直流电机位置随动系统设计

中北大学信息商务学院课程设计说明书

学生姓名：学号：

学院：中北大学信息商务学院

专业：自动化

题目：直流电机位置随动系统设计

（第六组）

职称: 副教授

2013 年 12 月 9 日

中北大学信息商务学院课程设计任务书

2013-2014 学年第一学期

学院：中北大学信息商务学院

专业：自动化

学生姓名：学号：

课程设计题目：直流电机位置随动系统设计

（第六组）

起迄日期：12月9 日～12月20日课程设计地点：德怀楼七层实验室

指导教师：

下达任务书日期: 2013年 12月 9日

课程设计任务书

课程设计任务书

位置随动系统的概述

一．位置随动系统的概念

位置随动控制系统又名伺服控制系统。其参考输入是变化规律未知的任意时间函数。随动控制系统的任务是使被控量按同样规律变化并与输入信号的误差保持在规定范围内。这种系统在军事上应用最为普遍.如导弹发射架控制系统，雷达天线控制系统等。其特点是输入为未知。伺服驱动系统（Servo System ）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环。

二．位置随动系统的基本组成

1.电位器式位置随动系统的组成

下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图1-1所示。这是一个电位器式的小功率位置随动系统，有以下五个部分组成：

图1-1 电位器式位置随动系统原理图

（1）位置传感器 由电位器1RP 和2RP 组成位置传感器。1RP 是给定位置传

感器,其转轴与操纵轮连接，发出转角给定信号*m θ；2RP 是反馈位置传感器，其

转轴通过传动机构与负载的转轴相连，得到转角反馈信号m θ。两个电位器由同一个直流电源s U 供电，使电位器输出电压*U 和U ，直接将位置信号转换成电压

量。误差电压U U U -=∆*反映了给定与反馈的转角误差m m

θθθ-=∆*，通过放大器等环节拖动负载，最终消灭误差。

（2）电压比较放大器（A ） 两个电位器输出的电压信号*U 和U 在放大器A 中进行比较与放大，发出控制信号c U 。由于U ∆是可正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。输出的控制电压c U 也是可逆的。

(3)电力电子变换器（UPE ） 它主要起功率放大的作用（同时也放大了电压），而且必须是可逆的。在小功率直流随动系统中多用P-MOSFET 或IGBT 桥式PWM 变换器。对于大功率位置随动系统，会用到可逆的脉宽调制式PWM 变换器。

(4)伺服电机（SM ） 在小功率直流随动系统中多用永磁式直流伺服电机，在不同情况下也可采用其它直流或交流伺服电机。大功率随动系统中也可采用永磁式直流伺服电机，由伺服电机和电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机构。

(5)减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电机与负载之间必须设有传动比为i 的减速器。在现代机器人、汽车电子机械等大功率设备中，为了减少机械装置，倾向于采用低速电机直接传动，可以取消减速器。

以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在不同情况下，由于具体条件和性能要求的不同，所采用的具体元件、装置和控制方案可能有较大的差异。

2.位置随动系统的分类

随着科学技术的发展出现了各类随动系统由于位置随动系统的特征体现在位置上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个信号综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，一类是数字式随动系统。数字式随动系统又可分为数字相位随动系统和数字脉冲随动系统。由于本次设计研究的是模拟随动系统，数字随动系统就不做介绍。对于模拟随动系统可按闭环系统分为三类。

多环位置随动系统

这里只详细介绍经典的位置、转速、电流三环控制系统转速，这类系统适用广泛。多环系统还包括只有位置环、电流环，没有转速环；或是只有位置环、转速环，没有电流环，其实同三环系统大同小异，分析和设计方法相同。

位置、转速、电流三环系统在电流环、转速环双闭环调速系统的基础上，外边再加一个位置控制环，便形成一个三环控制系统，如图1-2所示。三环的调节器分别称为位置调节器（APR ）、转速调节器（ASR ）、电流调节器（ACR ）。其中位置环属外环，是最主要的环，转速环即是位置环的内环，又是电流环的外环，电流环是系统内环。在设计调节器时，转速调节器和电流调节器可按原双闭环系统的设计和整定方法来解决。其中位置调节器APR 就是位置环校正装置，它的类型和参数决定了位置随动系统的系统误差和动态跟随性能，其输出限幅值决定了电机的最高转速。位置、转速、电流三个闭环都画成单位反馈，反馈系数都已计入各调节器的比例系数中去。

和双闭环控制系统一样，多环控制系统调节器的设计方法也是从内环到外环，逐个设计各环节的调节器。按此规律，对于如图1-2所示的三环位置随动系统，应首先设计电流调节器ACR ，然后将电流环简化成转速环中的一个环节，和其它环节一起构成转速调节器ASR 的控制对象，再设计ASR 。最后，再把整个转速环简化为位置环中的一个环节，从而设计位置调节器APR 。逐环设计可以使每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性。当电流环和转速环内的对象参数变化或扰动时，电流反馈和转速反馈都能够起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很小。同时每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。但这样的逐环设计的多环控制系统也有明显的不足，即对外环的控制作用的响应不会很快。这是因为设计每个环节时，都要将内环等效成其中的一个环节，而这种等效环节传递函数之所以能够成立，是以外环的截止频率远远低于内环为前提的。在一般模拟控制的随动系统中，电流环的截

位置、转速、电流三环位置随动系统的原理图

BQ-光电位置传感器 DSP-数字转速信号形成环节

止频率约Hz ci 150~100=ω，转速环的截止频率cn ω约在20~30Hz 之间，最高不