李小斌 ，吳宏岐 ，袁戰(zhàn)軍，王 瑾

（1.寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程系，陜西 寶雞 721016；2.陜西國際商貿(mào)學(xué)院 電子系，陜西 咸陽 712046；3.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

基于直流力矩電動機(jī)的高精度位置隨動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

李小斌1，吳宏岐1，袁戰(zhàn)軍2，王 瑾3

（1.寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程系，陜西 寶雞 721016；2.陜西國際商貿(mào)學(xué)院 電子系，陜西 咸陽 712046；3.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

提出了一種采用直流力矩電動機(jī)作為執(zhí)行元件的高精度位置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上消除了減速裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，減小了誤差以及消除了由此可能帶來的自激振蕩。整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)結(jié)構(gòu)。電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，位置調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器。給出了系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)方法，按照工程設(shè)計(jì)方法確定了各調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并在MATLAB環(huán)境下對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。在1°和180°的階躍給定下，系統(tǒng)超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差均為0；在幅值為5°，頻率為1 Hz正弦信號輸入下，系統(tǒng)輸出能夠完全跟隨輸入。結(jié)果表明系統(tǒng)具有高的定位精度和較好的跟隨性能，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

力矩電機(jī)；位置系統(tǒng)；MATLAB/Simulink;PWM功率放大器;仿真

位置隨動系統(tǒng)目前已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)、國防和高科技領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備。例如在煙支重量控制系統(tǒng)中，對煙支重量的精確控制離不開對平準(zhǔn)器位置的精準(zhǔn)控制；又如在智能視頻監(jiān)控領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)對高速運(yùn)動目標(biāo)的快速跟蹤監(jiān)控，也必須要求高性能的位置隨動系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的位置隨動系統(tǒng)大都采用電動機(jī)加減速器的結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)復(fù)雜，動態(tài)特性差。針對這一問題，特給出一種采用永磁直流力矩電動機(jī)作為執(zhí)行元件的高性能位置隨動系統(tǒng)。直流力矩電機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的直流電動機(jī)，它可在堵轉(zhuǎn)下長期工作,可以直接帶動低速負(fù)載。具有轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動小,調(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性線性度好等優(yōu)點(diǎn),特別適合于高精度的位置伺服系統(tǒng)和低速控制系統(tǒng)[1]。

1 位置隨動系統(tǒng)原理框圖

為保證位置系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤精度，設(shè)置3個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)位置、轉(zhuǎn)速和電流。如圖1所示，系統(tǒng)采用數(shù)模混合結(jié)構(gòu)，位置環(huán)由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速、電流環(huán)采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。圖中，UPE為PWM變換器及其驅(qū)動電路，輸出可控的直流電壓，以驅(qū)動直流力矩電動機(jī)。ACR為電流調(diào)節(jié)器。TA為霍爾電流傳感器，用于檢測電動機(jī)電樞電流及極性。FBC為電流反饋環(huán)節(jié)。ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，TG為測速電機(jī)，F(xiàn)BS為轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)。FBP為位置反饋環(huán)節(jié)，位置信號由轉(zhuǎn)速信號變換得到，位置調(diào)節(jié)器由軟件實(shí)現(xiàn)。位置調(diào)節(jié)器的輸

圖1 位置隨動系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

2 位置隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)

三環(huán)位置隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)時首先根據(jù)各個環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程，然后求出各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，最后組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。采用工程設(shè)計(jì)方法[3]，先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器ACR，然后把電流環(huán)簡化成出Un*作為轉(zhuǎn)速環(huán)的給定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出Ui*作為電流環(huán)的給定。其中位置調(diào)節(jié)器的參數(shù)決定伺服系統(tǒng)跟蹤精度和跟隨性能，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定著電動機(jī)允許的最大電流，電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定著PWM變換器的最大輸出電壓。中央處理器采用DSP實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制以及參數(shù)處理，同時給出位置輸入信號。轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，位置調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，比例調(diào)節(jié)器系數(shù)Kp采用穩(wěn)定邊界法整定[2]。轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)采用工程設(shè)計(jì)方法得到[3]。轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的控制對象,再設(shè)計(jì)ASR。最后，再把整個轉(zhuǎn)速環(huán)簡化為位置環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，從而設(shè)計(jì)位置調(diào)節(jié)器APR。由于電流檢測和轉(zhuǎn)速檢測信號中含有交流分量，需加低通濾波，濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也會延遲反饋信號。這樣，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)以平衡這個延遲作用。

圖2 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Dynamic structure diagram of the system

在圖2中，PWM裝置的放大系數(shù)Ks和延遲時間Ts為系統(tǒng)所固有，選取 Ts=0.1ms（開關(guān)頻率 10 kHz），Ks=8，電流濾波時間常數(shù)Toi=0.002 s，轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.001 s。選用90LY54 型力矩電動機(jī)，實(shí)測 R=30 Ω，L=0.15 H，Tl=3 ms，Tm=15 ms，Ce=0.096 V·min/r，Cm=0.9168 N·m/A，整定電流反饋系數(shù)β=3.3(V/A)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.01 V·min/r。電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的單位是 r/min，位置反饋單位是“°”，由轉(zhuǎn)速到角速度（°/s）的單位換算系數(shù)為360/60，即Kθ=6。角速度積分后即得角度。設(shè)計(jì)所得各調(diào)節(jié)器參數(shù)如表1所示。

2.2 脈寬調(diào)制信號發(fā)生器

如圖3所示，運(yùn)算放大器A1為延遲比較器，運(yùn)算放大器A2為積分器，按正反饋方式連接運(yùn)算放大器A1和A2共同組成自激振蕩三角波發(fā)生器[4]。工作時運(yùn)算放大器A1的輸出為方波，A2輸出為三角波。

表1 系統(tǒng)各調(diào)節(jié)器參數(shù)Tab.1 Parameters of the system regulation

圖3 脈沖信號發(fā)生器Fig.3 Pulse signals generator

振蕩頻率為

輸出振幅為

式中，αw為電位器R7的分壓系數(shù)；Ew為穩(wěn)壓管Dw的穩(wěn)定電壓。

脈寬調(diào)制原理如圖4所示。三角波頻率由積分器時間常數(shù)R8C所決定，R7用來微調(diào)頻率，R4用來調(diào)節(jié)幅值。D1、D2、D3、D4為4個硅二極管 （設(shè)每個PN結(jié)的導(dǎo)通壓降為0.6 V），三極管 T1的導(dǎo)通條件為 UPQ＞+1.8 V，T2的導(dǎo)通條件為UPQ＜-1.8 V。將三角波幅值調(diào)節(jié)到±1.8 V，當(dāng)在Q端輸入給定電壓Uin，其數(shù)值定為由0～±3.6V間的任意值時，UK端將會輸出相應(yīng)寬度的脈沖波。

圖4 脈寬調(diào)制原理圖Fig.4 The principle diagram of pulse width modulation

2.3 功率放大電路

功率放大電路[5]采用雙極式橋式可逆PWM變換器，電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時，PWM變換器輸出平均電壓為正值，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)。同時，改變驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄即可調(diào)節(jié)占空比，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。

3 位置隨動系統(tǒng)仿真

按照所設(shè)計(jì)的參數(shù)，利用MATLAB對系統(tǒng)進(jìn)行建模，得到仿真結(jié)果[6]如圖5所示。當(dāng)給定信號分別為階躍信號1°和180°時，響應(yīng)曲線分別如圖 5（a）和 5（b），可以看到穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量均為0，調(diào)節(jié)時間分別為0.8 s和1 s；當(dāng)輸入頻率為6.28 rad/s、幅值為5°的正弦信號時，輸出完全跟隨輸入信號，如圖 5（c）。

4 功率放大電路改進(jìn)

普通H型橋式電路的上、下橋臂需要通過外加電路來防止同側(cè)橋臂兩管直通，使電路復(fù)雜，同時存在故障隱患。改進(jìn)[7]后的功放電路如圖 6，其中 T1、T2、T3、T4為 IGBT 功率開關(guān)管，D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管， 阻塞二極管 D5和 D6防止直通短路。下橋臂T1、T2管由驅(qū)動電路控制，工作在開關(guān)狀態(tài)。上橋臂T3、T4管根據(jù)T1、T2管的開關(guān)情況自動選擇工作狀態(tài)。如，當(dāng)Uk端輸入高電平時，T1管導(dǎo)通。由于T3通過 R2接到偏壓源Up上，T3也隨之導(dǎo)通。電流路徑為：電源+E、功率管T3、電動機(jī)M、二極管D5、功率管T1到地。由于D5的存在，T4的柵射電壓被鉗位在-0.7 V，使T4截止以防止上下管短路。RCD為電壓吸收電路。

圖5 系統(tǒng)仿真曲線Fig.5 Simulation curves of the system

圖6 改進(jìn)H型功放電路Fig.6 The improved H power amplifer

5 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明系統(tǒng)具有較高的定位精度和較好的跟隨性能，可以基本滿足設(shè)計(jì)要求。如果利用全數(shù)字控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，位置環(huán)的截止頻率可提高，系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)理想的動態(tài)性能。

[1]尹翔陵,王愛祥.直流力矩電機(jī)在精密跟蹤雷達(dá)中的應(yīng)用[J].電子工程師,2001,27(1):55-57.

YIN Xiang-ling,WANG Ai-xiang.The applications of DC torque motors in precision tracking radar[J].Electronics Engineers,2001,27(1):55-57.

[2]王海英,袁麗英,王勃.控制系統(tǒng)的MATLAB仿真與設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[4]李玉和,郭陽寬.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[5]李華德.電力拖動控制系統(tǒng)(運(yùn)動控制系統(tǒng))[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[6]洪乃剛等.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[7]高安邦等.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)禁忌[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

Implementation of a high precision position servo system based on DC torque motor

LI Xiao-bin1,WU Hong-qi1,YUAN Zhan-jun2,WANG Jin3
（1.Dept.Electronics&Elect.Engn.,Baoji Univ.Arts&Sci.，Baoji 721016，China;2.Department of Electronics,Shaanxi Institute of International Trade&Commerce,Xianyang 712046,China;3.College of Information Engineering,Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000,China）

An implementation project of high precision position servo system which uses the dc torque motor as executive component is presented.The structure is simplified by eliminating reduction gear,and the error is reduced as well as the selfexcited oscillation is eliminated.The whole system design adopted the tricyclic structure of position loop、speed loop、and current loop to form a position servo control system.Both current regulator and speed regulator were used PI regulator,position regulator used proportional controller.Design methods for main links were also given and the parameters of the key links were determined with the help of engineering design method.The simulation model and results were given under the environment of MATLAB.Under the step inputs of 1°and 180°,the system overshoot and steady state error were all zero;The system output could completely follow the input by taking sinusoidal signal with 5°amplitude and 1 Hz frequency as system input.The results showed that the system had high location accuracy,better tracking performance and could satisfy the design request.

torque motor;position servo system;MATLAB/Simulink;PWM power amplifier;simulation

TN820.3

A

1674-6236（2014）13-0075-03

2014-03-03 稿件編號：201403022

陜西省教育廳項(xiàng)目(12JK0549)；陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013k07-44)

李小斌（1972—），男，陜西鳳翔人，碩士，副教授。研究方向:電氣傳動。