（机械电子工程专业论文）发射装置高性能伺服系统研究与应用.pdf

硕士论文发射装里高性能 伺服系统研究与应用 abs tract 丁 五 edi s s e rt a t l on 杨 改 e s l a u n c 腼ge q u i p m edt asobject， 助 ds tu d i esthe desi gn and re aliz a t io n oft h e sery o s y s 记 i nt h e s eryo s ys t o mofl a u ll c hi n g 叫 u lp m e n t b asbi g l n e rt l a ， m e anw hi lehi gh 那 c urac yandre sp onsesp e ed are r equ i r ed. f e ed一 允 侧ard c o 刀 t ro i 姐d 加 z z y- p id s el f- 抚 叮 m gc o n t r o l are 叩p ll ed by u s eo fs 岁t e m 而cd e s i gnin g ， 山 即r e t i c ai anai ys is ， c o m p u t ers l 功 u l at i on 助de x p e li m e n t alre se 田 陷 hare 即 p li ed tothe l aun c hi 刀 9 e q u 1 p m ent. the re se aj 阶 hh asanl tr lp o rt ant si 即i fi c anc e in助p r o v m gt h e re sp ons e spe ed 阳 d d 卯 ami c p r e c i sion o f s ervo s ystem t b edis s e ri a t l on 丘s ti n t r o d u c e stheres e arc hwo rk t h a th as b e e nd o n eh o meand ab ro ad o ns ervos ys t em. t h en，over a 1 1 d e s i gn s chemeo f th es ys t em i sel abo rate l y 加 t r o d u c ed ac c o r d l n gtop l t c hi n gtr 田 招 介 币n ga n dorie n t a l ro tatin g . in the fo u o w ing， m athe m at i c alm o d e l i s i n d u c ed， 山厅 e n t 一 l o o p ， spe ed， fo op and p o sition一 1 0 op ar e d 韶 i gne d ac c o r d in gtoth ep er fo n n a n c er e q u e sts. th呱 th em o del o f t bl e e 一 l o op i sb u i l t ， 明 d 肋u l at i onanai ysis i s c ax r i e d 0 u t tov al i date p r ec i s i ono f th e m o del f uzz y- p ids el f- t u n i n g c o n t r o l 1 eri s d e s i gnedacc o r d i n g tothe c h a r a c t e ri stic s o f b i g 1 n e rt 1 a and b i g rang e l o ad， 面5 m e t b o d isb as edonp id c o n t r o l ， 幼 d th e p ar aj 力 e t 哪 are re al-t 汕e self- m o di fi edby 阮zy 山 即 卿 ; the re su lts o f s 咖 l atio nin d l c ate this m e th o dc an g a i ngoo de 月 免 c t sfi nally， e x p enln e n t s o f p id c 。 川 加 l and 妞z y p ids el f- 扣 拍 n g c o n tr o l ar e c am e d o uto n the ac t u a l c o n t r o l pl at fo n n . t 五 e resu l t s s h o wt h att h e d es l 乡 l s chelne isc o 盯 e c t 胡d th e 公 gori t 知 叮 s are e 月 免 c t i v e，助 dth es ystem a c h l eves goo dp e ri 沁 r n l a n c es m o r e o v er， th es to d yo f the d i s s ertationh asa c e 川 a i n ro l e o n p r o m o t i n g t h e p e r fo n 刀 anc e o f s ervo s ystem k e 州o r d s : 5 。 ， o s y s t e m ，t bx e e 一 fo 叩 con t r o i ，f u z zy-p d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知， 在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的 研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明 确的说明。 研究生签名: 必 d o 7 年 石 月 “ / 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 呵年 月 / 日 硕士论文发射装1高 性能伺服系统研究与 应用 1绪论 l l课题研究背景 发射装置伺服系统具有大转动惯量的特点，要求有较高的 控制精度和响应速度。 根据某发 射装置的 性能 要求， 本文以发射装置伺服系统为 研究对象， 以 研究高性能的 伺服系统为目 标. 发射装置伺服系统， 由 于其本身带负载的 变化以 及发 射时的 发射架高低、 方向 位 置的不同， 系统本身是一个大惯量、 变负载、 强冲击的随动系统， 而且发射装置在工 作 过 程中 受 到 多 种 干 扰因 素 的 影 响 111 12 3 。 按设 计 要 求， 要 保 证 在 大 惯量、 负 载 变 化 和外界严重干扰等恶劣情况下，使整个系统的响应速度快、超调量小、跟踪精度高. 常规的 p m控制由 于控制器的结构和参数固定，很难满足发射装置伺服系统动态和稳 态指标的要求。 解决在恶劣环境下发射装置的高速高精度跟踪和发射是实现现代发射 任务的重要保障。 针对新时期现代发射装置的发展要求， 同时结合其发射技术， 考虑到发射装置自 身的 特点， 即 发射装置跟踪瞄准时不平衡力矩的 存在以 及转动惯量的大范围 变化 和发 射 时 燃 气流 冲 击干 扰力 矩的 作 用 等 特点 12 。 为了 实 现 发 射 装置 的 高 精 度 射击， 强 密 度 覆盖以及快速的机动反应等要求，必须提高发射装置位置伺服系统的强鲁棒性设计， 这样才能有效发挥发射装置系统的威力和提高发射装置系统防空反导的命中概率。 本课题研究结合某国防预研重点项目， 对发射装置位置伺服系统展开研究。 通过 机电 一体化设计实现发射装置的 准确跟踪、 快速定位。 通过新型智能控制策略的引 入 和设计来提高发射装置位置伺服系统的鲁棒性和抗干扰能力。 从而实现该发射装置系 统的快速高精度跟踪、 定位。 本课题所研究的发射装置伺服系统是以永磁同 步伺服电 机为核心的交流伺服系统。 1 .z交流伺服系统综述 在自 动控制系统中， 使输出 量( 机械位移、 速度、 加速度或力 ) 能够自 动、 快速而 准 确地跟随 输入量的变化而变化的系统称为伺服系统， 又称为随动系统或自 动跟踪系 统 i i5 。 由 电 机 拖动 装置 作 动 力 元 件 所构 成的 伺 服 系 统 称为电 气 伺服 系 统， 按 驱 动 装 置的 执行元件电 动机类型 来分， 通常分为直流 ( d c ) 伺服系统和交流 ( a c ) 伺服系 统两大类，本文主要研究交流伺服系统。 l 2. 1交流伺服系统的发展 伺服系统伴随着伺服电动机的发展而发展，经历了 三个主要发展阶段: 第一个发展阶段( 20世纪60年代以 前) ， 此阶段是以 步 进电 动机驱动的液压伺服马 达或以功率步进电机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。 硕士论文发射装里高性能伺服系统研究与应用 第二个发展阶段( 2 0 世纪60一 70年代) ， 这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛 发展的时代， 由于直流电动机具有优良的调速性能， 很多高性能驱动装置采用了直流 电动机， 伺服系统的位置控制也由 开环系统发展成为闭环系统。 但直流伺服电机存在 机械换向 器，需要较多的维护，运行火花使应用环境受到限制，转子容易发热变形， 高速运行和大容量设计都受到机械换向器的限制。 第三个发展阶段( 20世纪80年代至今) ， 这一阶段是以 机电 一体化时 代为背景， 由 于伺服电动机结构及其永磁材料、 控制技术的突破性进展， 出现了无刷直流伺服电动 机 ( 方波驱动)， 交流伺服电动机( 正弦波驱动) 等新型电动机。 交流伺服系统经历了 最初的 模拟式、数字模拟混合式， 发展到今天， 全数字式己经成为其发展主流。 2 0 世纪80年代以 来， 随着计算机技术和微电 子技术的飞 速发展， 微型计算机特 别是单片型计算机得到了 迅速的发展， 使得它们体积小、 重量轻、 工作可靠、 价格低 廉， 在伺服系统中取代了大量的模拟和数字电路， 提高了伺服系统的可靠性， 增强了 伺服系统的 通用性和灵活性， 促进了 伺服系统向 数字化方向的发展， 使得交流伺服系 统取代直流伺服系统尤其是在高 精度、 高性能 要求的 伺服驱动领域成了 现代伺服系统 的一个发展趋势。 研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。 有些努力 已经取得了 很大的成果， “ 硬形式” 上包括提高制作电机材料的性能， 改进电 机结构， 提高逆变器和检测元件性能、精度等方面， “ 软形式”上从控制策略的角度着手提高 伺服系统性能的研究和探索， 如采用“ 卡尔曼滤波器法” 估计转子转速和位置的“ 无 速度传感器化” : 采用高性能的永磁材料和加工技术改进p ms m转子结构和性能， 以 通过消除或消弱因齿槽转矩所造成的p m s m转矩脉动对系统性能的影响: 采用基于 现代控制理论为基础的具有较强鲁棒性的滑模控制策略以 提高系统对参数变化的自 适应能力; 在传统p id控制基础上引入非线性和自 适应设计方法以提高系统对非线性 负载类的调节和自 适应能力: 基于智能控制方法的电 机参数和模型识别， 以及负载特 性识别。 l 2. 2永磁交流伺服系统 在a c 伺服系统中， 按电 动机种类分为同步型(s m) 和异步型 ( im) a c 伺服系统 两种。 交流 伺服系统根据其处理信号的方式不同， 可以分为 模拟式伺服、 数字模拟混 合式伺服和全数字式伺服; 按伺服系统的结构形式分， 可以分为半闭环， 全闭环， 混 合闭环。 其中 ， 永 磁同 步电 动 机(p m s m ， p elmanentm a ，eti 。 s yncbronous m o to r) 交 流 伺 服系统在技术上已 趋于完全成熟， 具备了 十分优良 的 低速性能， 并可实现弱磁高 速控 制， 拓宽了系统的调速范围， 适应了 高性能伺服驱动的要求。 并且随着永磁材料性能 的 大幅度提高 和价格的降 低， 永磁同 步电 动机交流伺服系统目 前已 成为交流伺服系统 的主流。 感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固， 制造容易， 2 硕士论文发射装里高性能伺服系统研究与应用 价格低廉， 因而具有很好的发展前景， 代表了将来伺服技术发展的方向。 但由于该系 统采用矢量变换控制， 相对永磁同步电 动机伺服系统来说控制比 较复杂， 而且电 机低 速运行时还存在着效率低， 发热严重等有待克服的技术问题， 目 前并未得到普遍应用。 表1 2 . 1 分别对直流伺服系统、 交流伺服系统、 液压伺服系统的 主要性能 做了比 较141 15 。 表1 .2.1 各种伺服系统的比较 名称同 步交流伺服系统异步交 流伺服系统直流伺服系统 液压伺服系统 力矩惯量比 以m 瓜 9 .m ) 4 . 2 冗 1 0 ， 42 x 1 0 36 ， l x 1 0 4 功率密度 ( w/n ) 1 3 . 3l 01 1 . 5 1 6 8 6 7 5 对环境影响无污染、噪声低无污染、 噪声低无污染、 噪声低有污染、 噪声大 与计算机 接口 十分方便十分方便十分方便困难 驱动电流 波形 正弦波或方波正弦波直流 影响寿命轴承轴承轴承油液污染 优点体积小，重量轻、 大转矩输出，无需 维护、 高功率密度。 可高速大转矩运 行， 大转 矩输出， 不需 要维 护，结构 坚固， 高 速时可恒 功率输出 只有电压控制， 控制简单， 具有 高功率密度. 体积小、重量 轻， 大转矩输 出，高功率密 度。 缺点控制较复杂，电 动 机与伺服装置一一 对应，有退磁问 题 控制复杂， 停电 需 保持制动， 有温度 特性 变化问 题 不能高速大转 矩运行， 需经常 维护， 有退磁问 题 对油液污染十 分敏感， 故障率 高， 维护困 难。 永磁交流伺服系统由 永磁交流伺服电 动 机和伺服驱动器两大部分组成。 它综合了 伺服电动机、 角速度和角位移传感器技术的 最新成就， 采用了新型的电力电子功率开 关 器件 ( 如g t r 、 mo s f e t 、 i gbt 、 m c t 等全控型大功率器件、 智能功率模块等) 、 专用集成电 路、 微处理器技术、交流变频技术、p 服控制的伺服驱动器与之相匹配， 组成了 一种新型的高性能的 机电 一体化伺服系统晰 1 . 在高精度位置伺服系统和调速范围宽的调速系统中对伺服电机及其驱动器提出 了下列要求: 硕士论文发射装里高性能伺服系统研究与应用 ( 1)优异的快速响应动态性能。 电 机应有高的峰值转矩/ 转子转动惯量比、 高的 功率变化率 ( p owerr a t e )。 ( 2 ) 宽调速范围. 在闭环速度控制下， 调速范围最低限度为1 :1000， 有些系统 要求达1 :1 0 0 0 0 以 上. (3) 力矩波动小。 在极低速时也能平滑运行， 无爬行现象。 (4 高的位置分辨率。 通常要求是1/ 1 0 00u i o o 00，以 得到高的定 位精度. ( 5) 过载能 力强。 能承受频繁启停、 制动 和正、反转运行。 (6)可在4 个象限运行且能连续运行. (7) 有高的 可靠性，可工作于恶劣工作环境。 永磁交流同步电动机和变频驱动模块组成的伺服系统具有诸多优点: 模块化结 构， 集成度高， 可靠性、 可维护性好， 具有过流、 过压、 过热安全保护等， 因而更适 用于各种类型的伺服系统中。 近年来， 采用数字控制技术，以 稀土永磁正 弦 波伺服电 动机 (pm s m) 为控制对 象的全数字交流伺服系统正逐渐取代了直流伺服电 动机为控制对象的直流伺服系统。 数字式交流伺服系统不仅其控制性能是以往的 模拟式伺服系统和直流伺服系统所无 法比拟的， 而且它具有一系列新的功能， 如电 子齿轮功能、自 动辨识电动机参数的功 能、自 动整定调节器控制参数功能、自 动诊断故障的功能等。 l z j交流伺服系统控制策略发展现状 经过近几十年的 快速发展， 永磁同步电 动机已 广泛应用于工业领域。 现代电 力电 子 器 件 和 微 处理 器 水 平的 提高 为 永 磁同 步电 动 机闭 环 控 制的 进 步 提供了 物 质 基 础; 而 现代智能控制理论日 新月异的 变化则大大推动了 永磁同步电 动机闭环控制理论的研 究。 永磁同 步电动机控制方法的 研究也取得了 很大成绩， 永磁同步电 动机的闭 环控制 正逐渐向数字化、 智能化、模块化方向发展， 但仍存在许多不足之处。 由于交流伺服电 机是一个多变量、 强祸合、 非线性的被控对象， 不易得到准确的 数学模型， 无法实现像直流伺服电 机那样转矩电 流和励磁电流解祸的直接控制。 因此 利用现代控制理论解决p m s m的电 流解祸成为驱动控制最基本的问题。 在采取各种控 制方法时， 必须基于对象模型结构清楚的认识， 必须从伺服驱动系统是一 个具有高度 快速性的动态系统这一具体对象的特性出 发， 不可能在几十毫秒的启动或制 动过程中 以及更为短暂的动态调节过程中实现十分复杂的控制算法。 同时， 要针对产生扰动的 不同原因的 特殊性， 应选取相应见长的控制策略。 伺服系统另一个重要性能 就是其对 指令的跟踪能力， 在理想情况下， 输出能无延迟、 无超调地跟踪输入指令的变化。 一 个成功的控制策略， 必须针对具体对象的特点， 满足主要要求的同 时， 兼顾跟踪能力 和抗干扰能力。在伺服系统中应用的控制策略大致归纳如下: 1 . 传统的p d控制 4 硕士论文 发射装置高性能伺服系统研究与应用 传统p d控制的动、 静态性能良 好， 稳态精度高， 算法简单，但是传统的 p d控 制对于动态特性复杂的控制对象，其一次整定出的 p id参数往往不能达到最优， 而交 流伺服电 机构成的位置闭环控制系统是一个多变量、 强祸合、 非线性的控制系统， 采 用传统的 p id参数整定方法不易达到较高的性能指标。因此， 在对传统p id控制方法 进行改进的同时，还要不断 研究新型控制算法，应用到交流伺服系统中来。 2 . 现代控制策略 在对象模型确定、 不变化且为线性， 以 及操作条件、 运行环境不变的条件下， 采 取传统控制策略是简单有效的。 但在高精度的高性能 场合， 就必须考虑对象的结构与 参数变化、 各种非线性的影响、 运行环 境的改变以 及环境千扰等时变和不确定因 素， 才能 得到 满意的 控制效果。 因 此现代控制策略在伺服系统控制的研究中引 起了 很 大的 重视，出现了自 适应控制、 变结构控制、鲁棒控制和预见控制等多种先进控制策略。 现代控制策略考虑了对象的结构与参数变化、 各种非线性的影响、 运行环境的改变以 及环境干扰等时变和不确定因素。 3 . 智能控制策略 经典控制理论和现代控制理论都是建立在被控对象精确模型基础上的控制理论， 实际上， 许多工业被控对象或过程常常具有非线性、 时变性、 变结构、 多层次以 及各 种不确定性等， 难以 建立精 确的 数学模型， 被控对象越 来越复杂， 而对其控制精 度的 要求日 益提高。 对于交流调速系统这类复杂系统的 控制， 控制目 标是为了确保较好的 动静态性能和对象模型参数变化情况下的鲁棒性， 单纯采用常规的控制器， 在控制对 象大惯量、 变负载和力矩千扰等复杂情况下， 很难满足系统的要求， 因此， 为了 使交 流伺服电 机应用到更为宽广的领域， 智能控制技术的 应用是目 前所必需的。 模糊逻辑 控制、神经网络和专家控制是当前三种比 较典型的智能控制策略， 能够提高系统的自 学习、自 调整能力， 可以 提高系统的控制精度， 但由 于难以实现实时控制， 因 此在交 流伺服控制系统中很少采用。 预计在不远的将来， 智能控制策略必将成为交流伺服系 统中 重要的 控 制方法之一 39 1l40ll9 lo 上述的智能控制方法以 及各种控制理论相互结合产生的新的智能控制策略都己 经 运用到交流伺服系统中， 在 进行系统分析和设计时， 充分利用智能控制的 非 线性、 变结构、自 寻优等各种功能来克服交流伺服系统的变参数、 非线性等不利因素， 可以 提高 系统的鲁棒性， 使得被控对象在大惯量、 变负载和力矩干扰等复杂情况下， 有效 地确保系统较好的动静态性能和对象模型参数变化情况下的鲁棒性。 永磁同步电机自 身就是具有一定非线性、 强祸合性及时变性的“ 系统” ， 加之系 统 运行时还会受到不同 程度的 干扰， 因此常规控制策略很难满足高性能 p m s m 伺 服系 统的控制要求。 近年来随 着控制理论的发展， 尤其是智能控制的兴起和不断成熟， 正 在显示出其实现运动系统的智能化自 适应控制的巨大作用。 5 硕士论文发射装里高性能伺服系统研究与应用 l 3课题研究的目 的及意义 本课题的主要研究内 容是基于 某型发射装置的 交流永磁同 步伺服控制系统， 通过 ma t i 消 卫 / s linul 云 永 仿真验证系统控制方法的可行性，并进行现场调试，实验检验所 设计控制器的 精度。伺服控制技术是一门比 较复杂的交叉技术，它涉及的面比 较广， 包括电机、电力电子技术、控制理论、 d s p 技术以及计算机控制与仿真等几个方面。 随着伺服控制技术的日 趋成熟和电 力电 子技术的飞速发展， 其应用领域也日 益拓宽。 由于交流伺服控制系统的复杂性， 以 及对动、 静态性能指标的高要求， 使得单纯 的一种控制方法难以 满足期望。 将多种控制方法结合起来， 做到优势互补， 是取得高 性能控制的有效途径。 本课题的工程背景是基于发射装置伺服系统的 应用研究。 该系统常工作于大惯 量、 变负载的场合， 在系统的正常工作过程中要受到多种干扰因素的影响。由于常规 的p id控制不适用于大时间滞后的 控制对象，参数变化较大甚至结构也变化的场合， 以 及系统复杂、 环境复杂、 控制性能要求高的场合， 而模糊控制具有控制速度快、 鲁 棒性好等优点，将模糊控制和p d控制相结合， 这使得p ms m 伺服系统的高精度性能 以 及高品质控制策略的设计成为了 可能。 所以在设计控制器时， 采用了对系统参数变 化具有自 适应能力的参数自 整定模糊 p d控制算法，以使系统在较恶劣的环境中仍保 持良 好的控制效果。即按设计要求， 保证系统在非线性、 大时 滞、 工作环境变化， 干 扰因素大等恶劣的情况下， 整个系统能快速的响应控制要求、 超调幅度小、 跟踪精度 高，同时还要有较高的稳态精度。 本课题的目的也就在于将模糊 p d 自 整定控制算法应用到该发射装置伺服系统 中， 设计一种高效的控制器，使发射装置达到所要求的设计目 标。 l 4本文所做的主要工作 本论文是在对国内外大量文献分析和总结的基础上，深入研究了伺服系统理论， 其主要工作有: ( 1) 分析了发射装置的运动特性， 详细地介绍了发射装置俯仰伺服系统和方位 伺服系统的总体方案， 研究了位置伺服系统的组成和结构， 同时对伺服系统的误差和 扰动进行了分析. ( 2 ) 基于对发射装置位置伺服系统数学模型和负载特性的 分析，同时考虑到发 射装置位置伺服系统高精度、 快速响应的要求， 分析了 位置环， 速度环和电流环的要 求和影响因素， 并研究了解决方法， 建立了基于磁场定向的复合前馈控制模型， 进行 了计算机仿真，验证该方法的有效性。 (3)针对发射装置伺服系统是在大时滞、工作环境变化， 干扰因素大等恶劣的 情况下工作， 本文设计了一种参数自 整定的模糊p id控制器， 并进行了计算机仿真， 验证控制器的可行性和高效性。 6 硕士论文发射装里高性能伺服系统研究与应用 (4) 对发 射装置伺服系统进行了 现场实验调试，对位置伺服系统定位精度进行 了实验验证。 并通过对位置伺服系统进行了 阶跃调转、 等速跟踪以 及正弦跟踪实验研 究，对传统p id控制、参数自 整定的模糊p id控制策略进行了 现场调试。 硕士论文 发射装置高性能伺服系统研究与应用 方位电 机型号为 m一 05一， 其主要性能 参数如表2 3 . 1 所示。 它们均采用高性能稀土钦 铁硼作为永磁材料，因此具有体积小的 特点.这种电 机按ip 65电 动机防护等级生产， 使电 动机具有卓越的连续和峰值力矩特性， 且能 在严酷的工业环境中可靠地运行。 电 动机采用h 级绝缘， 绕组寿命较长。由 于其轴承预先加载， 则轴承工作寿命更长。电 动机设计在正弦波电流放大器驱动下工作， 因而能提供平滑的 低速性能。 另外， 电动 机绕组内装有热保护器，能有效地防止过热现象的出现. 2. 1 2伺服驱动器 与电机相配套， 驱动器选用科尔摩根工业有限公司b d ss系列变频驱动器。 伺服 驱动器主要包括功率驱动单元和伺服控制单元。 其中功率驱动单元包括整流器和逆变 器两部分， 采用三相全桥可控整流， 整流器将输入的三相交流电 整流成直流电， 经过 电 容器滤波平滑后提供给逆变器作为它的 直 流输入电 压， 逆变器的 作用是在p w m( 脉 冲宽度调制) 控制信号的驱动下， 将输入的直流电变成电压与频率可调的交流电， 输 入到伺服电 动机的电 枢绕组中。 p wm回路以 一定的频率产生出 触发功率器件的控制 信号， 使功率逆变器的输出频率和电压保持协调关系， 并使输入电 枢绕组中的交流电 流保持良 好的正弦性。 为避免上电时出 现 过大的瞬时电流以及电 机制动时 产生很高的 泵升电压， 设有软启动电路和能耗泄放电 路。 逆变部分采用集驱动电路、 保护电路和 功率开关于一体的 智能功率模块 ( ip m) ， 开关频率可达2 0 kl 七。 伺服控制单元是整个交流伺服系统的 核心， 实现系统位置控制、 速度控制、 转矩 和电 流控制器。 数字信号处理器 ( d s p) 被广泛应用于交流伺服系统， 各大公司推出 的面向电 机控制的专业 d s p芯片，除具有快速的数据处理能力外， 还集成了丰富的 用于电 机控制的专用集成电路， 如a j d转换器、 p w m发生器、 定时计数器电 路、 异 步通信电 路、 c a n总线收发器以 及高 速的 可编程静态r a m和大容量的 程序存储器 等。 b d s s 的 核心是高性能16位处理器， 它使b d ss 能够控制电 机并能 够比 标准位 控器更迅速地执行运动程序。 b d s s 为全功能、高性能的无刷位置伺服装置，不但具有优良 的控制性能， 而且 具有高级决策能力。 由 于使用了 高性能 微处理器， 因此b d s s 可以 不必在位控器软件 和伺服工作性能之间进行折中处理。 此微处理器闭合了所有伺服环， 从而形成真正的 集成化位控系统。 b d ss系列伺服驱动器的主要组成单元有: ( 1) 高性能的16位微处理器。 (2)单片12位 ( 可 选14位/ 16位) 的旋转变压器到数字量转换器r d c 。 ( 3 )配有3 2 k x 名 位非易失性r a m存储器。 (4)装有6 4 k 昭 位已固化的系统管理、通信及控制程序的epr o m存储器。 ( 5) rs一 2 3 2 串 行通信接口，也可跳接成rs一 422 /4 85接口 。 ( 6 )硬件看门狗 ( 认 该 r c h d o g) 。 硕士论文发射装置高性能伺服系统研究与应用 ( 7 ) 8 位卫 0( 标准) ， 可扩展至3 2 位刀 0接口。 ( 8 )电流环补偿模块。 (9) i g b t晶 体管组成的功率单元。 其主要性能指标如表2 3 2所示 表2 3 . z b d ss交流伺服系 统的技术数据 项目技术数据 位置范围3 2 b its ( 土 2 1 4 7 4 8 3 648 ) 位置分辨率5 .2 7 al c 喇 n u n u te s ( 1 为i t) 定位精度1 8 arc ninu 加 5 ( 可通过外 部编 码 盘进行 位置闭 环进一步 提高 该 精度) 重复定位精度1 眠朴 吹( 双向 ) 最大速度 8 0 0 0 甲 功 ( 1 2 hi t) ， 2 0 0 0 rp m( 1 4 b it ) ， 5 0 0rpm(l 6bit) 调速范围 ( 调速比) 1 5 0 0 0 000 : 1 稳速精度 0 . 0 1 % 最大力、 速度6 000 00rp n 犷 s e c 加速度范围 1 0 0 0 0()0 : 1 回复输入响应 2 5 刀s e 心 1 3. 3工业控制计算机和数据采集卡 由于发射装置伺服系统的工作现场对主控微机的要求比 较高， 如具有较好的高低 温性能、 抗外界冲击能 力以 及微机处理速度、 扩展能 力、 插槽数目 等。 因 此， 本系统 选用了 研华 ( adv an t e c h )公司ip c 6 10高性能工业控制计算机( 护c)作为 系统的主控 计算机。 这种计算机机箱采用钢结构， 有较好的防磁、 防尘、 防冲击的能力并且便于 维护，机箱内有较强的抗干扰能力。 基于is a ，p ci总线的高性能工控机的功能十分强大， 有极高的运算速度、 强大 的 运算能力和接口 功能、 方便的软件环境， 随着成本的不断降低， 己 经在工 业实践中 得到广泛应用，这主要得益于企 c与p c的软件兼容性。此外其开放性结构、 外围高 性能1 / 0模板的不断涌现以 及工业网络的迅速发展都为护c创造了有利的发展环境. ip c不仅克服了p c的一些弱点，而且充分发挥了p c机软、硬件产品丰富的优势。 工控机作为数字伺服系统的核心， 需要对系统的实际架位， 上位机或数字信号发 生器的给定架位进行采集，并结合控制算法计算、 输出控制量，经 d z a转换输出 到 驱动器以 控制执行电 机转到给定的架位。 为方便工控机与外围设备的相互通信， 我们 扩展了内 外两块数据采集卡， 一块是基于isa总线的接口 卡， 插入工控机内 部扩展槽 l 2 硕士论文发射装置高性能伺服系统研究与应用 上， 用于和工控机接口; 另一块位于工控机的外部， 用于采集受信仪输出 信号和数字 信号的电平转换。 2. 1 4位置和 速度检 测元件 位置检测元件是伺服系统中的一个重要部件， 由控制理论知， 系统反馈通道的误 差将直接影响系统控制精度。 位置检铡元件在伺服系统中处于反馈通路上， 起到将发 射架实际位置信息反馈回伺服控制器的作用。 本系统工作环境要求高， 且必须绝对可 靠。 因此， 高响应能力、 高 精度的 位置 传感器是伺服系统的 关键技术。 为了 满足工作 环境要求和位置分辨率的要求， 本文选用了 绝对位置检测元件一多极双通道旋转变压 器测量角度， 用旋转变压器 一数字转换器( r d c ) 进行轴角编码， 它具有高 跟踪频 率， 有高度的可靠性。它采用二阶伺服回路，输出与t t l兼容的并行自 然二进制编码， 用于角度位移量的测量。 1 . 多极双通道旋转变压器 多极双通道旋转变压器是由粗精两通道具有不同极对数组成一体的组合角位移 测 量 装置， 采用同 一铁芯 两 套 绕组的“ 共磁 路式” 结 构 71 。 当 其转子旋转一周 时， 副 边同时输出 周期不等的两 种正弦电压， 构成粗精双通道系统。 旋转变压器粗、 精通道 各有四线输出， 将其分别编码， 就可得到粗、 精通道的数字量信息， 其主要特点是精 度高， 灵敏度高， 用电 气变速代替了 机械变速， 提高 测量精度， 简化了 系统机构; 它 具有结构简单，稳定性好， 抗干扰能力强， 对环境条件要求低，易于数字化。 因此， 角 度检测元件我们选择多极双通道旋转变压器 11 0 x f s o 08 ( 装配式) ，它的技术参数 如表2. 3 ) 所示。 表2. 3. 3 1 10 x f s008技术参数 粗机精机 极对数l3 2 橄磁电压2 6 v2 6 v 激磁频率 4 0 0 h24 0 0 hz 输出电压8 v8 v 输入阻抗2 0 0001 9 0 0 电气误差土 3 0 士 1 5 - 2 . 旋转变压器一数字转换器 ( r d c ) 本系统选用与多极双通道旋转变压器 ( 11 0 x 下 5 0 0 8) 相配套使用的 数字转换器， 它是一种小型化金属壳封装的 单块混合集成电 路， 内 部包含有粗、 精两路旋转变压器 的数字转换器和一个用于纠错粗精组合的双速处理器。 转换器的原理框图如图2. 3. 1 所示， 转换器接收双速旋转变压器信号， 输入信号为来自 四线旋转变压器信号和参考。 硕士论文 发射装里高性能伺服系统研究与应用 粗通道输入信号经过旋转变压器一数字转换器转换成8 位数字角度量， 精通道输入信 号经过旋转变压器一数字转换器转换成12位数字角度量， 两数字角度量再经一个双 速处理器进行实时纠错和粗精组合处理后， 输出一个12位并行二进制数字到锁存器， 我们通过控制三个使能信号 ( e n h 、 e n l 、e n m) ，既可输出 12 位数字量，又可输 出三个字节数字量。数字转换器的技术指标如表2. 3- 4 所示。 表2 3.4数字转换器的技术指标 参数指标备注 精度士 1 0 .最大误差 分辨率1 2 位 跟踪速率3 0 r p s400hz 激磁时 信号输入电 压 2 6 v 参考输入电 压 2 6 v 信号输入阻抗5 6 0 参考输入阻抗 5 6 0 工作频率4 00hz信号及参考 工作温度并o ee+ 8 5 0 哪 阳) 图2. 3. 1 数字转换器结构框图 由 旋转变压器和f 刀 c组成的轴角测量装置具有如下的 特点: ( 1) 高可靠性，角度传感器是无刷旋转变压器， 它具有寿命长， 可靠性高，无 电火花千扰等优点，它能适应于冲击、 振动、高温、低温、 交变湿热、低气压等各种 恶劣环境条件，环境适应性优于光电编码器。 ( 2) 高抗干扰性，无刷旋转变压器输出 信号幅度大，信号源内阻低以及它的结 构原理决定了它具有很优良的抗干扰性能。 l 4 硕士论文发射装里高性能伺服系统研究与应用 ( 3 ) 尺寸小，重要轻。 ( 4 ) 编码精度高， 本系统分辨率为自 然二进制码12位。 ( 5) 快速响 应好，无刷旋转变压器工作频率可达1 0 h z ， 且保证其精度。 ( 6) 绝对值编码器，本系统是一绝对值编码器，系统失电后， 恢复供电，仍可 保持转角的绝对位置信息。 2. 3. 5电 流检测元件 电 流传 感器是伺服系统中的一个重要元 件。 它的 精度和动态性能 直接影响 着系统 的低速性能和快速性。电流检测的方法有电阻检测， 光祸检测等各种不同的方法。 本 系统采用磁场平衡式霍尔电 流传感器 ( l e m模块) ， 检测电 路如图2. 3 .2所示。 此电 路 把互感器、 磁放大器、霍尔元 件和电 子线路的思想集成一体， 具有测量、 反馈、 保护的三重功能。 它实际上是有源电 流互感器， 它最大的设计优点是“ 磁场补 偿” ，被测量的原边磁场同测量绕组里的测量磁势，实时补偿为零，也就是说， 铁芯 里实际上没有磁通，因而其体积可以 做得很小，而不怕有铁芯饱和， 不用担心频率、 谐波影响。 之所以二者的磁势能被充分补偿， 是由于霍尔效应的作用。 而且二者不平 衡， 霍尔元件就会有霍尔电动势产生。 它就作为以士 巧v 供电的差分放大器输入信号， 放大器的输出电流即为传感器的测量电流， 自 动迅速的恢复磁势平衡， 即霍尔输出总 保持为零。 这样电 流的波形如实地反映原边被测电流的波形， 只是一个匝比的关系。 图2. 3. 2电 流检测电 路 2 冲伺服系统误差分析 所研究的发 射装置伺服系统位置控制精度要求高， 要达到其控制精度要求， 不仅 系 统的硬件要 精心选择， 同时理论上应该分 析影响系统的精度的各因素， 以便在系统 的设计中采用合理的方法来控制误差。 对不同 类型的设备， 影响其精度的误差源各不 同，有电气方面的因素，也有结构方面的因素。 下面将主要讨论与机械结构设计有关的因素。 针对所设计的发射装置， 构成发射装置轴系误差的因素有所不同， 必须对具体的 情况进行具体分析，才能够得到比较准确的分析结果。由于发射装置是两轴型装置， 硕士论文发射装里高性能伺服系统研究与应用 即俯仰一方位型， 下面对影响其轴系误差的主要因素进行分析。 2. 4. 1静态误差 静态误差主要由以下因素引起: ( 1) 方位轴晃动误差 这项误差主要是由 于方位轴承的跳动所引 起的. ( 2 )发射装置座水平调整误差 发射装置座水平调整剩余误差的 大小， 取决 于发 射装置座的结构刚 度、 水平调整 装置的灵敏度以及测量仪器的精确度。 ( 3 ) 俯仰轴晃动误差 这项误差主要是由于俯仰轴的晃动所引起的。 ( 4 ) 俯仰轴倾斜误差 这项误差主要是由于俯仰轴的左右回转中心与方位旋转面不等高所引 起的。 2. 4. 2动态误差 动态误差主要是由 于设备的自 重、 惯性载荷、 风载荷、 温度及基础不均匀沉降 等 因素而引起的结构变形所引起的。 因此， 发射装置的结构误差可以 分为静态误差和动态误差两大类。 静态误差是发 射装置在制造和安装过程中产生的误差。 其误差值可以通过一些辅助调整装置得到降 低，可以将这部分误差控制在很小的范围以内。 动态误差是在各种载荷作用下产生的 误差。 它的分析计算则比 较复 杂， 需要考虑。 2. 5影响系统性能的 扰动因 素 理论上， 此伺服系统具有精度高、 响应速度快、 稳定性好的特点。 但在高精度的 发射装置伺服系统中， 对于永磁交流伺服电机控制要求很高， 必须考虑到一些更细微 的因 素对于系统性能的 影响。 如系统的非线性、 祸合性、 动子质量和粘滞摩 擦系数变 化、 负载扰动、 永磁体充磁的不均匀性、 动子磁链分布的非正弦性、 动子 槽内的 磁阻 的变化、 环境温度和湿度的变化、 电 流时 滞谐波， 使 永磁同步电 机伺服系统性能 变坏， 难以 满足高精度、 快速响应的 要求。 电 磁推力波动会直接导致永磁同步电 机的速度跳 动，产生音频噪声，降低伺服精度。 为了提高系统的伺服性能， 使系统具有优良 的 工作品质， 就必须对系统的扰动进 行抑制。 导致系统性能 变坏的因素多种多样， 划分 扰动的方法也各有不同. 按照伺服 系统外部扰动和系统内部扰动可将扰动划分为两大类。 2. 5. 1系统外部扰动 发射装置伺服系统低速时的速度精度和速度平稳性是评价发射装置性能好坏的 一项重要标志之一。 发射装置伺服系统作为发射装置的硬件设备， 它的位置精度、 速 l 6 硕士论文发射装置高性能伺服系统研究与应用 度精度和速度平稳性直接影响发射装置的工作精度， 尤其是系统的低速性能指标。 影 响 系统低速性能的因素很多， 其中 最主要的因素是摩 擦力矩和电 机波动力矩阎 . 系统外部扰动主要是由 源于系统外部环境因素造成的。 对于发射装置伺服系统来 说， 由于工作条件和工作环境的不同， 它们执行元件所承受的负载也不一样。 下面通 过对发射装置在跟踪瞄准时负载环境的分析， 来讨论各种形式的负载对伺服系统性能 的影响。 发射装置跟踪瞄准时伺服系统执行元件的负载包括静阻力矩和动态力矩。 。 1 .摩擦力矩 摩擦力矩大小主要与轴系结构、 润滑状况、 负载大小和速度等有关， 而且可能 随 角 位置和时间随机变化。 摩擦的存在对伺 服系统性能 造成了 不良 影响， 主要体现在: 造成控制系统的死区非线性， 降 低角分辨率和重复精度: 在低速跟踪时由 于存在动静 摩擦之差或系统阻尼很小， 可能出 现跳动式跟踪或爬行现象， 不能保持速度的平稳性。 但俯仰部分的静阻力矩除摩擦力矩外， 还包括俯仰部分的不平衡力矩。 不平衡力 矩是由于俯仰部分的中心不通过发射装置耳轴中心所造成的， 虽然有平衡机， 但不可 能 保证在任意射角下， 俯仰部分对发 射装置耳轴都 平衡。 因此， 不平衡力矩是发 射装 置 射角的函数， 通常取最大 值。 2 .动态力矩扰动 动态力矩是回转部分的 折合转动惯量和角加速度的乘积。 折合转动惯量包括执行 元件的转子惯量以 及减速器各转动零件和发射装置本身的转动惯量折合到执行轴上 的总惯量。回转部分因发射装置射角的变化而改变回转部分对回转中心的质量分布， 从而改变回转部分的转动惯量。设计伺服系统时， 取其转动惯量可能出现的最大值。 主要是摩擦力矩和不平 衡力矩对发射装置伺服系统的影响 较大。 对于直接驱动的伺服系统来说， 无论是位置伺服系统， 还是速度伺服系统， 都是 带动被控对象做旋转机械运动。 在电 动状态下， 负载阻力的作用方向与电 机的运动方 向 ( 即电 磁推力方向)相反。为使电机带动负载做旋转运动， 就必须克服负载阻力。 在电 机运行时， 负载的变化会改变负载阻力的大小， 造成电 机运动速度的波动， 从而 导致系统伺服性能下降。 因此， 在高 性能伺服系统中， 必须对负 载阻力扰动加以 辨识 和补 偿。 通常的方法是采用状态观侧器或参数辨识方法对负载阻力进行观测和辨识， 然后进行实时在线补偿。 2. 5. 2系统内 部扰动 系统内部扰动是指由 系统组成部分造成的各种 扰动。 主要是电机结构带来的 扰 动、