基于DSP的直流伺服电机调速系统的控制设计与仿真(2)

电动机是伺服系统的重要执行元件，又称为执行电动机ｐ】．在自动控制系统中，其任务是将输入的电信号转换为转角或转速，以带动控制对象。按电流种类不同，伺服电动机可分为直流和交流两种。因此，对伺服系统的控制关键所在就是对伺服电机的控制。

世界上各大ＤＳＰｔ＂ｌ生产商将ＤＳＰ的高速运算速度和单片机的高控制能力相结合，开发出电动机控制的专用ＤＳＰ。这些ＤＳＰ集成了电动机控制所必需的可增加死区且灵活多变的ＰＷＭ信号发生器、高速高精度ＡＤＣ，以及用于电动机速度和位置反馈的编码器接口等电路，因而ＤＳＰ可以被称为目前用于电动机控制中功能最强大的控制器。近几年来，随着对ＤｓＰ的研究越来越专业化，ＤｓＰ功能的也就不断完善，价格不断下降，与普通单片机的价格也越来越接近，以及其开发工具的价格不断下降，使工业生产中ＤＳＰ的使用范围不断扩大，一个ＤＳＰ控制电动机的时代已经来临。

因此，本论文选择ＤＳＰ控制伺服电机作为研究内容具有很重要的现实意义，可以说，不管是现阶段技术发展、抑或今后发展都有很强的代表性。

１．２国内外发展现况

１．２．１伺服系统的国内外发展现状和前景

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流∞Ｃ）伺服系统和交流（ＡＣ）伺服系统。５０年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。７０年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代睁“。

从７０年代后期到８０年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术、交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一。

交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：永磁同步（ＳＭ型）电动机交流伺服系统和感应式异步（Ｉｉ型）电动机交流伺服系统。其中，

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永磁同步电动机交流伺服系统在技术上己趋于完全成熟，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，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前己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，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。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，因此目前并未得到普遍应用。

随着电子技术，特别是电子计算机的高速发展，带来了伺服系统向智能化方向的快速发展。从当前情况看，直流电动机能在大范围内实现精密的位置和速度控制，所以，要求系统性能高的场合都在广泛使用直流伺服系统。由于直流电机容易进行调速，尤其他励直流电机又具有较强的机械特性，所以在数控伺服系统中早有使用。直流电机具有良好的机械特性，使之能在大范围内平滑调速、启动、制动和正反转等，目前在传动领域中仍占重要的地位．

电力电子技术【”、单片机和微型计算机的高速发展，外围电路元件专用集成电路的不断出现，使得直流伺服电动机控制技术有了显著进步。这些技术领域的高速发展，可以很容易地构成高精度、快响应的直流伺服系统，因而近年来世界各国在高精度、速度和位置控制场合（比如机床进给伺服系统、军用伺服系统），都己由电力半导体驱动装置取代了电液驱动。

从传动系统来看，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛发展，在许多方面正向直流电机调速技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交流传动的基础。直流调速系统也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装置己经成功地用于生产。以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多功能电气传动系统正在形成和不断地完善．由于近年来微电子和电力电子技术突飞猛进的发展，促使各种伺服电机控制的智能化功率集成电路得到应用，使得这类系统正朝着数字化、模块化的方向发展。

从前面的讨论可以看出，数字化伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面：

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●全数字化

采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机０９ｓＰ）的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论的先进算法（如最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等）成为可能。

采用新型电力电子半导体器件

目前，伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管（Ｇ订ｑ、功率场效应管（ＭＯＳＶＥＴ）和绝缘门极晶体管ＯＯＢＴ）等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅｓ，简称硎Ⅵ）。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过压、过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中。其输入逻辑电平与ＴＴＬ信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。

●高度集成化

新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化，多功能的控制单元．同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。

●智能化

智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外．最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过入机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便；其次它们都具有故障自诊断与分析功能无论什么时候，只

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要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。

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