嵌入式伺服控制系统设计

【摘要】随着直流力矩电机在机械加工、数控机床和航空航天等领域的广泛应用，对其伺服控制系统的需求也越来越大，并且对伺服控制系统的功能多样性、可操作性和稳定性要求也越来越高。根据这些需求的产生的嵌入式伺服控制系统被更多的开发，这些系统普遍用于更好的人机交互体验，更加全面的功能。为了实现优秀的控制效果和用户操作体验，必须从多个方面对嵌入式伺服控制系统进行细致的研究。首先，本文对嵌入式伺服控制系统的控制对象进行了深入研究。分析不同状态下的电机动态平衡方程，并建立物理模型；通过阶跃响应法和频率法对系统模型进行辨识，作为设计控制系统的基础；根据系统模型研究基本的数字PID控制算法，并最终应用增量式PID控制算法；比较有刷直流力矩电机的双极性可逆PWM驱动和单极性可逆PWM驱动两种驱动方式，并讨论了两种驱动方式的优缺点和适用环境。其次，根据上面的研究针对实验室配备的电机设计嵌入式伺服控制系统。控制器、驱动器的硬件电路包括：PWM配置电路、安全保护电路、PWM放大电路等，其中控制器是基于C8051F121设计的；通信协议设计包括：控制器与编码器的通信协议和控制器与上位机的通信协议；根据系统功能和通信协议设计控制器的系统程序。最后，通过大量实验验证了嵌入式伺服控制系统功能可靠性、程序稳定性和硬件电路稳定性。同时该系统也实现了令人满意的用户体验，实现了多方式运动、实时运动状态监视、在线系统参数更改等便利的功能。并且能够不借助其他工具，利用阶跃响应法和频率法两种方法对被控电机进行系统模型辨识。为了提高电机的低速性能，研究了基于卡尔曼滤波算法的干扰观测器设计。通过改变电机的状态方程，利用MATLAB对干扰观测器和带有观测器的控制回路进行仿真实验，验证了该观测器对干扰噪声具有一定的观测能力，并且相比与传统的PID控制算法对控制效果具有一定的提升。
【作者】刘洋；
【导师】王显军；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，机械电子工程，2013，硕士
【关键词】直流力矩电机；C8051F121；PWM；双极性；IPM；卡尔曼滤波器；干扰观测器；

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