基于直流力矩電動機的高精度位置隨動系統實現

李小斌 ，吳宏岐 ，袁戰軍，王 瑾

（1.寶雞文理學院 電子電氣工程系，陜西 寶雞 721016；2.陜西國際商貿學院 電子系，陜西 咸陽 712046；3.陜西工業職業技術學院 信息工程學院，陜西 咸陽 712000）

基于直流力矩電動機的高精度位置隨動系統實現

李小斌1，吳宏岐1，袁戰軍2，王 瑾3

（1.寶雞文理學院 電子電氣工程系，陜西 寶雞 721016；2.陜西國際商貿學院 電子系，陜西 咸陽 712046；3.陜西工業職業技術學院 信息工程學院，陜西 咸陽 712000）

提出了一種采用直流力矩電動機作為執行元件的高精度位置系統實現方案。系統在結構上消除了減速裝置，簡化了結構，減小了誤差以及消除了由此可能帶來的自激振蕩。整個系統設計采用位置、轉速、電流三環結構。電流調節器和轉速調節器采用PI調節器，位置調節器采用比例調節器。給出了系統主要環節實現方法，按照工程設計方法確定了各調節器的參數，并在MATLAB環境下對所設計系統進行了仿真。在1°和180°的階躍給定下，系統超調量和穩態誤差均為0；在幅值為5°，頻率為1 Hz正弦信號輸入下，系統輸出能夠完全跟隨輸入。結果表明系統具有高的定位精度和較好的跟隨性能，能夠滿足設計要求。

力矩電機；位置系統；MATLAB/Simulink;PWM功率放大器;仿真

位置隨動系統目前已經成為現代工業、國防和高科技領域中不可缺少的設備。例如在煙支重量控制系統中，對煙支重量的精確控制離不開對平準器位置的精準控制；又如在智能視頻監控領域，為了實現對高速運動目標的快速跟蹤監控，也必須要求高性能的位置隨動系統。

傳統的位置隨動系統大都采用電動機加減速器的結構，使得系統復雜，動態特性差。針對這一問題，特給出一種采用永磁直流力矩電動機作為執行元件的高性能位置隨動系統。直流力矩電機是一種低轉速、大轉矩的直流電動機，它可在堵轉下長期工作,可以直接帶動低速負載。具有轉速和轉矩波動小,調節特性和機械特性線性度好等優點,特別適合于高精度的位置伺服系統和低速控制系統[1]。

1 位置隨動系統原理框圖

為保證位置系統的響應速度和跟蹤精度，設置3個調節器，分別調節位置、轉速和電流。如圖1所示，系統采用數模混合結構，位置環由數字電路實現，轉速、電流環采用模擬電路實現。圖中，UPE為PWM變換器及其驅動電路，輸出可控的直流電壓，以驅動直流力矩電動機。ACR為電流調節器。TA為霍爾電流傳感器，用于檢測電動機電樞電流及極性。FBC為電流反饋環節。ASR為轉速調節器，TG為測速電機，FBS為轉速反饋環節。FBP為位置反饋環節，位置信號由轉速信號變換得到，位置調節器由軟件實現。位置調節器的輸

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

2 位置隨動系統設計

2.1 調節器參數設計

三環位置隨動系統設計時首先根據各個環節的物理規律，列出描述該環節動態過程的微分方程，然后求出各環節傳遞函數，最后組成系統的動態結構框圖，如圖2所示。采用工程設計方法[3]，先設計電流調節器ACR，然后把電流環簡化成出Un*作為轉速環的給定，轉速調節器輸出Ui*作為電流環的給定。其中位置調節器的參數決定伺服系統跟蹤精度和跟隨性能，轉速調節器的輸出限幅值決定著電動機允許的最大電流，電流調節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實現，負責整個系統的控制以及參數處理，同時給出位置輸入信號。轉速、電流調節器采用PI調節器，位置調節器采用比例調節器，比例調節器系數Kp采用穩定邊界法整定[2]。轉速、電流調節器參數采用工程設計方法得到[3]。轉速環中的一個環節，和其它環節一起構成轉速調節器ASR的控制對象,再設計ASR。最后，再把整個轉速環簡化為位置環中的一個環節，從而設計位置調節器APR。由于電流檢測和轉速檢測信號中含有交流分量，需加低通濾波，濾波環節的傳遞函數可用一階慣性環節來表示，在抑制交流分量的同時，濾波環節也會延遲反饋信號。這樣，在給定信號通道上加入一個同等時間常數的慣性環節以平衡這個延遲作用。

圖2 系統動態結構框圖Fig.2 Dynamic structure diagram of the system

在圖2中，PWM裝置的放大系數Ks和延遲時間Ts為系統所固有，選取 Ts=0.1ms（開關頻率 10 kHz），Ks=8，電流濾波時間常數Toi=0.002 s，轉速濾波時間常數Ton=0.001 s。選用90LY54 型力矩電動機，實測 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β=3.3(V/A)，轉速反饋系數α=0.01 V·min/r。電動機轉速n的單位是 r/min，位置反饋單位是“°”，由轉速到角速度（°/s）的單位換算系數為360/60，即Kθ=6。角速度積分后即得角度。設計所得各調節器參數如表1所示。

2.2 脈寬調制信號發生器

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

表1 系統各調節器參數Tab.1 Parameters of the system regulation

圖3 脈沖信號發生器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；Ew為穩壓管Dw的穩定電壓。

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

圖4 脈寬調制原理圖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，電動機的正反轉則體現在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，PWM變換器輸出平均電壓為正值，電動機正轉，反之則反轉。同時，改變驅動電壓正、負脈沖的寬窄即可調節占空比，從而達到控制轉速的目的。

3 位置隨動系統仿真

按照所設計的參數，利用MATLAB對系統進行建模，得到仿真結果[6]如圖5所示。當給定信號分別為階躍信號1°和180°時，響應曲線分別如圖 5（a）和 5（b），可以看到穩態誤差和超調量均為0，調節時間分別為0.8 s和1 s；當輸入頻率為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

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橋臂兩管直通，使電路復雜，同時存在故障隱患。改進[7]后的功放電路如圖 6，其中 T1、T2、T3、T4為 IGBT 功率開關管，D1、D2、D3、D4為續流二極管， 阻塞二極管 D5和 D6防止直通短路。下橋臂T1、T2管由驅動電路控制，工作在開關狀態。上橋臂T3、T4管根據T1、T2管的開關情況自動選擇工作狀態。如，當Uk端輸入高電平時，T1管導通。由于T3通過 R2接到偏壓源Up上，T3也隨之導通。電流路徑為：電源+E、功率管T3、電動機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 系統仿真曲線Fig.5 Simulation curves of the system

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

5 結束語

仿真結果表明系統具有較高的定位精度和較好的跟隨性能，可以基本滿足設計要求。如果利用全數字控制系統實現，位置環的截止頻率可提高，系統應該能夠實現理想的動態性能。

[1]尹翔陵,王愛祥.直流力矩電機在精密跟蹤雷達中的應用[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.控制系統的MATLAB仿真與設計[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[M].3版.北京:機械工業出版社,2003.

[4]李玉和,郭陽寬.現代精密儀器設計[M].2版.北京:清華大學出版社,2010.

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

[6]洪乃剛等.電力電子和電力拖動控制系統的MATLAB仿真[M].北京:機械工業出版社,2006.

[7]高安邦等.機電一體化系統設計禁忌[M].北京:機械工業出版社,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

陜西省教育廳項目(12JK0549)；陜西省科學技術研究發展計劃項目(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。