基于ARM的伺服控制系统设计与研究-控制理论与控制工程专业论文.docx

西安建筑科技大学硕士学位论文作为控制对象的无刷直流电机,它属于三相永磁同步电机的一种。无刷直流电机剔除了直流电机机械电刷和换向器严重缺陷,具有可靠性高,寿命长,结构简单等特性。又因其具有直流电机的最优良的启动〈转矩大和电流小〉和调速(范围宽〉特性,启动时迅速,运行平稳,效率高,调速方便。正是其的这些优越性能,在生产和生活中得到了广泛的应用。如=机器人、电动门、航模、数控机床、电梯等。只有在掌握控制对象的特征及运动特性,才能更好的实现在伺服系统中预期的控制效果。本文针对无刷直流电机进行伺服控制系统搭建,由32位ARM为核心处理器,组建外围硬件电路,实现对无刷直流电机进行电流、速度的调节。,大家己经并不陌生,其发展已经有将近九十年的历史,而不同时代的伺服控制系统的被控对象也所不同。其发展共分为三个阶段。第一阶段,上世纪的40-50年代,主要采用步进电机或液压马达式的驱动方式,用于军事技术中的火炮自动跟踪系统。这个时期的伺服系统,频响差,电机转动惯量及机电时间常数都比较大,响应较慢,很难满足二战时期快速发展的军事要求。第二阶段,是上世纪60-70年代电液伺服系统。较之第一阶段的直流电机式驱动,该系统在低速和平稳性能上己经满足,但是缺点也很明显,存在漏油、易发生故障、产生故障时难以维修等致命缺点。第三阶段,从上世纪80年代开始,半导体器件的飞速发展,促使了伺服控制系统的前进。电子器件的全数字化、高集成化、智能化、网络化、高频化、模块化等特点使得伺服系统加速变革,应用范围也逐步扩大。例如:电机i革变电路中的MOSFET管的发展,使得在电机驱动过程中,控制性能提高,从而伺服控制系统的性能也跟着有所提高。经过几十年的变更与发展,伺服控制系统以其优良的性能(快速、便捷、灵活等),常见于车床加工、军事雷达及火炮等的定位、工业机械手臂运动、空调、机器人、复印机、摄像机、自动感应门等等方面。归纳起来,伺服系统正在朝着两个方向发展:1、满足一般工业应用要求,对性能指标要求不高的应用场合,追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品,如变频器等。22、为了满足高要求用户,需要代表伺服控制系统发展水平的高性能、高速度、数字化、智能化、网络化的驱动控制产品,如:伺服电机、伺服控制器。目前,伺服控制系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式实现,达到伺服控制的目的。伺服系统根据驱动元件不同,可以分为机电伺服控制系统、液压伺服控制系统和气动伺服控制系统[习。在随机抽取的201篇有关伺服论文中(2006年之后),,统计出的伺服系统分类比例情况。可见,以机电为对象的伺服控制系统是目前的主流形势。机电86'。步进电机顾名思义是将一定占空比的脉冲信号转换成相应的角位移的的控制元件。步进电机由于其控制精确、不需要模数转换等优点,在数控系统中应用广泛。但其缺点是,在高速情况下,容易发生丢步或堵转。直流伺服系统的驱动元件为直流电机。直流电机性能良好,但缺点是机械电刷容易产生火花,换相困难,寿命短。交流伺服控制系统的驱动元件是由交流异步伺服电机和永磁同步伺服电机。交流电机优点是,其转子惯量小,Ï})J态响应好,又在同样体积下,-,并且交流电机的容量大,能达到更高的电压和转速,但与此同时,价格相对步进电机和直流电机较高。本文使用的是无刷直流电机,它是永磁同步电机中的一种。,也就是励磁磁Ï})J势分布不同,可分为正弦波和方波两种类型。正弦波型永磁同步电机的气隙磁场为3西安建筑科技大学硕士学位论文正弦波状,方波型的气隙磁场则呈方波状,前者是三相交流永磁同步伺服电机,后者也就是本文中用到的无刷直流电机。无刷直流电机与普通的有刷直流电机的区别在于,有刷直流电机的定子磁体被永磁体转子代替,电枢换成具有三相绕组的定子,机械换向器和电刷则由逆变器和转子位置传感器取代。由于没有了机械换相和电刷,从而消除了直流电机在换相过程中产生的摩擦、火花等不良因素,使得无刷直流电机的寿命延长。同时,其结构简单,使用起来比较方便,扩大了其应用范围。无刷直流电机发展历史大致分为四个阶段。第一阶段,是上世纪30年代,有些学者们就开始研制采用电子换相的无刷直流电机,但由于大功率电子器件研发还不成功,性能较差,可靠性较低,效率低下,所以这时候的无刷直流电机只处于试验阶段,没有推广。第二阶段,是上世纪50年代,美国人H缸rison和Rye申请用晶体管换相线路代替电机机械电刷换相装置的专利成功,标志现代无刷直流电机雏形的诞生。此种电机当转子旋转时,信