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机械小功率直流伺服系统控制电路带CAD图纸,机械,功率,直流,伺服系统,控制电路,cad,图纸
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南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)前期工作材料学生姓名:武晓华学 号：05010237系部:机械工程系专 业:机械工程及自动化设计(论文)题目:小功率直流伺服系统控制电路指导教师:王荣林助教 (姓 名) (专业技术职务)材 料 目 录序号名 称数量备 注1毕业设计(论文)选题、审题表12毕业设计(论文)任务书13毕业设计(论文)开题报告含文献综述14毕业设计(论文)外文资料翻译含原文15毕业设计（论文）中期检查表12009年5月 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 4 页请留出一个汉字的空间，下同1 引言（或绪论）（可作为正文第1章标题，用小3号黑体，加粗，并留出上下间距为：段前0.5行，段后0.5行）（小4号宋体，1.5倍行距）1.1 （作为正文2级标题，用4号黑体，加粗）（小4号宋体）1.1.1 （作为正文3级标题，用小4号黑体，不加粗）（小4号宋体）2 （作为正文第2章标题，用小3号黑体，加粗，并留出上下间距为：段前0.5行，段后0.5行）（小4号宋体）注：1正文中表格与插图的字体一律用5号宋体；2正文各页的格式请以此页为标准复制，页眉中的页码用阿拉伯数字表示（本文档的页码已设置成自动格式）；3为保证打印效果，学生在打印前，请将全文字体的颜色统一设置成黑色。（空2行） 结束语（小3号黑体，居中）（小4号宋体，1.5倍行距）（空2行） 致 谢（小3号黑体，居中）（小4号宋体，1.5倍行距）（空2行） 参 考 文 献（小3号黑体，居中）1 （小4号宋体，行距18磅）2 3 例如：1 刘谋佶, 吕志咏, 丘成昊, 等. 边条翼与旋涡分离流M. 北京: 北京航空学院出版社, 1988. 2427. 2 傅惠民. 二项分布参数整体推断方法J. 航空学报，2000，21（2）： 155158. 3 朱刚. 新型流体有限元法及叶轮机械正反混合问题D. 北京：清华大学，1996. 4 辛希孟. 信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A集C. 北京：中国社会科学出版社，1994. 5 陈永康，李素循，李玉林. 高超声速流绕双椭球的实验研究A. 见：北京空气动力研究所编. 第九届高超声速气动力会议论文集C. 北京：北京空气动力研究所，1997：914. 6 孔祥福. FD-09风洞带地面板条件下的流场校测报告R. 北京空气动力研究所技术报告 BG7-270，北京：北京空气动力研究所，1989.7 黎志华，黎志军. 反馈声抵消器P. 中国专利：ZL85100748，19860924. 8 王明亮.关于中国学术期刊标准化系统工程的进展EB/OL.(1998-08-16)1998-10-04.http:/pub/wml.txt/980810-2.html.本科毕业设计（小论文） 第 I页 共 I页 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(小论文)作 者:武晓华学 号：05010237系部:机械工程系专 业:机械工程及自动化题 目:直流伺服系统指导者 王荣林 助教 本科毕业设计（小论文） 第 6页 共6页摘要 随着伺服技术的发展，伺服系统的应用越来越广泛于各行各业。从军用行业，到民用行业，再到航空航天。直流电动机由于具有良好的调速特性、较宽广的调速范围，长期以来在要求调速的地方，特别是对调速性能指标要求较高的场合。所以研究小功率直流伺服系统具有一定应用意义。关键词 伺服系统 小功率电机控制 1 伺服系统的发展简况伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于本世纪初。1934年第一次提出了伺服机构这个词，随着自动控制理论的发展，到本世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服系统更是如虎添翼突飞猛进。它的应用几乎遍及社会的各个领域，下面简单地列举几例。伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。它们可以完成的运动控制精度高，速度快，远非一般人工操作所能达到1。在冶金工业中，电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，水平连铸机的拉坯运动控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都是依靠伺服系统来实现的，这些更是无法用人工操作来代替。在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等，都由各种伺服系统为之效力，从而减缓操作人员的疲劳，同时也大大提高了工作效率。在军事上，伺服系统用得更为普遍，如雷达天线的自动瞄准跟踪控制，高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制，坦克炮塔的防摇稳定控制，防空导弹的制导控制，鱼雷的自动控制等。在计算机外围设备中，也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。如今，我国已成为世界上少有的几个能产生激光电视放像系统的国家，用激光将信息录制在光盘上2。许多信息在电视机上构成一幅画面，放像过程是用很细的激光束沿信息道读取信息，各种信息道之间的间隔已达微米级，因此控制激光束的位置伺服系统也具有响应的控制精度，以保证获取清晰稳定的画面。这种具有高精度伺服系统的激光电视放像机，已开始进入我国人民的家庭生活。2 伺服系统的作用、组成及分类在自动控制系统中，把输入量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统，交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等3。(1) 开环系统开环系统主要是由驱动电路、执行元件和负载三大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用电液脉冲马达作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。(2) 闭环系统闭环系统主要是由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和负载五部分组成。在闭环系统中，检测元件将负载移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。由于比较环节输出的信号非常微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随信号误差，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的4。(3) 开环、闭环系统的优缺点和区别开环系统是没有输出反馈的一类控制系统，这种系统的输入直接供给控制器，并通过控制器堆受控对象产生控制作用。开环系统的主要优点是结构简单、价格便宜、容易维修，缺点是精度低，容易受环境变化的干扰(例如电源波动、温度变化等)影响。在工业与国防等要求较高的应用领域，绝大多数控制系统的基本结构方案都是采用反馈原理，其输出的全部或部分被反馈到输入端。输入与反馈信号比较后的差值(即偏差信号)加给控制器，然后再调节受控对象的输出，从而形成闭环控制电路。所以，闭环控制系统又称为反馈控制系统，这种反馈成为负反馈。闭环控制系统比开环控制系统，具有一系列的优点，包括精度高、动态性能好、抗干扰能力强等，缺点是结构比较复杂、价格比较贵、维修人员要求文化素质高5。3 小功率电机控制直流电动机由于具有良好的调速特性、较宽广的调速范围，长期以来在要求调速的地方，特别是对调速性能指标要求较高的场合，例如轧钢机、龙门刨和高精度机床等中得到了广泛的应用6。以前直流电机调速系统采用直流发电机组供电，不仅重量大，效率低，占地多，而且控制的快速性比较差，维护也比较麻烦。近年来随着电力电子技术的迅速发展，已普遍采用了由晶闸管整流器供电的直流电机调速系统，用来取代以前广泛采用的交流电动机直流发电机组供电的系统。特别是广泛采用了由集成电路运算放大器构成的电子调节器后，晶闸管整流器供电的直流电机调速系统在性能上远远地超过了直流发电机组供电的系统。近年来在微处理机研制方面的重大进展，更为实现直流电机调速系统的数字化和高精度创造了条件7。另外，各种小功率电动机的应用范围是由它本身所具有的特性决定的。在各类小功率电动机中，感应电动机应用最广泛，这是因为它结构简单、牢固，价格低廉，很少需要维护，使用寿命长，噪声和震动小，并有各种转速和容量等级可供选用。它的缺点是调速不大方便。小功率同步电动机不需要滑环，结构也比较简单，它具有恒定的转速，主要用于需要转速恒定的场合，如钟表、定时器等。其中磁阻和磁滞两种型式的力能指标较低。除了低速的仪用永磁同步电动机和磁滞电动机能自行起动外，磁阻式和一般的永磁式同步电动机都需要在转子上安装起动笼8。4 电子电路的特点电子技术的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路4个时代，新的电子器件出现使电子电路发生了很大的变化，但就电路理论来说，发展却相对较慢，基本的电路理论和分析方法已经比较成熟9。电子技术中所涉及的电路虽然很多，但将其按功能分类，一般可以分为信号产生电路、信号放大电路、信号变换电路、信号存储电路、信号运算与处理电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路和电源电路等10。随着电子技术的发展，器件和电路的性能会越来越好，同样的电路或系统，可以采用不同的器件和功能电路来实现，这样就要求设计者进行综合考虑，从而提高性能，降低成本11。5 对控制系统的基本要求自动控制系统用于不同的目的，要求也往往不一样。但自动控制技术是研究各类控制系统共同规律的一门技术，对控制系统有一个共同的需求，一般可归结为稳定、准确、快速12。(1) 稳定性 由于系统往往存在着惯性，当系统的各个参数设置不当时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力13。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的要求是系统工作的首要条件。(2) 快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。(3) 准确性 是指在调整过程结束后输出量与给定的输入量之间的偏差，或称为静态精度，这也是衡量系统工作性能的重要指标。例如数控机床精度越高，则加工精度也越高。由于受控对象的具体情况不同，各种系统对稳、准、快的要求各有侧重，例如，随动系统对快速性要求较高，而调速系统对稳定性提出较严格的要求。同一系统稳、准、快有时是相互制约的。快速性好，可能会有强烈振荡；改善稳定性，控制过程又可能过于迟缓，精度也可能变差。这就要求我们必须分析和解决这些矛盾。6 总结 上述的各种控制策略基本上都是根据经典控制理论和现代控制理论提出来的，它们都依赖于电机的模型，当模型受到参数变化和扰动作用的影响时，系统的性能将受到很大的影响14。现代交流伺服系统对控制的要求是响应快、精度高、转矩脉动小。实现交流电动机瞬时转矩的高性能控制是满足这些要求的关键因素15。因此，现代高精度交流伺服系统要取得良好的控制性能，各种控制策略必须互相渗透，形成各种互补的复合控制策略。这样可以控制各种单一控制策略本身的缺点，更好地满足伺服系统的控制需要。参 考 文 献1 郑静.小功率伺服无刷直流电机驱动器设计J.电子测量技术,2006,(3).2 何希才.常用电子电路(应用365例)M.北京：电子工业出版社，2006-93 邵瑜.一种无刷直流电动机驱动及保护电路设计J. 微电机,2008,(8). 4 肖英奎.伺服系统实用技术M.北京：化学工业出版社，2004-25 章燕申.控制系统的设计与实践M.北京：清华大学出版社，1992-36 李清新.伺服系统与机床电气控制M.北京：机械工业出版社，1994-77 陈永校.小功率电动机M.北京：机械工业出版社，1992-98 许大中.电机控制M.杭州：浙江大学出版社，1995-29 寇戈.模拟电路与数字电路M.北京：电子工业出版社，2005-210 杨兴瑶.新编实用电子电路500例M.北京：化学工业出版社，2007-411 黄锦安.电工技术基础M.北京：电子工业出版社，2004-912 董景新.控制工程基础M.第二版，北京：清华大学出版社，2003-813 邓为民.自动控制原理试验教程M.北京：航天工业出版社，1991-814 王远.模拟电子技术M.北京：清华大学出版社，1997-1015 王耀德.交直流电力拖动控制系统M.北京：机械工业出版社，1994-5 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)外文资料翻译系部： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 武晓华 学 号： 05010237 (用外文写)外文出处： Clemson University 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 指导教师评语： 该同学，结合毕业设计课题查找相关资料，完成翻译。译文语句通顺，专业词汇准确，编排符合规范和毕业设计相关要求。翻译质量优。 签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件1：外文资料翻译译文对压电执行器的有效跟踪控制M. Salah, M. McIntyre, D. Dawson, J.Wagner克莱姆森，克莱姆森大学电气与机械工程学院编号：29634E-mail: 摘要：本文阐述的是，为了使压电驱动器更好的工作，而对一种以迟滞模型为基础的非线性鲁棒控制方法进行了改进。该改进利用李雅普诺夫为基础的稳定性分析，以确保理想的位移轨迹是准确地跟踪。模拟结果被提出并加以讨论以证明有效控制策略的可行性。1 引言以压电陶瓷（PZTA）为基础的系统正在越来越明确的成为一种非常重要的精确定位的技术，无论是在科学和工业上，都得到了广泛的关注。这些器件能完成高精度驱动任务。由于其高刚度，响应速度快，分辨率极大等特点，他们往往利用在机构的驱动系统中19，并可以用来作为传感器或执行器等系统。PZTA的优点14包括： 1）无磨损，2）高效率，3）几乎是无限小的定位能力，4）超快速扩张，还有5）有能力提供大驱动力量。这些微定位元素在许多重要的应用发挥了巨大作用，如扫描隧道显微镜31，扫描探针显微镜9, 23，激光应用29，及液压伺服控制系统5等等。尽管PZTA在微型定位系统中有不可取代的优点，但是，由于它们由铁电体和陶瓷材料组成，驱动器的定位反应会表现出一种强大的歇斯底里的活动。具体地说，一个应用电压是典型的启动PZTA的输入控制信号，但是万一该输入控制电压是比较大的情况下，PZTA会出现大量的失真，这是由于装置中固有的滞后现象。这种效应可能会在反馈控制等方面降低系统的稳定性26。由于这一非线性行为，我们可以想象在使用PZTA进行精确跟踪控制时的困难。因此，在非线性控制策略中，都需要使用PZTA的微型定位与跟踪系统。过去PZTA研究集中于建立精确的动态驱动模型3，18，30，而其他的研究都集中在发展主动控制策略，用于精密定位和跟踪应用系统13，14，19，25，27。在第12篇参考文献中，作者们对于建立PZTA的动力学模型问题提供了一个简明的文献综述。由于PZTA低能的非线性性质，最近的著作侧重于开发新模型来替代它，以避免其内部的迟滞现象。在第30篇文献中，作者将非线性弹簧单元引入迟滞模型，并利用了麦克斯韦滑动构造，而16的作者将其用于支持向量回归的非线性模型和神经网络。17和22的作者发现，如果控制输入是电荷，而不是外加电压，用电压来实现对PZTA的线性补偿是可以实现的。 Furutani等人的10通过将电荷反馈与逆传递函数补偿相结合，能改进PZTA的控制策略。 Vautier和Moheimani的26表明，采用一种电荷控制，PZTA的非线性效果的影响能被有效地降低，另外他们还提供了实验数据，证明使用电荷控制的效率。此外，Main等的21同时呈献了电压和电荷控制的实验数据，这些数据表明，在相同条件下，电荷控制相比电压控制有更好的线性和更低的迟滞性。在第20篇文献中，作者提出了一种新的数学模型来描述复杂的滞后性，它基于一个新的参数，即PZTA的转折电压。在论文中，作者们能够利用这个参数，以遏制固有的滞后性，以符合PZTA的1%充分跨度范围。Shieh等人的24制定了一个建立在鲁格里模型的功能基础上的参数化滞迟摩擦函数，以描述PZTA的迟滞特性。因此，这些研究人员能够设计出一种拥有参数自适应算法的合适的位移跟踪控制。在3中，Bashash和Jalili提出了扰动估计技术，以补偿结构非线性和未建模PZTA的动力学。在著作中， 3 的作者们通过对由含有电容式位置传感器的PZTA的纳米级的驱动实验，验证了上述提出的模型。其他的研究在文献中，重点发展为精确控制PZTA的智能控制计划。一些这样的设计都是基于逆迟滞模型，其被假设为预先验证的，所以前馈技术可以被利用在控制的设计中2,18。其他的，如4,6,13,14等，应用了反馈线性化，以补偿迟滞动态，然后实施跟踪控制器。Wu和 Zou 在28中介绍了基于反转的迭代控制方法，以弥补在高速、大范围的追踪中滞后和振动的动态变化。神经网络和模糊控制也被使用于对PZTA迟滞非线性的建模和控制PZTA的微观运动14，27。在19中，作者提出了一个精确定位跟踪的有效控制策略。要实施这些管制法，只需要一个估计系统参数的知识和相应的约束，以及包括扰乱的滞后效应的上下限。在25中， Stepanenko等人推出并实施了一个近似的函数，并由模糊逻辑技术补偿迟滞非线性。在这篇文献中，PZTA的位移被紧密的跟踪控制以获得期望的轨迹。一种非线性有效控制策略在PZTA的电荷反馈和迟滞模型的部分知识基础上被改进。电荷控制消除PZTA滞后性影响的办法，并提供在上的更好的有效控制1 。通过对嵌入在PZTA电路中的电容的电压测量，该电荷测量方法得到了确认。以李雅普诺夫为基础的分析，证明了精确跟踪能被利用于改进该控制策略。模拟结果呈献出来，都表明了主动控制办法是切实可行的。本文的组织结构如下：在第2条中，基于科尔曼-赫吉敦的迟滞模型随压电执行机构以及所需的对系统的假设一起被呈献。在第3条中，非线性有效控制计划方案被改进，而与稳定性分析验证压电理想位移能够被有效的跟踪。在第4条中，模拟结果被给出以证明有效控制策略。最后，第5节是结束语。2 PZTA系统模型2.1 PZTA的伸长动力学图1输入电压导致PZTA伸长示意图如图1所示，拥有单一伸长轴的PZTA，可以动态地描述为： （1）式中，m R 表示PZTA的质量，L R表示没被激活前PZTA的长度，Fp (t) R表示由于PZTA伸长产生的力， 表示作用在PZTA上的垂直力，表示位移、速度和加速度，分别是PZTA伸长的有效参数。PZTA的等效电路模型如图2所示：图2PZTA的等效电路模型在这幅示意图中，V(t) R 表示输入的控制电压，表示通过PZTA的电流，因为。另外，是一个串联电容器，它方便了通过测量穿过的电压而实现对的测量，因为。在图二中，H显示电路元件在电压和感应电荷q(t)之间的固有的滞后倾向，一个随后的部分将更进一步确定滞后模型。参数是PZTA的内部电容，是通过的电流，而是穿过电容的电压。最后，Tem指示的电路元件代表后来确定的伸长模型，而是与伸长有关的常数19。另外，表示流过支路的电流。2.2 迟滞模型我们定义一个非线性的迟滞模型，用它来描述输入电压与驱动电荷之间的关系。对于这篇文章来说，一个基于杜赫姆的滞后模型可以被定义作为 8： (2)式中，是一个后来确定的信号。 变量被定义作为：式中，是在时刻的驱动电荷，是在时刻的输入电压，是一个常数，而是与输入电压有关的偏导数，参数，以及有以下性质7：性质1：函数是分段光滑，单调递增，而且是奇函数。性质2：函数分段连续，而且是偶函数。性质3：函数是已知的，而、而且是可逆的，例如，。性质4：的与有关的偏导数不为零，因此，其中，是常量。性质5：函数有一个有限的上限，式中，性质6：函数的范围由下式限制： （5）式中，是一个常量（证明请参阅附录一）。2.3 伸长模型我们用两个线性关系来模仿PZTA的伸长运动。其中一个模仿了驱动伸长轴位移的电荷的作用，并由下式给出： (6)另一个关系将由伸长运动产生的力描述成一个有电压表示的函数19，并由下式给出： (7)在式（6）和（7）中，是PZTA固有的伸长常量。2.4 动态模型与假设为方便以后的控制目的，一个动力学的，与伸长轴位移y(t)相关的表达方式应该被给出，并且应该由作用在PZTA的驱动电荷q(t)来表示函数。有了这样一个动力学模型的工作的有点是很明显的，因为它少了迟滞的限制，关于这点我们已经在以前讨论过了10，21，26。由图二中我们可以看出，驱动电荷可以明显地被表达为： (8)从上式可以看出，式（1）的表达可以改写为： (9)式中我们用到了式（6）和（7），变量由下式定义： （10）为了便于跟踪控制的设计，我们给出以下三个假设：假设1：我们假定PZTA的参数以及其他的参数如m，和都是已知的，而且随时间变化维持常量。假设2：假定PZTA有效点的速度和位移量y(t)都是可测的。假设3：假定力以及一介导数都是有界的，（，而） 南京理工大学泰州科技学院毕业设计（论文）任务书系部：机械工程系专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：武晓华学 号：05010237设计(论文)题目：小功率直流伺服系统控制电路设计起 迄 日 期:2009年3月9日6月14日设计(论文)地点:南京理工大学泰州科技学院指 导 教 师:专业负责人:发任务书日期: 2009 年 2月26日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系部领导签字后生效。此任务书应在第七学期结束前填好并发给学生；2任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系部主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系部”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：（1）引导学生自觉地将知识学习与科学、技术、工程研究相结合，学会查找并利用相关的文献资料，基本掌握科学研究的思路、方法和手段；（2）提高学生的实践能力和动手能力，培养学生的创造、创新、创业与敬业精神；（3）培养学生的团队拼搏精神，使学生能更好地熔入社会；（4）学会撰写科技论文报告。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：要求学生应用学过的模拟电路、控制理论等知识，根据题目的要求，设计小功率直流伺服系统的控制电路，控制电机工作。要求：1. 清楚控制对象的工作情况； 2. 控制信号可以是直流的，也可以是交流的； 3. 根据执行电机的功率估算放大器各级所选的元件参数；4. 控制电路要保证电机能在正、反二个方向运动；5. 完成控制电路实验（如果能带动电机工作更好）；6. 分析直流伺服系统的工作特点；7. 执行电机的参数如下表电机型号额定功率额定电流额定电压S221D36W1.5A24V测速机输出电压转速线性精度30CY-115V3000r/m1 毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：课题成果内容包括：1. 完成小功率直流伺服系统控制电路的设计；2. 完成小功率直流伺服系统控制电路的实验；3. 应用计算机绘制小功率直流伺服系统控制电路图并注明参数；4主要参考文献：1 何希才.常用电子电路（应用365例）M.北京：电子工业出版社，2006. 2 杨兴瑶等.新编实用电子电路500例M.北京：化学工业出版社，2007. 3 章燕申，袁曾任等.控制系统的设计与实践M.北京：清华大学出版社，1992.4 冯国楠.现代伺服系统的分析与设计M.北京：机械工业出版社，1990.5 曾乐生，施妙和.随动系统M.北京：北京工业学院出版社，1988.6 胡家耀，赵雅君. 现代控制理论基础M.北京：轻工业出版，1990.7 孙辉，张涛，张旭东.快学易学Protel 99M .北京：邮电大学出版社，2001.8 王远.模拟电子技术M.北京：清华大学出版社，1997.9 王耀德.交直流电力拖动控制系统M.北京：机械工业出版社，1994.10 王炳钦.集成电路应用原理M.成都：电子科技大学出版社，1994.11 邵瑜，李声晋，芦刚.一种无刷直流电动机驱动及保护电路设计J.微电机,2008,(8). 12 李超，李波.一种实用型直流电机控制电路的设计J.现代电子技术，2008,(15). 13 郑静,渠慎丰.小功率伺服无刷直流电机驱动器设计J.电子测量技术，2006,(3). 毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2009 年3月9日 3月28日3月29日 4月15 日4月16日 5月15日5月16日 6月8日6月9日 6月14 日学生查资料，根据题目写开题报告（文献综述）、翻译一篇与题目相关的外文资料根据题目的要求，制定出初步的放大器原理方案根据修改后的设计方案，做实验用Protel画最终的电路，并完成毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日系部意见：系部主任： 年 月 日 南京理工大学泰州科技学院毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：武晓华学 号：05010237专 业：机械工程及自动化设计(论文)题目：小功率直流伺服系统控制电路设计指 导 教 师:王荣林2009年3月22日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2008年3月15日”或“2008-03-15”。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要 随着伺服技术的发展，伺服系统的应用越来越广泛于各行各业。从军用行业，到民用行业，再到航空航天。直流电动机由于具有良好的调速特性、较宽广的调速范围，长期以来在要求调速的地方，特别是对调速性能指标要求较高的场合。所以研究小功率直流伺服系统具有一定应用意义。关键词 伺服系统 闭环系统 小功率电机控制 直流电动机1 伺服系统的发展简况伺服系统是自动控制系统中的一类。它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于本世纪初。1934年第一次提出了伺服机构这个词，随着自动控制理论的发展，到本世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服系统更是如虎添翼突飞猛进。它的应用几乎遍及社会的各个领域，下面简单地列举几例。伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机床运动部分的速度控制、运动轨迹控制、位置控制等，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂的空间曲线运动的控制，如仿型机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。它们可以完成的运动控制精度高，速度快，远非一般人工操作所能达到1。在冶金工业中，电弧炼钢炉、粉末冶金炉等的电极位置控制，水平连铸机的拉坯运动控制，轧钢机轧辊压下运动的位置控制等，都是依靠伺服系统来实现的，这些更是无法用人工操作来代替。在运输行业中，电气机车的自动调速、高层建筑中电梯的升降控制、船舶的自动操舵、飞机的自动驾驶等，都由各种伺服系统为之效力，从而减缓操作人员的疲劳，同时也大大提高了工作效率。在军事上，伺服系统用得更为普遍，如雷达天线的自动瞄准跟踪控制，高射炮、战术导弹发射架的瞄准运动控制，坦克炮塔的防摇稳定控制，防空导弹的制导控制，鱼雷的自动控制等。在计算机外围设备中，也采用了不少伺服系统，如自动绘图仪的画笔控制系统、磁盘驱动系统等。如今，我国已成为世界上少有的几个能产生激光电视放像系统的国家，用激光将信息录制在光盘上2。许多信息在电视机上构成一幅画面，放像过程是用很细的激光束沿信息道读取信息，各种信息道之间的间隔已达微米级，因此控制激光束的位置伺服系统也具有响应的控制精度，以保证获取清晰稳定的画面。这种具有高精度伺服系统的激光电视放像机，已开始进入我国人民的家庭生活。伺服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可及时准确地跟踪人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头，从国防、工业生产、交通运输道家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。2 伺服系统的作用、组成及分类在自动控制系统中，把输入量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统，交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等3。(1) 开环系统图1是开环系统构成图。它主要是由驱动电路、执行元件和负载三大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用电液脉冲马达作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。图1 开环系统构成图(2) 闭环系统闭环系统主要是由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和负载五部分组成。其构成框图如图2所示。在闭环系统中，检测元件将负载移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。 图2 闭环系统构成图比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统三种。由于比较环节输出的信号非常微弱，不足以驱动执行元件，故需对其进行放大，驱动电路正是为此而设置的。执行元件的作用是根据控制信号，即来自比较环节的跟随信号误差，将表示位移量的电信号转化为机械位移。常用的执行元件有直流宽调速电动机、交流电动机等。执行元件是伺服系统中必不可少的一部分，驱动电路是随执行元件的不同而不同的4。(3) 开环、闭环系统的优缺点和区别开环系统是没有输出反馈的一类控制系统，这种系统的输入直接供给控制器，并通过控制器堆受控对象产生控制作用。开环系统的主要优点是结构简单、价格便宜、容易维修，缺点是精度低，容易受环境变化的干扰(例如电源波动、温度变化等)影响。在工业与国防等要求较高的应用领域，绝大多数控制系统的基本结构方案都是采用反馈原理，其输出的全部或部分被反馈到输入端。输入与反馈信号比较后的差值(即偏差信号)加给控制器，然后再调节受控对象的输出，从而形成闭环控制电路。所以，闭环控制系统又称为反馈控制系统，这种反馈成为负反馈。闭环控制系统比开环控制系统，具有一系列的优点，包括精度高、动态性能好、抗干扰能力强等，缺点是结构比较复杂、价格比较贵、维修人员要求文化素质高5。3 小功率电机控制电机的应用领域十分宽广，电机控制的方法也多种多样，但其中最为普遍而具有代表性的是电动机的速度控制和发电机的励磁调节。在工业、农业、交通运输、军事装备乃至人们的日常生活中，有许多机械有调速的要求，如车辆、电梯、机床、造纸机械、纺织机械等等，为了满足运行及生产工艺的要求需要调速；而另一类设备如风机、水泵等以前一般是不调速的，现在为了减少运行损耗、节约电能，也广泛地采用了调速技术。直流电动机由于具有良好的调速特性、较宽广的调速范围，长期以来在要求调速的地方，特别是对调速性能指标要求较高的场合，例如轧钢机、龙门刨和高精度机床等中得到了广泛的应用6。以前直流电机调速系统采用直流发电机组供电，不仅重量大，效率低，占地多，而且控制的快速性比较差，维护也比较麻烦。近年来随着电力电子技术的迅速发展，已普遍采用了由晶闸管整流器供电的直流电机调速系统，用来取代以前广泛采用的交流电动机直流发电机组供电的系统。特别是广泛采用了由集成电路运算放大器构成的电子调节器后，晶闸管整流器供电的直流电机调速系统在性能上远远地超过了直流发电机组供电的系统。近年来在微处理机研制方面的重大进展，更为实现直流电机调速系统的数字化和高精度创造了条件7。另外，各种小功率电动机的应用范围是由它本身所具有的特性决定的。在各类小功率电动机中，感应电动机应用最广泛，这是因为它结构简单、牢固，价格低廉，很少需要维护，使用寿命长，噪声和震动小，并有各种转速和容量等级可供选用。它的缺点是调速不大方便。小功率同步电动机不需要滑环，结构也比较简单，它具有恒定的转速，主要用于需要转速恒定的场合，如钟表、定时器等。其中磁阻和磁滞两种型式的力能指标较低。除了低速的仪用永磁同步电动机和磁滞电动机能自行起动外，磁阻式和一般的永磁式同步电动机都需要在转子上安装起动笼8。4 电子电路的特点电子技术的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模和超大规模集成电路4个时代，新的电子器件出现使电子电路发生了很大的变化，但就电路理论来说，发展却相对较慢，基本的电路理论和分析方法已经比较成熟9。电子技术中所涉及的电路虽然很多，但将其按功能分类，一般可以分为信号产生电路、信号放大电路、信号变换电路、信号存储电路、信号运算与处理电路、组合逻辑电路、时序逻辑电路和电源电路等10。随着电子技术的发展，器件和电路的性能会越来越好，同样的电路或系统，可以采用不同的器件和功能电路来实现，这样就要求设计者进行综合考虑，从而提高性能，降低成本11。5 对控制系统的基本要求自动控制系统用于不同的目的，要求也往往不一样。但自动控制技术是研究各类控制系统共同规律的一门技术，对控制系统有一个共同的需求，一般可归结为稳定、准确、快速12。(1) 稳定性 由于系统往往存在着惯性，当系统的各个参数设置不当时，将会引起系统的振荡而失去工作能力。稳定性就是指动态过程的振荡倾向和系统能够恢复平衡状态的能力13。输出量偏离平衡状态后应该随着时间收敛并且最后回到初始的平衡状态。稳定性的要求是系统工作的首要条件。(2) 快速性 这是在系统稳定的前提下提出的。快速性是指当系统输出量与给定的输入量之间
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