高精度转台伺服控制系统的研究

1、电子科技大学硕士学位论文高精度转台伺服控制系统的研究姓名：孙永奎申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：李辉20040101电子科技大学硕士论文摘要本课题是中国电子集团第研究所的预研项目，目前的工作是针对一个单自由度的转台控制，主要用于车载式雷达系统的运动平台。本文论述了一种高精度单自由度伺服转台系统的设计和实现，介绍了开发中的理论知识和技术原理，着重解决了系统应用方面的问题：系统总体方案的设计、系统的误差分析、硬件设计、软件设计和控制算法的设计和仿真。本系统采用了上、下位机分层式控制方式，充分利用了二者的优势一强大的逻辑判断能力、计算和信息处理能力，大大提高了系统的可靠性。上位机是，下

2、位机是运动控制卡。上位机通过通讯协议向下位机发送要实现的位置或速度信号，下位机接受上位机的信号和转台的位置或速度反馈信号，依据设定的控制算法进行运算，输出控制信号，并对转台的运行状态进行监测。硬件设计包括伺服电机的选择，位置检测装置的选择，减速器的选择，运动控制卡的开发。软件的设计包括运动控制卡的软件设计，控制算法软件设计，上位机的通讯软件和监控软件设计。本文设计了专家和灰色控制算法，并给出了仿真结果。关键字：伺服。误差，运动控制卡，电子科技大学硕士论文、媳，屯耻，邛仃，啪毋，妙鱼劬出，口，（），血掣：，口，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及取得的研究成果。据

3、我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：型：壹羔奎导师签名：日期

4、：电子科技大学硕士学位论文第一章绪论自动控制理论发展世纪年代前后发展起来的“经典控制理论”，主要研究线性定常系统，被控对象也几乎都是单输入一单输出系统，采用的方法通常是以传递函数、频率特性、特征根分布为理论基础的波德图法和根轨迹法，包括劳斯一赫尔维茨代数判据、奈奎斯特稳定判据。世纪年代末，由于航天飞行器等空间技术开发的需要而发展起来的“现代控制理论”，主要研究多输入一多输出的被控对象，系统可以是线性或非线性、定常或时变的，它用状态方程替代经典理论中的高阶微分方程来进行系统描述，并且把系统中各个变量均取为时间的函数，因而它属于时域分析法，有别于经典控制理论中的频域方法，这样更有利于计算机进行运算

5、和控制，此外，状态变量的选取可以不一定是系统的物理，因而具有更大的灵活性，这就是系统状态空间描述的特点所在，现代控制理论的主要内容有：研究系统状态空间建模和能控性、能观性分析：李亚普诺夫稳定性理论和李亚普诺夫函数：系统辨识和卡尔曼滤波理论：基于庞特里贬金极大值原理和贝尔曼根据哈密尔顿一雅可比方程提出的动态规划原理的最优控制理论等。半个世纪以来，经典和现代控制理论的发展和应用，对于存在数学模型的自动控制系统领域发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。促进了人类社会的进步和生产力的突飞猛进，然而，随着科学技术的发展与被控对象的复杂化，对于现有大范围时变、大滞后以及具有严重非线性和强耦合的多输

6、入、多输出系统，要建立精确的数学模型非常困难。为此，近十几年来发展了多种控制理论和技术，与此同时，利用人工智能把人们的思维过程模型化和用快速发展的计算机技术来模拟人的智能，包括判断、理解、推理、预测、识别、规划、学习和问题求解等，促进了一类基于非数学模型的智能控制方法的发展。智能控制是人工智能和自动控制的结合物，是一类无需人的干预就能够独立地驱动的智能机器，实现其目标的自动控制。它包括如下的几种方式：川递阶智能控制，递阶智能控制是在研究早期学习控制系统的基础上，从工程控制论角度总结人工智能与自适应控制、自学习控制和自组织控制的关系之后逐渐形成的，它是智能控制的最早理论之一。智能主要体现在组织级

7、上，由人工智能起堕量型塾奎堂堡主堂垡笙塞控制作用；协调级是组织级和执行级之间的接口，承上起下，由人工智能和运筹学共同作用：执行级要求具有较高的精度和较低的智能，仍然采用现有数学解析控制算法，专家智能控制，专家系统是人工智能的一个重要分支，专家系统实际上就是在计算机上实现的各领域专家的模仿物。应用专家系统的概念和技术，模拟人类专家的控制知识与经验而建造的控制系统，就是专家控制系统。模糊智能控制，模糊理论是美国加利福尼亚大学的自动控制理论专家教授最先提出了模糊集合的概念，并很快被人们接受。年，英国的首先把模糊理论用于工业控制，取得了良好的效果。从此，模糊逻辑控制理论和模糊逻辑控制系统的应用发展很快

8、，展示了模糊理论在控制领域中有着很好的发展前景。模糊逻辑控制现已成为智能控制的重要组成部分。神经网络智能控制，神经网络控制就是利用神经网络这种工具从机理上对人脑进行简单结构模拟的新型控制和辨识方法。在智能控制领域中，应用最多的是网络、网络、自组织神经网络、动态递归网络、联想记忆网络、网络等。伺服技术发展简况伺服控制技术的发展是和控制理论及控制器件的发展紧密相连，功率驱动装置的发展历史就是伺服控制技术的历史。世界上第一个伺服系统是由美国麻省理工学院辐射实验室于年研制成功的火炮自动跟踪目标伺服系统。这种早期的伺服系统是采用交磁电机扩大棚广一直流电动机的驱动方式，由于交磁电机的频率响应差，电动机转动

9、部分的转动惯量及电气时间常数都比较大，因此响应速度比较慢。第二次世界大战期间，由于军事上的需要，武器系统和飞机的控制系统以及加工复杂零件的机床控制系统均提出了大功率、高精度、快响应的系统要求。首先液压伺服技术迅速得到发展，到了年代末、年代初，有关电液伺服计算的基本理论日趋完善，电液伺服系统被广泛应用于武器、军舰、航空、航天等军事部门及高精度机床控制。伴随机电伺服系统元气件性能的突破，尤其是年可控的大功率半导体器件一晶闸管问世，由它组成的静止式可控整流装置无论在运行性能还是可靠性都表现出明显的优势，二十世纪年代以来，国际上电力电子技术突飞猛进，推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子器件

10、，如晶闸管、大功率晶体管、场效应管等。与此同时，稀土永磁材料的发展和电机技术的进步，相继研制出了力矩电机、印制绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机等执行元件，并电子科技大学硕士学位论文与脉宽调制式变压器相配合，迸一步改善了伺服性能。控制技术的发展不断对伺服系统的性能提出更高的要求，近年来，随着数字技术和计算机技术的高速发展，新型传感器件的大量涌现，使得伺服驱动控制技术有了显著进步。特别是将计算机与伺服系统相结合，使计算机成为伺服系统中的一个环节，在伺服系统中利用计算机来完成系统的校正、改变伺服系统的增益、带宽、完成系统管理、监控等任务，使伺服系统向智能化，数字化的方向发展。伺服控制技术新的发展

11、和变化的主要方面如下：”“郇、从直流伺服驱动系统向交流伺服驱动系统的发展趋势。世纪以来，在需要可逆、可调速与高性能的电气传动技术领域，相当长的时期内几乎都是采用直流电气传动系统。随着电力电子学、微电子技术、现代电机控制理论和计算机技术的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件，使得交流传动逐渐具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的技术性能，并实现了交流调速装置的产品系列化，由于其良好的技术性能，取代直流电动机调速传动已是必然的发展趋势。、从模拟伺服系统向数字伺服系统的发展趋势。在我国，数字伺服系统的研究已由实验室研究阶段步入应用阶段，在许多行业已批量生产，数字伺服系统在大多数应

12、用场合取代模拟伺服系统将是必然趋势，产生这一趋势的原因如下：自动控制理论和计算机技术是数字伺服系统技术的两个最主要依托。自动控制理论的高速发展，为数字伺服系统研制者提供了不少新的控制规律以及相应的分析和综合方法：计算机技术的飞速发展，为数字伺服系统研制者提供了实现这些控制规律的现实可能性。以计算机作为控制器、基于现代控制理论的伺服系统，其品质指标无论是稳态，还是动态都相应达到了前所未有的水平，比模拟式伺服系统高得多。、从经典传统伺服控制向现代伺服控制的发展趋势。应用经典理论来分析伺服系统，首先必须建立数学模型，但是由于许多因素难以一一考虑，许多参数难以精确确定，这种数学模型常常不能很好地反映系

13、统的实际情况，有时甚至会得出错误的结论。年代前后发展起来的现代控制理论适应了计算机的发展，具有许多经典理论难以比拟的优点。现代控制理论在伺服系统中将得到广泛的应用，如模糊控制，自适应控制，专家控制、最优控制等先进的控制策略。、高精度发展的趋势。随着伺服控制系统所用的器件的高速发展、先进的控制算法在伺服控制的应用和位置测量元件的澳量精度的提高，使伺服控制系统向高速、高精度方向发展，以电子科技大学硕士学位论文适应现代国民经济的发展要求。司服控制技术的特征伺服控制技术是自动化学科中与产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。它经历了发电机一电动机系统、交磁电机扩大机控制、晶闸管控制、晶体管控制、集成

14、电路控制、计算机控制的发展过程，至今进入了全新的鼎盛时期。现代伺服控制技术的主要特征为：（）、全控型电力电子器件组成的脉冲宽度调制技术在伺服系统中广泛应用。（）、各种伺服控制元件与线路向着集成化、功能化、模块化、智能化、便于计算机控制的方向发展。（）、伺服系统的可靠性设计及自诊断技术伴随着系统功能、性能复杂化程度的升级而受到人们的普遍重视。伺服系统的组成原理伺服系统是用来控制被控对象的某种状态（一般是转角和位移）。使其能自动地、连续地、精确地复现输入信号的变化规律。可以简单地用图来表示它的组成。它有检测装置，用来检测系统的输出信号，有放大装置和执行部件，为使各部件之间有效地组配和使系统具有良好

15、的工作品质，一般还有信号转换线路和补偿装置，相应的能源设备、保护装置、控制设备和其它辅助设备。哺信号图伺服系统组成框图伺服系统的控制方式从控制方式看，最常用的两种控制方式如下。、按误差控制的系统如图所示，按误差控制的系统是由前向通道（）和负反馈通道（）构成，也称闭环控制系统。系统闭环传递函数为：电子科技大学硕士学位论文郇，斋训将系统输出速度屹（或角速度。）转变成电压信号，反馈到系统输入端，用输入信号，与（厂的差，来控制系统，按误差控制的系统历史最长，应用也最广。野广一）图、按误差和扰动复合控制的系统采用负反馈和前馈相结合的控制方式，也称开环一闭环控制系统，如图所倒其系统的传递函数为：峥器措黼（

16、）式（）中以）代表前馈通道的传递函数。无论是速度伺服系统，还是位置伺服系统，都可以采用复合控制形式，它的最大优点是引入前馈口（）后，能有效地提高系统的精度和快速响应，而不影响系统闭环的稳定性。研制高精度伺服转台系统的背景和意义在现代战争中，电子战所发挥的作用越来越重要，如两次海湾战争，美国为首的多国部队充分发挥了电子对抗设备的综合效能，使其获得了战争的巨大成功。海湾战争的大量生动的事实，使我看到了现代战争的含义和电子战重要性。我国周边地【夏局势不容乐观，特别是维护我国领土的完整性，对有分裂趋向的势力保持有足够的威慑力，在现代战争中，发展电子对抗系统是非常必要的。电子科技大学硕士学位论文过去，在

17、电子战的领域中，人们只注意侦察、预警设备和各种干扰手段的发展，往往忽略了如何将它们有机地结合起来发挥更有效的作用。将这些设备有机地结合起来，必须要有高性能的控制平台，这就需要对雷达伺服控制系统的跟踪、定位精度有更高的要求，研制高性能的伺服控制系统对国防事业有着重要的作用。国内相关单位对转台伺服研究主要集中在以下三个方面，第一方面是对用予惯导测试和运动仿真的转台研究，用于此目的伺服转台的技术指标高，如中国航空精密机械研究所研制的单轴，双轴，三轴惯导测试和运动仿真设备的伺服转台系统，它们典型的技术指标为角度精度是”，其中型陀螺动态参数测试系统的转台精度在”，一型单自由度目标视线运动仿真器，定位精度

18、是“另外如中国航天科技集团公司第一计量测试研究所研制的单轴速率位置转台的性能指标，位置分辨率为“，中国船舶工业六三五四研究所的一，型单轴位置转台可达”啪。第二是对数控机床的伺服转台的研制，如重庆机床厂的数控转台的定位精度为角秒，酶北京丹青华瑞科贸有限公司的单轴立式转台系统精度为弧秒，精密级转台系统可达弧秒聊；第三是对雷达伺服转台的研究，如航天机电集团二院所研制的计算机控制的转台装置，可用于电磁兼容性测量、天线方向图测量等方面，它的性能指标是转角精度：士。；转角分辨率；年东南大学科技成果自动测试用转台和天线塔所提到的转台位置指标是。北京友信科技集团的雷达仿真转台系统的位置精度为，在雷达转台伺服系

19、统中，高精度的产品还比较少，为了加快雷达伺服转台的技术水平，适应国防技术的需要。很有必要研究高精度的雷达转台伺服系统。本课题是中国电子集团第研究所的预研项目，目的是为了提高车载式雷达的研制、生产水平，该系统要求定位精度高、实用性强、技术含量高。本课题要解决的问题本文所研究的单自由度转台伺服系统接收上位机的控制信号，实时地准确地将转台调转到所需的方位。主要解决如下的几个问题：、转台伺服系统的总体方案设计。、转台伺服系统的误差初步分析。、转台伺服系统控制算法的设计和数字仿真。、基于的运动控制卡的开发。电子科技大学硕士学位论文第二章转台伺服系统总体设计我们所研究的伺服控制系统是中电集团第研究所的一个

20、预研项目，目前的工作是针对一个单自由度的转台控制，主要用于车载式雷达系统的伺服控制。转台伺服系统的运动性能指标转台是整个系统的执行机构，是运动控制子系统的控制对象，转台的运动性能要求如表一所示：表一参数性能指标转台转动惯量转台转动部分的重量公斤转角幅度一。或连续运转、连续可调转角旋转最大速度。）连续可调角度定位精度】。（”），超调量小于，振荡次数小于次最大加速度实时方位显示分辨率。控制台与电机距离工作环境一转台伺服系统组成我们所研究的转台伺服系统如图一所示，它主要由以下几部分组成；、上位机系统：提供用户一个人机界面，向下位机发送转台工作状态参数并显示转台的工作状况。、运动控制系统：包括使转台按

21、照一定的运动规律转动的伺服电机、伺服驱动单元、角度检测单元及实时控制计算机，它们组成一个位置闭环控制系统，可以精确地控制电机的转角，从而保证转台的运动规律及稳定在任意角度和连续跟踪。、机械系统：传动机构（减速器）、执行机构（转台）。电子科技大学硕士学位论文上位机士接口霉运动控制系统；重糸统机械系统图一所示的系统工作原理简述如下：转台系统组成框图运动控制系统接收上位机的命令输入，按控制规律输出控制指令，使转台运动按指定的运动规律运行，或在静态时保持转台的稳定。控制信号放大输出到伺服驱动单元，驱动伺服电机完成指定运动。测量系统实时地测出转台的位置和转速，处理为微机可读取的数字量。运动控制回路的构成

22、及其工作原理系统的控制回路主要有上位机（）、实时控制计算机、角度位置检测元件、数模转换单元、伺服驱动单元、伺服电机组成。其中实时控制计算机、角度位置检测元件、数模转换单元组成下位机。运动控制回路如下图所示：幽控制回路示意图它的工作原理如下：上位机把转台设定的工作状态的参考信号输入给下位机；在下位机中完成控制规律的计算，并向驱动单元输出控制信号；伺服单元经功率放大后，驱动伺服电机转动，伺服电机按照设定的运动规律驱动转台转动；角度检测单元测量转台实际转角形成位置闭环回路。上位机功能如下：电子科技大学硕士学位论文自检，工作方式设定及其初始化，参数配置，运行显示，数据显示。在上位机中的这些功能界面虽然

23、用途功能不同，但上位机上的人机界面具有一个基本的设计框架，如图所示：图上位机的功能图下位机的功能图如图所示，其中的显示模块为可选的，各个模块的具体功能在第五章运动控制卡的设计中详细介绍。它完成转换，接受上位机的命令和被控对象的反馈信号和开关量的输入，控制规律的计算，输出控制信号等功能。图下位机框图上下位机的接口通过进行通讯，框图如图所示图接口框图电子科技大学硕士学位论文转台伺服系统相关部件的选择为了满足整个伺服系统工作性能指标的要求，必须对系统的相关部件进行精心的选择，使由它们所组成的整个系统能够合理地运行。系统中比较重要的部件包括有伺服电机，减速器和位置检测元件，下面具体对相应的部件进行选择

24、。电机的选择转台伺服系统对所用的伺服电机要求如下：灵活方便的位置控制，定位准确精度高。可靠性好。方便计算机控制。响应快，换向性能好。能长时间连续工作不需要维护。常用的伺服电机有三类：直流伺服电机，交流伺服电机，步进电机。三种伺服电机的特点可以用表所示，唧表是机电一体化产品一种重要的执行元件，它具有体积小、直流伺服电机转矩大、功率重量比大、功率体积比大、稳定性好等优点，缺点是维护性不好，散热不好。特点是高可靠性、低维护保养要求，散热容易，转子转交流伺服电机动惯量小，快速性好，功率体积比更大，交流伺服电机保留了些直流伺服电机的优点而克服了某些局限性，特别适合用于一般直流伺服电机不能胜任的工作环境中

25、。转子的运动位移取决于脉冲的个数，速度取决于脉冲的步进电机频率，优点是误差不会长期积累，它的最大缺点在于容易失步，特别是在大负载和速度较高的情况下，失步更容易发生。选择电机需要知道负载的大小，在该系统中，我们把系统的负载分为：干摩擦负载、惯性负载、风阻负载，儿下面分别对它们进行计算。、干摩擦负载疋取滚动摩擦系数，肘。科（）电子科技大学硕士学位论文、惯性负载系统的最大转动惯量为，妇、风阻负载，（）所研究的转台伺服系统它所驱动的对象是一直径为的旋转抛物面天线。天线在风力的作用下受到一个力矩，这个力矩的产生有如下原因：（）当风向角不是零度时，除了个别对称位置外，在转轴两边的投影面积不相等，一边大，另

26、一边小，假定风压均匀分布，这样就会有一个风力矩。（）对于实体反射面，除了风向角为。时，所有的方向上，风压是不对称分布的。天线受到的风力矩分为静风力矩，和动风力矩，。静风力，由下面的公式来计算舳，叫（）式（）中：风力矩系数，：天线口径面积，：与转轴垂直方向的天线尺寸，：动压系数，妻，：风速，：空气密度，下面是各参数的具体值：，户（）。（）广“华（）天线转动时，还要考虑由于其旋转而产生的气流所引起的气流力矩。气流相对于天线的流速，除了风速以外，还应包括天线的旋转速度，因此天线转动时，除了上面所述的静风力矩外，还附加一个动态风力矩（动风力矩）。动风力矩，由下面的公式来计算旦丝（）。式（）中为静态风阻

27、力，为天线的尺寸，为风速，为天线转动的角速度。由下面的公式计算：彳（）式（）中，：静态阻力系数，为天线的特征面积：！；（）：三鲨磬：（）风阻力矩为，（）转台所有的负载力矩为。，（）所选执行电机的额定功率尸应该满足式（）哺“刀：（）坳。（）将系统的负载和最大速度代入式（）计算得到（）国。（）（）直流伺服电机的维护费用高，且无法保证长时间运转，故本系统不宜选用直流伺服电机；步进电机用于开环伺服系统，所研制的系统为闭环控制系统，也不适合选为该系统的执行电机；交流伺服电机的高可靠性，低维护性，定位精度也比较高，控制技术很成熟，市面上有很好的产品，从性能上完全满足本伺服系统的要求，故本伺服选用了交流伺服

28、电机。综合考虑其他因素的影响，我们选择了松下伺服电机的，驱动器型号为，电机及驱动器主要技术指标如表、表所示：嗡表电机的技术指标额定功率额定转矩最大转矩额定转速最大转速电机型号（）（）（）（）（）帆松下伺服电机最小指令分辨率为（），经过：谐波减速器传动，转台的最小指令分辨率为。（。），满足控制精度的要求。所选的电机满足要求。电机和驱动器之间的控制电路包括电源接口和编码器接口。在电机上配了增量型编码器，用于电机内部位置反馈闭环，从而实现驱动器对电机的精确控制。编码器的相、相、相信号，均采用差分方式输出，使得电机和电子科技大学硕士学位论文驱动器之间距离可以达到米。表驱动器的技术指标主回路电源基本规格

29、三相单相控制回路电源控制方式反馈咖正弦波控制增量式编码器（线）、位置控制、模拟量速度控制、转矩控制、位置控制输入速度控制、位置转矩控制、速度转矩控制，种控制方式由参数选择、伺服、报警清除比例操作选择指令分倍控制输入输入频选择控制方式选择内部速度指令选择驱动禁止驱动禁止信号功能模拟量指令输入速度指令输入由参数设定范围和极性转矩指令输入转矩限制输入与速度指令输入共用独立输入差分输入通过参数选择（相相指令方向）脉冲串指令输出输入脉冲串状态控制输出伺服报警伺服准备好外部制动释放速度到达转矩限制零速度信号信号监视输出速度监视转矩监视过电压，欠电压，过速度，过载，过电流。过热等保护功能性能最高指令脉冲频率

30、速度频率响应特性松下交流伺服电机提供种控制方式，即转矩、速度和位置控制方式。其中，转矩、速度控制的指令是模拟电压形式，丽位置控制指令则可以采用与步进系统相同的脉冲控制形式。转矩控制方式需要软件构成位置、速度闭环，速度控制方式则需要软件构成位置闭环，这两种控制方式在交流伺服装置外都要调节器，现场整定的工作量大。而位置控制方式相对简单，现场整定容易。定位精度也可以得到保证，因此我们选用了位置控制方式。松下系列交流伺服电机的电子科技大学硕士学位论文位置控制信号有三种方式：正交脉冲指令控制方式、脉冲指令控制方式、脉冲方向控制方式。正交脉冲指令控制方式中，电机的正反转是由正交脉冲中的一相超前或滞后来控制

31、的，脉冲指令控制方式中，电机的正反转是通过给电机发脉冲来控制的，单脉冲方向控制方式中，一路是脉冲信号，一路是方向控制信号。考虑到启动器与电机的距离有米，我们选择了正交脉冲指令控制方式，脉冲采用差分方式进行传输，这样可以增加信号的传输距离，脉冲的频率控制电机的转速，脉冲的个数控制电机的转角。减速器的选择我们所选伺服电机的额定转速为，转台转速为，又因为转台所受的负载力矩较大，所以要设计减速机构。考虑到该系统是用于车载式雷达，并综合各方面因素，我们选用的是北京中技克美公司型谐波减速器（一），它的具体参数如表所示：表技术参数传动比：输出力矩空回输入最高转速我们选择谐波减速器是因为它的技术特点，其特点是

32、减速比大、精度高、空回小、传动平稳、噪声小、承载能力大，效率高、体积小，且谐波传动是不可逆的，转台带动负载工作在受到风力作用时要保持状态，利用谐波传动这一特性很容易实现。位置检测元件的选择位置检测元件是随动系统的一个重要组件，由控制理论知，系统反馈通道的误差将直接影响系统控制精度本系统工作环境要求高，且必须绝对可靠，为了满足在一的工作环境要求和位置分辨率。的要求，选用了绝对位置检测元件多极旋转变压器测量角度，用旋转变压器一数字转换器（）进行轴角编码，将系统输出轴的位置转换成位的自然二进制码，送给计算机，以实现位置反馈。、多极双通道旋转变压器淄电子科技大学硕士学位论文多极双通道旋转变压器是由粗精

33、两通道具有不同极对数组成一体的组合角位移测量装置，采用同一铁芯两套绕组的“共磁路式”结构。当其转子旋转一周时，副边同时输出周期不等的两种正弦电压，构成粗精双通道系统，其主要特点是精度高，灵敏度高，用电气变速代替了机械变速，提高测量精度，简化了系统机构；它具有结构简单，稳定性好，抗干扰能力强，对环境条件要求低，易于数字化。转台位置精度要求达到。角度检测元件我们选择多极双通道旋转变压器，它的技术参数如表所示：表技术参数粗机极对数激励电源电源频率输出电压精机”输入阻抗电气误差、旋转变压器一数字转换器（）与多极双通道旋转变压器相配套使用的数字转换器是它是一种小型化金属壳封装的单块混合集成电路，内部包含

34、有粗、精两路旋转变压器的数字转换器和一个用于纠错粗精组合的双速处理器。转换器的原理框图如图所示，转换器接收双速旋转变压器信号，粗通道输入信号经过旋转变压器数字转换器转换成位数字角度量，精通道输入信号经过旋转变压器数字转换器转换成位数字角度量，两数字角度量再经一个双速处理器进行实时纠错和粗精组合处理后，输出一个位并行二进制数字到锁存器，我们通过控制三个使能信号（、），既可输出位数字量，又可输出三个字节数字量。￥主要的技术指标如表所不：表技术参数参数分辨率转换精度位土“电子科技大学硕士学位论文跟踪速率纠错能力。精通道输入粗通道输入图转换器的原理图由旋转变压器和组成的轴角测量装置具有如下的特点：、高

35、可靠性，角度传感器是无刷旋转变压器，它具有寿命长，可靠性高，无电火花干扰等优点，它能适应于冲击、振动、高温、低温、交变湿热、低气压等各种恶劣环境条件，环境适应性优于光电编码器。、高抗干扰性，无刷旋转变压器输出信号幅度大，信号源内阻低以及它的结构原理决定了它具有很优良的抗干扰性能。、尺寸小，重要轻。、编码精度高，本系统分辨率为自然二进制码位，对应的角度分辨率为”。、快速响应好，无刷旋转变压器工作频率可达，且保证其精度。、绝对值编码器，本系统是一绝对值编码器，编码数值范围与度范围内角度数值一一对应，系统失电后，恢复供电，仍可保持转角的绝对位置信息。以上所选择的电机、减速器和检测装置是根据转台伺服系

36、统的性能要求所进行的，通过和相关的工程实际应用相比较，是可以满足转台的性能要求。其他的部件选择，如运动控制芯片和相关器件在运动控制卡的设计中在介绍。电子科技大学硕士学位论文第三章转台伺服系统的误差分析所研究的转台伺服系统位置控制精度要求高，要达到其控制精度要求，不光是系统的硬件要精心选择，同时在理论上应该分析影响系统的精度的各因素，以便在系统的设计和制造中采用合理的方法来控制误差。在实际的闭环控制系统中，特别是检测元件的测量误差对系统的控制精度影响很大，即系统执行机构的精度主要取决于系统的检测装置精度鸭“（设系统的执行机构的精度和传动机构的精度能够满足控制的要求）。角度检测元件我们选择的是多极

37、双通道旋转变压器，粗机精度为，精机精度”，极对数，转换元件选用￥，其输出为位，转换误差为。多极双通道旋转变压器变和旋转变压器一数字转换器（）组成了轴角编码器，把它们作为转台的角位移传感器，在实际应用中存在着各种影响其精度实现的因素，并会产生测量误差，检测精度是受检测元件的本身测量精度，检测元件的安装方式，安装精度的影响，本文对使用的轴角编码器所产生测量误差的原因进行了分析，并围绕高精度多极旋转变压器一式轴角编码器实现系统控制精度。（”）的技术指标要求，提出了控制测量误差的指标。根据转台的结构和安装的方式，旋转变压器安装方式常采用下面的两种方式：第一种安装方式是旋转变压器直接与转台主轴相联；第二

38、种安装方式是转台的运动经过一对传动比为；齿轮副（数据传动链）传出去后再和旋转变压器相联。旋转变压器直接与转台主轴相联的测意误差计算这种安装方式是采用一个精密金属弹性联轴器来将它们连接起来。其测量转台主轴角度的测量误差主要由轴角编码器的测量误差点和旋转变压器的安装误差所引起的测量误差最组成。、轴角编码器的测量误差川们本系统中轴角编码器的测量误差由旋转变压器的测量误差点和模块的转换误差五”所组成。旋转姗的测量误差，多极旋转变压器的测量精度取决于多极旋转变压电子科技大学硕士学位论文器精机的精度，即最是多极双通道旋转变压器的精机误差。五”（）模块的转换误差”，“是转换元件一￥的转换误差。和的舍入误差组

39、成。（）所选的输出位，则它的分辩率占一”占：广（一一）（）。哦。”检测元件的测量误差可以计算为（）“氓“再；面：，（）、旋转变压器的主轴与转台主轴不同轴所引起的测量误差况川旋转变压器的主轴与转台主轴不同轴产生的测量误差是由于旋转变压器装入转台后，旋转变压器的主轴与转台主轴间存在径向偏心而产生的。如图所示，设旋转变压器的主轴与转台的主轴在安装时有偏心存在，对于图中点假设转台主轴实际转角为，旋转变压器的实测转角为，则两轴偏心所产生的测量角误差一口。在图中，点是转台主轴的旋转中心，点是旋转变压器的旋转中心，：旋转变压器的转动半径。在中，用正弦定理可以得到如下的关系式：（、，即删（刁（）由于式（）存在

40、和口两个变量，该测量误差的最大值为，。（）电子科技大学硕士学位论文的值很小，式（）可以表达为。（），幽一在实际的工程中，旋转变压器在安装时要求与转台主轴的同轴度不大于一般控制在左右。所选的为，如，则口一：五：即口。”根据经验实际装鼍所产生的误差一般为其峰值的取吒”（）、由以上分析可以知，旋转变压器直接安装的测量误差可计算为，厢：抵丽：”（）由以上的计算结果可知，所选的检测元件和所选用的安装方式满足系统的控制精度要求。具有数据传动链的测量误差计算转台的运动经过一对传动比为：齿轮副（数据传动链）传递出去后再和旋转变压器相联，测量的误差为轴角编码器的测量误差和齿轮副的传动误差屯组成。下面来计算齿轮副

41、的误差正。设齿轮副的参数如表所示：表齿轮分度园直径传动比：齿轮的参数齿轮精度等级齿轮切向综合误差尸齿轮齿间切向综合误差，级齿轮装置的误差齿轮安装处的轴颈跳动滚动轴承动环偏心口：、齿轮凼有位置误差和装置误差引起的单个齿轮的传动误差的均值（）根据误差的分布，知肘（乃）（）（）、齿轮固有位置误差和装置误差引起的单个齿轮的传动误差的方差（）。，）（：，妾一，聿丽【（）】啪（）（）中为齿轮的切向综合误差，为齿间切向综合误，为齿轮装置误差。、齿轮副的传动误差均值和方差胆娑（，）（）（，）（）孥瓶河面石（乃：）。（）。（：）】（）（一期（乃）（一书（）叫拙（）式（）、（）中（乃）为单个齿轮的传动误差的均值，

42、口（瓦）为单个齿轮的传动误差的方差。、齿轮副传动误差民当取置信概率为时，齿轮副传动误差蠡：磊士扛西士（）民最大值为，将其转换为角度一叶一拭：！塑！塑！：”。（）此时传动链的误差最已超过转台伺服系统控制精度的要求。结论通过以上对转台伺服系统的检测误差的初步分析，我们可以得到以下的结论：在本系统中，选用旋转变压器和组成的轴角编码器采用合适的安装方式是能够满足该转台伺服系统控制精度的要求，即旋转变压器直接安装在转台的主轴上，并且要严格控制旋转变压器主轴和转台主轴的同轴度。而采用一对传动比为：齿轮付的数据传动链将转台主轴的运动传出去后再用旋转变压器进行测量，由于数据传动链自身的传动误差已经大于了本系统

43、的控制精度要求，故该方案不适合本系统。所以测量装置的安装应尽量减少与被测对象之间的传动链，以提高检测精度。检测元件的安装精度对测量误差的大小有着比较大的影响，应该提高其安装精度。电子科技大学硕士学位论文第四章转台伺服系统的算法设计和仿真对一个控制系统而言，最关键的是控制律的设计，控制律设计的好坏关系到控制系统性能的优劣。控制律要求实时性强，通用性强，具有一定的智能，在满足性能指标的前提下尽可能简单。控制算法的设计伺服系统驱动的负载不同，各种负载对控制要求不同以及工程应用等因素的影响，设计伺服系统时选择控制规律可以采用各种控制算法，目的是实现伺服系统要求的技术指标。伺服系统一般是快速系统，采样周

44、期一般只有几个毫秒，有的甚至只有个毫秒，”计算机在处理控制程序是要用一定时间的，所以不可能选择很复杂的控制算法。控制算法传统控制算法同近年来发展起来的各种新型算法，如模糊控制算法，自适应控制算法等相比，算法简单，工程应用广泛。因此，首选）控制算法，）控制算法如图一所示：川图其中固为误差信号，明￥为控制器的输出信号。控制器是种线性控制器，它根据给定值，与实际输出值（）的差（，）来进行控制，控制规律为：“（）（）砉口（）前讲（）。（一）式（）中比例系数，互积分时间常数：乃微分时间常数。电子科技大学硕士学位论文简单来说，控制器各校正环节的作用如下：（）比例环节，比例控制是用常数乘以误差信号，偏差一旦

45、产生，控制器立即产生作用，以减少偏差。比例控制器实质是一个具有可调增益的放大器，在信号变换过程中，比例控制器只是改变信号的增益而不影响其相位。（）积分环节，积分控制的作用是产生一个与误差信号对时间的积分成正比的信号，主要用于消除静差，积分作用的强弱取决于积分常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。（）微分环节，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间，有助于系统动态性能的改善。数字在计算机控制系统中，使用的是数字控制器。按模拟控制算法，以一系列的采样时刻点代表连续时间，以矩形数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分采样时间序列七用七来简化表示，则将模拟离散为：个个“（七），（七）争（力争（）一（一）】）一（）式（）中丁为采样周期，为采样序号。控制算法在其应用中为了适应不同的工程对象，派生出了诸多的变形算