（通信与信息系统专业论文）转台伺服系统的设计与实现.pdf

硕士论文 转台何服系统设计与实现 ab s t r a c t s e r v os y s t e m h a s b e e n a p p l i e d i n . a n y d o . a i n s . i t s e s s 即t i a l r o l el i e s i ne x e c u t i 雌 t h ei n s t ruc t i o n sf r o 口u dpe rc o n t r o ls y s t 胭，s oas t or e a l i z e t h ee x act t r ackt ot h ep o s i t i o ne x p e c t e d .i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，a t ， o-d i men s i o na1 d i g i t a 1 s e r v o s y s t e m b a s e d o n t m s 3 2 0 l 咫4 0 7 a d s p ，a5 d e s i g n e dandi 呻l e 口 e n t e df o ri .g et r a c k i n go rl 娜 t e s t i n g . 工 n畔 d i s s e r t a t i on，t h ec o 田 p o s i n gandt h e oryo fs e r v os y s t e .聪5 e l abo r a t e d ，ands e tup t h e阳t h e 够t i c s咖d e lo f，ho l es y s t 印，t h e n c o m p l e t e dd y n 胡i cana l y s i sandt h es i mul a t i o no fi t . on t h eb a s eo ft h es i mul a t i o n ，t h es o f t 份 area n dh ard w a r eo fs e r v o s y s t 阴 贾 e r ed e s i g n e d .h a r d war ei n c 1 u d e ds i g nalg e n e r a t o ro fr e s o 1 v e r t r ans 口 i t t e r ， r e s o l v e r 一 d 主 g i t a l t r a n s m i t t e r ，t h ed r i v e ro ft h es i g n a lfr咖 d s p贾 h i c hu s e dt oc o n t r o lt h em o t o r .s o f t war ei n c l u d e dg e t t i n go ft h e c o ars ea n df i n ec o d eandc o m b i n i n go ft h e 叭 t h ed i g i t a lp i dc ont r o l l e r ， o u t p u t t i n go fp 粗. f i n a l l y ，b a s e d on t h e s o f t ， are and h ard 帕r e ， j o l n e d贾 i t h t h e ari t 恤e t i co fp i da n dadj u s tt h ep ar明e t e ro fp i d .介叨 t h eu l t i mat e a n a l y s i s ，i t， a sa p p r o v e dt hatt h es y s t em s a t i s f i e dt h er e q u e s t . key ， o r d s : s e r v o s y s t e m r e s o l v e r t r ans m i t t e r dsp p 毗p i d u 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文 转台何服系统设计与实现 1 绪论 1 . 1 论文研究背景及意义 在现代化的工业生产和科学实验过程中， 对诸如压力、流量、 温度、液向高度、 机器执行部件的位置与速度等物理参数的控制; 在一些军用武器中， 对诸如雷达天线、 导弹发射架以 及火炮的方位角与俯仰角等参数的 控制; 对空间飞行器的姿态以 及轨道 参数等的控制， 所有这些都需要借助于自 动控制系统来实现。 因而，自 动控制系统已 经成为现代化工业生产、 科学实验过程以及一些兵器中重要的， 且往往是不可缺少的 一部分。 本文设计伺服系统主要用于研究图像跟踪和惯性单元测试. 现代化生产的水平、产品的质量和经济效益等各项指标， 在很大程度上取决于生 产设备的先进性和电器自 动化与信息化的程度。 机电一体化技术是随着科学技术的发 展， 生产工艺不断提出新的要求下而迅速发展的。 在控制方法上。 主要是从手动到自 动; 在控制功能上， 从简单到复杂: 在操作上， 由笨重到轻巧. 电力电 子技术的进步， 微机技术的应用和新型策略的出 现，又为电器控制技术的发展开拓了 新的途径。 机床工业是工业化国 家经济发展的基础行业。 机床是用来制造一切机械化的机 器。 数控机床是以 数控技术为代表的新技术对传统机械制造业渗透而形成的机电 一体 化产品， 它的技术范围 包括机械制造技术、自 动化制造技术、 伺服驱动技术、 信息处 理技术及传递技术、 监控检测技术以 及软件技术等。 数控机床的使用给制造行业带来 了 一场重大的革命， 它满足了人们对高制造水平的追求和对高生产率的期望。 近年来， 随着新产业和新技术对机械加工所产生的冲击， 数控机床正朝着高速度、 高精度、 绿 色化、高柔性华、智能化以 及模块化、复合化方向飞速发展。 伺服系统 接受 来自c n c( c o m p u 而双 月 n u m eri喇c 冶 n 住 o 1 ) 装置的 进给脉冲， 经 变换和放大， 然后去驱动各加工坐标轴按指令脉冲进行运动。 这些轴有的带动工作台， 有的带动刀架， 通过一个或多个坐标轴的综合联动， 涉及各轴上运动速度的调节， 以 一定的加减速曲 线来进行运动， 使刀具相对于工件生产各种复杂的机械运动， 加工出 所要求的复杂形状工件。 进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节， 是数控机床的重要 组成部分。 它包含机械、电 子、电 动机等各种部件， 并涉及强电与弱电的 控制， 是一 个复杂的 控制系统。而伺服系统的动态和静态性能决定了 数控机床的最高运动速度、 跟踪及定位精度、 加工表面质量、 生产率及工作可靠性等技术指标。 数控机床的故障 也主要出 现在伺服系统上。 所以， 提高伺服系统的技术性能和可靠性， 对于数控机床 硕士论文 转台伺服系统设计与实现 具有重大意义， 研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之j气 1 . 2 伺服系统的发展 伺服系统 ( s eryo syst e m ) 是自 动控制系统中的一种。 它是伴随电的应用而发展 起来的， 最早出现在20 世纪初。伺服系统控制技术的发展，一方面是生产需求的激 励， 尤其是军事的需求: 另一方面也与控制器件、 执行机构和功率驱动装置的发展信 息相关。1 934 年第一次提出了 伺服机构 ( s e r v o m e c 肠 画 sm) 这个词，1 9 44 年第一个 伺服系统诞生， 第二次世界大战期间 对伺服系统提出了 大功率、 高精度、 快速响应等 一系列高性能要求， 20世纪50一 60年代电液伺服发展日 夜完善， 70年代以来电力电 子技术以 及新型电 机控制技术p w m ( 脉冲宽 度调制技术) 促进了电 气伺服系统的发 展。 我国的转台研制工作起步较晚， 开始于七十年代，比美国晚二十年，由于国家的 重视， 经过广大科研工作者的不懈努力， 发展非常快， 与世界先进水平的国家差距越 来越小， 在1 9 74年成功的研制出了一台低速转台。 虽然我国转台 研制水平发展很快，还应该注重以下几个方面的投入和发展: ( 1) 加大转台研制的系统化和理论化，从而为今后转台的研制和使用提供充分 的理论基础。 (2) 加快转台 研制的产品化进程，使之具有批量生产的能力。 只有使转台 产品 化，并引入质量认证机制，才能有效解决现在转台运行可靠性差的问题。 (3) 加强与转台 研制密切相关的 技术和理论， 例如精密机械、传感器件、驱动 设备等方面的研究。 这样， 随着我国工业总体水平的进一步提高， 我国转台的研制工 作定会处于世界前列。 目 前伺服系统的发展以 数字化、 集成化、 智能化为特征， 现代伺服控制技术及其 系统特征可以概括为: 全控型电 力电 子器件组成的p w m技术在伺服功率驱动中得到广泛应用。 微处理器特别是d s p( 数字信号处理) 在伺服系统中的应用， 使得现代化控制理 论逐渐实现工程实用化。 各种伺服控制元件向 着集成化、 数字化、 模块化、 智能化以 及用计算机控制的方 向发展. 伺服系统的可靠性设计及其自 诊断技术伴随着系统功能、 性能以 及复杂程度的升 级引 起人们的普遍重视 伙 士论转台伺服系统设计与实现 1 . 3 伺服系统及其基本构成 伺 服 系 统( 歇 ” “y st e m ) 亦 称随 动 系 统， 属于自 动 控制系统 的 一 种， 它用 来控 制被控对象的转交 ( 或位移) ，使其能自 动地、 连续地、 精确地复现输入指令的变化 规律。 它通常是具有负反馈的闭环控制系统， 有的场合也可以用开环控制来实现其功 能。 伺服系统的种类很多， 组成状况和工作状况多种多样， 可简单地用图1 . 1 来表示 它的组成。 它有检测装置， 用来检测输入信号和系统的输出， 有放大装置和执行机构， 为使各部件之间有效地组配和使系统具有良 好的工作品质， 一般还有信号转换电 路和 补偿装置。 这里仅指信息在系统中传递所必经的各个部分。 此外，以上各个部分都离 不开相应的能源设备、 相应的保护装置、 控制设备和其他辅助设备。 伺服系统的输出可以是各种不同的 物理量，本文将结合机械运动控制中的问题， 如速度 ( 包括角速度) 控制、 位置 ( 包括转角) 控制和运动轨迹控制， 讨论各种速度 伺服系统和位置伺服系统 ( 亦称随 动系统)的原理与设计问 题。 图11伺服系统的组成 从系 统组成元器件的性质看， 有电 气伺服系统， 它的全部元、 器件由电 气元件组 成; 有全部由 液压元件组成的液压伺服系统; 有两者相结合的电 气一 液压伺服系统、 电 气 一 气 动 伺 服 系 统 15 ， . 气 从控制方式看，伺服系统不包括单纯的开环控制，而具有以 下几种类型，如图 1 . 2 所示: (a)按误差 控制的系统( b) 按误差和扰动复合控制系统 (c) (c)模型跟踪系统 图1 . 2伺服系统的 基本控制方式举例 转台伺服系统设计与实现 1 . 5 本论文的主要工作及预期达到的目 的 本文主要工作有:系统方案的设计与论证、系统硬件电路的设计与实现、 软件 设计与调试以 及调试出 满足系统性能要求的p id参数。 系统方案的设计与论证: 根据图 像跟踪的 精度和性能要求制定系统性能 指标。 论文采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 o 7a 控制系统， 它能够满足系统高速、 高 精度要求。 主要包括系统方案的设计、电 机模型 的 建立、 伺服系统动态分析，并通过k 口 d j l a b的数学仿真， 验证系统的可行性。 这些将在第二章进行详细说明。 系统硬件电路的设计与调试: 硬件的核心部分是数字控制器t m s 3 2 o l f 2 4 o 7a的熟练应用: 其次是熟悉用于角度 反 馈的旋转变压器的工作原理， 并且能够将其输出的模拟信号数字化。 本文采用集成 r jd转换芯片 ( a d z s 8 3) 对旋转变压器输出的信号进行解调， 这款芯片有 16位的高 精度数据输出，以及旋转变压器的励磁信号发生器;然后设计p wm信号驱动电路， 采用集成电机芯片作为 p wm 信号驱动电路;最后是将这些硬件模块组合在一起调 试。这部分内容会在第三章详细说明。 软件设计与调试: 这部分首先是用t m s 3 2 o l f 2 4 07a 在其开发环境c c sz. 2 中 进行程序调试:其次是 定时的数据采集，对旋转变压器粗精通道数据融合并进行误差处理:以及学习 pid 控制算法并用 c 语言实现;然后用dsp 输出p 侧 信号控制电 机定点运动;最后整调 p id参数， 使系统能够满足设计要求。 最后还对设计的伺服系统进行性能测试。 经实际调试， 本文所采用的芯片和设计方案是正确的， 系统运行可靠， 加上p id 控制后， 系统定点运动性能好、精度高， 满足系统设计要求。 硕士论文转台伺服系统设计与实现 2 伺服系统分析与综合 伺服系统是一种闭 环跟踪系统， 其输入通常为模拟的或数字的电的 参考信号， 输 出 是机械位置或机械位移。 它的主要性能要求是， 输出尽量不失真地复现输入参考指 令信号的变化。 如果输入和输出都是机械位移或转角， 伺服系统又称为随动系统。 伺 服系统主要用于受控机械系统的运动控制，是机电一体化系统或产品的主要部分。 2 . 1 伺服系统基本方案 2 . 1 . 1 模拟式伺服系统 在模拟式伺服系统中， 传递的信息形式都是模拟量， 即连续时间函数。 一个经典 的模拟式伺服系统原理方块图见图2 . 1 。位置传感器 ( 旋转变压器) 检测输出轴的实 际位置， 并产生位置反馈信号。 位置反馈信号与位置指令信号按幅值相比 较， 其差值 送给位置控制放大器后， 产生速度指令信号。 速度指令信号与测速发电 机的速度反馈 信号相比 较， 得出 速度误差信号。 然后， 速度误差信号送入速度控制放大器， 再经功 率放大后用来驱功伺服电 动机， 向 减小位置误差信号的方向转动， 直到位置误差信号 为零， 伺服电 功机、 测速机及位置传感器同轴安装，该系统为半闭 环系统。 位置控制放大县谊度控制放大器 伺服电动机 图2 . 1模拟式伺服系统结构 2 . 1 . 2 参考脉冲系统 参考脉冲系统与模拟式伺服系统不同。 它能够直接接收计算机生成的数字脉冲作 为参考输入。 误差信号不是由 两个模拟量求差形成的， 而是由 参考输入脉冲和反馈信 号脉冲之间的 频率或相位之差形成的， 因此被称为参考脉冲伺服系统。 又由于参考输 入脉冲具有相位一 频率调制形式， 所以 又称为脉冲相位一 频率调制系统。 参考脉冲伺 硕士论文转台伺服系统设计与实现 服系统在许多数控设备( 如数控机床、工业机器人以及低速转台等领域已 经获得非常 广泛的应用) 。 根据反馈测量传感器的类型不同， 参考脉冲系统的构成方法也有所不 同。 其中包括光电 编码器和旋转变压器反 馈测量元件的 两种类型的参考脉冲系统。 2 . 1 . 3采样一数据系统 采样一 数据系统采用微处理机控制. 换句话说， 微处理机直接参与了闭环控制， 因 此， 又称为计算机控制系统。 它的一般原理结构图 如图2. 2 所示。由 于微处理机处 理数字形式的信号， 而受控对象通常为一个具体的 连续物理过程， 所以， 二者之间必 须通过 a i d转换器才能 进行数据交换。受控对象包括伺服放大器、 伺服电动机、 机 械传动部件及受控机械。 数字控制器是微处理机系统， 它包括中央处理单元 ( c p u ) 、 存储器( r o m ，r a m， epr o m) 、 数字f o 、 户 以 d 、 d z a 、 通信接口以 及显示器与键盘等。 上位机来的参考输入指令通过通信接口送入微处理机，同时，微处理机还通过 a 了 d 接口 采集系统输出 过程的反馈信号， 经过控制规律运算后， 通过 d /a 接口 供给执行 机构， 驱动受控机器运动，从而组成闭 环控制系统” 01. 图2. 2计算机控制系统 2 . 2执行电 机的 选择 已 知 : 转 台 平 稳 跟 踪 角 速 度。 ， 为10 20 15 转 台 跟 踪 角 加 速 度 为、 为60 / 尹 转台 静 态误差e ， 小于0. s= 0. 09rad 硕士论文转台伺服系统设计与实现 转台过渡时间 小于15 本系统采用北京敬业电 工有限公司的永磁式直流力矩电动机7 0 l y 5 3 ， 具体电 机参 数如下: 峰 值 堵 转 力 矩 场 二 。 .6 37 n . 二 峰值堵转电 流 几 配 = 2. 2 6 注 峰值堵转电压 叽 = 27v 峰 值堵转功率 61w 最 大空 载转速n .= 咧 沁 r / m 运 连续 堵转力矩 场 二 0. 3 4 33n ， m 连续 堵转电 流 与 = 1 .22a 连续 堵转电 压 u 。 = 14 .5 v 连续堵转功率 1 7. 7 w 反电 势系数q= 0. o 2 9 5vl( ， / m in ) 电 枢 转 动 惯 量j ， = 1 4 7 、 1 0 一 ， 啥 m z 电 磁时间常数不= 2. s ms _，一一。 u_2 7 理 想空载转速。 ， = 共 笋= ， 共，二 9 1 5 ; / 面。 qo . 0 2 9 5 电 机 自 身 摩 擦 力 矩 几 一 丛(nto: 、 ) -(91 5 一 9 0 0)= 0 .o i n 珑 对 应uc= 1 4. 5 v 时电 机理 想 空 载 转 速no二 49 1 .3 r/ m in 已 知 转 台 平 动 方 向 的 质 量 约6kg， 转 动 惯 里 jc为0. 02 6 7k g . 扩， 转 台 滚 转 摩 擦 系 数卜0. 00 2 ， 转台 半 径为0. “ 腼 ，则 平 动 方向 摩 擦力 矩tc 约为。 .0 gn. m . 所以电机轴上承受的总负载为 瑞 = (tc + 二 ) + 告 (j. + 、 )、 (。 09 + 0 0 1) + 合 (” ，02 6 ， + ，4 ， ( 2 . 1 ) x l o 一 5 ) z x l = 0 ， 1 万 m 由 瑞 和q ， 可以 得到电 机等效工作点a ， 显然该电 机带 动转台 长时间 运行时， 电 机的 发热和温度的提高不会超出电 机允许的范围。 根据系统动态要求看，系统开环截止频率 硕士论文 转台伺服系统设计与实现 典， ( 6 一 1 0) l t. = 6 1 01 1 才 而7 0 l y 5 3 所能提供的频率 叭 = 恤二皿 二望 = 2 3 . 1 41 1 ， 气( jc十 j.) 显然满足叭之 1 月 山 云 ， 则 认为70ly53作 执行电 机满足系 统要求. 由 于转动方向的质量和半径都比 平动方向小的多，因此肯定也是满足的【 气 2 . 3 直流电机工作原理和数学模型 根据图2. 3 直流电动机的等效电路，可以得到直流电动机的数学模型。 电 压平衡方程如下 101 川 : 二 一 二 、 ra 、 + 、 鲁 ( 2 . 2) 式 中 矶 电 枢 电 压 ; 几 电 枢电 流; ro 电 枢电 路总电 阻: eo 感 应电 动 势; 几电 枢电 路总电 感; 图2. 3直流电 动机等效电 路 其中感应电 动势为: 凡=凡 口 式中 凡 感 应电 动势 计 算常 数; 口 电动机转动角速度; 直流电动机的电磁转矩为: 几 = kt io ( 2 . 3 ) ( 2 .4 ) 硕士论文转台伺服系统设计与实现 转矩平衡方程为: 二 一 : + j 夸 ( 2 . 5 ) 式中j 几 折算到电动机轴上的转动惯量: 电动机的电磁转矩: 乙 负载转矩: 口 电 动 机角 速 度: 凡 电 动机转矩系数; 根据公式 (2.2 ) (2.5 ) ，直流电动机的动态特性由下列方程组描述: 二 (。 二 ; (t)+ ralo(t) 十 lo 争 ( 2 . 6 ) ea(t ) ，k 。 口 (t ) ( 2 . 7 ) 几(t)， k : 10(t) ( 2 . 8 ) 几(t)=兀(l)+ j 口 山 (t ) 改 +8 口 (t ) ( 2 . 9) 式中 ， b为等效 在电 动机 轴上的 粘 性阻 尼 系数;写 (t)为电 动 机阻 转矩与 负 载转 矩 之 和。 其余参数和变量与前面相同。 将方程组 (2.6 ) (2.9 ) 拉氏 变换后， 可得下列 代数方程组: 玩(s) = eo(s ) + 凡10( 5)十 laslo(s ) eo(s ) =凡 q ( j ) ( 2 . 1 0 ) 屯(s ) ， 戈10 (s ) 几(s) = b 口 闭+ 山 幻 (s)+ 几(s) 由 上列代数方程组 (2. 1 0)， 可画出 等价的 传递函数方块图，如图2 .4所示。 通 过 方 块图 简 化， 削 去 中间 变量， 可 得到以 电 枢电 压玩(t)为 输入 变量， 电 动机 转速山 (t) 为输出 变量的传递函数: 三 空 上 = 戈 矶(s ) l 。 而 2 + ( l o b + r 。 刀 5 + rub + 凡kt ( 2 .1 1 ) _l _二_ ， . _、_ 。 _、 ， 份儿 =二二甩叨刁 甩姆盯1 司幂双 吕 大 o 硕士论文 转台伺服系统设计与实现 t- 、 婴 一 电 动 机 机 电 时 间 常 数 ; 一入， 人 机械系统时间常数。 矶(s ) 台 流1迎 石 厅+b 一 一一 巴叮一一 图2. 4直流电动机传递函数方块图 代入方程 ( 2.1 1 ) ，可得 从， 玩 “ ， : ; 一 + 誉+ ; ) + 令 + ， ( 2 . 1 2 ) 若忽略电枢电 感及粘性阻尼系数，则直流电动机的传递函数可近似为 、 ) = 瓜 矶(s ) 几5 +l ( 2 . 1 3 ) 电 机的 反电 动势 常 数k.“ 9. 55q= 9. 5 5 、 0. 02 95、 60= 17犷 5 ， 它的电 磁转 矩常 数 则凡 = 1 7( n， m)/ a ， 即凡在 数 值 上 等 于凡， 只不 过 在 量 纲上 不 同 . 一， 二_ ， ， _j_ l _ 甩刁 甩似 盯 ! 用不弱 沉了 1 =二 于 二 争= 式。 人 t 则la= 30 从 h 丝 2 二 玉 . = 2 .5 、 1 0 3 5 1 7. 1 4 、 一 会 = 蠢 = ，” ( 2 . 1 4 ) t. 二凡j k.kt 1 2x00 267 二 二 一1 别 1 7 x l 7 4 . 1 言( 2 . 1 5 ) 3 0 x l 0 刁 二二 一二 二 l 2 2 . 5 x 1 0 一 了( 2 . 1 6 ) 系统粘性阻尼系数为0. 01， 则 平 动 方向7 0 l y 5 3 为执行电 机转台的 综合模型应该为 硕士论文 转台何服系统设计与实现 以 。 =茂 uo 。 ， 二 52+ 臀十 ; )s 十 令 + 1 1 . 4 1 留二 . . . . . . . . 目 . . . . . . . 0 . 0 045 2 + 1 . 6 1 7 5 + 1 1 . 4 1 臼 一 1 一 6 2 5 +1 ( 2 . 1 7 ) 同 样转动方向，以70l y 5 3 为执行电 机转台的综合模型应该为 以5 ) 矶(s ) 1 . 4 1 二 二 一 0 . 0 65 +1 ( 2 . 1 8 ) 2 . 4 伺服系统的动态设计 由一般的伺服系统结构图， 可以 得出平动方向伺服系统动态结构图， 如图2. 5 所示: 图中 在设计中， 图1 5伺服系统动态结构图 g l (s ) 角 度调节 传递函 数 02( 5) 角 速度 环调节器传 递函数 角速度 环反馈 系数k l = 0 . 1 减速比k4=1 功放系数ks= 4 .4 将整个平台的圆周划分为0 3 6 0，而只 刃 转换器是16位，其输出 为0 6 5 536 ， 对应3 60一 周， 其最小分辨率为1 9，1， 将得到的值再除以1 82，从而使 得角度环反馈系数kz= 6 5 5 3 6 3 6 0 xl 8 2 硕士论文转台伺服系统设计与实砚 2 . 4 . 1角速度环调节器设计 取角 速度环剪切 频率为气 = 1 00 1 肠， 可 将角速度环预期开 环传 递函 数校正 成: 一 ，、k 0，t sj = 5 ( ts+ 1 ) ( 2 . 1 9 ) 该传递函数由 放大环节、 积分环节和惯性环节组成，由 于t 一般很小， 则在算 该传递函数剪切频率时可以 忽略惯性环节，于是: l(w)= 20lg k一 2019 气 “ 0 由 上式可得k =气 = 1 00 1 15 一 般取阻 尼比寸 = 0. 7 07， 则式 (2 . 19) ，。 ，、k 0，( 占j = 5 ( ts+1 ) 可写成 k / t : 衬琦/ r ( 2 . 2 0 ) 典型的二阶系统结构图系统开环传递函数为 g z ( 5 ) = 气2 5 + 2 扣* 5 ( 2 . 2 1 ) 由 式 。2. 20 。 、2二 ， 可 知 ， 争 二 帝 2 则t k =0. 5 ，所以t 二0. 0055 由 此可得角速度环预期开环传递函数为 g z ( 5 ) = kl 0() 战 乃+ 1 ) 5 ( 0 . 0 0 5 5 + 1 ) ( 2 . 2 2) 由此可得角速度环调节器传递函数为 仇(s) = 1 0 0 ( 1 . 6 2 5 + 1 ) 1 .4 1 5 ( 0 0 0 5 5 + 1 ) ( 2 . 2 3 ) 考虑工程实现问题，取 g z ( 5 ) = l 0 0 0( l ，6 2 5 + 1 ) 1 .4 l x 4 .4 (l .2 5 + 1 ) ( 0 .0 0 5 5 + 1 ) ( 2 . 24 ) 对应的闭环传递函数为 仇(s ) l 0 6 x l o ， 5 2 + 0 . 0 1 5 + 1 l 0 侧一 00 1 5 +1 ( 2 . 2 5 ) 硕士论文 转台伺服系统设计与实现 2 . 4 2角度环的校正设计 转台 最 大 跟踪 角 速 度q ， 为20 l， 转台 最 大 跟踪 角 加 速 度为为60. /s 2 二 1 11 护， 转台 静态 误 差e 。 小 于0. 5= 0. oorad 设系统等效正弦输入为 只 (t)= 凡sin心t( 2 . 26) 则有 乓 (t)= 凡巧sin( 心t 十 90，)(2. 2 7) 碑 (t)二 戈心 z sin巧 ，(2 . 25) 由 q ， = 气 %， 5.二 氏 心 2 得 心， 气/ 0 ， 二 60/ 2 0 = 31 1 5 久= 0 ， 之 1 = 2 0 2 / 6 0 = 6 .6 7 系统静态误差小于0. 5， 当系统输入为等效正弦时， 稳态后系统的跟踪误差也为 同频率的正弦信号，即 e( t ) “ 凡s in 叱t ( 2 . 2 9 ) 于是，有 、 = 斌翩人 ( 2 . 3 0 ) 式中，兔u %) 为系统预期开环频率特性，由于巧处在系统低频段，故有 隔u % ) 对 。 所 以 凡 “g 群u心)氏( 2 . 3 1 ) 欲使系统满足给定的正弦跟踪误差指标，即 凡 ，乌 u心)久 e .( 2 ， 3 2 ) 则有 隔仃 % )iz 生= 气 2 0 x2 0 60 x0 . 5 =1 3 . 3 ( 2 . 3 3 ) 上 式 是 系 统 在心处 对 应 满 足的 幅 频 特 性， 称为 精 度点a 。 对上式取对数，有 20 叫 garu % 月 之 40 坛 。 一20 1g e.一 20 19 二 2 0 1 9 1 3 .3 =22 .5 ( 2 . 3 4 ) 硕士论文转台伺服系统设计与实现 当 e.不 变 ， 久下 降 10 倍 时 ， 巧上 升 10 倍 ， 20 喇 garu % 月 下 降 4 0d b ld ec ; 当 久 不 变 ， 5. 下 降 10 倍 时 ， 巧下 降 1 0 倍 ， 20 lsi garu % )l 上 升 10db/dec ， 故 在 a 点 的 左 右 两侧分别是以 直线一 z o d b / d ec、 直线一 4 0 d b / d ec和精度点 人 构成了 伺服系统精度界线 。 只要气 (s ) 的 对数幅 频特性不 进入这 个区 域， 就能 保证系 统跟踪等效正弦误差不大于 0. 5的要求。 已 知执行电 机所能提供的 带宽叭= 23. 14 11 5 ， 在图 26 上通过叭画一条斜率为 一 4 0 db/ d e c 的直线， 这就是系统的饱和限制线， 希望特性只能在这个饱和界限 之间画 出 . 以 典= 2 0 11 5穿 o db 线， 两 端 分 别 与 精 度 界 限 饱 和 界限 相 交， 从 而 中 频 段 频 率 线可以得到了。 图2 . 6系统角度开环希望对数幅频特性 由系统角度开环希望对数幅频特性图， 可以得到预期开环传递函数为 g( 5)二 k ( 几 5 + 1 ) 5 仇5 + 1 ) ( 0 .0 1 5 + 1 ) ( 2 . 3 5 ) 在a点处其对数幅频特性 其 中 几 二 上= 1/3 山 l ( 叻， 2 0 l s k一 加1 9 口= 2 0 l g k一 2 0 1 9 3 = 22.5 则 k 井 4 0 在剪切频率值处其对数幅频特性 : ( 。 ) = 2 0 ，9 一 2 0 19 。 一 2 0 :9 抓不砰+ 2 0 19 弄不硕 = 2 0 1 9 4 0 一 加 19 2 0 一 2 0 15 币 五 砚 压 而 ; 十 2 0 :9 拓不丽三 . = 0 ( 2 . 3 6 ) ( 2 . 3 7 ) 转台伺服系统设计与实现 则几= 。 . 16 所以 预期开环传递函数为 g闭= 4()x ( 0 . 1 6 5 + 1 ) 咭 + x 。 。 15 + ” ( 2 . 3 8 ) 角度环调节器为 g l ( 5)= 4 x (0. 1 6 5 + 1 ) ( 2 . 3 9 ) 同上，转动方向角速度环调节器补偿传递函数为 q(s ) = 0 0 ( 0 刀 6 5 + 1 ) 1 .4 1 5 ( 0 0 0 5 5 + 1 ) ( 2 . 4 0 ) 考虑工程实现问题，取 g ， ( 5 ) = 1 0 0 0 ( 0 . 0 6 5 + 1 ) 1 . 4 l x 4 4 ( 1 2 5 + i x o . 0 0 5 5 + 1 ) ( 2 . 4 1 ) 角度环节校正网络， 两个轴是一 样的 91 121 131 。 2 . 5 系统仿真 前面已 经把电机模型、 还有校正网络已经设计好了。本节在做t lab 软件的开发 环境下， 利用该软件提供的simul ink 软件包， 来仿真本文所设计的转台的理想效果。 看本转台是否满足设计要求。 按照图2 .7进行仿真，首先在输入端加入阶跃信号 图2. 7系统仿真框图 硕士论文转台伺服系统设计与实现 3 伺服系统硬件设计 3 . 1 数字伺服系统结构 如图3. 1 采用旋转变压器的数字伺服系统结构图，由数字式伺服控制器、r z d转 换器、 功率放大器、 力矩电 机、 传动装置和位置检测与转换装置。 由 控制计算机按一 定的算法完成给定信号的比 较以 及伺服控制算法计算: 由 数字控制计算出的数字控制 t转换成模拟控制量， 经功率放大装置驱动伺服电 机，最后通过传动装置带动负载: 与负载轴同轴连接的旋转变压器测量得到的角位置信号经 r d c转换和轴角编码接 口 ， 反 馈到数字控制器 1 ，l. 图3. 1数字伺服系统结构图 3 . 2伺服系统的数字控制器 3 . 2 . 1 翎3 2 0 系列d s p 介绍 丁 m 3 20 系列包括:定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点 dsp 控制器。 下 m 3 20系列d s p 的体系结构专为实时 信号处理而设计， 该系列d s p 控制器将实时处 理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的 解决方案。 r m 3 2 o系列具有灵活的指令集、内 部操作灵活性高、商速的运算能力、改进的并行 结构、有效的成本。 目 前tl 公司主推的d sp有:定点系列t m 3 2 0cz ooo 、下 m 3 2 0c5 000 :浮点系列 r m 3 2 0 c 6 0 00。其中t m 320c6 0 0 0 系列中 有一部分也是定点的d s p 。 们 m 3 20系列同一产品系列中的器件具有相同的c p u结构， 但片内 存储器和外设 l 8 硕士论文转台伺服系统设计与实现 的配置不同。 派生出来的器件集成了 新的片内 存储器和外设， 以满足世界范围内电 子 市场的 不同需求。 通过将存储器和外设集成到控制器内 部厂们 功 3 20 器件降低了系统 的 成本， 节省了电 路板空间， 提高了 系 统的 可 靠性以气 3 . 2 . 2 木文所采用的璐p 器件 模拟式伺服系统数字化后， 下面就是在dsp 中的实现。 首先是dsp 的 硬件选择、 设 计和调试。 t m s 3 2 0 l f 2 4 07人 是美国 tl公司新近推出的一种适于工业控制， 尤其适用于 电 机控制的定点 dsp 芯片t m s 3 20l f 2 4 o 7a的 增强型。 其内部结构采用哈佛结构， 指令执 行速度为4 0mi ps，绝大部分指令可以 在单周期内 执行完毕。 在tl的2 4 0 x系列的dsp 控 制芯片中， t 砒320lf24 07a 无论在内部结构和外围控制接口上， 都达到了 很好的水平， 可以 很方便地通过它构成电 机控制的 系统， 只需添加很少数的外围 器件。 1 . t 盛320lf2407 的结构 tms320f2407 采用的是改进的 哈佛 结构， 总线是 并行机制。内 部 地址总 线和内 部 数据总线各有三条: 程序读地址总线(p r a b) ， 数据读地址总线(d rab)， 数据写地址总 线(d 毗b ) ， 程序读数据总线( p r db) ， 数据读数据总线( d r db) ， 数据写数据总线( 昨d b)。 外部数据/ 地址总线仍为单一形式，以 方便外围芯片的接口。由 于采用多总线结构， 产生了指令逻辑流水线。 每条指令的执行过程可以分为四个阶段: 取指令、 指令译码、 取操作数和执行指令. 翎5 320 f 2 4 07的 多组总线使之成为并 行机制， 在个别操作时可 能 会产生流水线暂停，甚至因 此产生错误操作， 需在编程时加以 注意。 中央处理单元(c pu) 是挂接在总线上的核心模块，它的 任务是从程序读数据总线 或从数据总线上获取数据， 经过加、 乘、 移位等算术逻辑运算， 再经数据写数据总线 将结果送出。中央处理单元由 输入比 例部分、中 央算术逻辑部分和乘法部分组成。 2 . t 璐32o l 兜4 0 7 的特点 ( 1 ) 4 0mi p s 的处理能力， 2 5 n s de 时钟周期 ( 2 ) 内部有3 2 k *16 的f l a s h ， 且可以 加密 ( 3 ) 2 . s k 的片上r 胡 “) 两个事件管理器 ( e v a ) 每个包括: 2 个16位定时器 8 个脉冲宽带调制 ( p 恻) 单元 可编程死区控制 三个事件捕获单元 有6 4 k 程序，6 4 k 数据和6 4 k1 0 空间 硕士论文转台伺服系统设计与实现 看门狗电路 10位a /d转换器 16通道 3 75一 500 ns 的转换时间 控制局域总线接口c anz . ob 异步申行口 ( scd 同步串 行口( s p i ) 4 0 个管脚可用作通用10 口，5 个外部中断源 应用这些资源可以 大大简化电 机控制系统的硬件结构， 并且它的高速处理特性可 以 使得很多先进的控制算法得以实现。因此以2 4 07为核心设计数字电机控制系统在 目 前可以 说是 系统最小、 实时 性最强， 性能 最 优的 一种方案 151 16 1. 3 . 2 . 3dsp 集成开发环境优52. 0 1 、 ccs z . 0 介绍 t e x a sl n s t r u m e n t s 公司的d s p 集成开发环境c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) ，是 一个基于w i nd洲5 的d sp开发平台。 ccs 是一个完整的d sp集成开发环境， 也是目 前最优秀、 最流行的dsp 开发软件 之一。 现在所有的ti d sp 都可以 使用该软件工具进行开发，并为c 2 o 0 0(版本 2 .2 以上) 、 c 5 0 0 0 和c60 0 0 系列d s p 提供d s p / b i os功能， 而在c 3 x 中是没有d s p / b i os 功能的。 所以 有时也将用于c 3x开发的集成开发环境称为cc( codec o 口 p o ser)，以 示 区别。 c c s z . 0包含源代码编辑工具、代码调试工具、可执行代码生成工具和实时分析 工具，并支持设计和开发的整个流程，如图3 . 2 所示。 设计方案 调试、语法 检查和断点设 置等 编译、编译 和链接生 成代码 实时观察、 分析 统计和跟踪 图3 .2 c c s 开发流程 c c s 主要包含了以 下功能: ( 1) 集成可视化代码编辑界面、 可直接编写c 、 汇编、 . h 文件、， c md文件等。 (2) 集成代码生成工具，包括汇编器、优化c 编译器、连接器等。 (3) 基本调试工具， 如装入执行代码( . out 文件) ， 查看寄存器、 存储器、 反汇编、 变量窗口 等， 支持c 源代码级调试。 20 硕士论文 转台何服系统设计与实现 式中k ， 一 一 传输比 口 转子偏离原点的角度。 uc 凡1二 余弦粉出电压 魄 凡、 。 正弦幼出电压 usto 图3. 4 是旋转变压器电气示意图 3 . 3 . 2 旋转变压器一数字变换器 ( r 优)工作原理 r d c芯片的作用就是将转子绕组输出的感应电势转换成代表转子轴角位置的数 字信号，下面讨论如何得出轴角的数字信号 ， 。 困. 数发生. 盆。 _ 。 ， _ _ _ . 图3. 5 r /dc模数转换结构框图 变 压 器的 输出矶、uc加到 跟 踪转 换 器r d c的 输入端， 则 在函 数发 生 器的 输出 端有: k= 叭2 一 3 co 砂 k= 叭1二sin沪(3. 3) 由 式 ( 4 .2 )可得: 代 犬 u 翻 si n 码sin6 co ， 尹 k= 尤 用 s in 叭co s 夕 sin沪( 3 . 4 ) k 、凡加 到 差 分 放 大 器 上， 得 到 交 流 误 差 信号k : vc” k 叽 s i n 叭ai n ( 0 一 刃 交流误差信号经过相敏检测电路以参考信号解调、 玲= s in(夕 一 沟 滤波后得到直流信号玲: ( 3 . 5 ) 硕士论文 转台伺服系统设计与实现 经过积分器积分得到: k=亿 ( 3 . 6 ) k 经 过压控振荡器v c o ， 生成与k 成正比 的cp 脉冲频率作为可 逆计数器的 计 数脉冲， 偏差信号6 一 沪 极性决定 计数器进行减法计数还是加法计数。 计数的同时， 使输出 角尹 向 输入角夕 靠拢。 在 这 个闭 环的 跟踪系 统中， 误差处理环节中 有一个积分 器， 而计数器本身也是一个积分器， 所以跟踪型r d c是一个双积分环节的伺服系统， 称为n型伺服系统。 在n型伺服系统中，对于角位置输入和匀速输入， 都是无静差 系 统， 但 对 于匀 加 速 输入， 存 在稳 态 误差， 此 误差与 系 统的 开 环增 益 成 反比 。 此时沪 对6 有一定的滞后。 从 上述转换过程中 可以 看出， 数字输出护 仅与 模拟输入信号的相 位6 有关， 不受 输入信号的幅值变化的影响。 只要保证两路信号幅值的衰减幅度保持一致，