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1、湖北工业大学继续教育学院毕业设计论文湖北工业大学继续教育学院 电气工程及其自动化专业毕业论文开题报告书毕业论文选题： 直流伺服控制系统设计指 导 教 师：黄 涛开 题 报 告 人：赵益顺班 级： 2012级电气工程及其自动化（专升本）函授二O一四年三月十五日开题报告 半个世纪来，直流伺服控制系统己经在精密数控机床、加工中心、机器人等领域得到了广泛的应用。随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。因此本课题设计了一种直流伺服控制系统，设计的原则是尽量采用大规模集成芯片来提高系统的紧凑性和可靠性。在此基础上完成了系统总体
2、方案设计，并对系统的控制原理及动态性能进行了分析，重点分析了电机在起动过程中电枢电流、速度调节器和电流调节器的输入与输出、转速的变化情况。本文介绍了直流伺服系统的硬件、软件设计方案。它的主要内容包括完成车床直流伺服控制系统原理性设计、总体方案设计及驱动电路设计，研究系统动态性能。第一部分：直流伺服控制系统电流和速度闭还系统设计。 第二部分：功率放大器的设计。 第三部分：逻辑延时电路的设计。第四部分：PWM电路的设计。第五部分：前置放大及调节器的设计。论 文 设 计 题 目 直流控制伺候系统设计指 导 老 师 黄 涛 学 生 姓 名 赵益顺 学 生 学 号 20120423 专 业 年 级 层次
3、 2012级电气工程及其自动化（专升本）函授校外学习中心(点) 湖北工业大学成人教育学院福建函授站湖北工业大学成人教育学院毕业论文（设计）登记表论文（设计）题目：直流控制伺候系统学 生 姓 名： 赵益顺学 生 学 号：20120423年 级 、 专业： 2012级电气工程及其自动化（专升本）函授校外学习中心（点）： 湖北工业大学成人教育学院福建函授站指 导 老 师： 3摘要目 录摘要11前言3伺服系统及其发展历史31.2 伺服系统的分类、现状与展望42 直流伺服控制系统的方案设计72.1 本次设计的设计内容和要求72.2 总体方案选择73 双闭环调速系统的原理分析103.1 转速、电流双闭环调
4、速系统的工作原理103.2 双闭环调速系统起动过程分析123.3 直流电机转速稳定的动态分析164直流伺服系统的电路组成与分析184.1 系统构成184.2 主电路工作过程195 控制电路的设计215.1控制芯片SG3525215.2 延时电路设计295.3 保护电路306 驱动电路的设计32 PWM功率放大器的工作原理326.2 功率管IGBT346.3 IGBT驱动芯片IR2110367 速度调节器和电流调节器418 结论439 总结与体会44致 谢45参考文献46附录 直流伺服系统电路图摘 要目前直流伺服控制系统在工业中有很大的应用面，有其不可取代的优点，因此本课题设计了一种直流伺服控制
5、系统，设计的原则是尽量采用大规模集成芯片来提高系统的紧凑性和可靠性。在此基础上完成了系统总体方案设计，并对系统的控制原理及动态性能进行了分析，重点分析了电机在起动过程中电枢电流、速度调节器和电流调节器的输入与输出、转速的变化情况。同时，还进行了控制系统的总体电路设计，介绍了集成芯片SG3525的内部结构和控制功能，功率管IGBT及IGBT驱动芯片IR2110的功能和特点。完成了基于SG3525控制的PWM电路设计、逻辑延时电路的设计、驱动电路设计、功率放大器的设计。 【关键词】： SG3525; 直流伺服系统; 双闭环 ; The designing of DC Servo Control S
6、ystemAbstractAt present the DC servo control system have a big application in the industry. It cannot be substituted in certain aspects .so, In This paper, A DC Servo Control System has been designed. The Design principle is as far as possible to use the large scale integration chip to enhance the c
7、ompact of system and the reliability of system. In that foundation, the overall design of system has been completed, and analysis of the control principle and dynamic performance for this system are also carried out. The dynamic performance of the armature electric current is the key analyzing point
8、. The input-output of the speed regulator and the Current regulator, the starting Rotational speed are discussed.In the same time, overall circuit of the control system has been designed, the Internal structure and control function of the integrated chip SG3525, power tube IGBT, the function and cha
9、racteristics of the actuation chip IR2110 for IGBT are also introduced. then the PWM circuit based on control of SG3525, circuit of logic delay, Drive Circuit，power amplifier are also completed too.Key words： SG3525; DC servo system; double closed-loop 湖北工业大学继续教育学院毕业设计论文直流控制系统设计1前言直流伺服电机具有响应快、低速平稳性好
10、、调速范围宽等特点，因而常常用于实现精密调速和位置控制的随动系统中，在工业、国防和民用等领域内得到广泛应用，特别是在火炮稳定系统、舰载平台、雷达天线、机器人控制等场合。尽管交流伺服电机的发展相当迅速，但在这些领域内还难以取代直流伺服电机。数字直流伺服控制采用高速数字信号处理器（DSP），直接对速度和电流信号进行采样，通过软件实现数字比较、数字调节运算（数字滤波）、数字脉宽调制等各种功能，从而实现对速度的精确控制。但是数字直流伺服控制调速系统结构复杂、成本高，技术难度大，还没有在工业上形成大的规模，只有很少的企业使用。而传统的直流伺服控制系统包含2个反馈环路，即速度环和电流环，采用测速机、电流传
11、感器（霍尔器件）及模拟电子线路实现速度和电流的双闭环控制。由于其结构简单、成本低、可靠性高，有具有较好的动、静态性能。在中国目前的工业控制系统中，模拟直流伺服控制系统还占有很大的规模，市场也很大。因此，设计一个好的直流伺服控制系统是有很好的市场前景的。本人此次设计的直流伺服控制系统就是一个模拟直流伺服调速系统，它采用SG3525产生可调PWM波，利用PWM逆变器作为直流电机的驱动，在PWM逆变器中采用了IGBT，并让电路工作在电流断续状态下，这样就很好地解决了晶闸管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍然偏低的问题。同时采用美国IR公司生产的高压、高速、具有自举电路的IR2110作为IGBT
12、的驱动。为防止IGBT的共态导通，设计中又加进了逻辑延时电路，逻辑保护电路。通过电流调节器和电压调节器的反馈来控制PWM的脉宽，从而控制进入直流伺服电动机的电压，进而控制直流伺服电动机的转速。整个直流伺服控制系统具有较好的动、静态性能。伺服系统及其发展历史伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。伺服系统是自动控制系统的一个分支，它是伴随着电的应用而发展起来的，最早出现于20世纪初。1934年第一次提出了伺
13、服机构（servomechanism）这个词，随着自动控制理论的发展，到20实际中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛应用。到了70年代，直流伺服电机被应用到各个领域，得到了最广泛的应用。伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，大功率高性能半导体，功率器技术发展，80年代，交流伺服技术、交流伺服电机，交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。1.2 伺服系统的分类、现状与展望伺服系统以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求伺服系统能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，伺服系统可
14、细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。（一）步进伺服系统步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50 000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。（二）直流伺服系统直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在
