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1、直流小功率位置伺服系统第1页，共23页，编辑于2022年，星期一伺服系统(servomechanism)是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。2第2页，共23页，编辑于2022年，星期一一、经典位置伺服系统的结构一、经典位置伺服系统的结构第一节第一节 位置伺服系统的结构和原理位置伺服系统的结构和原理 与电动机同袖的旋转式电位器是用作位置传感器的。与电动机同袖的旋转式电位器是用作位置传感器的。第3页，共23页，编辑于2022年
2、，星期一4 经过位置外环，速度中环，电流内环三个闭环调节器的校正，经过位置外环，速度中环，电流内环三个闭环调节器的校正，控制信号通过模拟功率接口驱动伺服电动机，实现位置伺服控制。控制信号通过模拟功率接口驱动伺服电动机，实现位置伺服控制。1.1.位置反馈调节器的作用是使位置给定与位置反馈的偏差向最小方位置反馈调节器的作用是使位置给定与位置反馈的偏差向最小方向变化。向变化。2.2.速度反馈调节器除了形成电流指令外，主要作用是阻尼位置调节过程的速度反馈调节器除了形成电流指令外，主要作用是阻尼位置调节过程的振荡和减小超调。振荡和减小超调。3.3.电流调节器的作用是减小力矩波劝，改善动态响应的快速性，并
3、对电流调节器的作用是减小力矩波劝，改善动态响应的快速性，并对最大电流进行限制。最大电流进行限制。4.4.滤波电路的作用是滤除位置或速率传感器输出信号中的杂波信号。滤波电路的作用是滤除位置或速率传感器输出信号中的杂波信号。第4页，共23页，编辑于2022年，星期一5二、微机控制数字伺服系统二、微机控制数字伺服系统 其工作原理是：根据设置的位置信号，计算机按传感器接口给出的其工作原理是：根据设置的位置信号，计算机按传感器接口给出的绝对零位脉冲和正、反位置反馈脉冲计算位置偏差；再由纯软件方法或绝对零位脉冲和正、反位置反馈脉冲计算位置偏差；再由纯软件方法或软硬件结合的方法实现位置、速度和电流的全数字化
4、闭环控制，产生软硬件结合的方法实现位置、速度和电流的全数字化闭环控制，产生PWM脉宽调制信号；最后由脉宽调制信号；最后由PWM功率开关接口对电动机进行最终的功率开关接口对电动机进行最终的功率驱动。功率驱动。第5页，共23页，编辑于2022年，星期一6一、功率接口一、功率接口第二节第二节 主要接口电路主要接口电路 功率接口电路常称为主回路，直流伺服系统个大部分采用功率接口电路常称为主回路，直流伺服系统个大部分采用脉冲宽度脉冲宽度调制（调制（PWM）技术）技术。小功率。小功率PWM功率开关接口均采用功率开关接口均采用全控型功率开全控型功率开关器件关器件，也即自关断器件，例如大功率晶体管，也即自关断
5、器件，例如大功率晶体管(GTR)、场效应管、场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。等。若采用模块式功率元件，则具有更紧凑的结构，每个模块内若采用模块式功率元件，则具有更紧凑的结构，每个模块内封装多个功率开关元件和续流二极管，直接构成封装多个功率开关元件和续流二极管，直接构成H桥或三相桥结桥或三相桥结构。小功率的功率集成电路内部甚至已经封装了每个功率开关构。小功率的功率集成电路内部甚至已经封装了每个功率开关的基极驱动电路。例如的基极驱动电路。例如L298，它内含双，它内含双H桥以及基极驱动电路，在桥以及基极驱动电路，在功能上已经满足一个完整的功率驱动接口
6、的要求。又如功能上已经满足一个完整的功率驱动接口的要求。又如IR2130可以可以驱动一块六单元驱动一块六单元IGBT功率模块，构成完善的功率驱动接口。功率模块，构成完善的功率驱动接口。第6页，共23页，编辑于2022年，星期一7 功率驱动电路的基本类型如图所示。其中，功率驱动电路的基本类型如图所示。其中，H桥功率驱动接口适桥功率驱动接口适用于有刷直流电动机，三相桥功率接口适用于无刷直流伺服电动机。用于有刷直流电动机，三相桥功率接口适用于无刷直流伺服电动机。第7页，共23页，编辑于2022年，星期一8H桥输出的桥输出的PWM波的平均电压为：波的平均电压为：故有：故有：由于直流电动机的电枢电感对由
7、于直流电动机的电枢电感对PWM波中的高频分量有滤波作波中的高频分量有滤波作用，电动机的电流、转矩和转速中的高频分量都比较小，因此计算用，电动机的电流、转矩和转速中的高频分量都比较小，因此计算电流、转矩和转速时，可以忽略电流、转矩和转速时，可以忽略PWM波中的高频分量。波中的高频分量。H桥可以对电动机绕组施加介于正负桥可以对电动机绕组施加介于正负Udc之间的双极性电压之间的双极性电压Uav，使电机按正、反两个方向旋转，这称为可逆驱动。，使电机按正、反两个方向旋转，这称为可逆驱动。第8页，共23页，编辑于2022年，星期一9二、电流接口二、电流接口第9页，共23页，编辑于2022年，星期一10三、
8、位置传感器接口三、位置传感器接口1.1.位置的检测：位置的检测：（1 1）直线位移的检测：直线位移的精密检测通常采用直线光栅）直线位移的检测：直线位移的精密检测通常采用直线光栅尺。尺。（2 2）转角的检测：角位的检测通常采用两种方法：一种是用旋）转角的检测：角位的检测通常采用两种方法：一种是用旋转变压器，另一种是用光电编码器转变压器，另一种是用光电编码器(光电码盘光电码盘)。光电编码器分为绝对式和增量式两类。绝对式光电编码器可光电编码器分为绝对式和增量式两类。绝对式光电编码器可以直接把角位转换成二进制数码；增量式光电编码器一般采用圆以直接把角位转换成二进制数码；增量式光电编码器一般采用圆光栅，
9、其工作原理和直线光栅尺相似，但标尺光栅光栅，其工作原理和直线光栅尺相似，但标尺光栅条纹是均匀地刻在随转轴转动的圆形玻璃片上，每隔一个小夹条纹是均匀地刻在随转轴转动的圆形玻璃片上，每隔一个小夹角径向刻一条，整个圆片上的光栅刻线数根据需要而定，最多角径向刻一条，整个圆片上的光栅刻线数根据需要而定，最多可达达数万条。指示光栅的线纹基本上也是径向刻制，但稍微可达达数万条。指示光栅的线纹基本上也是径向刻制，但稍微偏过一个小夹角。其线纹密度和标尺光栅相同。偏过一个小夹角。其线纹密度和标尺光栅相同。第10页，共23页，编辑于2022年，星期一112.2.位置传感器的接口位置传感器的接口 在数字伺服系统中使用
10、最普遍的是增量式光电编码器。当传感器在数字伺服系统中使用最普遍的是增量式光电编码器。当传感器转铀匀速转动时，编码器输出转铀匀速转动时，编码器输出A A、B B两相脉冲以及绝对零位脉冲两相脉冲以及绝对零位脉冲Z Z。第11页，共23页，编辑于2022年，星期一12 若增量式光电编码器每转一周的脉冲个数为若增量式光电编码器每转一周的脉冲个数为N，则编码器的分辨率，则编码器的分辨率为为：转轴的空间绝对位置为转轴的空间绝对位置为 若以绝对零位脉冲若以绝对零位脉冲Z为位置检测的计数起点，并在检测到零位为位置检测的计数起点，并在检测到零位脉冲时让脉冲时让 ，则，则 为零，绝对位置变成为零，绝对位置变成第1
11、2页，共23页，编辑于2022年，星期一13 为了反映编码器转轴的旋转方向，应采用为了反映编码器转轴的旋转方向，应采用A A、B B两相脉冲，再由判两相脉冲，再由判别转向的逻辑电路，转换成正转脉冲别转向的逻辑电路，转换成正转脉冲(Up pulse)(Up pulse)和反转脉冲和反转脉冲(Down(Down pulse)pulse)。第13页，共23页，编辑于2022年，星期一14第三节第三节 脉宽调制（脉宽调制（PWMPWM）实现方法）实现方法 位置伺服系统通常采用双极性脉宽调制方法。当正脉冲宽度为位置伺服系统通常采用双极性脉宽调制方法。当正脉冲宽度为t t，脉冲周期为，脉冲周期为T T时，
12、占空比为时，占空比为t/Tt/T。在时间。在时间t t内，内，H H桥输出电压为直桥输出电压为直流电压流电压+Udc+Udc，在时间，在时间(T-t)(T-t)内，内，H H桥输出电压为桥输出电压为-Udc-Udc。H H桥输出的桥输出的PWMPWM波的平均电压为波的平均电压为Uav,Uav,可推导出可推导出第14页，共23页，编辑于2022年，星期一15 双极性双极性PWMPWM脉宽脉宽调制信号可以用硬件加以实现调制信号可以用硬件加以实现 8038 8038是函数发生器集成电路，它可以产生对称的正负极性的三角波是函数发生器集成电路，它可以产生对称的正负极性的三角波信号信号u1u1，其周期为，
13、其周期为T T，幅值为，幅值为UgmUgm。此三角波信号加在一个电压比较。此三角波信号加在一个电压比较器的负端。在比较器的正端则加上给定信号电压器的负端。在比较器的正端则加上给定信号电压UgUg。第15页，共23页，编辑于2022年，星期一16 PWM信号也可以利用微机的软件加以实现信号也可以利用微机的软件加以实现 以以80318031单片机程序延时方法为例。准备在单片机程序延时方法为例。准备在P3.3P3.3和和P3.4P3.4输输出互补的出互补的PWMPWM信号，分别送信号，分别送H H桥驱动口桥驱动口PWMPWM及及PWM(PWM(非），又非），又设单片机的设单片机的时钟为时钟为12M1
14、2M，调制频率选为，调制频率选为2kHz2kHz。假定给定值假定给定值N N为为8 8位，采用偏移码，取值范围为位，采用偏移码，取值范围为0l0lFFHFFH。N N等于等于80H80H时，相当于脉冲占空比为时，相当于脉冲占空比为0.50.5，电压平均，电压平均值为值为0 0；N N等于等于FFHFFH时，脉冲占空比为最大，电压平均值时，脉冲占空比为最大，电压平均值最高；最高；N N等于等于01H01H时，脉冲占空比为最小，电压平均值为负时，脉冲占空比为最小，电压平均值为负值，其绝对值达到最大。值，其绝对值达到最大。第16页，共23页，编辑于2022年，星期一17假定给定值寄存器设在片内假定给
15、定值寄存器设在片内RAMRAM中的中的50H50H单元。单元。CLR P3.3 ;CLR P3.3 ;初始状态关断初始状态关断T1,T4T1,T4 CLR P3.4 ;CLR P3.4 ;初始状态关断初始状态关断T2,T3T2,T3 MOV R2,50H;MOV R2,50H;读给定值读给定值PWM:CLR P3.4 ;PWM:CLR P3.4 ;再次确定关断再次确定关断T2,T3T2,T3 ACALL DELAY0;ACALL DELAY0;导通延时导通延时 SETB P3.3 ;SETB P3.3 ;导通导通T1,T4T1,T4，加正电平，加正电平CW1:ACALL DELAY;CW1:A
16、CALL DELAY;延时一个时间单位延时一个时间单位D D DJNZ R2,CW1;DJNZ R2,CW1;共延时共延时N N个时间单位个时间单位 CLR P3.3 ;CLR P3.3 ;关断关断T1,T4T1,T4 ACALL DELAY0;ACALL DELAY0;导通延时导通延时 SETB P3.4 ;SETB P3.4 ;导通导通T2,T3T2,T3，加低电平，加低电平 MOV A,50H ;MOV A,50H ;CPL A ;CPL A ;求求N N的补码，送的补码，送R2R2 INC A INC A XCH A,R2 XCH A,R2LOOP:ACALL DELAYLOOP:AC
17、ALL DELAY DJNZ R2,LOOP ;DJNZ R2,LOOP ;延时延时“N N补补”个时间单位个时间单位 CLR P3.4 ;CLR P3.4 ;关断关断T2,T3T2,T3 RET RET第17页，共23页，编辑于2022年，星期一18第四节第四节 位置伺服控制设计示例位置伺服控制设计示例这是一个由单片机这是一个由单片机80C55280C552控制的位置伺服系统控制的位置伺服系统第18页，共23页，编辑于2022年，星期一19控制程序设计控制程序设计位置伺服系统的主程位置伺服系统的主程序包括：序包括：初始化模块、初始化模块、键盘扫描模块、键盘扫描模块、LEDLED显示模块、显示
18、模块、速度曲线生成速度曲线生成SCPSCP模块模块PIDPID控制模块。控制模块。第19页，共23页，编辑于2022年，星期一20速度与位置曲线速度与位置曲线 可以按键盘上输入的目标位置，根据电动机可能达到的加速度及最大可以按键盘上输入的目标位置，根据电动机可能达到的加速度及最大速度，由计算机设计出一条合适的升降速曲线。包括：升速速度，由计算机设计出一条合适的升降速曲线。包括：升速恒速恒速降速。当降速段结束时，恰好到达目标位置。以升降速曲线求出的位置降速。当降速段结束时，恰好到达目标位置。以升降速曲线求出的位置值作为位置指令，进行值作为位置指令，进行PIDPID闭环控制。闭环控制。第20页，共
19、23页，编辑于2022年，星期一21SCPSCP程序设计程序设计第21页，共23页，编辑于2022年，星期一22位置伺服系统专用芯片位置伺服系统专用芯片LM629LM629的应用的应用全数字化的位置伺服系统全数字化的位置伺服系统第22页，共23页，编辑于2022年，星期一23 美国美国KOLLMORGENKOLLMORGEN公司型号为公司型号为KXA-48-8-16/M/AUXKXA-48-8-16/M/AUX的的PWMPWM伺服放大器。伺服放大器。KXAKXA的主要部分为的主要部分为PWMPWM调制和功率放大器模块，它内部还包含有主回路电流调制和功率放大器模块，它内部还包含有主回路电流检测传感器，己经具有一个电流控制回路。检测传感器，己经具有一个电流控制回路。第23页，共23页，编辑于2022年，星期一