直流小功率位置伺服系統(tǒng)

直流小功率位置伺服系統(tǒng)第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月伺服系統(tǒng)(servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對(duì)功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。2第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月一、經(jīng)典位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第一節(jié)位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理與電動(dòng)機(jī)同袖的旋轉(zhuǎn)式電位器是用作位置傳感器的。第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月4經(jīng)過位置外環(huán)，速度中環(huán)，電流內(nèi)環(huán)三個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)器的校正，控制信號(hào)通過模擬功率接口驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)位置伺服控制。1.位置反饋調(diào)節(jié)器的作用是使位置給定與位置反饋的偏差向最小方向變化。2.速度反饋調(diào)節(jié)器除了形成電流指令外，主要作用是阻尼位置調(diào)節(jié)過程的振蕩和減小超調(diào)。3.電流調(diào)節(jié)器的作用是減小力矩波勸，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，并對(duì)最大電流進(jìn)行限制。4.濾波電路的作用是濾除位置或速率傳感器輸出信號(hào)中的雜波信號(hào)。第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月5二、微機(jī)控制數(shù)字伺服系統(tǒng)其工作原理是：根據(jù)設(shè)置的位置信號(hào)，計(jì)算機(jī)按傳感器接口給出的絕對(duì)零位脈沖和正、反位置反饋脈沖計(jì)算位置偏差；再由純軟件方法或軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)位置、速度和電流的全數(shù)字化閉環(huán)控制，產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)；最后由PWM功率開關(guān)接口對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最終的功率驅(qū)動(dòng)。第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月6一、功率接口第二節(jié)主要接口電路功率接口電路常稱為主回路，直流伺服系統(tǒng)個(gè)大部分采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)。小功率PWM功率開關(guān)接口均采用全控型功率開關(guān)器件，也即自關(guān)斷器件，例如大功率晶體管(GTR)、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。若采用模塊式功率元件，則具有更緊湊的結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊內(nèi)封裝多個(gè)功率開關(guān)元件和續(xù)流二極管，直接構(gòu)成H橋或三相橋結(jié)構(gòu)。小功率的功率集成電路內(nèi)部甚至已經(jīng)封裝了每個(gè)功率開關(guān)的基極驅(qū)動(dòng)電路。例如L298，它內(nèi)含雙H橋以及基極驅(qū)動(dòng)電路，在功能上已經(jīng)滿足一個(gè)完整的功率驅(qū)動(dòng)接口的要求。又如IR2130可以驅(qū)動(dòng)一塊六單元IGBT功率模塊，構(gòu)成完善的功率驅(qū)動(dòng)接口。第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月7功率驅(qū)動(dòng)電路的基本類型如圖所示。其中，H橋功率驅(qū)動(dòng)接口適用于有刷直流電動(dòng)機(jī)，三相橋功率接口適用于無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)。第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月8H橋輸出的PWM波的平均電壓為：故有：由于直流電動(dòng)機(jī)的電樞電感對(duì)PWM波中的高頻分量有濾波作用，電動(dòng)機(jī)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速中的高頻分量都比較小，因此計(jì)算電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速時(shí)，可以忽略PWM波中的高頻分量。H橋可以對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組施加介于正負(fù)Udc之間的雙極性電壓Uav，使電機(jī)按正、反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，這稱為可逆驅(qū)動(dòng)。第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月9二、電流接口第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月10三、位置傳感器接口1.位置的檢測(cè)：（1）直線位移的檢測(cè)：直線位移的精密檢測(cè)通常采用直線光柵尺。（2）轉(zhuǎn)角的檢測(cè)：角位的檢測(cè)通常采用兩種方法：一種是用旋轉(zhuǎn)變壓器，另一種是用光電編碼器(光電碼盤)。光電編碼器分為絕對(duì)式和增量式兩類。絕對(duì)式光電編碼器可以直接把角位轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)碼；增量式光電編碼器一般采用圓光柵，其工作原理和直線光柵尺相似，但標(biāo)尺光柵條紋是均勻地刻在隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形玻璃片上，每隔一個(gè)小夾角徑向刻一條，整個(gè)圓片上的光柵刻線數(shù)根據(jù)需要而定，最多可達(dá)達(dá)數(shù)萬條。指示光柵的線紋基本上也是徑向刻制，但稍微偏過一個(gè)小夾角。其線紋密度和標(biāo)尺光柵相同。第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月112.位置傳感器的接口在數(shù)字伺服系統(tǒng)中使用最普遍的是增量式光電編碼器。當(dāng)傳感器轉(zhuǎn)鈾勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器輸出A、B兩相脈沖以及絕對(duì)零位脈沖Z。第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月12若增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)一周的脈沖個(gè)數(shù)為N，則編碼器的分辨率為：轉(zhuǎn)軸的空間絕對(duì)位置為

若以絕對(duì)零位脈沖Z為位置檢測(cè)的計(jì)數(shù)起點(diǎn)，并在檢測(cè)到零位脈沖時(shí)讓，則為零，絕對(duì)位置變成第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月13為了反映編碼器轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)方向，應(yīng)采用A、B兩相脈沖，再由判別轉(zhuǎn)向的邏輯電路，轉(zhuǎn)換成正轉(zhuǎn)脈沖(Uppulse)和反轉(zhuǎn)脈沖(Downpulse)。第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月14第三節(jié)脈寬調(diào)制（PWM）實(shí)現(xiàn)方法位置伺服系統(tǒng)通常采用雙極性脈寬調(diào)制方法。當(dāng)正脈沖寬度為t，脈沖周期為T時(shí)，占空比為t/T。在時(shí)間t內(nèi)，H橋輸出電壓為直流電壓+Udc，在時(shí)間(T-t)內(nèi)，H橋輸出電壓為-Udc。H橋輸出的PWM波的平均電壓為Uav,可推導(dǎo)出第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月15

雙極性PWM脈寬調(diào)制信號(hào)可以用硬件加以實(shí)現(xiàn)8038是函數(shù)發(fā)生器集成電路，它可以產(chǎn)生對(duì)稱的正負(fù)極性的三角波信號(hào)u1，其周期為T，幅值為Ugm。此三角波信號(hào)加在一個(gè)電壓比較器的負(fù)端。在比較器的正端則加上給定信號(hào)電壓Ug。第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月16PWM信號(hào)也可以利用微機(jī)的軟件加以實(shí)現(xiàn)以8031單片機(jī)程序延時(shí)方法為例。準(zhǔn)備在P3.3和P3.4輸出互補(bǔ)的PWM信號(hào)，分別送H橋驅(qū)動(dòng)口PWM及PWM(非），又設(shè)單片機(jī)的時(shí)鐘為12M，調(diào)制頻率選為2kHz。假定給定值N為8位，采用偏移碼，取值范圍為0l—FFH。N等于80H時(shí)，相當(dāng)于脈沖占空比為0.5，電壓平均值為0；N等于FFH時(shí)，脈沖占空比為最大，電壓平均值最高；N等于01H時(shí)，脈沖占空比為最小，電壓平均值為負(fù)值，其絕對(duì)值達(dá)到最大。第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月17假定給定值寄存器設(shè)在片內(nèi)RAM中的50H單元。CLRP3.3;初始狀態(tài)關(guān)斷T1,T4

CLRP3.4;初始狀態(tài)關(guān)斷T2,T3MOVR2,50H;讀給定值PWM:CLRP3.4;再次確定關(guān)斷T2,T3ACALLDELAY0;導(dǎo)通延時(shí)SETBP3.3;導(dǎo)通T1,T4，加正電平CW1:ACALLDELAY;延時(shí)一個(gè)時(shí)間單位DDJNZR2,CW1;共延時(shí)N個(gè)時(shí)間單位CLRP3.3;關(guān)斷T1,T4ACALLDELAY0;導(dǎo)通延時(shí)SETBP3.4;導(dǎo)通T2,T3，加低電平MOVA,50H;CPLA;求N的補(bǔ)碼，送R2INCAXCHA,R2LOOP:ACALLDELAYDJNZR2,LOOP;延時(shí)“N補(bǔ)”個(gè)時(shí)間單位CLRP3.4;關(guān)斷T2,T3RET第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月18第四節(jié)位置伺服控制設(shè)計(jì)示例這是一個(gè)由單片機(jī)80C552控制的位置伺服系統(tǒng)第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月19控制程序設(shè)計(jì)位置伺服系統(tǒng)的主程序包括：初始化模塊、鍵盤掃描模塊、LED顯示模塊、速度曲線生成SCP模塊PID控制模塊。第19頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月20速度與位置曲線可以按鍵盤上輸入的目標(biāo)位置，根據(jù)電動(dòng)機(jī)可能達(dá)到的加速度及最大速度，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出一條合適的升降速曲線。包括：升速——恒速——降速。當(dāng)降速段結(jié)束時(shí)，恰好到達(dá)目標(biāo)位置。以升降速曲線求出的位置值作為位置指令，進(jìn)行PID閉環(huán)控制。第20頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月21SCP程序設(shè)計(jì)第21頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月22位置伺服系統(tǒng)專用芯