电机伺服控制系统研究与开发.ppt

电机伺服控制系统研究与开发
作 者：赵 栋 李 强
指导教师：裴 东 王全州
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课题背景
在伺服控制系统中，伺服电机是最重要的组成部分之一。因此，电机伺服控制的优劣直接关系到整个伺服控制系统的性能。当然，直流伺服电机也不例外。伺服驱动系统按其驱动元件的不同，可分为闭环、半闭环、开环三种控制系统。以直流伺服电机为驱动元件的伺服驱动系统以其精度高、响应快、调速范围宽、低速大转矩等特点在中、高档数控机床，机器人的精确运动控制，高精度云台等应用领域中得到广泛的应用。本课题针对直流伺服电机，研究了电机伺服控制系统。
对于一些传统工业，它们虽然对直流伺服电机控制模块的设计上没有什么特殊的要求，但是，随着现代电子技术的飞速发展，特别是电子产品集成化、模块化的设计思想的迅速崛起，人们对电子产品的技术性能指标要求也越来越高，对直流伺服电机的控制性能要求也越来越高。因此，研制高性能的直流伺服电机控制系统成为一项伺服控制领域内普遍关注的课题。
直流伺服电机的控制经历了从模拟控制电路到以单片机为核心的数字控制电路的发展过程，但都存在内在的缺陷。前者由于采用模拟器件容易老化而且对温度变化敏感;后者能够克服模拟器件的内在缺陷，运算速度较快，基本可以实现现代工业对直流伺服电机实时控制的要求。
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课题研究内容
研究直流伺服电机控制原理，在分析直流伺服电机的工作原理基础上着重研究直流伺服电机的PWM控制。
研究PID原理，将PID算法应用到控制器中提高系统的速度控制及位置定位精度。
在以上基础上研究设计了直流伺服电机控制系统，研究相关的硬件实现和软件实现。
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系统概述
直流电机伺服控制系统，主要由直流伺服电机、单片机和电机驱动构成，其控制核心是AT90S8535 单片机。该单片机主要完成光电编码器信号的采集，电机换相信号的输出,电机转速的测量，以及数字PWM 调速信号的输出等功能。并通过软件编程实现速度的PI 调节，构成电机转速闭环控制系统。以此控制电动小车以定速做直线运动。电机驱动电路采用直流电机专用驱动芯片LMD18200T。该系统的特点就是结构简单,实现了全数字式控制，在运行中获得了良好的动静态性能。
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系统结构图
AT90S8535
矩阵键盘输入
NS公司的直流电机专用驱动芯片
直流伺服电机
光电编码器
点阵型液晶（LCD）
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主控模块
在本系统主控模块的选择上有以下几种方案:
一:选用DSP作为主控系统:
因为DSP具有强大的计算及数据处理能力,因此现有的大多数运动控制系统均采用该种方式,但DSP成本太高,并且编程复杂,外围配载芯片多,对于我们本科生来说,.
二: 选用AVR高速单片机作为主控系统
AVR单片机是RISC结构单片机,其处理速度快,抗干扰能力强,并且内部资源丰富,价格低廉,因此我们选用AT90S8535作为该系统的中央处理器.
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主控AT90S8535电路板
主控板：
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直流伺服电机介绍
本系统的直流伺服电机采用FAULHABER电机。FAULHABER关于电机的概念很简单，然而却是革命性的：与其旋转笨重的带铁芯芯的转子，为何不将其设计成空心，这样仅需旋转很轻的绕组呢？Fritz Faulhaber博士的发明（1965年获得专利），开创了直流电机微型化的新纪元。“System FAULHABER”专利技术其优点显著而独特，给微型驱动技术的发展提供了坚实的基础和保障。
① 斜绕组空心杯转子原理
■ 对称绕制,使可能的振动最小化；
■ 双层绕组热处理，使转子刚度高


② 绕组直接连接换向系统
■ 散热好，电流密度高。

③ 绕组、换向器及电机轴一体化
■ 转动惯量低；