数字式直流伺服系统的研究与设计

论文摘要

直流电机应用广泛,对于直流电动机的伺服控制研究比较成熟,本课题的研究目的在于通过对电机参数的辨识来设计直流伺服系统的控制器,使直流伺服驱动器的调试变得简单。本文利用最小二乘法实现对直流电动机的参数进行辨识,进行了PID控制器设计,通过实验验证了参数辨识算法和PID控制算法的可行性和实用性。本文主要的研究内容包括以下几个方面:(1)根据直流伺服控制系统的要求设计的基于DSP的数字控制平台,进行了硬件方案的设计,控制算法的软件设计。设计了基于LabVIEW平台的串行通讯软件。(2)采用最小二乘法实现了对直流电动机的电感、电阻、阻尼系数、转动惯量等参数的测量,通过仿真和实验验证了算法的可行性和实用性,为PID控制器的设计提供了依据。(3)利用最小二乘辨识算法得到的电机参数,设计电流环PI控制器和位置环PID控制器。实现了直流电动机的伺服控制,使伺服系统在匀速运动时的动态位置跟踪精度达到了±0.18,匀速时速度跟踪的纹波为±4 r/min,伺服系统的性能达到了预期的要求。(4)为了提高伺服系统对扰动的抑制能力,在PID控制的基础上增加Luenberger观测器来观测加速度,进行加速度反馈。通过仿真分析,表明增加加速度反馈可以显著提高系统对负载扰动的抑制能力。本文的系统的仿真和实验表明最小二乘法可以有效地测量直流电机参数,在此基础上设计的PID控制器能够实现伺服的高精度控制。参数辨识与PID控制相结合可以方便、有效地实现直流电动机的伺服控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题意义
• 1.2 直流伺服系统的研究现状
• 1.2.1 直流伺服系统的发展趋势
• 1.2.2 伺服控制理论的发展
• 1.2.3 数字式电动机驱动器的发展状况
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 基于DSP 的直流伺服控制系统的实现
• 2.1 引言
• 2.2 基于 TMS320F2808 的直流伺服系统结构
• 2.3 系统的硬件设计
• 2.3.1 电流检测电路设计
• 2.3.2 系统的电源电路设计
• 2.3.3 保护电路设计
• 2.4 系统的软件设计
• 2.4.1 系统初始化设计
• 2.4.2 PWM 周期中断程序设计
• 2.4.3 基于LabVIEW 的ModBus 串口通讯协议的实现
• 2.5 本章小结
• 第3章 直流伺服电机的模型及参数辨识
• 3.1 引言
• 3.2 直流伺服控制系统的数学模型
• 3.2.1 永磁直流电机的模型
• 3.2.2 单极倍频PWM 功率放大器
• 3.2.3 开关频率的选择
• 3.3 基于最小二乘法的电机参数辨识
• 3.3.1 最小二乘法
• 3.3.2 误差分析
• 3.3.3 仿真分析
• 3.3.4 实验验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 直流伺服的PID 控制
• 4.1 引言
• 4.2 经典PID 算法分析
• 4.2.1 电流环控制器设计
• 4.2.2 电流环响应特性的实验结果
• 4.2.3 位置环控制器设计
• 4.2.4 位置控制特性的实验结果
• 4.3 本章小结
• 第5章 数字式直流伺服控制算法的改进
• 5.1 引言
• 5.2 数字控制器中的PID 算法改进
• 5.2.1 数字积分和微分的改进
• 5.2.2 积分分离算法
• 5.2.3 不完全微分
• 5.3 加速度反馈的作用
• 5.4 加速度观测器的使用
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢