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《伺服控制系统课程设计》

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《伺服控制系统课程设计》

指导书

?动化与电??程学院

?零??年??

?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序 (3)

?、伺服控制系统课程设计内容及要求 (5)

三、考核?式和报告要求 (11)

?、伺服控制系统课程设计的意义、?标和程序

(?)伺服控制系统程设计的意义

伺服控制系统课程设计是?动化专业?才培养计划的重要组成部分,是实现培养?标的重要教学环节,是?才培养质量的重要体现。通过伺服控制系统课程设计,可以培养考??所学基础课及专业课知识和相关技能,解决具体的?程问题的综合能?。本次课程设计要求考?在指导教师的指导下,独?地完成伺服控制系统的设计和仿真,解决与之相关的问题,熟悉伺服控制系统中控制器设计与整定、电机建模和仿真和其他检测装置的选型以及?程实践中常?的设计?法,具有实践性、综合性强的显著特点。因?对培养考?的综合素质、增强?程意识和创新能?具有?常重要的作?。

伺服控制系统课程设计是考?在课程学习结束后的实践性教学环节;是学习、深化、拓宽、综合所学知识的重要过程;是考?学习、研究与实践成果的全?总结;是考?综合素质与?程实践能?培养效果的全?检验;也是?向?程教育认证?作的重要评价内容。 (?)课程设计的?标

课程设计基本教学?标是培养考?综合运?所学知识和技能,分析与解决?程实际问题,在实践中实现知识与能?的深化与升华,同时培养考?严肃认真的科学态度和严谨求实的?作作风。使考?通过综合课程设计在具备?程师素质??更快地得到提?。对本次课程设计有以下???的要求:

1.主要任务

本次任务在教师指导下,独?完成给定的设计任务,考?在完成任务后应编写提交课程设计报告。

2.专业知识

考?应在课程设计?作中,综合运?各种学科的理论知识与技能,分析和解决?程实际问题。通过学习、研究和实践,使理论深化、知识拓宽、专业技能提?。

3.?作能?

考?应学会依据课程设计课题任务进?资料搜集、调查研究、?案论证、掌握有关?程设计程序、?法和技术规范。提?理论分析、?语表达、撰写技术?件以及独?解决专题问题等能?。

4.综合素质

树?正确的学习?的和设计思想,培养考?诚信的科学态度和作风,善于与他?合作的团队精神。

(三)综合课程设计程序

综合课程设计过程包括设计准备、正式设计、综合课程设计答辩三个阶段。设计准备阶段主要任务是根据设计任务书要求,明确?程特点和设计要求,收集包括?程设计图纸在内的有关资料,拟定设计计划。这?阶段要求考?要积极主动,多??、全?位收集有关资料,尽可能深?了解项?特点,做到对即将开始的综合课程设计?作有?个宏观的认识,并制订总的时间计划。?般指导教师会提出明确的要求,及时给予具体的指导。考?在此阶段需完成所有具体的计算和设计。综合课程设计答辩阶段根据学校安排统?进?,综合课程设计答辩是对综合课程设计成果的汇报。

?、伺服控制系统课程设计内容及要求

1.步进电机伺服控制系统设计与仿真

步进电机最早是在1920年代由英国?所开发。1950年代后期晶体管的发明也逐渐应?在步进电机上,对于数字化的控制变得更为容易。往后经过不断改良,使得今?步进电机已?泛运?在需要?定位精度、?分解能、?响应性、信赖性等灵活控制性?的机械系统中。

步进电机是将电脉冲信号转变为?位移或线位移的开环控制元件。在?超载的情况下,电机的转速、停?的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,?不受负载变化的影响,即给电机加?个脉冲信号,电机则转过?个步距?。这?线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差??累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域?步进电机来控制变的?常的简单。

1.1设计?标和任务

本次设计的控制对象是两个直流伺服电机,?的是设计为每个伺服电机设计?个调速性能好、起制动性能好、定位准确且定位过程?超调的直流伺服系统,实现以下?标: 1.了解步进电机的结构。

2.利?Simulink中的物理建模平台--Simcape实现步进电机伺服系统的搭建

3.实现两个步进电机的联动运?。

1.2设计内容

本次课程设计的被控对象为混合式步进电机(HB)。混合式步进电机是综合了永磁式和反应式的优点?设计的步进电机。它又分为两相、三相和五相,两相步进??般为1.8度,三相步进??般为1.2度,?五相步进??般为0.72度。混合式步进电机在?矩、速度、分辨率等??性能优异。步进电机选择上海鸣志电器股份有限公司的标准式混合步进电机,其型号为MS08HY1P4050。其参数请查阅产品使??册。结构如图所?。

图1 步进电机结构图

步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和?向信号,通过其内部的逻辑电路,控制步进电机的绕组以?定的时序正向或反向通电,使得电机正向/ 反向旋转,或者锁定。以1.8 度两相步进电机为例:当两相绕组都通电励磁时,电机输出轴将静?并锁定位置。在额定电流下使电机保持锁定的最??矩为保持?矩。如果其中?相绕组的电流发?了变向,则电机将顺着?个既定?向旋转?步(1.8 度)。同理,如果是另外?项绕组的电流发?了变向,则电机将顺着与前者相反的?向旋转?步(1.8 度)。当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时,则电机会顺着既定的?向实现连续旋转步进,运?精度?常?。对于1.8 度两相步进电机旋转?周需200 步。

两相步进电机有两种绕组形式:双极性和单极性。双极性电机每相上只有?个绕组线圈,电机连续旋转时电流要在同?线圈内依次变向励磁,驱动电路设计上需要?个电?开关进?顺序切换。单极性电机每相上有两个极性相反的绕组线圈,电机连续旋转时只要交替对同?相上的两个绕组线圈进?通电励磁。驱动电路设计上只需要四个电?开关。在双极性驱动模式下,因为每相的绕组线圈为100% 励磁,所以双极性驱动模式下电机的输出?矩?单极性驱动模式下提?了约40% 。

图2 步进电机驱动电路图

步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号,就能进?精确的位置控制,这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器,只需对输?指令脉冲信号计数,就能知道电机的位置。图3是?个步进电机开环控制的基本组成原理图。

图3 开环控制结构图

在开环控制系统中,电机响应?步指令后的实际运?情况,控制系统是?法预测和监控的。在?些运?速度范围宽、负载??变化频繁的场合,步进电机容易失步,?使整个系统趋于失控;开环控制还有?个缺陷就是电机的输出转矩和速度在很?程度上取决于驱动电源的控制?式。对于不同的电机或者同?种电机不同的负载,很难找到通?的加减速规律,因此使提?步进电机的性能指标受到限制。

当两个步进电机协同?作?于轨迹跟踪时,需要插补算法(逐点?较法)逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差,并根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠扰,缩?偏差,使加?

轮廓逼近给定轮廓,如图所?。

图 4 逐点插值原理图

本次课程设计需要跟踪轨迹如下图所?。

图 5 x-y 跟踪轨迹

2. 直流伺服控制系统设计与仿真

直流伺服电动机是近??年来随着电?电?技术的迅速发展?发展起来的?种电动机。近些年来,直流伺服控制系统被?泛应?于?业?产,尤其在机械制造?业中占据着重要位置。直流伺服系统的主要优点是控制特性优良,能在很宽的范围内平滑调速,调速??,起制动性能好,定位精度?。直流伺服电动机既有交流电动机的结构简单、运?可靠、

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便等?系列优点,又具有直流电动机的运?效率?、调速性能好的特点,故在当今国民经济中直流伺服系统?泛应?于轧钢机及其辅助机械、造纸机、?属切割机床等众多?动控制中的各个领域。

2.1设计?标和任务

本次设计的控制对象是两个直流伺服电机,?的是设计为每个伺服电机设计?个调速性能好、起制动性能好、定位准确且定位过程?超调的直流伺服系统,实现以下?标: 4.了解直流伺服系统的结构。

5.理解直流伺服系统三闭环结构的基本原理。

6.利?Simulink中的物理建模平台--Simcape实现直流伺服系统的搭建(选做)。

7.利?Matlab的可视化?具---Simulink实现直流伺服系统的仿真。

8.掌握电流环控制器、速度环控制器、位置环控制器的整定?法。

9.实现两个伺服控制系统的联动运?。

2.2设计内容:

本次课程设计选择的直流伺服电机参数如下:

额定电压:Un=220V,

额定电流:In=136A,

额定转速:Nn=1460r/min,

反电动势常数:Ce=0.132V*min/,

允许过载倍数: λ=1.5

电枢电阻:Ra=0.5Ω

电流时间常数:Tl=0.03s

机械时间常数:Tm=0.18s;

励磁电压:Uf=220V

励磁电流:If=1.5A

伺服系统由?功率晶体管脉宽调制放?器给电动机供电,其中晶闸管装置放?系数: ks=40;三相整流桥平均失控时间:Ts=0.0017s。伺服控制系统的控制?式为三环全数字式即电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算,结构如图所?:

图6三闭环位置伺服控制系统

(APR:位置调节器; ASR:转速调节器;ACR:电流调节器;BQ:光电位置传感器; UPE:通?信号转换器; DSP:数字转速信号转换器;) 在上述的直流伺服系统中,要求:

1、电流超调:δ%≤5%;

2、空载起动到额定转速时的转速超调量:δ%≤10%;

3、电流反馈系数:β=0.05 V*min/r;

3、转速反馈系数:α= 0.00667V*min/r ;

4、电流反馈滤波时间常数:Toi=0.002s;

5、转速反馈滤波时间常数:Ton=0.01s;

6、位置反馈滤波时间常数:Top=0.01s;

分别为两台电机设计两套伺服系统,利?两套伺服联动控制,实现在下图所??维平?上曲线的实时跟踪控制。

图7 x-y跟踪轨迹

三、考核?式和报告要求

课程设计通过提交课程设计报告的?式来进?考核,课程设计报告应该包含以下?个??的内容:

1.课程设计任务和要求

2. 伺服控制系统概述

3.伺服控制系统的设计

4.软件设计与实现

5. 总结

6. 参考?献

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