小论文-直流伺服系统

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