致可按照三种不同的分类方式来归类：第一，根据DSP芯片的工作时钟和指令类型分类分为静态DSP芯片（指在 某时钟频率范围内的任何时钟频率上，DSP芯片都能正常工作，除计算速度有 变化外，没有性能的下降）与一致性DSP芯片（指两种或两和以上的DSP芯片， 它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容人第二，按数据格式分为定点DSP芯片（数据以定点格式工作）与浮点DSP芯 片（数据以浮点格式工作，不同浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样）。第三，按用途分为通用DSP芯片与专用DSP芯片.本文以n公司推出的 电机控制专用DSP芯

32、片为控制核心进行研究。1.2.3 DSP与直流伺服电机的发展直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机.它不仅 具有传统的良好的起动、制动、运行效率奇、良好的线性调速特性、简单的控 制性能、高质高效平滑运转等优点，可以很方便地在宽范围内实现无级调速（故 多采用在对电动机地调速性能要求较高的生产设备中）。经过长期的发展，又具 有交流伺服电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。所以，尽管近年来 不断受到其他电动机（如交流变频电动机、步进电动机等）的挑战，但道目前 为止，就其性能来说仍然无其他电动机能比.在欧美等国家，大型成套生成装 置和成套生产线仍然多用直流调速。随着朮磁材料和工艺

33、的不断发展，直流电动机的励磁部分将逐渐用永磁代 替代替，并且，这种直流电动机体积小、结构简单、省电，所以在中小功率范 围内得到了广泛的应用.20世纪80年代，数字信号处理器（DSP）的岀现，特别是专用DSP的出现， 在信号处理领域引起了巨大的革命，它以处理能力强、内置较大的存储器、芯 片功耗低及配置资源灵活等特点使直流伺服电机的控制方式发生了很大的变 化；到20世纪90年代，DSP的成本不断的下降，加速了 DSP的普及。另外， 随着电力电子技术的发展，新型电力电子功率器件不断出现更是加速了这一过 程。采用全控型开关功率元件进行PWM控制方式已成为绝对主流，这种控制方 式也己作为直流电动机数字控

34、制的基础.此外，由于DSP可以自己产生死区的 PWM输出，所以可以使得外围硬件更少.所以，用DSP来控制直流伺服电机具有很强的实用价值和应用前景.1.3本文的主要内容本文在分析了国内外直流伺服电机和DSP的发展现状之后，通过大量的实 验，探讨了 DSP对伺服系统的控制方案，并且用直流伺服电机作为实际的控 制对象。介绍了整个控制系统的组成、控制器的设计.试验过程，并得到了实 验结果，同时也对结果作出了相关的分析，最后探讨了一下模糊控制原理及模 糊P1控制。本文分为6章：第1章绪论。介绍了课题的研究背景和意义，同时介绍了伺服系统的发展 现状及控制方法，本文是基于DSP开发的伺服系统，因此介绍了 D

35、SP的国内外 发展现况和一些主要特点；第2章 直流伺服电机的原理及选型。要利用DSP开发直流伺服电机，必 须要先了解有关于DSP的基础知识、直流伺服电机的工作原理及内部结构、控 制理论的原理算法。另外进行了课题研究中各个部件的的选型；第3章芯片及实验板的介绍。首先，针对TI公司的DSP芯片 TMS320LF2407A,详细介绍了该芯片的特点、A/D转换器与事件管理模块(EV) 两个单元.其次，介绍了 ICETEK-LF2407-A试验板；第4章 控制系统的设计阻珂这一章为本次论文的核心章节。本章介绍 了用于开发DSP的CCS软件。其次介绍了 PWM波的控制原理、H型双极性可 逆PWM驱动系统，

36、最后介绍直流电机双闭环控制的实现。设计中又包括设计硬 件设计、软件设计等。第5章模糊控制与仿真。模糊控制：由于一般PID虽然能够满足一般工业 控制的要求，但依然存在不少不能很好解决的问题，所以本章探讨了模糊控制 理论(班坷利模糊pi控制器原理。仿真；本部分在前面的基础上首先介绍了 Matab/Simulink(37M3啲仿真功能，并进行了模糊控制系统的仿真。第6章总结与展望.本章回顾了整个控制过程，分析了 DSP对伺服系统控 制的可行性及优越性。并对实验过程中的不足和不完善之处进行了实际分析， 提出对这些问题的解决方法的一些想法，并对进一步的研究作了初步的规划。8武汉理王大学硕士学位论文第2章

37、直流伺服电机的原理及选型DSP对直流伺服电机的控制涉及到了许多方面的知识，这些知识是本文所 研究课题中不可缺少的必要组成部分.根据所要研究对象，结合需要参数，选 取合适的具体对象型号，并了解对象特点，这个工作是繁琐的，但也是必需的。 因此，这一章主要围绕本文所研究的控制对象直流伺服电机调速系统 而展开，在进行具体选型之前，首先槪略地从直流电机的分类、它的主要特点 以及结构和工作原理谈起。然后根据本文要求，具体地描述了直流伺服电机调 速系统各个部件的选型以及具体参数，并给出了必要的工作原理。这些都为后 面章节打下坚实基础。2.1直流电机的分类首先从更大视野介绍一下直流电动机的分类，先从整体有个宏

38、观了解对后 面的系统选型不无裨益.直流电机一般可以分为以下几种1. 小惯量直流电机电机的转子为减少转动惯量，转子做得细长。因为转子的转动惯量与转子 直径平方成正比，同时电磁扭矩又与转子切割磁力线的有效长度成正比，所以 这样做可以有效地提髙伺服电机的驱动能力和可控制性能。这种电机特点是：转动惯量小，约为普通电机的1/10*反应快，有良好的换向性能。速度均匀性好，尤其低速时，更具优势。扭矩大，最大扭矩约为额定值的10倍。2. 直流印刷电机这种电机的转子由多层同轴的玻璃胶布板圆盘形转子构成，每层圆盘印刷 有铜箔绕组。由于这样可以有效地提高绕组的作用力矩，且转子质量轻，因而 可以得到较大的扭矩.其特点

39、是：10武汉理工大学硕士学位论文电机结构简单，成本低。电机绕组全部和空气接触，散热好，因而过载能力强。既轻又具有小的电磁惯性，因此具有好的换向性能和调速性能。3杯形转子直流电机这种电机的转子做成空心杯，从而有效地减少了转动惯量，提高了可控性4宽调速直流电机这种电机有意保留较大的转子惯性，靠提高扭矩来提高响应速度。因此功 率可以做得很大，适用于大负载和要求有特殊配重的场合。直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和大惯量宽调速直流 伺服电机.前者快速性好，结构简单；后者是有刷结构，转速有限，且结构复 杂，价格高，常用于有特殊要求的场合.2.2直流伺服电机的主要特点直流伺服电机主要有以下几个

40、特点：1. 可次方便地实现在宽范围内的无级调速，故多采用在对电动机的调速性 能要求较高的场合；2. 功率因子高；3启动转矩大，启动电流小：直流伺服电动机的机械特性和调节特性其它 直流电动机枢控时相应特性类似，所以它的启动转矩大，启动电流小，调节范 围宽.4. 电动机输出功率高；5. 调速精度高，调速范围广，过载能力强：制动特性良好：气隙磁通密度 高，动态性能好。.6. 转子转动惯量小，响应速度快；相同功率电机可以显著减小电机的体积 和重量。7. 结构简单、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单。8. 高效率：其效率比同容量异步电动机高。2.3直流伺服电动机的结构及工作原理先简单说一下直流

41、电动机的结构。武汉理王大学硕士学位论文要实现机电能量转换，电路和磁场之间必须有相对运动，旋转电机必须具 备静止的和转动的两大部分，静止和转动部分之间要有一定大小的间隙(以后称 为气隙)。直流电机的静止部分称为定子，它的主要作用是产生磁场，由主磁极、 换向极、机座和电刷装置等组成。转动部分就是转子，通常称为电枢，它的作 用是产生电磁转矩和感应电动势，由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇 等组成。现对各主要结构部件的基本结构及工作原理作简要介绍如下。直流电动机结构主要包括三大部件：(1) 定子定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，可分 为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成，他励

42、式磁极由冲压硅钢片叠 压而成，外绕线圈，通以直流电流变产生恒定磁场；(2) 转子又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时, 产生所需的电磁转矩；(3) 电刷与换向片保持所产生的电磁转矩为恒定方向。再来描述一下直流伺服电动机的工作原理。直流电机的工作原理揭示了如何利用基本电磁规律以实现“电一机”能量转 换。具体工作原理见参考文献皿】。2.4直流伺服电机系统的选型在对直流伺服电动机做了一个简要的概述之后，结合本系统，进行了以下 各部件的选型。主要包括三个部件：1. 直流伺服电机；2. PWM调速电源；3. 光电编码器。现分别对直流伺服电动机调速系统的各个部件进行描述。首先来描述系统的

43、 主体部分：直流伺服电机。2.4.1直流伺服电动机的选型本系统使用的直流伺服电机为博山新特电机厂的ZYT系列永磁直流电动 机，型号为：55ZYT04系列.该电机系列采用铁氧体永久磁铁系封闭自冷式， 电动机具有体积小、重量轻、力能指标高、噪音低、产品系列化程度高、零部 件通用化程度强等待点，被广泛应用于各种机械及自动化控制系统中作执行元 件或驱动装置.其主要技术参数如下：额定转矩：0.637N-m最大转矩：0.67 N-m额定转速：3000r/min额定线电压（DC）： 110V额定电流：0.34A额定功率：20w允许顾逆转速差：200 r/min其次来介绍一下和直流伺服电动机相配套的PWM可调

44、速电源。2.4.2电源的选型本系列电动机可配用的是WK、SK系列直流调速电源，实现无级调速、张 力控制、正反运行等功能；该系列稳压电源采用脉宽调制技术，选用先进的开 关器件设备，具有体积小，工作无噪音、效率高、并具有先进的短路保护功能 （能保证电动机频繁正反转），且电枢输出电压稳定度高、其电枢电压从零到 额定值连续可调，这使得电动机调速极为方便。WK、SK系列电源由于工作频 率高，从而保证电动机在低速下能稳定工作（即不岀现爬行现象）是替代可控 硅调速电源連想换代产品。根据实际的实验需要选用的稳压电源为SK系列SK400B型稳压电源其主 要技术参数如下：输入电压：AC200V输出电压；DC 02

45、20 V额定输出电流：DC2A最大输出电流；4A过载能力：2借额定输出电流不超过1分钟启动时间：l5s停止时间：15$励磁电压（DC）： 220V励磁电流（DC）； 0.5A工作环境温度：一 23+45。13武汉理工大学硕士学位论文保险丝：5A安全性能；AC输入端子与外壳间电阻不低于10MQ； AC输入端子与外壳 间耐压强度AC1000V, lmin无异常现象。经实验，本电源可以直接接220V的交派电作为输入电压下面再重点介绍一下构成闭环的光电编码器。243光电编码器的选型与原理因为光电编码器一般都大同小异，所以只要能满足要求即可.机电控制的关键在于对机械参数，如速度、位置、位移、压力、温度、

46、流 量等信息的采集(提取)和处理).信息采集主要依靠各种类型的传感器，传感 器是信号检测的工具，是将机电控制系统中被检测对象的各种物理变化量变化 为电信号的一种变换器。根据被测物理量的不同，常用的传感器分为位移、位 置传感器、速度和加速度传感器、力和力矩传感器、温度传感器、湿度传感器 等。常用的速度传感器有测速发电机、增量式光电编码器等测速发电机的输出 含有大量的谐波分量，这些谐波分量主要是磁路的非线性引起的，连同磁路的 小对称而产生的基频电压一起，组成了“剩余电压”，即使测速发电机的转轴小对 称，这些电压也不会等于零，所以测速电机有速度误差.另外，测速电机的电 刷与整流子之间的接触电阻的小稳

47、定性、温度对电阻的影响以及涡流等因素都 影响它输出的线性度。而光电码盘测速具有精度髙、线性度好的优点，再考虑 DSP本身具有正交编码单元电路(QEP)和捕获单元电路(CAP),这是专为编码器 应用设计的电路，使外围辅助电路大大减少，从而简化了硬件电路设计。因此, 本系统采用光电增量式编码器作为测速反馈元件.光电编码器是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴 -起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式它 一般实时渕量执行部件的速度信号，并变换成速度控制单元所要求的信号形式, 将运动部件现实速度反馈到速度控制单元，以实施闭环控制下面主要介绍一下光电编码器的工作原

48、理.武汉理王大学硕士学位论文先来看一下一个编码器的结构图，如图21批示光61及辨向光源用飒臟缝码盘及狭缝零位标志图21编码器实物图14武汉理王大学硕士学位论文光电编码器的指示光栅上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距,两 组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、B彼此相差90。相位，用于辩向， 如图21中的A. B两组.工作原理如图22所示图2-2电机正反转时编码信号变化光电码盘有一明暗相间的圆环以及一个附加的作为参考点的明条.在圆盘 的一侧有光源，另一侧正对着两相邻的明暗区紧挨着有两个光敏接收元件.这 两个光敏接收元件的安装位置应恰好使得在一个明暗区周期中或每当光电盘旋 转一个节距时，产生

49、具有90度相位差的正弦波信号A和B,这一组信号送到放大器进行整形、放大后，产生一系列矩形脉冲，分A、B和Z三相输出，其中A 相.B相相差90度，Z相为零位脉冲。正转时A相领先B相90度；反转时， B相领先A相90度。根据这一关系，将编码器通过一机械传动机构与电机轴相 连，通过读取A、B数字脉冲的个数及哪一列先到来，即可确定电机的转速与转 向.电机正反转时，A, B脉冲的状态变化如图所示，其中CW表示正转， 此时A相在前，B相在后，信号变化依次为：】0、11、0K 00； CCW表示反转, 此时B相在前，A相在后，信号变化依次为；01、11、10. 00归纳一下：A、B两相的作用主要有：根据脉冲

50、的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根ISA、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向；后续电路可利用A、B两相的90。相位差进行细分处理（四倍频电路实现人 本系统就主要用到A、B两相的作用。其它仪器有霍尔传感器、实验板及其电源，TMS320LF2407A实验板及仿真 器，上位PC机，美国泰克Tektronix TDS210双通道数字滤波器（带宽60MHz, 最大采样速率1 GS/s）,数字万用表。其中TMS320LF2407A实验板及仿真器下一章进行专门介绍。2.5本章小结本章主要讲了本课题研究的系统要用到的各个部件，简要介绍了它们的选 型和主要技术参数；由于本系

51、统编程的时候涉及到编码器，拆以，尤其重点讲 述了编码器的组成和工作原理。16武汉理工大学硕士学位论文第3章TMS320LF2407A芯片及子板因为本文的控制器就是ICETEK2407A实验板及其仿真器，也是本文的核心 工作之一，所以单独列出一章来给予一定的描述。在描述实验板之前，先来介绍DSP TMS320LF2407A芯片。3.1 TMS320LF2407A 芯片TMS320LF240X系列DSP控制器芯片是TI公司针对电机控制所设计的一 款单芯片控制器.具有以下特点：(1) 采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为33 V,减小了控制 器的功耗：另外，其30MIPS的执行速度使得指令周

52、期缩短到33ns( 30MHZ ), 从而提高了控制器的实时控制能.力。(2) 基于 TMS320C2xx DSP 的 CPU 核，保证了 TMS320LF240x 系列 DSP 芯片代码与TMS320系列DSP代码兼容。(3) 片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序 RAM, 544 双口 RAM (DARAM)和 2K 字的单口 RAM(SARAM)。(4) 两个事件管理模块EVA和EVB,每个模块包括：两个16位通用定时 器；8个16位的脉宽调制(PWM)通道。它们能够实现：三相反向器控制；PWM 的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTx出现低电平时快速

53、关闭PWM通道; 可编程的PWM死区控制以防止上下桥臂的直通；3个捕获单元;片内光电编码 器接口电路；16通道A/D转换器。事件管理模块非常适用于控制交流感应电机、 直流无刷电机、开关磁阻电动机、步进电机、多级电机.逆变器。(5) 可扩展的外部存储器共有192K字：64K字程序存储器：64K字数据 存储器；64K字I/O寻址空间。(6) 内部集成看门狗电路(WDT)(7) 10位A/D转换器最小转换时间为375ns,可选择由两个事件管理器来 触发两个8通道的可排序的A/D转换器或者一个16通道可排序的A/D转换器。控制器局域网络(CAN) 2.0B模块。武汉理王大学硕士学位论文(8) 串行通信

54、借口(SCI)模块。(9) 16位串行外设(SPD接口模块。(10) 基于锁相环的时钟发生器。(11) 高达40个可单独编程的复用的输入输出引脚(GPQ)(12) 5个外部中断源(两个电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。(13) 3种低功耗模式，能独立将外设期间转入低功耗工作模式。我们可以看出，采用TMS320LF2407是一种非常合适的选择，首先，我们 可以利用其内部集成的A/D转换器来对各量进行采样,这样就省去了昂贵的A/D 转换芯片和避免了较为棘手的接口技术；其次，我们可以利用内部的EV事件管 理模块来产生PWM脉冲，这样，不仅可以省去PWM产生芯片，还简化了系统 的结构，提高了系统的

55、可靠性。下面专门介绍两个重要的单元：A/D转换器与事件管理模块(EV).一、16路A/D转换器TMS320LF2407A内部具有16通道10位A/D转换器，其精度对于一般的工 业控制场合己经足够了.除了转换时间比较快以外，它还能进行转换通道的排 序以及转换通道的分组q转换通道的排序就是它能够对16个通道的A/D转换顺序进行编程，其内部 有专门的排序寄存器(CHSELSEQn),通过对这个寄存器的操作，就能够控制每 个通道的转换次序转换通道的分组就是能够将16通道的A/D转换器分成两个 8通道的A/D转换器，在实际应用中，两个A/D转换组与两个事件管理模块组 合,就能够控制两个电机。另外，此A/

56、D模块具有多个工作触发源，一种是可 以直接用软件触发，这是直接对寄存器的操作来实现的；另外一种是可以外部 脉冲触发，TMS320LF2407有一个专门的ADC触发引脚(ADCSOC),若在控制 寄存器中设置为外部触发，那么只要改变这个引脚的状态，就能够触发A/D转 换器进行采样；还有一种比较实用的方式是通过事件管理模块的事件源来触发, 例如定时器的溢出、周期中断，这种方式对于PWM产生非常有用。另外，其ADC的触发源设置的是软件触发，这主要是为了避免中断嵌套， 多层中断嵌套不利于系统的稳定运行，由于它内部集成的A/D转换器的转换速 度比较快，因此并不需等待太长时间就能够执行下面的指令。二、事件

57、管理模块(EV)事件管理模块是TMS320LF2407系列DSP非常有特色的功能模块，对于电 机控制极其方便。对于2407A来说，内部有两个事件管理模块，能够独立的进 行两路PWM波形的产生.而且，EV所占用的CPU资源很少，这样就可以减轻 CPU的负担，有利于系统的稳定运行。在本文所设计的系统中，主要利用了 EV 模块中的两个功能：定时器.比较单元. 定时器每个事件管理模块中有2个通用定时器，每个定时器功能相当强大，它们 除了能够进行一般定时器/计数器功能之外，每个定时器单元还能够产生一路 PWM波形，这主要是通过其中的16位的定时器比较寄存器TxCMPR和周期寄 存器TxPR来实现的。在本文的系统中，我们并没有利用定时器的比较操作来产 生PWM波形，因为每个EV模块只能产生两路由通用定时器产生的PWM.实际上，EV管理模块的通用定时器能够运行于多种工作方式：停止保持模 式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、连续增/减计数模式。利用这一特点, 我们就能够产生不同模式下的三角载波。例如，我们可以利用连续增计数模式 产生锯齿波式的三角载波来实现非对称式的PWM波形;也可以利用连续增减计 数模式产生对称的三角载波，就可以产生对称的PWM波