摘要：文章介紹了一種采用無(wú)刷直流由矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能伺服系統(tǒng)．通過(guò)硬件和軟件的臺(tái)理設(shè)計(jì)，獲得，較好的琦浦志系統(tǒng)性能。 關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流力矩電機(jī) 伺服系統(tǒng) PWM 旋轉(zhuǎn)變壓器 [align=center]The Study on High Performance Servo System Drived by Brushless DC Torque Motor Wang Mulan Gu Shenggu[/align] Abstract：This paper introduces a kind of high performance sPrvo ystem drived by brusbless DC torque molot We achieve good dynamics and static system indexes with the rational design of hard⋯ e and software Keywords：brusbless DC torq ue～lotor scrvoy tem PW M revolver 1 引言 伺服系統(tǒng)又稱位置隨動(dòng)系統(tǒng)．它要求實(shí)現(xiàn)快穩(wěn)、準(zhǔn)的位置控制。普通的伺服電機(jī)通常轉(zhuǎn)速較高而轉(zhuǎn)矩較小，在系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件去拖動(dòng)負(fù)載時(shí)，都必須經(jīng)過(guò)齒輪減速裝置，但由于齒隙的影響，往往使系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性下降。因此為了減小甚至消除誤差，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高精度和穩(wěn)定性，達(dá)到少用或不用減速器的目的．就研制并應(yīng)用了力矩電動(dòng)機(jī)。它具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和高精度等特點(diǎn)，可以滿足伺服系統(tǒng)更高性能要求 另外，采用無(wú)刷電子換向取代原來(lái)的機(jī)械換向，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)，也符合“無(wú)刷化、稀土化、同步化”的發(fā)展趨勢(shì)。 2 硬件設(shè)計(jì) 2．1 基本原理 無(wú)刷直流力矩電機(jī)伺服系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖1中輸人的角度位置命令信號(hào)由系統(tǒng)主計(jì)算機(jī)通過(guò)雙口RAM 送來(lái)，與反饋電路測(cè)得的目前位置數(shù)字信號(hào)相比較，求得位置偏差信號(hào)經(jīng)位置校正環(huán)節(jié)P（s）處理后，作為速度回路的給定信號(hào)，再和實(shí)際速度比較得到速度偏差，經(jīng)速度校正環(huán)節(jié)H （s）運(yùn)算和D／A 轉(zhuǎn)換后，輸出到PWM 換相邏輯環(huán)節(jié)，綜合電機(jī)換相傳感器送來(lái)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，形成相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，控制功率器件的開關(guān)，在電機(jī)中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，將負(fù)載驅(qū)動(dòng)到所要求的位置。 [align=center] 圖1 伺服系統(tǒng)原理框圖[/align] 2．2 無(wú)刷直流力矩電機(jī) 系統(tǒng)中使用的方波型無(wú)刷直流力矩電機(jī)是專門研制的。主要電氣性能參數(shù)如下 電壓DC60V；最大電流6 A；相電阻5．5 n；最大轉(zhuǎn)速380r／min；峰值堵轉(zhuǎn)力矩5 N·m；位置傳感器為光電式。其工作原理是：當(dāng)電機(jī)處于某一位置時(shí)，光電式傳感器給出對(duì)應(yīng)開關(guān)邏輯信號(hào)，由此產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)功率管．使電機(jī)相應(yīng)繞組導(dǎo)通，內(nèi)部磁場(chǎng)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)到一個(gè)新的位置。當(dāng)位置傳感器得到一組新的邏輯信號(hào)時(shí)，叉觸發(fā)另一組功率管使電機(jī)繞組處于另一種導(dǎo)通狀態(tài)，這樣周而復(fù)始，在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 電機(jī)端部設(shè)有光電式位置傳感器，當(dāng)光線被擋時(shí)，輸出為⋯0 ，光線未擋時(shí)，輸出為“1”。按一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的位置編碼情況如表1所示。 [align=center]表1 電機(jī)位置狀態(tài)所對(duì)應(yīng)功率管導(dǎo)通情況（正轉(zhuǎn)A6=0） [/align] 2．3 換相邏輯電路和功放電路 如圖2所示，光電式位置傳感器送來(lái)的換相信號(hào)和PWM 控制信號(hào)、正／反轉(zhuǎn)控制信號(hào)經(jīng)整形、綜合后，作為EPR0M（2732）的地址信號(hào)，從中查得對(duì)應(yīng)功率管導(dǎo)通相序信號(hào)．經(jīng)反向、整形、驅(qū)動(dòng)后輸出。其問(wèn)對(duì)應(yīng)的邏輯關(guān)系如表1所示。根據(jù)表l所列相序可畫出電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)向量圖如圖3所示。 系統(tǒng)中使用的功放電路是美國(guó)DIX；公司生產(chǎn)的智能型功率集成電路PWR一82333，它是內(nèi)部含有邏輯接IJ．電路、驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流／過(guò)壓／欠壓保護(hù)電路、電源轉(zhuǎn)換電路（Dc／Dc）、功率管和續(xù)流電路等在內(nèi)的一個(gè)混合集成模塊，功率開關(guān)器件是IGBT，額定電壓為500 V．額定電流為30 A．開關(guān)頻率達(dá)到25 kHz。這里利用該模塊中的6只IGBT管實(shí)現(xiàn)三相橋式電路的開關(guān)控制。 2、4 旋轉(zhuǎn)變壓器廈解調(diào)電路 系統(tǒng)中位置反饋信號(hào)通過(guò)正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)得，它是專門研制的高精度小機(jī)座號(hào)、低壓激勵(lì)無(wú)刷旋變，主要電氣性能指標(biāo)為：激磁2 V／2kHz，變比1．電氣誤差≤ ±3 ，相移≤ ±4。 RDC（Resolver to Digital Converters）接口芯片將旋轉(zhuǎn)變壓器送來(lái)的含有負(fù)載位置信息的正余弦信號(hào)進(jìn)行解調(diào)變換，可獲得角度位置信號(hào)，直接送給伺服計(jì)算機(jī)參與控制運(yùn)算。另外，還能提供負(fù)載旋轉(zhuǎn)的速度模擬信號(hào)．經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送人計(jì)算機(jī)。這里使用的集成芯片是ANA1 OG DEVICE公司的RDC2S8O．主要指標(biāo)為：分辨率10／12／14／16位，參考信號(hào)2 v／z kHz，旋變輸出信號(hào)2v／2 kHz，精度土2 are—mins，電源一5 V／±12 V，功耗0．3w 。 這里還要說(shuō)明的是，旋轉(zhuǎn)變壓器的電氣零點(diǎn)和負(fù)載的機(jī)械零點(diǎn)必須～致．否則會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和控制，也就是在負(fù)載裝配過(guò)程中存在一個(gè)對(duì)零的過(guò)程。 3 軟件設(shè)計(jì) 3．1 對(duì)象模型的建立 考慮到負(fù)載承受的加速度的影響，要求峰值力矩達(dá)到20 N ·ri1．轉(zhuǎn)角范圍為120。（土60。），根據(jù)機(jī)座結(jié)構(gòu)的約束條件，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在減速器輸出軸與負(fù)載之間、減速器輸出軸與旋轉(zhuǎn)變壓器之間設(shè)置了精密消隙齒輪系，阻達(dá)到驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)的目的整個(gè)對(duì)象分方位和俯仰2個(gè)回路，如果通過(guò)物理方法來(lái)建模是比較復(fù)雜的 這里采用HP公司的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀3562 A．直接將對(duì)象近似成一階慣性環(huán)節(jié)．根據(jù)幅頹特性法測(cè)得伺服系統(tǒng)速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為 （ 一4／（1—0．26 ）．它相當(dāng)于圖1所示“ 和0．之間的開環(huán)傳遞函數(shù)。 3．2 校正設(shè)計(jì) 由于要求系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)跟蹤性能，而對(duì)靜態(tài)定位精度和超調(diào)量要求相對(duì)低一些，因此，這里選用了常規(guī)的超前遲后環(huán)節(jié)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算求得速度回路校正環(huán)節(jié)為 3．3控制程序漉程圖 伺服系統(tǒng)控制周期為5 ms．由80386完成全部控制算法．所需輸人數(shù)據(jù)和控制狀態(tài)均通過(guò)2K容量的雙E口 RAM與雷達(dá)主計(jì)算機(jī)進(jìn)行交換。主程序?qū)嶋H上是一個(gè)中斷服務(wù)程序。其流程圖如圖4所示。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 采用上述硬件和軟件成功研制出了該伺服系統(tǒng)．測(cè)試結(jié)果和實(shí)際使用也表明基本達(dá)到了預(yù)期的目的。其中某伺服系統(tǒng)主要實(shí)測(cè)性能指標(biāo)為：最大角速度1j2。／s，最大角加速度3 820。／s，伺服帶寬> 4 Hz，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間0．335 s，超調(diào)量16．25 ，振蕩次數(shù)≯1，抗過(guò)載能力7 g。另外，在該系統(tǒng)中還采用了多種濾波技術(shù)來(lái)抑制各種睹波干擾，通過(guò)線性外推算法來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)快速性，以及采用死區(qū)和非線性的補(bǔ)償處理來(lái)獲得較高的精度．有關(guān)這部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)另行介紹。 參考文獻(xiàn) 1 顧繩谷 電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ) 北京：機(jī)械L業(yè)出版社，1981 2 陳伯時(shí) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 1992 3 AD公司說(shuō)明：Vartable Resulution Monolrthn Resolver-to- Dignal Converter-2SRO 無(wú)刷直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)高性能伺服系統(tǒng)研究.pdf