直流控制伺候系统设计和实现电气工程专业.doc

题 目 直流控制伺候系统设计 目 录 摘要 1 1前言 3 1.1伺服系统及其发展历史 3 1.2 伺服系统的分类、现状与展望 4 2 直流伺服控制系统的方案设计 7 2.1 本次设计的设计内容和要求 7 2.2 总体方案选择 7 3 双闭环调速系统的原理分析 10 3.1 转速、电流双闭环调速系统的工作原理 10 3.2 双闭环调速系统起动过程分析 12 3.3 直流电机转速稳定的动态分析 16 4直流伺服系统的电路组成与分析 18 4.1 系统构成 18 4.2 主电路工作过程 19 5 控制电路的设计 21 5.1控制芯片SG3525 21 5.2 延时电路设计 29 5.3 保护电路 30 6 驱动电路的设计 32 6.1 PWM功率放大器的工作原理 32 6.2 功率管IGBT 34 6.3 IGBT驱动芯片IR2110 36 7 速度调节器和电流调节器 41 8 结论 43 9 总结与体会 44 致 谢 45 参考文献 46 附录 直流伺服系统电路图 摘 要 目前直流伺服控制系统在工业中有很大的应用面，有其不可取代的优点，因此本课题设计了一种直流伺服控制系统，设计的原则是尽量采用大规模集成芯片来提高系统的紧凑性和可靠性。在此基础上完成了系统总体方案设计，并对系统的控制原理及动态性能进行了分析，重点分析了电机在起动过程中电枢电流、速度调节器和电流调节器的输入与输出、转速的变化情况。 同时，还进行了控制系统的总体电路设计，介绍了集成芯片SG3525的内部结构和控制功能，功率管IGBT及IGBT驱动芯片IR2110的功能和特点。完成了基于SG3525控制的PWM电路设计、逻辑延时电路的设计、驱动电路设计、功率放大器的设计。 【关键词】： SG3525; 直流伺服系统; 双闭环 ; The designing of DC Servo Control System Abstract At present the DC servo control system have a big application in the industry. It cannot be substituted in certain aspects .so, In This paper, A DC Servo Control System has been designed. The Design principle is as far as possible to use the large scale integration chip to enhance the compact of system and the reliability of system. In that foundation, the overall design of system has been completed, and analysis of the control principle and dynamic performance for this system are also carried out. The dynamic performance of the armature electric current is the key analyzing point. The input-output of the speed regulator and the Current regulator, the starting Rotational speed are discussed. In the same time, overall circuit of the control system has been designed, the Internal structure and control function of the integrated chip SG3525, power tube IGBT, the function and characteristics of the actuation chip IR2110 for IGBT are also introduced. then the PWM circuit based on control of SG3525, circuit of logic delay, Drive Circuit，power amplifier are also completed too. Key words： SG3525; DC servo system; double closed-loop 直流控制系统设计 1前言 直流伺服电机具有响应快、低速平稳性好、调速范围宽等特点，因而常常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内得到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人控制等场合。尽管交流伺服电机的发展相当迅速，但在这些领域内还难以取代直流伺服电机。 数字直流伺服控制采用高速数字信号处理器（DSP），直接对速度和电流信号进行采样，通过软件实现数字比较、数字调节运算（数字滤波）、数字脉宽调制等各种功能，从而实现对速度的精确控制。但是数字直流伺服控制调速系统结构复杂、成本高，技术难度大，还没有在工业上形成大的规模，只有很少的企业使用。而传统的直流伺服控制系统包含2个反馈环路，即速度环和电流环，采用测速机、电流传感器（霍尔器件）及模拟电子线路实现速度和电流的双闭环控制。由于其结构简单、成本低、可靠性高，有具有较好的动、静态性能。在中国目前的工业控制系统中，模拟直流伺服控制系统还占有很大的规模，市场也很大。 因此，设计一个好的直流伺服控制系统是有很好的市场前景的。 本人此次设计的直流伺服控制系统就是一个模拟直流伺服调速系统，它采用SG3525产生可调PWM波，利用PWM逆变器作为直流电机的驱动，在PWM逆变器中采用了IGBT，并让电路工作在电流断续状态下，这样就很好地解决了晶闸管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍然偏低的问题。同时采用美国IR公司生产的高压、高速、具有自举电路的IR2110作为IGBT的驱动。为防止IGBT的共态导通，设计中又加进了逻辑延时电路，逻辑保护电路。通过电流调节器和电压调节器的反馈来控制PWM的脉宽，从而控制进入直流伺服电动机的电压，进而控制直流伺服电动机的转速。整个直流伺服控制系统具有较好的动、静态性能。 1.1伺服系统及其发展历史 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。 伺服系统是自动控制系统的一个分支，它是伴随着电的应用而发展起来的，最早出现于20世纪初。1934年第一次提出了伺服机构（servomechanism）这个词，随着自动控制理论的发展，到20实际中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。到了70年代，直流伺服电机被应用到各个领域，得到了最广泛的应用。伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，大功率高性能半导体，功率器技术发展，80年代，交流伺服技术、交流伺服电机，交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。 1.2 伺服系统的分类、现状与展望 伺服系统以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求伺服系统能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，伺服系统可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。 （一）步进伺服系统 步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50 000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。 步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。 （二）直流伺服系统 直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。 然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 （三）交流伺服系统 针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。 目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：模拟形式、数字形式和软件形式。模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。具有较丰富的自诊断、报警功能。软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。 交流伺服随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 （四）直线伺服系统 直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。 直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。在2001年欧洲机床展上，有几十家公司展出直线电动机驱动的高速机床，快移速度达100～120m/min，加速度1.5～2g，其中尤以德国DMG