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高精度自动控制系统在材料试验机中的应增与研究 北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注利致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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了谢意。 中请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：三耄等番卜日期：2 竺生( 立。牡 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注 注释：本学位论 本人签名： 导师签名： 非保密论文 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究 北京邮电大学硕士学位论文 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究 摘要 随着全世界互联网及电信网的飞速发展，随着宽带数据通信的快速 发展，对通信容量提出了越来越高的要求。由于光纤光缆可以满足当今 宽待数据通信的要求，所以现在对光纤光缆的性能要求和依赖性也越来 越高。目前，在我国已经大量使用光纤光缆，因此需要有效的测试手段 来检测光纤光缆的机械性能。光纤光缆质量检测担负至关重要的角色。 在本文中，该直流伺服自动控制系统在结构上设计了电流环、速度 环和位置环三个控制环路，每个控制环路都采用p i d 调节方式来实现对 电流环、速度环和位置环的调节控制。在系统的实现上，采用了以色列 e l m o 公司的伺服控制器、瑞士m a x o n 电机公司的无刷直流伺服电机、 增量式编码器、霍尔传感器、减速器、r s 2 3 2 、计算机。整个系统使用 v c 在计算机上实现具体的性能测试软件。该系统可以在具体的性能测 试当中能达到0 1 m m 的位置精度要求，具有较快的、稳定的响应速度， 这使得它具有比较广泛的应用领域。文章接下来介绍了该伺服控制系统 的m a t l a b 仿真优化，分析了整个材料实验机的理论误差和实际误差。在 本文的最后两章分别介绍了用于计算机操作的材料实验应用程序设计 和该材料实验机需要改进的地方和展望。 关键词：伺服控制系统，控制系统仿真，直流无刷伺服电机，稳态误差 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究 北京邮电大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fhlg hp r e clsl0 na u t o c o n t r o ls y s t e m a p p l l c a t l 0 ninm a t e r l a l st e s tm a c h l n e a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e m e t ，t e l e c o mn e ta n db r o a db a n dd a t a t r a f f i c ，t h e r ei sm o r en e e df o rc a p a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n f o ro p t i c a lf i b e r c a nm e e tt h en e e do fb r o a db a n dd a t at r a f f i c ，t h e r ea r em o r en e e da n d r e l i a n c ef o rh i g hq u a l i t yo fo p t i c a lf i b e r n o w a d a y s ，i no u rc o u n t r yal a r g e n u m b e ro fo p t i c a lf i b e ri su s e di ns e v e r a lf i e l d s s oi ti sn e c e s s a r yt ot e s tt h e m e c h a n i c a lc h a r a c t e r so fo p t i c a lf i b e r ，a n dt h eo p t i c a lf i b e r sq u a l i t yt e s th a s a ni m p o r t a n tr o l ei no u rs o c i e t y i nt h i sp a p e r ，t h i sd cs e r v oa u t o c o n t r o ls y s t e mi sm a d e u po ft h r e ep a n s ，t h e f i r s ti sc u r r e n tc o n t r o ll o o p ，t h es e c o n di sv e l o c i t yc o n t r o ll o o p ，a n dt h et h i r d i sp o s i t i o nc o n t r o ll o o p a l lt h e s et h r e ec o n t r o ll o o p sa r er e g u l a t e db yt h e m e t h o do fp i d i np r a c t i c e ，w eu s ee l m os e r v oc o n t r o l l e r , m o x o n b r u s h l e s sd cs e r v om o t o r ，i n c r e m e n t a le n c o d e r ，h a l ls e n s o r s ，p l a n e t a r yg e a r h e a d s ，r $ 2 3 2a n dc o m p u t e r a n dt h e nw eu s ev ct oc o m p l e t et h e p r o g r a m m i n gi nt h ec o m p u t e r t h i sm a c h i n ec a nc a r r yo u ts o m et e s t sb y h i g hp r e c i s i o no f0 1 m m ，a n di ti so ft h ec h a r a c t e r i s t i co fq u i c ka n ds t e a d y r e s p o n s e ，s oi tc a nb eu s e di nm a n yf i e l d s i nt h et h i r dp l a c e ，t h e r ei sa n i n t r o d u c t i o no fe m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o nt o a n a l y z et h et h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a l e r r o ro ft h ew h o l ea u t o m a t i o n s y s t e m a tl a s t ，w em a k et h e p r o g r a mu s e di nc o m p u t e rt oc o n t r o lt h ew h o l es y s t e ma n df u r t h e rr e s e a r c h a b o u tt h i sm a t e r i a l s t e s tm a c h i n e k e yw o r d s ：s e i v oc o n t r o ls y s t e m ，e m u l a t i o no fa u t o m a t i o ns y s t e m ，b r u s h l e s s d cs e l v om o t o r s ，e r r o r 2 高精度自动控制系统在利料试验机中的应用与研宄北京邮电大学硕士学位论文 第一章前言 近年来，全世界的计算机国际瓦联网( 据统计，目前i n t e r n e t 的规模和业务都 是以每月1 0 的速度急剧增长，每6 至9 个月翻一番) 及电信网的飞速发展，对通 信容量提出了越来越高的要求。但是原有的通信设施无法满足日益增长的通信量的 需求。为了更好的适应不断增长的通信量，中国各家通信企业都在改造、扩容、提 速各自的网络，从而使其基础设施建设进入了一个前所未有的高速发展阶段。在选 材方面，由于光缆所能支持的大带宽以及日益低廉的价格，所有建设或改造通讯设 施的单位无一例外的首先考虑它。因此像光纤、光缆等一些用于我国通讯领域的材 料的性能检测，就成为一个事关国际民生的大事。基于这样的情况，我们试验室设 计研发了高精度材料试验机，其功能主要是用来准确地检测一些材料的机械特性。 1 1 光纤等材料的特性介绍 光纤通信技术的诞生为信息技术发展带来了质的飞跃。光纤通信以它所具有的 传统传输介质无法比拟的巨大优势，在高容量的数据通信方面，几乎完全取代了传 统的传输介质。目前光纤干线已经形成了多个遍布全国的网络，而在接入网方面， 宽带接入在许多地方已经实现光纤到路边、光纤到大楼、光纤到住户，并且正朝着 光线到桌面发展。 光纤为什么会像金属导线那样能够传输信号呢? 在这里首先我们要清楚光纤到 底是什么东西。光纤为光导纤维的简称，由直径大约为0 1 m m 的细玻璃丝构成。它 透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结 构，它由折射较高的纤芯和折射率较低的包层组成，通常为了保护光纤，包层外还 往往覆盖一层塑料加以保护，其中纤芯的芯径一般为5 0 或6 2 5 , u m ，包层直径一般为 1 2 跏m 。光纤通信就是因为光纤的这种神奇结构而发展起来的以光波为载频，光导 纤维为传输介质的一种通信方式。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 图1 - 1 光线的结构 现在所说的通信光纤，是由纤芯和包层两部分组成的，如上图1 - 1 所示。纤芯 区域完成光信号的传输；包层则是将光封闭在纤芯内，并保护纤芯，增加光纤的机 械强度，目前，通信光纤的纤芯和包层的主体材料都是石英玻璃，但两区域中掺杂 情况不同，因而折射葛夏也不同。纤芯的折射率一般是1 4 6 31 4 6 7 ( 根据光纤的种 类而异) ，包层的折射率是1 4 5 1 4 6 左右。也就是说，纤芯的折射率比包层的折射 率稍微大一些。这就满足了全反射的一个条件。当纤芯内的光线入射到纤芯与包层 的交界面时，只要其入射角大于临界角，就会在纤芯内发生全反射，光就会全部由 交界面偏向中心。当碰到对面交界面时，又全反射回来，如下图1 - 2 所示：光纤中 的光就是这样在芯包交界面上，不断地来回全反射，传向远方，而不会漏射到包层 中去。 截藏嘲 ( h ， 图1 - 2 光在光纤中的传播 光纤是光纤通信系统中的传输介质，是光纤通信系统中最重要的组成部分。光 纤就是一根玻璃纤维，但它和普通的玻璃纤维不一样的地方是它由芯和包层两部分 组成。芯的折射率比包层的折射率略微高一点，其目的是将光束缚在光纤内传播。 这种光纤是裸光纤。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 光纤的特性主要包括传输特性( 或称光学特性) 、物理特性、化学特性和几何特 性等。光纤的物理特性包括机械性能、热性能和电绝缘性能等。现在我们主要来讨 论一下光纤的机械性能。 ( 1 ) 弯曲性 光纤遵循虎克定律。在弹性范围内，光线受到外力发牛弯曲时，芯轴内部分受 到压缩作用，芯轴外部分受到拉伸作用。外力消失后，由于弹性作用，光纤能自动 恢复原状。但是，当弯曲半径小于所容许的曲率半径时，光纤将会被折断。 光纤的弯曲性与光纤的机械强度有关。机械强度取决于材料的纯度、分子结构 状态及缺陷等。因而，严格的制作工艺是提高机械强度的主要保证。 如果光纤的包层采用低膨胀系数的材料，那么，由于挤压的效果也能增加光纤 的机械强度。但是，这样将增加内应力，使光纤双折射加大。 光纤弯曲时所受的应力可用下式表示 s = a e r ( 1 - 1 ) 式中，s 为应力；e 为样氏模量；r 为歪曲的曲率半径；a 为纤芯半径。 ( 2 ) 抗拉强度 光纤的抗拉强度f 由如下经验公式计算 f ：1 5 7 2 x ( 1 1 1 8 + 2 a ) ( 1 - 2 ) 1 5 2 5 + 2 口 式中，a 为纤芯半径，单位为* m ；f 的单位为k 2 c m2 。 ( 3 ) 硬度 石英玻璃的硬度通常用克氏硬度来表示。克氏硬度的测试方法是用金刚石四方 锤在研磨过的试件表面上压出印痕，根据加压值与四方印痕的对角线长度可得到试 件材料的克氏硬度值h k ，即 h k = 1 4 2 3 p l 2 ( 1 - 3 ) 之中，p 为加压值；l 为印痕的对角线长度。 金刚石的克氏硬度在5 5 0 0 6 9 5 0 之间，玻璃的克氏硬度一般在3 5 0 6 5 0 之间。 传输数据用的光纤是放置在光缆中敷设的，光缆产品在运输、施工和长期使用 过程中要受到各种外力作用，在这些外机械力作用下，很可能会因为外力的影响， 使其传输性能发生变化，使用寿命有所缩短，甚至出现光纤断裂的现象。这种情况 对通信的影响是很大的。所以有必要对光纤的机械性能提前给与测试评估。光纤机 械性能试验机就是检验光纤机械性能的专用检测设备。由于我们在此材料试验机设 计上的可拓展性，使得它具有通用性。此材料试验机不光可以对光纤各个机械性能 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮屯大学硕士学位论文 进行准确的监测，而且它在其它方面的材料也有较广泛的应用。本系列材料测试机 可广泛应用于各类光纤、光缆、钢丝、铁丝、橡胶、塑料、皮革、纤维、等材料， 测试其拉伸、撕裂、剥离、断裂等各项性能测试。 1 2 材料实验 材料的机械性能试验，尤其是一些新型的材料试验，比如新型光纤光缆试验， 在国内一直没有相应的试验设备，有的试验标准不是很完善，有待于提高，有的甚 至连试验标准都处于空白。因为有的试验项目，没有适当的设备，无法对试验过程 做出比较精确的控制，试验的结果也就难以令人信服。 通过定期按国家标准或其它相关的标准对光纤做这种常规性试验，可以及时判 断光纤产品质量是否存在问题。 在中华人民共和国国家标准g b t 1 5 9 7 2 3 1 9 9 8 c q v i e c7 9 3 1 3 ：1 9 9 5 光 纤总规范第三部分：机械性能试验方法中针对一些光纤等特殊材料的试验做出了 具体规定。本材料试验的自动控制系统主要是根据该标准中的性能指标来进行设计 的。在设计整个系统时，尤其要注意以下几个方面。它们与整个材料试验的整体设 计思路密切相关，是能否做出符合国家标准的光纤等材料试验机的关键。 拉伸装置，应使用一台合适的装置，例如立式拉力机，来提供受试光纤和剥离 工具之间的相对运动。( 该部分决定整个材料试验机的框架。) 拉伸装置应能提供恒定的剥离速率，没有猛拉受试光纤或剥离工具的现象。该 装置应能提供两个方向的相对运动，以便复位。剥离工具应在拉伸装置的夹头上夹 紧，其刀刃应与光纤轴保持垂直，并要防止光纤弯曲，把受试光纤的另一端固紧。 为防止光纤断裂，用于在夹持点紧固光纤的方法不应使光纤遭受过大的应力。( 这里 的恒定速率是至关重要的环节，要将速度误差设计到极小的范围，达到较高的精度。 它决定整个自动控制系统的成败，乃至整个材料试验机的应用。) 采用合适的能检测出剥去光纤涂覆层时施于光纤上力的任何装置。( 此部分决定 在整个材料试验机中要采用高精度的传感器装置。) 本装置接收来自力值传感器的信号，并显示受试光纤直到涂覆层剥掉时的剥离 力，力值读数应是连续的。例如使用相应的材料试验程序，来提供足够的资料进行 计算最大力和平均力，以及剥离期间力值波动的幅度和频率。( 此部分决定力值传感 器的信号要经过高速、高精度a d 转换器的处理。) 每组实验前，应按设备仪器使用说明书标定转换器和力值传感器。 高精度自动控制系统在利料试验机中的应用与研究 北京邮电大学硕士学位论文 从光纤上剥去涂覆层所需的力部分地取决于剥离速率。如果要比较不同试验的 结果，应采用相同的剥离速率。拉伸试验机应能按产品规范中规定的速率在光纤与 剥离工具之问提供相对运动( 对于标称涂覆层直径为2 5 吮m 的光纤，可取的值为 l o o m m m i n 或5 0 0 m m m i n ；较粗涂覆层直径的剥离速率可取l o o m m m i n ) 。( 控制系 统要有较高的性能，比如较宽的速度范围等) 为了不损伤包层表面，工具刀刃孔的直径或刀刃间的距离应大于被剥离光纤标 称包层直径。例如，对于目前通用的光纤来说，刀刃中的孔或之间的的距离应比标 称直径大5 0 , u r n 。由此可见在整个光纤材料试验过程中，试验的机械部分一一试验夹 具也是至关重要的。不同的材料有不同的夹具，不同类型的试验有不同的夹具。每 个夹具的设计都是针对某一特定类型来设计的。在做每种试验时，都要配以相应的 夹具才能保证试验的准确、可靠。 而以上这些要求正是目前我们试验室以及国内整个领域内的一个薄弱环节。我 们传统光缆试验及规定了很多关于机械性能的检测项目，比如拉伸、压扁、弯曲及 扭转、冲击、曲挠及卷绕、应力应变、蠕变、风振、舞动等。但是它的应用领域不 符合光纤这种材料的试验，它的速度要求、位置精度、力值大小等一系列精度都达 不到要求，无法进行准确、有效的光纤材料试验，从而也就不可能对光纤的质量做 出真实、可靠的判断。我们要做的材料试验机主要是在满足以上各种精度要求的情 况下，针对光纤等材料对其进行拉伸及剥离等实验测试，从而可在此基础上进行一 些其它材料的试验。 从机械力的施加方式上，光纤光缆试验机可以分为静态加力和动态加力两种。 静态加力就是在利用重物的重力来给光缆施加静态的机械力，动态加力则是利用电 机的扭矩来给光缆加力。前者的技术比较简单，所施加力的稳定性好，但试验灵活 性比较差，不利于操作，自动化程度低；后者的实现技术比较复杂，尤其是对控制 部分要求较高，但力的大小可以灵活控制，并且可以把多种试验设备集成在一起， 一套设备能完成多种类型的试验，自动化程度高。我们开发研制的光纤材料试验机 采用的就是一种动态加力技术。 本材料试验机是一套自动化的材料机械性能试验设备，采用了高精度直流伺服 电机控制系统，机电一体化等技术。试验全部过程由微机控制，微机根据操作人员 输入指令，控制材料试验机自动进行光纤光缆等材料的多项机械性能试验。 1 3 材料试验机的基本框架 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 众所周知，光纤作为一种比较特殊的材料，它是一种玻璃纤维，延弹性很差。 光纤在受到外界应力时，传输性能就会有明显的劣化，应力大时甚至会断裂。所以 要保证光纤具有一定的机械特性，能够承受一定范围外力，传输特性基本保持不变， 这就对试验设备的精确性提出了严格的要求。 r 一垂p 谳嚣谶= ：= 陌 r 抄t 叫”慨1 髫麟 l - - 竺 - i 1 i 1 。f ，广_ 、 至至 计算机卜f 砷蓉客鬓霪霎 际i 习 材料试验程序 覃覃军罕 t 光纤光纤带塑料管钢丝 图1 - 3 材料试验机结构框架图 该材料试验机结构框架图如上图1 - 3 所示。整个设备由计算机来进行控制。计 算机发送命令给电机控制卡，电机控制 控制电机使之按照指定的要求动作，开始 试验。在进行光纤等材料试验的同时，位于执行装置的力值、位移传感器会把检测 到的数据通过a d 转换器，实时地传输到计算机上。在计算机上运行相应的光纤、 光纤带、塑料管、钢丝等材料的数学模型试验程序，将试验过程中采集到的数据进 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究 北京邮电大学硕士学位论文 行计算、处理，以表格或其它预先设置好的形式将试验结果输出，从而来判断所进 行试验的材料性能是否符合国家标准。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕十学位论文 第二章材料试验机系统方案设计与实现 现代自动控制系统应用非常广泛，几乎遍及国民经济的所有部门。我们所要讨 论的控制系统不是广义的、泛指的控制系统，而是工程技术领域里常指的自动控制 系统。以控制对象生产工艺过程的性质、特点而论，控制系统大体可分为两大门类： 一类是以机械运动为主要生产形式，以电动机为执行机构的“电力拖动自动控制系 统”：另一类是以化学反应或者热能转换为主要生产形式，以自动化仪表与装置为检 测与执行机构的“工业生产过程控制系统”。 在现代工业生产中，为了实现各种不同生产工艺过程的要求，要求使用各种各 样的生产机械。电动机拖动生产机械运转叫做电力拖动。电力拖动，是电动机将电 能转换为机械能的过程，是当代各种生产活动最基本也是最先进的形式。这好似新 型的电力代替传统而原始的人力或者畜力的历史必然，也是现代文明的标志之一。 电力拖动自动控制系统已经成为现代工业生产电气化及自动化的基础，而实现工业 企业的电气化和自动化对于提高产品质量、改善工人的劳动调节、增加工作可靠性 以及提高劳动生产率均有着重大的意义。 2 1 试验机系统的组成及工作原理 首先要了解“系统”的含义，所谓系统，是由相互制约的各个部分组成的具有 一定功能的整体。机电控制系统存在于各个领域，可以说是无处不在，而且种类繁 多、千差万别，但归纳起来，它们都是由五大要素组成，即计算机、传感器、机械 框架、动力装置及传动执行器组成，如下图2 - 1 所示。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究 北京邮电大学顷士学位论文 图2 - i 机电控制系统的五大元素 电机控制系统的五大功能如下图2 2 所示。 图2 - 2 机电控制系统的五大功能 机械装置主要是起到结构功能。机械是由机械零件组成的、能够传递运动并完 成某些有效工作的装置。机械由输入部分、转换部分、传动部分、输出部分及安装 固定部分等组成。通用的传递运动的机械零件有齿轮、齿条、链条、链轮、蜗杆、 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究 北京邮电大学硕士学位论文 蜗轮、带、带轮、曲柄及凸轮，等等。两个零件互相接触并相对运动，就形成了运 动副，由若二f 运动副组成的具有确定运动的装置称为机构。就传动而言，机构就是 传动链。 执行器主要是驱动功能和能量转换功能。执行器包括以电、气压和油压等作为 动力源的各种元器件及装置。例如，以电作为动力源的普通直流电动机、直流伺服 电动机、比例电磁铁、电磁粉末离合器n 动器、电动调节阀及电磁泵等；以气压作 为动力源的启动电动机和气缸；以油压作为动力源的液压电动机和液压缸等。 传感器有检测功能。传感器是从被测对象中提取信息的器件，用于检测机电控 制系统时所要监视和控制的物理量、化学量和生物量。大多数传感器是将被测的非 电量转换为电信号，用于显示和构成闭环控制系统。 计算机主要起到控制功能。机电控制系统的核心是控制，机电控制系统的各个 部分必须以控制论为指导，由控制器( 即计算机) 实现协调与匹配，使整体处于最 优工况，实现相应的功能。目前，机电产品、机电系统中控制部分的成本已占总成 本的5 0 或超过5 0 。 本系统的实现是：直流伺服电机、增量式编码器、减速器、直流电源、计算机、 伺服控制器、皮带、齿轮、滚珠丝杠、机械框架、夹具、力值传感器等，主要分为 三部分：自动控制系统，机械传动部分和材料实验应用软件。 2 2 高精度直流伺服控制系统 当今的伺服控制系统技术是微电子、电力电子、计算机、信息处、通信、监测、 过程控制、伺服传动、精密机械及自动控制等多种技术相互交叉、相互渗透、有机 结合而成的一种综合性技术。伺服控制系统的核心是直流伺服电机控制，因此，常 将伺服系统称为机电控制系统。机电系统强调机械技术与电子技术的有机结合，强 调系统各个环节之间的协调与匹配，以便达到系统整体最佳的目标。就机电控制技 术所应用的制造工业而言，已由最初的离散型制造工业，拓宽到连续型流程工业和 混合型制造r _ 、j k 。应用机电控制技术就会开发出各式各样的机电系统，机电系统遍 及各个领域。 2 2 1 直流伺服电动机 伺服电动机是自动控制系统中作为执行元件用的直流电动机，其基本结构及内 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 部电磁关系均和一般工业驱动用的直流电动机相同。它将输入的电压信号转变为转 轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速 与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。根据使用电源的不刮，伺 服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两类。直流伺服电动机输出功率较 大，功率范围为1 - 6 0 0 瓦，有的甚至可以达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较 小，功率范围一般为0 1 1 0 0 瓦。直流电动机的功能是将直流电能转换成机械能。 因此，它只是直流电机的电机的运行状态，所以我们平常所讨论的直流电机的感应 电势、电磁转矩等对它也完全适用。 直流电动机按励磁方式也可分为永磁式和电磁式两类。电磁式中又有自励式和 他励式。自励式根据电枢绕组与励磁绕组连接的方式不同又有并励、串励和复励式 三种。励磁绕组的连接的方法与直流发电机一样。励磁方式不同的直流电动机的运 行特性也不同。直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通 的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。 当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，直流电动机转动起来， 当其中的一个绕组断电时，电动机立即停转，故输入的控制信号，即可加到励磁绕 组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的 大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加 到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。磁场控制有严重的缺点( 调节特性 在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号) ，使用的场合很少。 直流伺服电动机进行电枢控制时，电枢绕组即为控制绕组，控制电压u 直接 加到电枢绕组上进行控制。而励磁方式则有两种：一种用励磁绕组通过直流电流进 行励磁，称为电磁式直流伺服电动机；另一种使用永久磁铁作磁极，省去励磁绕组， 称为永磁式直流伺服电动机。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位沦文 u f - f 土i 图2 3 直流伺服电动机电枢控制线路图 直流伺服电动机进行电枢控制的线路如上图2 - 3 所示，励磁绕组接到电压恒定 为u ，的直流电源上，产生励磁电流i ，从而产生励磁磁通中。，电枢绕组接控制 电压u ，那么直流伺服电动机电枢回路的电压平衡方程式为： u 。= e 。+ j 。r 。 ( 2 - 1 ) 若不计电枢反应的影响，电机的每极气隙磁通中将保持不变，则： e 。= c 。中n ( 2 - 2 ) 电动机的电磁转矩公式为： t = c ，西1 。( 2 3 ) ( 1 ) 机械特性 由上面三式可得到电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式： n：羔一案t_n0_bt(2-4)c。中c 。c r 中2 ” 改变控制电压u ，而机械特性的斜率b 不变，故其机械特性是一组平行的直 线，如下图2 4 所示。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应h j 与研究北京邮电大学硕士学位论文 图：2 - 4 直流伺服电动机的机械特性 理想空载转速： u ， 2 布 机械特性曲线与横轴的交点处的转矩就是n = 0 时的转矩 堵转转矩t 。： 等虬 控制电压为u 。时，若负载转矩t ：_ t 。，则电机堵转。 ( 2 ) 调节特性 ( 2 - 5 ) 即直流伺服电动机的 ( 2 6 ) 调节特性是指在一定的转矩下电机的转速n 与控制电压u 。的关系。调节特性 也可由式( 2 - 4 ) 画出，如图2 5 所示，调节特性也是一组平行线。 1 6 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究 北京邮电大学硕士学位论文 图2 5 直流伺服电动机的调节特性 由调节特性可以看出，当转矩不变时，如t = t ，增强控制信号u 。，直流伺服 电动机的转速增加，且呈比例关系；反之，减弱控制信号u 。，减弱到某数值u ，直 流伺服电动机停止转动，即在控制信号u ，小于u ，时，电机堵转，要使电机能够转 动，控制信号u ，必须大于u ，才行，故u ，u 做始动电压。实际上始动电压就是调节 特性与横轴的交点。所以，从原点到始动电压之间的区段，u 做某一转矩时直流伺 服电动机的失灵区。由图2 - 5 可知，t 越大，始动电压也越大，反之亦然；当为理 想空载时，t = 0 ，始动电压为0 v ，即只要有信号，不管是大是小，电机都转动。 从上述分析可知，电枢控制时的直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线 性的，而且不存在“自转”现象( 控制信号消失后，电机仍不停止转动的现象叫“自 转”现象) ，在自动控制系统中是一种很好的执行元件。 作为执行机构，本系统采用的是永磁式( 亦他励式) 直流伺服电动机。在要求 高性能时，我们采用了小惯量直流电动机。采用直流伺服电机，则其传递函数仍可 表达成一个二阶环节岩三二一。由于在随动系统中电枢回路的电感很小，所 tt , s + 1 ：5 + 1 以电磁时间常数t 就很小，在一定条件下，可近似为一阶惯性环节，则传递函数就 成卫堡。 l 5 + 1 有刷直流电动机以它具有线性机械特性、宽调速范围、大起动转矩、高效率、 简单的控制电路等优点，在运动控制系统中得到广泛的应用。但它的电刷和换向器 带来了可靠性低、需经常维护等弱点。近2 0 多年来，由于大功率开关器件、模拟利 数字集成电路、高性能磁性材料的进步，采用电了换向原理工作的无刷直流电动机 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 得到长足进展。它从最初的宇航、军事设施应用领域扩展到工业和民用领域，应用 日益广泛。目前，小功率无刷直流电动机主要用于计算机外围设备、办公室自动化 设备和音响影视设备中，如软盘、硬盘、光盘的驱动，激光打印机棱镜驱动，复印 机、传真机、轻印刷机械、录像机、c d 机、v c d 机、摄像机、数控绘图机、小型 冷却风机等的驱动。近年来，在汽车电了方面出现了应用势头，在家用电器中的风 扇、洗衣机、空调器、电冰箱的应用也出现苗头。在工业控制领域，如数控机床的 进给伺服控制和主轴驱动，机器人关节驱动和自动生产线、电子产品加工装备上使 用各种小功率的无刷直流电动机。 无刷直流电动机迅速推广应用的重要因素之一是，近1 0 多年来功率集成电路的 技术进步。特别是无刷直流电动机专用的控制和驱动集成电路出现，它缓减了良好 控制性能和昂贵成本的矛盾。 无刷直流伺服电动机是电子技术和传统电机技术相结合的机电一体化的新型电 机。无刷直流伺服电动机的特点是： ( 1 ) 使用直流电源。 ( 2 ) 具有与有刷直流伺服电动机相似的机械特性、调解特性和工作特性。 ( 3 ) 必须具有电子换向电路。 ( 4 ) 各相电流换向时刻与转子位置无关。 通常无刷直流伺服电动机主要有电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路 组成。用晶体管开关取代有刷直流伺服电机的换向器和电刷，虽电机绕组进行电子 换向。无刷直流伺服电动枧的优点是： ( 1 ) 寿命长，可靠性高。 ( 2 ) 不必经常维修。 ( 3 ) 无电气接触火花、安全、防爆性好、无线电二f 扰小。 ( 4 ) 机械噪声低。 ( 5 ) 可工作于高空及其有腐蚀l 生气体的环境。 ( 6 ) 与电子线路结合，具有更大的使用灵活性。 无刷直流伺服电动机都为永磁式的，其控制方式可分成矩形波驱动和正弦波驱 动。无刷直流伺服电动机的结构型式很多，有一般结构型式，盘式结构型式，外转 子结构型式。转子位置传感器的种类繁多，目前，应用比较广泛的是电磁感应元件、 霍尔集成元件和无刷旋转变压器等。正弦波驱动的无刷直流伺服电动机，主要采用 无刷转变压器作为转子位置传感器。 直流电机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、 高精度自动控制系统在材料试验机巾的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能 可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。今年来，交流调速系统发展很快，然而 直流拖动系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟。 相比之下，交流在控制系统中有如下一些缺点：调速范围低，一般都是1 ：1 0 左右，在1 ：1 0 0 之内；整个控制系统一般是一个开环系统，其前端使用变频器来进 行控制，控制精度一般较低( 只是在软件上有简单的半闭环) ，其应用主要是食品、 纺织等精度要求较低的轻工业行业；另外电机其本身的一些机械特性也不如直流伺 服电机。一些大功率的交流电机一般用于轧钢机、龙门刨等中工业领域中。其控制 系统的控制对象为功率较大的负载，涉及到大功率电机的起动、制动、调速等问题， 以及电机本身与电网之间能量的交换。 此材料试验机的控制系统采用直流伺服电机自动控制系统。电机拖动控制系统 在许多实际工程领域都有应用，但是前几年在材料试验机这方面主要是采用交流电 机来进行控制。而我们的控制系统采用直流无刷伺服电机来进行控制，其优点如下： 直流伺服电机的机械特性优于交流电机，机械特性曲线硬；整个系统的控制环节较 少，这样可以减少外界的干扰，整个系统的各个控制环节之问的振荡也可以减小， 设计起来方便，节约成本。系统的性能在达到预期响应的情况下，结构设计的较为 简单，那么它的性能就相应稳定。位置控制精度高，响应速度快，运行稳定。整个 控制系统的内环直流无刷伺服电机闭环结构如图2 - 6 所示： 图2 - 6 直流伺服电机控制系统 将如上高精度直流伺服电机自动控制系统应用于材料试验机中，可实现两个关 键性功能。首先是整个材料试验机的速度控制。速度伺服放大器的作用是使电机保 高精度自动控制系统在材料试验机中的应剧与研究 北京邮屯大学硕士学位论文 持给定速度，且不受负载变化的影响。为此在伺服放大器内部，设定值( 期望速度) 不断的和实际值( 实际速度) 相比较。根据比较获得的误差调节伺服放大器的输出， 通过这种方式减小控制误差。这是一种闭环控制。其次是在试验当中试验材料的位 置控制。位置控制器不断的比较当前位置和目标位置，并将相应的纠正值传递给电 机，就像速度控制器一样。位置信号通常来自数字编码器。 我们所用的直流伺服电机是瑞士m a x o n 公司的产品。美国国家宇航局( n a s a ) 发射的“勇气号”火星探测器于2 0 0 4 年1 月4 日星期日中部欧洲时间上午5 时3 5 分成功登陆火星，第二辆火星探测器“机遇号”也于1 月2 5 日成功登陆火星。在这 两辆火星车中，每辆有4 3 套直流微电机组合作为驱动用部件，而这其中的3 9 套则 来自瑞士m a x o n 公司。该材料试验机采用的是m a x o n 公司e c6 0 6 0 m m ，b r u s h l e s s ，4 0 0 w a t t ，_ a p p r o v e d 直流伺服电机。该无刷电机采用电子换向，其优 秀的力矩运行特性，高性能，极宽的调速范围以及卓越的使用寿命晟引人注目。其 主要的技术特点如下： 无机械换向 长寿命( 仅受轴承寿命的限制) 无齿槽效应 在低电压下仍能有高速转速 借助m a x o n 绕组技术，能应用于特殊场合 散热性好，过载能力强 特性曲线基本为线性，控制性好 高效率 电气时间常数小、小电感 这就决定了此类微型直流伺服电机的应用领域非常广泛：半导体制造业e d p 、 无线电通信、s m t 装配机、进给装置；汽车制造业、可调试减震器、转速表；测量 及控制技术、精密天平、量具；航空航天、执行机构、联动系统；光学及精密机械、 自动变焦、水平仪、卷片机；自动检票机、贴标签机、读卡机；泵及呼吸器、血液 泵、轴流式气泵；医疗及实验设备、电池驱动设备、高精度定位设备、分析及透析 设备、微型泵；建筑工具、专业品质的不用电线的工具、打钉机、剪枝机；消费品、 家用电池驱动机器人；机械工程、机器人、手持设备、定位装置。 222 减速器 如果要获得更大的转矩和相对较低并且稳定的速度，就需要使用精密齿轮箱。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 由于齿轮的减速作用，输出速度会减小而输出转矩会变大。 减速器对控制系统的工作有重大影响，减速器速比的选择和分配将影响到系统 的惯性矩，并影响到快速型。考虑到减速器的输入量为执行电机的转速n ，其单位 一般为r m i n ，而输出量应为机械转角0 。( 。) ，若时间t 以s 为单位，则 e 。= 片。等严( 2 - 7 ) 取上式的拉氏变换， 0 。( s ) = 6 n ( s )( 2 _ 8 ) 所以减速器的传递函数可表示为 w 。( s ) ：_ 6 ：一k g ( 2 - 9 ) 式中k 。= _ 6 为减速器的放大系数。 这样，把转速与转角的关系包含在内，减速器可以当成一个积分环节，其动态 结构框图如下图2 7 所示。 图2 7 减速器的动态结构框图 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮屯大学硕士学位论文 223 霍尔传感器 霍尔元件以及磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻元件( m r ) 及其集成电路都是 磁敏传感元件。它们除了做磁场检测传感器之外，还借助磁场作为中介，用于电流 的检测，以及在运动控制系统中作位移、物位、速度等机械量的检测，在无刷直流 电动机、交流伺服电动机和开关磁阻电动机中作转子位置检测用。 霍尔元件是利用半导体材料在磁场中的霍尔效应原理工作的。霍尔元件是一种 四端元件，两端是电流端，另外两端是电压端。当从电流端流过控制电流1 ，垂直 于元件表面施加磁感应强度为b 的磁场时，在电压端产生霍尔电压v 。，表示为 v h = k h i b 式中k 。一一灵敏度系数，【m v ( m a d 】，它与所用材料性质及几何尺寸、温度等有 关。 常见霍尔元件采用的半导体材料有砷化镓( g a a s ) 、锑化铟( 1 n s b ) 、砷化铟 ( i n a s ) 、锗( g e ) 和硅( s i ) ，它们在灵敏度、直线性、温度系数及价格方面各有 差异。例如，g a a s 有线性度好、温度系数小、频率特性好等特点，但典型工况下 输出霍尔电动势较低。而i n s b 的输出霍尔电压高( 是g a a s 的5 - 6 倍) ，价格低， 但受温度的影响较大，工作温度范围较窄。 霍尔元件已用来制作霍尔自整角机、霍尔旋转变压器、霍尔直流无刷测速发电 机、霍尔无刷直流电动机、霍尔直流力矩电动机等新型控制电机。在电动机控制用 变流器、逆变器或变频器电路中，电流的测量与控制，对电力电子器件过电流保护 和d i d t 的保护，近年来普遍采用了霍尔电流传感器。利其他形式的电流传感器相 比，其特性是与主回路隔离，对主回路参数几乎没有影响，不损耗主回路功率，响 应时间快( 达功s ) ，频带宽，过载能力强，体积小，安装使用方便。此种电流传感 器是基于磁场伺服平衡原理工作的。它是由一个聚磁作用的开口磁环、绕在其上的 二次线圈、在开口处放置的霍尔元件和一些电子电路组成的。该电路包括放大器和 推挽输出级。被测电流( 1 。) 导线穿过磁环，电流产生磁场聚集在霍尔元件上，霍 尔电压经放大在二次绕组上产生补偿电流i 。，此电流产生的磁场与主电流磁场平 衡，完成一个反馈闭环控制。这样，霍尔元件只起了一个指示零磁通的作用。用一 个合适阻值的电阻r 。串接到二次绕组中，测量电阻上的电压降，既能反映主回 路的电流。它是一个有源的测量模块，需要施加1 5 v 直流电源。本系统采用霍尔 传感器，其霍尔传感器配线图如下图2 - 8 所示： 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 2 2 4 增量式编码器 图2 - 8 霍尔传感器配线图 本系统是一种数字式编码控制系统。在这种系统中，给定是二进制数字信号。 检测元件是光电编码，借助于转换电路得到二进制码信号，二者联合构成“角度 数码”转换器或者“线位移数码”转换器。它的输出信号与数码信号同时送入 计算机进行比较并确定误差，按一定控制规律运算后( 本系统中采用p 1 d 运算) ， 构成数字形式的校正信号，在经数模转换变成电压信号，作为速度控制器的给定。 光电编码器可直接将角位移信号转换成数字信号，它是一种直接编码装置。和 旋转变压器一样。它常用于数控机床中装在旋转轴上构成半闭环系统。按照编码原 理划分，有增量式和绝对式两种光电编码器，本系统所采用的是增量式编码器。增 量式编码器实际上是一个光电脉冲发生器和一个可逆计数器。在光电脉冲发生器圆 盘上刻有节距相等的窄缝，另外还有a 、b 两组检测窄缝群( 如下图2 - 9 a ) ，节距同 1 前，但两组检测窄缝与圆盘上窄缝的对应位置错开二节距，其目的是使a 、b 两个光 4 电变换器的输出信号在相位上相差9 0 。圆盘与被测轴相连接，而两组检测窄缝静止 不动的。当被测轴转动时，两个光电变换器就输出相位相差9 09 的两个近似正弦波， 如图2 - 9 b 所示。在经过简单的电路处理，可得到相应的脉冲信号。当圆盘正转( 如 图中箭头所示) 时，信号b 超前信号a 9 0 。，逻辑电路f 端输出脉冲信号：圆盘反 转时，信号8 超前信号b 9 0 。，逻辑电路g 端输出反转脉冲信号。若将这些脉冲信 号送给可逆计数器进行累计，就可测出轴的旋转角度。 高精度自动控制系统在材料试验机中的应用与研究北京邮电大学硕士学位论文 图2 - 9 增量式光电编码器的工作原理 a ) 结构原理b ) 输出波形 数字增量式编码器有如下特点： 适用于相对位置信号定位系统 旋转方向判定 单位时间内的脉冲数可用来确定速度 适用范围广 带霍尔传感器的磁原理 在磁原理里，电机轴上安放一小的多极永磁体，由霍尔传感器记录磁通量的变 化并反馈回电路做为a 通道和b 通道。 高精度自动控制系统在材料试验机