电机伺服控制系统（修改）.ppt

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1、2019年7月2日,电机伺服控制系统 研究与开发,作 者：赵 栋 李 强 指导教师：裴 东 王全州,2019年7月2日,一、课题背景,伺服控制系统就是用来控制被控对象的某种状态， 使其能够自动地、连续地、精确地复现输入信号变化规律的一类控制系统。 机械制造业是应用伺服控制系统最多最广的行业之一， 各种数控机床中的运动控制， 都是依靠各类伺服控制系统来进行的。特别在集高精度、高效率、高柔性于一身的多坐标数控机床方面， 伺服控制系统根据数控系统发出的指令，不仅能够准确、快速地完成各坐标轴的运动控制， 而且能够依靠多套伺服系统的配合， 完成复杂空间曲线的运动控制， 实现对工件高精度、高效率地加工。,

2、2019年7月2日,在伺服控制系统中，伺服电机是最重要的组成部分之一。因此，电机伺服控制的优劣直接关系到整个伺服控制系统的性能。当然，直流伺服电机也不例外。伺服驱动系统按其驱动元件的不同，可分为闭环、半闭环、开环三种控制系统。以直流伺服电机为驱动元件的伺服驱动系统以其精度高、响应快、调速范围宽、低速大转矩等特点在中、高档数控机床，机器人的精确运动控制，高精度云台等应用领域中得到广泛的应用。本课题针对直流伺服电机，研究了电机伺服控制系统。,2019年7月2日,对于一些传统工业，它们虽然对直流伺服电机控制模块的设计上没有什么特殊的要求，但是，随着现代电子技术的飞速发展，特别是电子产品集成化、模块化

3、的设计思想的迅速崛起，人们对电子产品的技术性能指标要求也越来越高，对直流伺服电机的控制性能要求也越来越高。因此，研制高性能的直流伺服电机控制系统成为一项伺服控制领域内普遍关注的课题。,2019年7月2日,二、课题研究内容,研究直流伺服电机控制原理，在分析直流伺服电机的工作原理基础上，着重研究直流伺服电机的PWM控制。 研究PID原理，将PID算法应用到控制器中提高系统的速度控制及位置定位精度。 在以上基础上研究设计了直流伺服电机控制系统，研究相关的硬件实现和软件实现。,2019年7月2日,三、伺服系统的结构组成 机电一体化的伺服控制系统的结构、类型繁多，但从自动控制理论的角度来分析，伺服控制系

4、统一般包括控制器、被控对象、执行环节、检测环节、比较环节等五部分。下图给出了伺服系统组成原理框图。,2019年7月2日,伺服系统组成原理框图,2019年7月2日,1、比较环节 比较环节是将输入的指令信号与系统的反馈信号进行比较，以获得输出与输入间的偏差信号的环节，通常由专门的电路或计算机来实现。 2、控制器 控制器通常是计算机或PID控制电路，其主要任务是对比较元件输出的偏差信号进行变换处理，以控制执行元件按要求动作。,2019年7月2日,3、执行环节 执行环节的作用是按控制信号的要求，将输入的各种形式的能量转化成机械能，驱动被控对象工作。机电一体化系统中的执行元件一般指各种电机或液压、气动伺

5、服机构等。 4、被控对象 5、检测环节 检测环节是指能够对输出进行测量并转换成比较环节所需要的量纲的装置，一般包括传感器和转换电路。,2019年7月2日,四、伺服系统的分类, 伺服系统的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。 1、按被控量参数特性分类。 2、按驱动元件的类型分类。 3、按控制原理分类。,2019年7月2日,五、伺服系统的技术要求 1、系统精度 伺服系统精度指的是输出量复现输入信号要求的精确程度，以误差的形式表现，可概括为动态误差、稳态误差和静态误差三个方面组成。 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

6、的输入指令后，系统达到新的稳定运行状态的能力。,2019年7月2日,3、响应特性 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，如计算机的运行速度、运动系统的阻尼和质量等。 4、工作频率 工作频率通常是指系统允许输入信号的频率范围。当工作频率信号输入时，系统能够按技术要求正常工作；而其它频率信号输入时，系统不能正常工作。,2019年7月2日,五、执行元件,执行元件是能量变换元件，其目的是控制机械执行机构运动。机电一体化伺服系统要求执行元件具有转动惯量小，输出动力大，便于控制，可靠性高和安装维护简便等特点。根据使用能量的不同，可以将执行元件分为电磁

7、式、液压式和气压式等几种类型，如图所示。,2019年7月2日,执行元件的种类,2019年7月2日,1、电磁式执行元件能将电能转化成电磁力，并用电磁力驱动执行机构运动，如交流电机、直流电机、力矩电机、步进电机等。 2、液压式执行元件先将电能变化成液体压力，并用电磁阀控制压力油的流向，从而使液压执行元件驱动执行机构运动。 3、气压式执行元件与液压式执行元件的原理相同，只是介质由液体改为气体。,2019年7月2日,六、直流伺服电动机 1、直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。 2、直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成，如图所示。,直流伺服电动机基本结构,2019年7月2日,3

8、、直流伺服电动机的特性分析,直流伺服电动机的机械特性,直流伺服电动机的调节特性,电枢等效电路,2019年7月2日,直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。 直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。 从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。,2019年7月2日,上述对直流

9、伺服电动机特性的分析是在理想条件下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性有着不容忽略的影响。 1）驱动电路对机械特性的影响,4、影响直流伺服电动机特性的因素,直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，则可画出电枢等效回路。在这个电枢等效回路中，电压平衡方程式为 Ea=Uc-Ia (Ra+Ri),含驱动电路的电枢等效回路,2019年7月2日,于是在考虑了驱动电路的影响后，直流伺服电动机的机械特性表达式变成 由于驱动电路内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了，下图给出了驱动电路内阻影响下的机械特性

10、。 ,驱动电路内阻对机械特性的影响,2019年7月2日,2）直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响 由图可知，直流伺服电动机在理想空载时（即Tm1=0），其调节特性曲线从原点开始。但实际上直流伺服电动机内部存在摩擦（如转子与轴承间的摩擦等），直流伺服电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩，因此启动时电枢电压不可能为零。,摩擦及负载变动对调节特性的影响,2019年7月2日,在负载转矩TL不变的条件下，直流伺服电动机角速度与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如粘性摩擦阻力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切削力也是随进给速度变化而变化的。这时由于负

11、载的变动将导致调节特性的非线性。,3）负载变化对调节特性的影响,2019年7月2日,七、直流伺服系统 由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。 直流伺服系统的闭环控制是针对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法，而半闭环控制是针对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位移等）进行监控和调节的控制方法。它们都对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。两者的区别仅在于传感器检测信号的位置不同，由此导致设计、制造的难易程度不同，工作性能不同，但两者的设计与分析方法基本上是一致的。,2019年7月2日,

12、闭环伺服系统结构原理图,半闭环伺服系统结构原理图,2019年7月2日,八、电机伺服控制系统,直流电机伺服控制系统，主要由直流伺服电机、单片机和电机驱动构成，其控制核心是AT90S8535 单片机。该单片机主要完成光电编码器信号的采集，电机换相信号的输出，电机转速的测量，以及数字PWM 调速信号的输出等功能。并通过软件编程实现速度的PI 调节，构成电机转速闭环控制系统。以此控制电动小车以定速做直线运动。电机驱动电路采用直流电机专用驱动芯片LMD18200T。该系统的特点就是结构简单，实现了全数字式控制，在运行中获得了良好的动静态性能。,2019年7月2日,系统结构图,半闭环伺服系统,2019年7

13、月2日,主控模块,在本系统主控模块的选择上有以下几种方案: 1、选用DSP作为主控系统: 因为DSP具有强大的计算及数据处理能力，因此现有的大多数运动控制系统均采用该种方式，但DSP成本太高，并且编程复杂，外围配载芯片多，对于我们本科生来说，实现难度太大.因此我们放弃该方案. 2、选用AVR高速单片机作为主控系统 AVR单片机是RISC结构单片机，其处理速度快，抗干扰能力强，并且内部资源丰富，价格低廉，因此我们选用AT90S8535作为该系统的中央处理器.,2019年7月2日,主控AT90S8535电路板,主控板：,2019年7月2日,直流伺服电机,本系统的直流伺服电机采用FAULHABER电

14、机。FAULHABER关于电机的概念很简单，然而却是革命性的： 斜绕组空心杯转子原理 对称绕制，振动最小化； 双层绕组热处理，转子刚度高 绕组直接连接换向系统 散热好，电流密度高。 绕组、换向器及电机轴一体化 转动惯量低； 效率高; 力能指标高。,2019年7月2日, 工作曲线 斜绕组空心杯转子使输出特性线性化。 电压和转速呈线性关系； 电流和转矩呈线性关系； 转矩与功率成函数关系； 效率与转矩成函数关系； 电流和转速与转矩成函数关系。,2019年7月2日,光电编码盘,减速箱,直流电机主机,2019年7月2日,直流电机的驱动方式主要有以下几种: 1、光电隔离器+大功率场效应管组成H桥型驱动电路

15、. 这种方法成本低，驱动能力强，但电路较为复杂，控制麻烦，可靠性差. 2、直接采用集成驱动芯片 采用这种方法电路简单，控制方便，并且可靠性高，因此我们选用NS公司的LMD18200T作为驱动芯片，18200是专用于运动控制的H桥组件，输入电压高，输出电流大，峰值电流可达6A，连续输出电流达到3A，具有非常强大的驱动能力，并且具有非常全面的过流保护和过热保护功能.,电机驱动方式:,2019年7月2日,直流伺服电机驱动模块,LMD18200工作电路原理图：,2019年7月2日,LMD18200应用电路,PCB板： 电路原理图：,2019年7月2日,人机交互模块,键盘 键盘我们采用的是2*6的矩阵式

16、键盘，键盘包括有数字键和功能键，其主要作用为电动机运动速度的输入，使用时先通过数字键输入一个固定速度，按下”确定”键后两个电动机将会以我们输入的固定速度为定速匀速前进.,液晶显示 对于显示部分，我们采用128*64点阵的液晶来实现，我们使用的OCMJ液晶块自带有丰富的汉字库。电机在运行过程中，各种参数，包括左右轮的电机转速、输入的标准速度以及电动小车的运行距离等都将实时显示在液晶上，醒目、直观。,2019年7月2日,128*64点阵的液晶显示模块,2*6的矩阵式键盘，用于输入电动机的运行速度,2019年7月2日,系统实物图片：,电机驱动模块,AT90S8535单片机主控模块,人机交互模块,动力

17、组电池,2019年7月2日,PID调节器各参数对控制效果的影响,比例环节:作用快，无滞后。只要一有偏差，立即就能给出相应的调节作用，它能及时克服扰动，使被调参数稳定在给定值附近。但是过大的比例，会使系统稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分环节:提高系统的抗干扰能力，消除系统的静态误差，提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越小，积分作用越大。积分调节一般与另外两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。 微分环节:改善系统的动态特性。它是根据偏差的变化速度来调节的，所以它具有预见性，能预见变化的趋势，产生超前的控制作用。但积分调解对噪音有放大的作用，因此过强的积分调解，

18、对系统的干扰不利。,2019年7月2日,控制算法采用的是积分分离的PI 算法，设转速被控量的最大允许偏差为，当转速偏差e 小于 时，采用PI 调节算法，而当e 大于等于时则不再进行积分运算，即把积分分离出去，这样显著降低了被控量的超调量和过渡时间，使调节器性能得到改善。PI 调节器的脉冲传递函数为: 其中: 比例常数; 积分系数; 采样周期; 离散化形式为:,控制算法介绍,2019年7月2日,常用的PID参数整定方法,PID三大参数选择的好坏，直接影响到控制效果的好坏。PID参数的整定方法很多，归纳起来可以分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法。理论计算整定法有Ziegler-Nichols

19、法、对数频率特性法、跟轨迹法等。这类整定方法要求已知过程的数学模型，并且计算繁琐，工作量大，可靠性不高，在现场使用中还需反复修正。过程整定法无需事先知道过程的数学模型，直接在控制系统中进行现场整定，方法简单，易于掌握，常用的方法有:,2019年7月2日,1)现场凑试法:先将调节器的整定参数根据经验设置在某一数值上，然后在闭环系统中加扰动，观察过渡过程的曲线形状。若不理想，则按照先比例、后积分、最后微分的顺序，反复凑试。 2)临界比例度法:目前工程上较常用。在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度，相邻两个波

20、峰的时间间隔，称为临界振荡周期。根据经验设定比例系数为引起输出振荡所需值的一半，积分系数为等幅振荡的周期，微分系数为积分系数的1/80。 3)衰减曲线法。 4)响应曲线法。,2019年7月2日,PI算法程序,unsigned int PID(unsigned int count，unsigned int out ) /count是轮子的计数值 double p=0.8; double i=0.5; double x; unsigned int y; if(setpointcount) if(setpoint-count)30) x=out+p*(setpoint-count); else x=

21、out+p*(setpoint-count)-(setpoint-lastcount)+i *(setpoint-count)- (setpoint-lastcount); else if(setpoint30) x=out-p*(setpoint-count); else x=out-p*(setpoint-count)-(setpoint-lastcount)-i *(setpoint-count)- (setpoint-lastcount); else if(setpoint=count) x=out; y=fround(x); if(y=90) y=95; return y; ,201

22、9年7月2日,系统性能测试结果,2019年7月2日,误差分析,1、物理构架造成的误差。由于本系统采用正三角形构架，后面的从动轮起到了舵轮的作用。 2、电源供电误差。因为直流伺服电机在启动瞬间的电流要求很大，电源会出现短暂供电不足的情况，造成误差。 3、算法参数误差。参数不够精准造成的误差。 4、系统误差。系统因为机械加工精度等原因造成的系统误差。,2019年7月2日,系统在无障碍路面的直线往返运动实况,系统在有障碍路面的直线往返运动实况,系统在直线往返运动实况,系统正方形运动实况,系统运动实况：,2019年7月2日,需要改进的几个方面,2019年7月2日,致 谢,在此我们对在电机伺服控制系统设计、制作过程当中给予大力支持和悉心指导的裴东老师、王全州老师表示衷心的感谢！对在制作过程中提供帮助、提出宝贵意见和建议的老师和同学表示衷心的感谢！,2019年7月2日,请各位老师同学指导！,