基于直流力矩电动机的高精度位置随动系统实现

李小斌 ，吴宏岐 ，袁战军，王 瑾

（1.宝鸡文理学院 电子电气工程系，陕西 宝鸡 721016；2.陕西国际商贸学院 电子系，陕西 咸阳 712046；3.陕西工业职业技术学院 信息工程学院，陕西 咸阳 712000）

基于直流力矩电动机的高精度位置随动系统实现

李小斌1，吴宏岐1，袁战军2，王 瑾3

（1.宝鸡文理学院 电子电气工程系，陕西 宝鸡 721016；2.陕西国际商贸学院 电子系，陕西 咸阳 712046；3.陕西工业职业技术学院 信息工程学院，陕西 咸阳 712000）

提出了一种采用直流力矩电动机作为执行元件的高精度位置系统实现方案。系统在结构上消除了减速装置，简化了结构，减小了误差以及消除了由此可能带来的自激振荡。整个系统设计采用位置、转速、电流三环结构。电流调节器和转速调节器采用PI调节器，位置调节器采用比例调节器。给出了系统主要环节实现方法，按照工程设计方法确定了各调节器的参数，并在MATLAB环境下对所设计系统进行了仿真。在1°和180°的阶跃给定下，系统超调量和稳态误差均为0；在幅值为5°，频率为1 Hz正弦信号输入下，系统输出能够完全跟随输入。结果表明系统具有高的定位精度和较好的跟随性能，能够满足设计要求。

力矩电机；位置系统；MATLAB/Simulink;PWM功率放大器;仿真

位置随动系统目前已经成为现代工业、国防和高科技领域中不可缺少的设备。例如在烟支重量控制系统中，对烟支重量的精确控制离不开对平准器位置的精准控制；又如在智能视频监控领域，为了实现对高速运动目标的快速跟踪监控，也必须要求高性能的位置随动系统。

传统的位置随动系统大都采用电动机加减速器的结构，使得系统复杂，动态特性差。针对这一问题，特给出一种采用永磁直流力矩电动机作为执行元件的高性能位置随动系统。直流力矩电机是一种低转速、大转矩的直流电动机，它可在堵转下长期工作,可以直接带动低速负载。具有转速和转矩波动小,调节特性和机械特性线性度好等优点,特别适合于高精度的位置伺服系统和低速控制系统[1]。

1 位置随动系统原理框图

为保证位置系统的响应速度和跟踪精度，设置3个调节器，分别调节位置、转速和电流。如图1所示，系统采用数模混合结构，位置环由数字电路实现，转速、电流环采用模拟电路实现。图中，UPE为PWM变换器及其驱动电路，输出可控的直流电压，以驱动直流力矩电动机。ACR为电流调节器。TA为霍尔电流传感器，用于检测电动机电枢电流及极性。FBC为电流反馈环节。ASR为转速调节器，TG为测速电机，FBS为转速反馈环节。FBP为位置反馈环节，位置信号由转速信号变换得到，位置调节器由软件实现。位置调节器的输

图1 位置随动系统原理框图Fig.1 Block diagram of the system

2 位置随动系统设计

2.1 调节器参数设计

三环位置随动系统设计时首先根据各个环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程，然后求出各环节传递函数，最后组成系统的动态结构框图，如图2所示。采用工程设计方法[3]，先设计电流调节器ACR，然后把电流环简化成出Un*作为转速环的给定，转速调节器输出Ui*作为电流环的给定。其中位置调节器的参数决定伺服系统跟踪精度和跟随性能，转速调节器的输出限幅值决定着电动机允许的最大电流，电流调节器的输出限幅值决定着PWM变换器的最大输出电压。中央处理器采用DSP实现，负责整个系统的控制以及参数处理，同时给出位置输入信号。转速、电流调节器采用PI调节器，位置调节器采用比例调节器，比例调节器系数Kp采用稳定边界法整定[2]。转速、电流调节器参数采用工程设计方法得到[3]。转速环中的一个环节，和其它环节一起构成转速调节器ASR的控制对象,再设计ASR。最后，再把整个转速环简化为位置环中的一个环节，从而设计位置调节器APR。由于电流检测和转速检测信号中含有交流分量，需加低通滤波，滤波环节的传递函数可用一阶惯性环节来表示，在抑制交流分量的同时，滤波环节也会延迟反馈信号。这样，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节以平衡这个延迟作用。

图2 系统动态结构框图Fig.2 Dynamic structure diagram of the system

在图2中，PWM装置的放大系数Ks和延迟时间Ts为系统所固有，选取 Ts=0.1ms（开关频率 10 kHz），Ks=8，电流滤波时间常数Toi=0.002 s，转速滤波时间常数Ton=0.001 s。选用90LY54 型力矩电动机，实测 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，整定电流反馈系数β=3.3(V/A)，转速反馈系数α=0.01 V·min/r。电动机转速n的单位是 r/min，位置反馈单位是“°”，由转速到角速度（°/s）的单位换算系数为360/60，即Kθ=6。角速度积分后即得角度。设计所得各调节器参数如表1所示。

2.2 脉宽调制信号发生器

如图3所示，运算放大器A1为延迟比较器，运算放大器A2为积分器，按正反馈方式连接运算放大器A1和A2共同组成自激振荡三角波发生器[4]。工作时运算放大器A1的输出为方波，A2输出为三角波。

表1 系统各调节器参数Tab.1 Parameters of the system regulation

图3 脉冲信号发生器Fig.3 Pulse signals generator

振荡频率为

输出振幅为

式中，αw为电位器R7的分压系数；Ew为稳压管Dw的稳定电压。

脉宽调制原理如图4所示。三角波频率由积分器时间常数R8C所决定，R7用来微调频率，R4用来调节幅值。D1、D2、D3、D4为4个硅二极管 （设每个PN结的导通压降为0.6 V），三极管 T1的导通条件为 UPQ＞+1.8 V，T2的导通条件为UPQ＜-1.8 V。将三角波幅值调节到±1.8 V，当在Q端输入给定电压Uin，其数值定为由0～±3.6V间的任意值时，UK端将会输出相应宽度的脉冲波。

图4 脉宽调制原理图Fig.4 The principle diagram of pulse width modulation

2.3 功率放大电路

功率放大电路[5]采用双极式桥式可逆PWM变换器，电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，PWM变换器输出平均电压为正值，电动机正转，反之则反转。同时，改变驱动电压正、负脉冲的宽窄即可调节占空比，从而达到控制转速的目的。

3 位置随动系统仿真

按照所设计的参数，利用MATLAB对系统进行建模，得到仿真结果[6]如图5所示。当给定信号分别为阶跃信号1°和180°时，响应曲线分别如图 5（a）和 5（b），可以看到稳态误差和超调量均为0，调节时间分别为0.8 s和1 s；当输入频率为6.28 rad/s、幅值为5°的正弦信号时，输出完全跟随输入信号，如图 5（c）。

4 功率放大电路改进

普通H型桥式电路的上、下桥臂需要通过外加电路来防止同侧桥臂两管直通，使电路复杂，同时存在故障隐患。改进[7]后的功放电路如图 6，其中 T1、T2、T3、T4为 IGBT 功率开关管，D1、D2、D3、D4为续流二极管， 阻塞二极管 D5和 D6防止直通短路。下桥臂T1、T2管由驱动电路控制，工作在开关状态。上桥臂T3、T4管根据T1、T2管的开关情况自动选择工作状态。如，当Uk端输入高电平时，T1管导通。由于T3通过 R2接到偏压源Up上，T3也随之导通。电流路径为：电源+E、功率管T3、电动机M、二极管D5、功率管T1到地。由于D5的存在，T4的栅射电压被钳位在-0.7 V，使T4截止以防止上下管短路。RCD为电压吸收电路。

图5 系统仿真曲线Fig.5 Simulation curves of the system

图6 改进H型功放电路Fig.6 The improved H power amplifer

5 结束语

仿真结果表明系统具有较高的定位精度和较好的跟随性能，可以基本满足设计要求。如果利用全数字控制系统实现，位置环的截止频率可提高，系统应该能够实现理想的动态性能。

[1]尹翔陵,王爱祥.直流力矩电机在精密跟踪雷达中的应用[J].电子工程师,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,袁丽英,王勃.控制系统的MATLAB仿真与设计[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].3版.北京:机械工业出版社,2003.

[4]李玉和,郭阳宽.现代精密仪器设计[M].2版.北京:清华大学出版社,2010.

[5]李华德.电力拖动控制系统(运动控制系统)[M].北京:电子工业出版社,2006.

[6]洪乃刚等.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.

[7]高安邦等.机电一体化系统设计禁忌[M].北京:机械工业出版社,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 稿件编号：201403022

陕西省教育厅项目(12JK0549)；陕西省科学技术研究发展计划项目(2013k07-44)

李小斌（1972—），男，陕西凤翔人，硕士，副教授。研究方向:电气传动。