精準(zhǔn)位置控制：直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的高性能伺服系統(tǒng)研究與展望！

引言：伺服系統(tǒng)作為位置隨動(dòng)系統(tǒng)，要求在控制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的位置控制。傳統(tǒng)的伺服電機(jī)在拖動(dòng)負(fù)載時(shí)通常需要齒輪減速裝置，但由于齒隙的影響，系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性可能下降。為了提高精度和穩(wěn)定性，采用了力矩電機(jī)，它具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和高精度的特點(diǎn)，可以滿足高性能伺服系統(tǒng)的要求。本文介紹了一種基于無(wú)刷直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能伺服系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

硬件設(shè)計(jì)

1. 基本原理

無(wú)刷直流力矩電機(jī)伺服系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。系統(tǒng)接收角度位置命令信號(hào)，并與反饋電路的位置信號(hào)比較，得到位置偏差信號(hào)。經(jīng)過(guò)位置校正和速度環(huán)節(jié)處理，產(chǎn)生速度偏差信號(hào)，通過(guò)速度校正環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)算，最終通過(guò)PWM換相邏輯環(huán)節(jié)控制功率器件的開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到位置控制的目的。

2. 無(wú)刷直流力矩電機(jī)

系統(tǒng)中采用的無(wú)刷直流力矩電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩和高精度等特點(diǎn)，滿足高性能伺服系統(tǒng)的需求。該電機(jī)利用光電式位置傳感器進(jìn)行換相控制，采用無(wú)刷電子換向，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3. 換相邏輯電路和功放電路

換相邏輯電路接收光電式位置傳感器、PWM控制信號(hào)和正/反轉(zhuǎn)信號(hào)，經(jīng)整形和綜合后形成觸發(fā)脈沖，控制功率器件的開(kāi)關(guān)，形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。功放電路采用智能功率集成電路，利用IGBT開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

軟件設(shè)計(jì)

1. 對(duì)象模型的建立

由于負(fù)載承受加速度的影響，系統(tǒng)選擇了力矩電機(jī)，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在減速器輸出軸與負(fù)載之間設(shè)置精密消隙齒輪系。系統(tǒng)分為方位和俯仰兩個(gè)回路，使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀建立對(duì)象模型，將對(duì)象近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

2. 校正設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇了常規(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)。這樣設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。

3. 控制程序流程圖

伺服系統(tǒng)的控制周期為5 ms，通過(guò)80386處理器完成控制算法，實(shí)現(xiàn)位置控制和運(yùn)算。主程序采用中斷服務(wù)程序的形式，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)成功研制出了無(wú)刷直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能伺服系統(tǒng)。測(cè)試和實(shí)際使用表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。通過(guò)多種濾波技術(shù)和控制算法的應(yīng)用，系統(tǒng)具有較高的動(dòng)態(tài)性能和精度。

結(jié)論

本研究成功地實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高性能伺服系統(tǒng)。通過(guò)硬件和軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在快速性能、穩(wěn)定性和精度方面表現(xiàn)出色。這種高性能伺服系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，為提高自動(dòng)化生產(chǎn)水平，優(yōu)化生產(chǎn)效率，提供了有效的技術(shù)支持。