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电子科技大学硕士研究生学位论文 中文摘要 返篇论文主要论述了一种低成本大转动惯量高精度的位置伺 服系统的实现和基于p c i 总线的高速多路数据采集系统的实现， 这两个系统已经成功的用在相控阵天线系统中，取得良好的效果， 低成本的大转动惯量位置伺服系统采用步进电动机开环控制 方法，利用i x m s l 5 0 两相混合式步进电动机微步矩专用控制器， 成功地设计出整步、半步、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、t 2 8 微步的大功率 驱动控制器，并且能够实现电流反馈控制。眩驱动器采用恒流斩 波p w m 控制方式，功率放大电路用功率场效应管搭接的交流全h 桥电路，无需把交流转换为直流，输出峰值电流达6 a ，节约了成 本，可以驱动两相混合式1 3 0 型的步进电动机，并且利用该方法 可以设计出峰值电流达数十安的两相混合式步进电动机高细分数 驱动控制器，可以应用于1 3 0 、1 5 0 系列的两相混合式步进电动机， 最大细分数可达2 5 0 微步。只需将该方案的驱动接口简单修改一 下( 比如用通用的u s b 口，串行口或者并行口) ，就可以做成通用 的1 3 0 ( 1 5 0 ) 型两相混合式步进电动机1 2 8 ( 最大2 5 0 ) 细分恒流 斩波p w m 驱动控制器，在国内应用产品市场中同类产品中，对于 1 3 0 、1 5 0 ，系列的两相混合式步进电动机还未见细分驱动控制器销 售。， 基于p c i 总线的多路高速数据采集系统，实现了采样速率达 2 0 m s p s 的3 2 路a d c 。在该采集系统中，主要利用了美国p l x 公司 最新研制出的p c i 接口控制器p c i9 0 3 0 ，该芯片可以使局域总线 和p c i 总线的时钟异步，局域总线可以运行在6 0 m h z ，局域数据突 发传输速率可达2 4 0 m b p s ，p c i 总线运行在3 3 m h z ，突发传输速率 可达1 3 2 m b p s 。f 另外在采集卡上还设计了数据缓存器，以实现对高 速数据采集的数据传输要求。同时在该采集卡上还采用了a d 公司 的低成本高性能高速a d c 芯片a d 9 2 2 5 ，采样速率高达2 5 m s p s 。为 了节约成本实现3 2 通道a d c ，同时还要保证后续处理的方便，采 用4 个独立的a d c 芯片，每一个a d c ，8 通道共享。实现了低成本 高速多路数据采集。该数据采集卡也可以做成通用的高速多路p c i 模拟源运动控制系统的研制 数据采集卡。在国内同类产品中，基于p c i 总线的数据采集卡已 有销售，但是还没有这么高的采样速度和采样通路，而且价格也 比较昂贵。例如研华工控的p c i 数据采集p c i l 7 l o ，理论采样速率 仅有1 0 0 k s p s ，只有16 个通路，一个a d c 共享。p 7 ， 关键词：步进伺服系统，细分驱动，点位控制，p c i 总线，高 速数据采集 i i 电子科技大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t d i s c u s s i n go fal o wc o s t ，b i gm o m e n to fi n e r t i a ，h i g hp r e c i s i o n p o s i t i o ns e r v es y s t e ma n dal o wc o s t ，h i g hs p e e d ，m u l t i - c h a n n e ld a t a a c q u i r i n gs y s t e m b a s e do np c ib u sh a v eb e e nd o n ei nt h i s p a p e r t h e s et w os y s t e m sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt op h a s e da r r a y a n t e n n as y s t e m ，a n dh a v eg a i n e de x c e l l e n te f f e c t t h el o wc o s t ，b i gm o m e n to fi n e r t i a ，h i g h p r e c i s i o np o s i t i o n s e r v os y s t e ma d o p t st h eo p e nl o o pc o n t r o li ns t e ps e r v o u s i n gt h e a d v a n c e d c h i p f o rt w o p h a s eh y b r i ds t e p m o t o r m i c r o - s t e p c o n t r o l s - - l x m s15 0 ，ah i g hp o w e rs t e pm o t o rd r i v e rw h i c hc a nb e o p e r a t e db yf u l ls t e p ，h a l fs t e p ，4 ，8 ，16 ，3 2 ，6 4 ，12 8m i c r o s t e p sw a s s u c c e s s f u l l yd e s i g n e d a n dt h ed r i v e rc a ni m p l e m e n te l e c t r i cc u r r e n t f e e d b a c kc o n t r 0 1 t h ec o n t r o lw a yo ft h ec o n s t a n tc u r r e n tc h o pw a v e a n dp w m ( p u l s ew i d em o d u l a t e ) w a su s e di nt h ed r i v e r t h ep o w e r m a g n i f i e ru s e dt h ea cc o u p l e dh b r i d g eb yt w on c h a n n e la n dt w o p - c h a n n e lp o w e rm o s f e t s w en e e dn o tc o n v e r s ef r o ma ct od c w i t ht h ea c c o u p l e dh b r i d g e t h ep e a kv a l u eo f t h eo u t p u tc u r r e n t c a nb eu pt o6 a ，a n dt h i sm a k e sc o s tl o w e r t h ed r i v e rc a nc o n t r o l t w op h a s eh y b r i ds t e pm o t o ro f1 3 0t y p e ( 1 3 0 b y g ) u s i n gt h i sw a y ， w ec a nd e s i g nt h es t e pm o t o rd r i v e rw h o s ep e a kv a l u eo ft h eo u t p u t c u r r e n tc a nb e u pt o t e n so fa m p e r ea n dw h o s ee a c h s t e p c a nb e h i g h l ys u b d i v i d e d o n l ym o d i f y i n gt h ed r i v e r si n t e r f a c e ( s u c ha st o u s b ，s e r i a lp o r to rp a r a l l e lp o r te t c ) ，au n i v e r s a lt w op h a s e sh y b r i d s t e pm o t o rd r i v e ro f1 3 0t y p ea n d1 5 0t y p ec a nb ea c q u i r e dw h i c h e a c h s t e p c a nb es u b d i v i d e di n t o1 2 8 m i c r o s t e p s ( u p t o2 5 0 m i c r o s t e p s ) t h i s s u b d i v i d a b l ed r i v e ro f13 0 b y g & 15 0b y g c a n n o tb ea c q u i r e di no u rc o u n t r y sm a r k e t s t h em u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i r i n gs y s t e mb a s e do np c ib u sh a s3 2 a n a l o gc h a n n e l sa n di t st h r o u g h p u tr a t ei su pt o2 0 m s p s u s i n gt h e p c ii n t e r f a c ec h i p - - p c i9 0 3 0 ，w h i c hw a sn e w l y d e v e l o p e db yp l x i i i 模拟源运动控制系统的研制 c ol n ci nu s a m a k et h el o c a lb u sa n dt h ep c ib u sa s y n c h r o n i s m o p e r a t i o n t h ef l e x i b l el o c a lb u sr u n su pt o6 0m h z a n db u tt h ep c i b u sr u n s3 3m h z t h ei o c a lb u sb u r s tt r a n s f e r su pt o2 4 0m b p sa n d t h ep c ib u sb u r s tt r a n s f e r su pt o13 2m b p s t h ed a t ab u f f e r sa r e i n t e g r a t e d i nt h es y s t e m ，b e c a u s eo fa s s u r i n gd a t at r a n s f e r sofh i g h s p e e dd a t aa c q u i r e al o wc o s t ，h i g hp e r f o r m a n c e a n dh i g hs p e e d a d c c h i p ，a d 9 2 2 5w a su s e d ，w h i c hw a sd e v e l o p e db ya d c oi n ci n u s a i t st h r o u g h p u tr a t ei s u pt o2 5 m s p s t om a k ec o s tl o w e ra n d d a t ap r o c e s ss i m p l ea n de a s y ，w eu s e df o u ra d c c h i p sa n de a c ha d c c h i pw a s s h a r e db y8a n a l o gc h a n n e l s t h i ss y s t e mc a nb ea d o p t e di n u n i v e r s a lh i g hs p e e dm u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i r eb l o c kb a s e do np c i b u s t h ed a t aa c q u i r eb l o c kb a s e do np c ib u sc a nb eb o u g h ti nt h e d o m e s t i cm a r k e t ，b u ti t st h r o u g h p u tr a t ec a nn o tb eu pt o2 0 m s p s a n di t s a n a l o gc h a n n e l sc a n n o tb eu pt o3 2 e g p c i 17 10b a s e do n p c ib u sw h i c hw a s d e s i g n e db y a d v a n t e hc o i n c ，i t si d e a lt h r o u g h p u t r a t ei so n l yu pt o1 0 0 k s p sa n dh a so n l yo n ea d c c h i ps h a r e db y l 6 a n a l o gc h a n n e l s k e y w o r d s ：s t e ps e r v os y s t e m ，s u b d i v i d a b l em o t o rd r i v e r ，p o s i t i o n c o n t r o l ，p c ib u s ，h i g hs p e e dd a t aa c q u i r e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。具我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解秘后应遵守此规定) 签名导师签名： 日期：年月日 电子科技大学硕士研究生学位论文 第一章引言 随着计算机应用技术的高速发展，工业控制领域也发生了巨大的变 化，计算机控制技术已经应用到各个领域，改变着人们的工作生活方式。 位置伺服系统在这里面扮演着重要的角色。本文提出了一种低成本，高精 度的位置伺服系统，可以应用于工业控制的许多领域。 常用的伺服系统有直流伺服系统、交流伺服系统、步进伺服系统、直 接驱动伺服系统等。直流伺服系统一般都有换向电刷，造成可靠性和可维 护性较差。交流系统没有这个缺点，但是直流和交流伺服系统都是闭环控 制系统，控制复杂，成本较高，可靠性都不是很好。直接驱动系统虽然有 体积小、无减速器等许多优点，但是由于其输出功率和价格等诸多因素， 使其还不能广泛用于各个领域。步进伺服系统由于其控制简单，可靠性好 等优点，在位置伺服系统中，特别是计算机控制领域得到了广泛的应用， 如磁盘驱动器，十 - e 0 机等均采用步进伺服系统。以前由于步进电动机的分 辨率不是很高，并且其低频噪声比较大，输出转矩不能达到很大，限制了 使用。但是最近几年来高细分技术的成功应用，使得步进电动机的分辨率 大幅度提高，低频特性也得到了显著改善。高输出转矩的步进电动机的也 在不断的推出。反应式和永磁式步进电动机由于自身的缺陷已经渐渐的退 出了历史的舞台。混合式步进电动机渐渐成为步进伺服系统的主流。 1 1 0 b y g 系列及其以下的各个系列的混合式步进电动机的细分驱动控制 器，在市场上已经能够很便宜的买到，但是大功率的1 3 0 b y g ，1 5 0 b y g 等步进电动机的细分驱动控制器还没有出现。这使步进电动机的使用范围 受到了限制，在很多工业控制领域都要求电动机的输出转矩为几十牛米， 分辨率也要求不断提高，本文提出了一种低成本、最高可达2 5 0 微步的， 针对1 3 0 b y g 、1 5 0 b y g 两相混合式步进电动机微步矩驱动控制器，解决 了这一问题。可直接应用本文的结果开发出通用产品，填补了国内市场空 白。 数据采集技术从低速到高速，从8 位到2 4 位，经列了漫长的发展过程， 其数据接口形式，从基于s t d 总线，i s a 总线等发展到了现在的基于v x i 总线、p c i 总线和u s b 总线。现在的主流数据采集卡都采用多种灵活的接 口方式，但是高速数据采集只可能用高速的数据传输接口如p c i 总线接口 模拟源运动控制系统的研制 方式。但是科技是不断发展的，在我设计这个系统的时候，基于p c i 总线 的数据采集是最好的数据接口方式，到了现在，u s b ( 通用串行总线) 接 口正在不断的发展，p c i 总线的一些缺点已经体现出来，比如要打开机箱 安装采集卡、用于手提电脑比较困难、需要专门的p c i 插槽、板卡的尺寸 受到机箱的限制等。基于u s b 口的数据采集就完全没有这些缺点。以前 ( 一、二年前) ，u s b 口的传输速度不高，应用面比较狭窄。现在u s b 口 的传输速率可以高达4 8 0 m b p s ，已经可以适用于各种数据传输场合。大家 常见的数码相机、u s b 移动储存器、基于u s b 的打印机等等，都是u s b 通信接口发展的结果。本文设计的基于p c i 总线的数据采集比将来的基于 u s b 口的数据采集是有一些不足，但是目前它还是一种主流数据采集的通 信方式，可以用它开发出国内没有的通用高速数据采集卡。 由于作者水平有限，时间仓促，论文中难免有许多错误，请各位指正， 谢谢! 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 。1 系统概述 第二章总体设计 本系统由发射系统和接收系统组成，发射系统发出一个发射信号s ， 经空间传播，最后经接收系统检测接收到接收信号r 。由于信号在空问传 播时所遇到的障碍物的不同，接收系统接收到的接收信号r 就不同，通过 对发射信号s 和接收信号r 的分析处理可以估计出障碍物( 目标) 的位置、 速度、运动方向等运动特征参数，然后改变发射信号s ，再一次估计目标 的运动参数，直到得到满意的结果为止。其工作流程图如下： 模拟源运动控制系统的研制 图2 1 系统流程图 其中发射系统包括发射天线子系统，发射信号处理子系统，天线运动 控制子系统三个部分。发射天线由天线和信号传输单元组成，其功能是把 发射信号处理子系统产生的微波信号传输给发射天线，通过天线发射出微 波信号。发射信号处理子系统主要功能是根据各种输入情况产生发射信号 和发射天线的运动参数。天线运动控制子系统主要功能是根据天线的运动 参数选择运动控制策略，转换成电机驱动控制信号，实现天线的运动。发 射天线子系统和发射信号处理子系统由电工学院的二系和七系负责设计， 天线运动控制子系统由我们帮助设计。 接收系统由接收天线阵列( 雷达阵列) 单元，接收信号传输单元，接 收信号处理单元组成。接收天线组为天线阵列，主要功能是从多个角度接 收反射信号。信号传输单元主要功能是将天线收到的模拟信号转换为数字 信号，然后把数字信号传输到接收信号处理单元。信号处理单元把接收信 号与发射信号对比分析，识别有无目标及目标的运动参数等。这一部分主 要由电工学院负责，我们只负责模拟信号转换为数字信号即模拟信号的采 集部分。 2 2 发射天线运动性能要求： 发射天线是整个发射系统的执行机构，天线运动控制子系统的控制对 象。我们先来分析发射天线的运动性能，发射天线的运动性能要求如下： 1 在竖直平面内0 1 8 0 度往返自由平稳转动，最快要求在3 秒 d 一 电子科技大学硕十研究生学位论文 内从一端运动到另一端，在0 度和1 8 0 度时能无冲击停止且 准确定位。 在竖直平面内能以最快的速度从一个位置运动到另外一个位 置并准确在该位置停止，定位精度一般情况下为o 0 1 度，但 最高可达到o 0 0 1 。，并且运动平稳无振动和失控现象。 在两个位置之间高速摆动，位置的定位精度同上，并且运动 平稳无振动和失控现象。 发射天线为3 5 o 3 0 2 米( 长宽高) 的长方体形，质量约4 0 k g ( 可以看成是质量均匀分布) ，要求天线在竖直位置时下端距地面约2 米， 顶端距地面不能小于5 米。发射天线在室外工作，且发射天线为车载设备， 重量轻，一体化，可以方便地移动。在外观上要求为银亮色，防锈，最好 是做到镜面效果。发射系统能2 4 小时全天候连续工作，也就是在刮风、下 雨、下雪等情况下能正常工作，但并不是每天都2 4 小时连续工作。整个运 动控制子系统的成本要低大约在1 5 万元左右，不超过2 万元。 2 3 数据采集子系统性能要求 数据采集子系统主要功能是把接收天线接收到的模拟信号转换为数 字信号，数据采集子系统的要求是： 1 结果为基于p c i 总线的数据采集卡。 2 采样频率为2 0 m s p s ，采样精度为1 2 位。 3 采样信号输入通道为3 2 路。 4 采样信号为双极性最大幅值为3 伏即一2 伏到+ 2 伏。 5 软件上要求基于d o s 、w i n d o w s9 5 9 8 的驱动程序，提供v c + + 的 接口函数。 2 4 发射天线运动控制子系统总体设计 发射天线运动控制子系统主要功能是把接收到天线运动参数转化为天 线的运动，可分解成如下几个部分：天线运动参数分析单元，其主要功能 是分析天线运动参数的特点，选择天线运动控制策略；控制信号产生单元， 其主要功能是根据天线运动参数和天线运动控制策略产生天线运动控制信 号；伺服电机驱动控制单元，其主要功能是根据天线运动控制信号驱动伺 模拟源运动控制系统的研制 天 控 伺 运动伺减 天 线 制 服 参数 】电 l动 信 机 服线 参 号 驱 速 数 动 电支 分 产 控 析生 制机机架 图2 2 天线运动控制子系统 服电机，电动机和减速器单元，天线支架。组成框图如图2 2 所示。 6 一 电子科技大学硕士研究生学位论文 第三章结构设计 3 1 发射天线支架、配重结构设计 3 1 1 发射天线的转动惯量和配重的设计 发射天线支架是发射天线的支撑部分，和发射天线组成整个发射系统 b 7 k ，、心 。 “ 一 。 ： - 心 9 吵 - 3 0 0 昌l 17 刊0 图3 1 发射天线接口图 的输出单元。发射天线的接口图如图3 1 所示。发射天线和发射天线支架 是整个系统的执行机构，是整个系统的输出负载，与减速机的输出轴直接 相连，它的质量，转动惯量的大小是选择电机和减速机的重要参数。为了 得到优良的运动性能，我们必须尽量选择最小的转动惯量和质量，同时还 要在结构上保证强度和刚度。为了尽量减小动载荷，我们把天线及其支架 的另一端加上配重铁，使其对转轴的静转矩为零，这样整个负载便只有动 载荷和摩擦载荷两种，降低了对电机矩频特性的要求。 为了在保证系统强度和刚度的条件下得到最小的转动惯量和质量，我 们先建立一个天线和天线支架的数学模型，因此把天线简化为一个长为3 5 米的质量( 4 0 k g ) 分布均匀的细杆，天线支架和配重支架也简化为细杆， 如图3 2 所示： 模拟源运动控制系统的研制 0 点为整个执行机构与减速机输出轴的连接点，b o 段为配重段，0 a 段 天线支架段，a c 段为天线段。l i 和l 2 的长度之和约2 米，由于对整个系 统的控制台( 电机和电机驱动控制台) 的高度要求为l 米左右，因此l 。的长 度不能超过1 米。即l l 小于l 米，l 2 + l l 在l ，5 米和2 米之间( 见第 章天线运动性能要求) 。 我们先来讨论配重铁的情况：在水平位置时，a 点和0 点受切向力； 在竖直位置时，a 点和0 点受拉力；在其他位置时；既有拉力也有切向力。 发射天线对0 点的力矩为： b ，_支点oa 点c 点 配重铁天线支架天线 图3 2 天线、天线支架、配重示意图 m t 。m g ( l 2 + 3 5 2 ) = 4 0 1 0 1 7 5 + 4 0 0 1 2 = 7 0 0 + 4 0 0 l 2 ； m 天线质量，4 0 k g , g 重力加速度，取1 0 k g m s ； 发射天线对。点( 轴) 的转动惯量i l 为( 利用平行轴定理) ； i l = i o + m ( l 2 + 等) 2 = 丧x m l 3 2 + m x ( l 2 + 竽) 2 = 1 6 4 + 1 4 0 l 2 + 4 0 吁 i o 发射天线过质心的转动惯量； o a 段自身重量在o 点产生的力矩与该段的结构有关，结合发射天线 的接口形状，以及单问产品的加工性能，为了得到最小的转动惯量和质量， 电子科技大学硕士研究生学位论文 考虑用2 至4 根钢管构成的三角架来支撑天线，为了保证接口的一致，用 一个与发射天线接口完全相同的接口板，用螺栓与发射天线连接，由于既 有切向力又有拉力，故采用受剪螺栓连接，同时加一定的预紧力来增强连 接的刚性、紧密性、防松能力和摩擦力。接口板在o 点产生的力矩m 2 为： m 2 = p v g x l 2 = 7 8 1 0 3 2 0 0 3 0 0 2 0 x1 0 9 1 0 l 2 = 9 3 6 l 2 p 钢的密度约为7 8 x1 0 3 k g m 3 v 接口板体积为2 0 0 x 3 0 0 x 2 0 1 0 曲m 3 g 重力加速度，取1 0 k g m s ； 为了求得接口板对。点( 轴) 的转动惯量1 2 把接口板看成是一个质点， 则：接口板对o 点( 轴) 的转动惯量1 2 为： 1 2 = p v x g l 2 2 = 9 3 6 l 2 2 设o a 段选择的钢管的单位长度的质量为m o ，选用的钢管数目为1 1 ， 则o a 段在o 点产生的力矩m 3 为： m 3 = m o x g l 2 x n = 1 0 n m ol 2 为了求得o a 段对。点( 轴) 的转动惯量1 3 把o a 支架看成是一个质 量为n m o 的细杆，则o a 段对。点( 轴) 的转动惯量1 3 为： 1 3 = ；x n m o x l 2 2 = ；n m o l 2 2 综上所述，o c 段对0 点的力矩m t 为： m t = m l + m 2 + m j = 7 0 0 + 4 0 0 , 2 + 9 3 6 l 2 + 1 0 nm ol 2 = 7 0 0 + f 4 9 3 6 + 1 0 n m o ) i - , 2 o c 段对o 点( 轴) 的转动惯量i t 为： i t = b + j 2 + 1 3 = 1 6 4 + 1 4 0 l 2 + 4 0 l 2 2 + 9 3 6 l 2 2 + i 1n m o l 2 2 模拟源运动控制系统的研制 = 1 6 4 + 1 4 0 l 2 + ( 1 3 3 6 + n m o ) l 2 2 从o c 段对o 点的力矩m t 和转动惯量i t 可以看出的l 2 大小对m c 和 i t 影响非常大，l 2 越小m c 和i t 越小，综合前面l 2 的约束条件取l 2 一- - 0 5 米则： m t = 9 4 6 8 + 5n m o 1 t = 2 6 7 4 + 老n m 。 为了达到平衡使动载荷为零，配重在o 点的力矩也应为m t 即b o 段 在o 点产生的力矩也应为m c ，同时还要使转动惯量最小。b o 段在o 点 产生的力矩和转动惯量与b o 的结构有密切关系，经过比较还是选用2 至 4 根空心钢管连接一个配重铁来实现配重部分，则此时配重铁部分( b o 段) 在o 点产生的力矩m p 为： m p = m z x g l 1 + i 1n m o x g x l l = 1 0 ( m z + ；n m o ) l l 配重铁部分( b o 段) 对o 点( 轴) 的转动惯量i d 为： i p = m z l 1 2 + 亍1n m o l l 2 m z 配重铁的质量； 现在的情况是使在m p = m t 且l l 小于l 米时f p 达到最小，从m p = m t 中求解出m z l l 代入i p 中即： m z ：( 9 4 6 8 + ；1n v l o ) - - l l 百1n m o m z l l = 9 4 6 8 + i 1n m o 一百1n m o l l i p = 9 4 6 8 l l + 三1n m o l l j 1 n m o l 1 2 弋1n m o l l 2 = 一：n m o l l 2 + ( 9 4 6 8 + 三1n m o ) l 1 0 l i l 由上式可以看出l p = f ( l i ) 在o l l 1 时单调增加，m z 随l l 的减 小而增加，而i p 远远小于i t ，l l 的大小严重影响m z 的大小，m z 的增加 不仅使系统的重量增加降低了机动性，而且增加了系统的摩擦载荷，故综 合考虑各种因数取l i 为0 8 米。此时： m z = 1 1 8 3 5 + o 1 2 5 n m o i p = 7 5 7 4 4 + 0 3 n m o 电子科技大学硕士研究生学位论文 为了便于调整配重铁的质量，达到平衡，在配重铁上设计了几个螺钉 孔和配套螺钉小配重铁，在安装调节平衡时根据具体的情况来调节平衡。 综合上面的讨论发射天线及其配重和支架的转动惯量i 为： l = l p + i t = 3 4 3 1 4 4 + 0 - 3 ln m o 3 1 2 发射天线支架和配重的连按设计 天线支架和天线之间是通过两块接口板用六个受剪螺栓连接的，由于 以给出螺栓孔的直径1 2 r a m ，故选用m 1 2 六角头铰制孔用螺栓( g b 2 7 8 8 ) 。a 点与o 点，b 点与o 点之间用结构用无缝钢管连接。通过强度计 算选用三根外径4 2 壁厚5 的4 5 号钢( 钢管4 5 4 2 5 g b 8 1 2 6 8 7 ) 热轧无缝钢管来连接。螺栓和钢管的强度校核由于篇幅关系这里不再 详诉。 因此，n = 3 ，m 0 = 0 0 2 4 6 6 1 5 ( d s ) s = 0 0 0 2 4 6 6 1 5 ) ( ( 4 2 5 1 5 0 4 5 6 2 3 7 7 5k g m t = 9 4 6 8 + 5n m o = 9 5 3 6 4 3 5 6 6 2 5n m i t = 2 6 7 4 + 丧n m o = 2 6 7 5 1 4 0 5 9 4 3 7 5 n m 2 m z = 1 1 8 3 5 + o 1 2 5 n m o ；1 1 8 5 2 1 0 8 9 1 5 6 2 5 如 i = 3 4 3 1 4 4 + o _ 31n m o = 3 4 3 5 6 8 3 0 11 0 7 5 n n 2 3 2 电机选择 由上面的分析可知，该系统为一个精度较高的位置伺服系统，他的驱 动源也应是伺服电机。常用的伺服系统有以下四类： 1 直流伺服系统，由直流伺服电机驱动； 2 交流伺服系统，由交流伺服电机驱动； 3 步进伺服系统，由步进电机驱动； 4 直接驱动伺服系统，由直接驱动电机驱动； 上述的四种伺服系统都可用于各种位置伺服系统中，其中直流伺服电 机、交流伺服电机和直接驱动电机均采用闭环控制，成本较高，一般用于 模拟源运动控制系统的研制 高精度、高速度的伺服系统中。步进电机主要用于开环控制，成本相对较 低，一般用于精度、速度要求不是很高的低成本系统中。下面把这四种伺 服系统作一个简单的比较。 3 2 1 直流伺服系统简介 直流伺服系统由直流伺服电机驱动，常见的有如下四种： 1 永磁直流伺服电动机； 2 无槽电枢直流伺服电动机； 3 空心杯电枢直流伺服电动机； 4 印刷绕组直流伺服电动机。 永磁直流伺服电机就是以永磁材料获得励磁磁场的一类直流电动机， 它具有体积小、转矩大、力矩和电流成比例、功率重量比大、功率体积比 大、稳定性好等优点。永磁直流饲服电动机还具有下垂的机械特性和线性 的调节特性，对控制信号响应快速等优点。因此它是直流伺服系统中最重 要、应用最广泛的一类伺服系统。目前永磁直流伺服电机广泛用于办公自 动化( 0 a ) 、工厂自动化( f a ) 、国防和航空航天工业、家电产品、仪器 仪表等领域，是“机电一体化产品一种重要的执行元件”。永磁直流伺服电 动机的常用驱动方式有两种：晶闸管放大器驱动直流伺服电动机伺服系统 和晶体管脉宽调制( p w m ) 型直流伺服电动机系统。 无槽电枢直流伺服电动机的励磁方式为电磁式或永磁式。其电枢铁心 为光滑圆柱体，电枢绕组是永耐热环氧树脂固定在圆柱体铁心表面，气隙 较大。它除了具有一般直流伺服电动机的优点外还具有转动惯量小，机电 时间常数小，换向良好等优点，常用于快速动作，功率较大的伺服系统。 空心杯电枢直流伺服电动机的励磁方式采用永磁式，其电枢绕组永环 氧树脂浇注成杯形，空心杯电枢的内外两侧均有铁心构成磁路。它除了具 有一般直流伺服电动机的优点外还具有转动惯量小、机电时间常数小、换 向好、低速运转平滑、能快速响应、寿命长、效率高等优点。常用于需要 快速动作的伺服系统，如机器人的关节运动的伺服驱动以及其它高精度伺 服系统中。 印刷绕组直流伺服电动机的励磁方式采用永磁式，在原形绝缘薄膜 电子科技大学硕士研究生学位论文 上，印制裸露的绕组构成电枢。它除了具有一般直流伺服电动机的优点外 还具有机电时间常数小、换向好、旋转平稳、低速运转性能好、能快速响 应、能承受频繁的可逆运转等优点。常用于需要低速和启动、反转频繁的 伺服系统，如机器人的关节运动的伺服驱动。 3 2 2 交流伺服系统简介 交流伺服系统有伺服电动机和伺服驱动器两部分组成。电动机主体是 永磁同步式或笼型交流电动机，伺服驱动器通常采用电流形脉宽调制 ( p w m ) 三相逆变器和具有电流环为内环速度环为外环的多环闭环控制系 统，外特性与直流伺服系统相似，以足够宽的调速范围( 1 ：1 0 0 0 l ： 1 0 0 0 0 ) 和四象限工作能力来保证它在伺服控制系统中的应用。按电机可把 交流伺服系统分为两大类： 1 同步型交流伺服电动机( s m ) ； 2 异步型交流伺服电动机( i m ) 3 2 2 1 同步型交流伺服电动机 绝大多数用于机床数控进给驱动控制、工业机器人关节驱动控制和其 它需要运动和位置控制的场合是采用同步型交流伺服电动机。这种伺服电 动机通常有永磁的转子，故有称为永磁交流伺服电动机，以区别于笼型转 子的交流伺服电动机。 永磁交流伺服电动机系统是综合了伺服电动机、角速度和角位移传感 器的最新成就，采用新型开关功率器件、专用集成电路和新的控制算法的 交流伺服驱动器与之相匹配组成一种新型高性能的机电一体化伺服系统。 永磁交流伺服系统采用机电一体化设计，将特殊设计的永磁同步电动机同 轴安装有转子位置传感器，应用特殊的控制方法，将同步电机改造成为具 备与直流伺服电动机相类似的伺服性能。同步型交流伺服电动机是台机 组，一般由下列几部分组成：永磁同步电动机、转予位置传感器、速度传 感器。如果系统有位置控制要求时，还应当有提供位置环反馈信息的位置 传感器。它们通常是机械同轴连接在一体组成机组。如果用户需要，还可 安装安全制动器。安全制动器的作用是正常状态下，在一规定电压( 通常 是直流电压) 作用下制动器释放，电动机可运转。一旦出现停电事故，制 模拟源运动控制系统的研制 动器动作，将电动机转轴“抱住”，强迫电动机停转。机器人手臂驱动或有 倾斜角度拖板的机床坐标控制，需要防止突然停电时因自重落下造成的事 故发生。对于大功率伺服电动机，有时还附有强迫冷却的风机。目前已有 产品中，各部分电气连线均采用连接插座引出，并采用全密封结构型式。 永磁交流伺服电动机和它的伺服驱动器组成一个伺服系统。典型的交 流伺服系统是一个速度闭环系统。伺服驱动器从主令控制系统接受u ，电 压范围变化的速度指令信号。这个直流电压u 通常是1 0 伏左右，代表系 统工作的最高转速n m a 。当速度指令电压从一u 。变化到0 再变到+ u i 时， 伺服电动机可实现从反转最高转速变到零转，然后增加到正转最高转速。 在动态控制过程中，电动机的转矩和速度方向均可能改变，包括转矩和速 度方向相反的制动状态在内，故又称为4 象限控制。这些外部特性与直流 伺服系统是完全相同的。和常规直流伺服驱动器相似，它是一个多环闭环 系统，通常有速度环和电流环，实现对三相永磁同步伺服电动机的电流控 制。这里，交流伺服驱动器的电流环与直流伺服系统有较大差别。 永磁交流伺服系统按照其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不 同，又可分为两种伺服系统： 矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统； 正弦波电流驱动的永磁交流伺服系统。 伺服系统中使用的矩形波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷 直流伺服电动机，而正弦波电流驱动的永磁交流伺服电动机称为无刷交流 伺服电动机。 矩形波驱动和正弦波驱动两种工作模式的交流伺服系统在电动机磁 场波形、驱动电流波形、转子位置传感器以及驱动器中电流环结构、速度 反馈信息的获得等方面都有明显区别，转矩产生的原理也有所不同。永磁 交流伺服系统的两种驱动模式中，从发展趋势上看，正弦波驱动将成为主 流。正弦波驱动是一种高性能的驱动方式，电流是连续的，应用上可以得 到与电动机转角无关的均匀输出转矩，良好设计的伺服系统可做到3 以 下的低速转矩纹波。因此有优良的低速平稳性，同时也大大改善了中高速 大转矩时的特性，铁心中附加损耗减小。从控制角度说，可在小范围内调 整相电流和相电动势相位，一定程度上实现弱磁控制，拓宽高速范围。但 是，为了满足正弦波驱动要求，伺服电动机在磁场分布上要有较严格的要 1 4 电子科技大学硕士研究生学位论文 求，甚至定子绕组需要采用分数槽设计，这会增加工艺复杂性。必须使用 高分辨率( 1 0 b i t 以上) 绝对型的转子位置传感器( 例如无刷旋转变压器 数字转换器( r d c ) 、绝对型光电编码器等) ；驱动器中的电流环结构更加 复杂，都使得正弦波电流驱动的交流伺服系统成本更高。 矩形波电流驱动与正弦波电能驱动相比较有如下优点： 1 电动机的转子位置传感器结构较简单，成本较低； 2 电动机的位置信号仅需作逻辑处理，电流环结构较简单，伺服驱 动器总体成本较低； 3 伺服电动机有较高的材料利用率，在相等有效材料情况下，矩形 波工作方式的电动机输出转矩约增加1 5 。 缺点是： 1 电动机的转矩波动稍大： 2 电动机高速运行时，矩形电流波发生畸变，会引起转矩的下 降； 3 定子磁场非连续旋转，造成铁心附加损耗的增加。 但是，良好的设计和控制的矩形波电流驱动交流伺服电动机的转矩波 动可以达到有刷直流伺服电动机的水平。转矩纹波可以用高增益速度闭环 控制来抑制，获得良好的低速性能，使伺服系统的调速比也可达1 ：1 0 0 0 0 。 它有良好的性能价格比，对于有直流伺服系统调整经验的人，比较容易接 受这种矩形波电流驱动的伺服系统，所以这种驱动方式的伺服电动机和伺 服驱动器仍是工业机器人、高性能数控机床、各种自动机械的一种理想的 驱动元件。 综上所述永磁同步交流伺服电动机与直流伺服电动机相比，其突出优 点是： 高可靠性。用电子逆变器取代了直流电动机换向器和电刷的 机械换向。工作寿命主要由轴承决定，提高了可靠性。 低维护保养要求。直流伺服电动机必须定期清理电刷，更换 电刷和打扫换向器。而交流伺服电动机是无换向器电机，无 模拟源运动控制系统的研制 此项维护保养要求。 电动机主要损耗是在定子绕组铁心上，散热容易，且便于在 定子槽内安放热保护传感元件。而直流伺服电动机损耗主要 在电动机转子电枢上，散热困难，部分热量经电动机轴传给 负载( 如机床的丝杆) ，对负载产生不良影响。 转子转动惯量小，提高了交流伺服系统的快速性。 转子结构允许电动机高速工作。 在相同功率下交流伺服电动机有较小的重量和体积。 交流伺服系统可工作于无电源变压器方式，采用耐高压功率 器件即可。而直流伺服系绕的电动机受其换向器片间电压的 限制，不宜工作于较高电压。 交流伺服系统保留了一些直流伺服系统的优点而克服了某些局限性， 特别适用于一般直流伺服系统不能胜任的工作环境，如宇宙飞船、人造卫 星等，也可用于存在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质的场所，在水下 机器人、喷漆机器人和移动式机器人中也可作为理想的执行元件。 3 2 2 2 异步型交流伺服系统 异步型交流伺服系统采用感应电动机。作伺服用途的感应电动机，它 的笼型转子结构简单、坚固，电动机价格便宜，过载能力强。这是感应电 动机的优点。但是感应电动机与相同输出转矩的永磁同步伺服电动机相比， 其效率低、体积大、转子也有较明显的损耗和发热，且需要供给无功励磁 电流，从而要求较大体积的逆变器。转子的发热引起电动机转子参数的变 化，从而引起特性的改变，从电动机转轴传递的热量也要影响到被驱动的 机构。 以前由于感应电动机的交流伺服系统的控制系统过于复杂。即使采用 所谓矢量控制技术，它的转矩的精确控制必须要确定磁场的瞬时位置和幅 值，而这些物量很难直接测量，而是通过微型计算机进行复杂的运算来得 到。因此，对微型计算机控制系统要求有更大的内存和更高的运算速度。 因此大多数国家都未能将此技术用于实际。目前，计算机技术得到前所未 有的发展，大功率电子开关器件的性能价格比不断提高并广泛地用到电机 控制系统中来，感应电机地交流伺服系统得到了大量地发展，在数控机床、 空调机、鼓风机、水泵等设备中得到了较普遍的应用。其控制方法有p w m 电子科技大学硕士研究生学位论文 变频调速系统和空间矢量调制系统等方法。其相数由三相系统发展为多相 系统。但是要实现高精度位置控制还是有一定地困难。 3 2