伺服运动控制系统课程总结

第一篇：伺服运动控制系统课程总结

问题6

6.1、对课程的教学方法、教学效果有何客观评价？

伺服运动控制系统采用的是每节课一个专题的方式进行教学，在总体上是我们对电机以及伺服运动控制系统有一个整体的了解，由于本科学习过程中没有接触过电机以及相关的课程，这门课使我对电机有了相关的了解，课堂上的入门学习以及课后查阅相关资料的补充学习，让我觉得上了这门课之后受益匪浅。我的建议是每一章学习后，都要给学生们进行知识点总结，一则让其掌握本章学习的知识框架，二是帮助我们回顾一些细节性的东西。

6.2、结合自身研究的课题，谈谈对《伺服运动控制系统》课程教学内容、授课方式的建议。

本人研究的课题是全自动麻将机的设计，其中涉及到图像处理的各种算法以及多电机的协调控制，目前正处于电机的选型阶段，这门课的对于各种电机的介绍让我了解了不同类型电机的优缺点以及应用场合，为课题中电机的选型提供了理论上的帮助。

6.3、请针对某一章节具体内容谈一下学习感受

通过对步进电机伺服系统这一章的学习，我将伺服电机与步进电机的优缺点进行总结。

步进电机作为一种开环控制的系统，和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。

一、控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为 1.8°、0.9°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机通过细分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生产的二相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以三洋全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2000线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/8000=0.045°。对于带17位编码器的电

机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=0.0027466°，是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

二、低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。

三、矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。

四、过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以三洋交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的二到三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。

四、运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

六、速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以山洋400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场

合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。

第二篇：雷达天线伺服控制系统要点

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概 述

用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。它是由若干元件和部件组成的并具有功率放大作用的一种自动控制系统。位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确地跟随指令位置的变化。位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。随着工程技术的发展，出现了各种类型的位置随动系统。由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。本设计——雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。系统的原理图如图1-1所示。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 雷达天线伺服控制系统结构及工作原理

图1-1 雷达天线伺服控制系统原理图

1.2 系统的结构组成

从图1-1可以看出本系统是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制，由以下几个部分组成：位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器、执行机构。以上四部分是该系统的基本组成，在所采用的具体元件或装置上，可采用不同的位置检测器，直流或交流伺服机构等等。

现在对系统的组成进行分析：

1、受控对象：雷达天线

2、被控量：角位置m。

3、干扰：主要是负载变化（f及TL）。

*

4、给定值：指令转角m。

*

5、传感器：由电位器测量m、m，并转化为U、U*。

6、比较计算：两电位器按电桥连接，完成减法运算U*Ue（偏差）。

7、控制器：放大器，比例控制。

8、执行器：直流电动机及减速箱。

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1.3 工作原理

分三种情况考虑：

*1当两个电位器RP1和RP2的转轴位置一样时，给定角m与反馈角m相等，所以角差*mmm0，电位器输出电压U*U，电压放大器的输出电压Uct0，可逆功率放大器的输出电压Ud0，电动机的转速n0，系统处于静止状态。

**2当转动手轮，使给定角m增大，m0，则U>U，Uct0，Ud0，电动机转速n>0，经减速器带动雷达天线转动，雷达天线通过机械机构带动电位器RP2的转轴，使m也增大。

*3给定角m减小，**，电动机就带动雷达天线超着缩小偏差的方向运动，只有当mmmm，偏差角m0，Uct0，Ud0，系统才会停止运动而处在新的稳定状态。雷达天线伺服控制系统框图 由实物图可画出系统方框图，如下

图3-1 雷达天线伺服控制系统原理框图

*给定角m经电位器变成给定信号U*，被控量经电位器变成反馈信号U，给定信号与反馈信号产生偏差信号e；偏差信号经放大器（电压比较放大器和可逆功率放大器）得到

*（直流伺服电动机）作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现mUd，Ud通过执行机构m。这就是控制的整个过程。

2.1各部分传函及方块图

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2.1.1 位置检测器

在控制系统中,单个电位器用作为信号变换装置，一对电位器可以组成误差检测器，空载时，单个电位器的电刷角位移(t)与输出电压u(t)的关系曲线在进行理论分析时可以用直线近似，于是可得输出电压为

u(t)K0(t)

式中K0Emax，是电刷单位角位移对应的输出电压，称为电位器传递系数，其中E是电位器电源电压，max是电位器最大工作角。对上式求拉氏变换，可求得电位器传递函数为

G(s)U(s)K0 (s)可以看出电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E和电位器最大工作角度max。电位器可用图2-1的方框图表示。

图2-1 电位器方框图

其中输入X(s)就是(s)，输出C(s)就是U(s)，G(s)就是K0。

用一对相同的电位器组成误差检测器时，其输出电压为

u(t)u1(t)u2(t)K0[1(t)2(t)]K0(t)

式中K0是单个电位器的传递系数；(t)1(t)2(t)是两个电位器电刷角位移之差。称为误差角。因此，误差角为输入时，误差检测器的传递函数与单个电位器传递函数相同，即为

G(s)U(s)K0 (s)2.2．2 电压比较放大器

电压比较放大器实际上是比较元件和一部分放大元件的组合，其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差，并经过电压型集成运算放大器的放大作用，将偏差信号放大。具体说来就是：

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UctKct(U*U)

其中KctR1R0，又因U*Ue（偏差），所以上式可以写成UctKcte，对该式两边同时进行拉氏变换，可得电压比较运算放大器的传递函数为

G(s)Uct(s)Kct E(s)从式子可以知道电压比较放大器的传递函数也是一个常值。电压比较放大器可以用图2-2所示的方框图表示

E(s)G(s)Uct(s)

图2-2 电压比较器方框图

其中G(s)Kct。

2.2.3 可逆功率放大器

本设计用到的功率放大器由晶闸管或大功率晶体管组成功放电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的电压和电流。分析可知，对该环节做近似处理，可得

UdKdUct

对式子两边同时做拉氏变换，得可逆功率放大器的传递函数为

G(s)Ud(s)Kd Uct(s)用图2-3所示的方框图表示。

Uct(s)G(s)Ud(s)

图2-3 可逆功率放大器方框图

其中G(s)Kd。

2.2.4 执行机构

直流伺服电动机在控制系统中广泛用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制，通过简化处理后的直流伺服电动机的微分方程为

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Tmdm(t)m(t)K1ud(t)K2M(t)dt式中M(t)可视为负载扰动转矩。根据线性系统的叠加原理，可分别求ud(t)到m(t)和M(t)到m(t)的传递函数，以便研究在ud(t)和M(t)分别作用下电动机转速m(t)的性能，将他们叠加后，便是电动机转速的响应特性。所以在不考虑负载扰动转矩的条件下，即M(t)0'时和在零初始条件下，即m(0)m(0)0时，对上式各项求拉氏变换，并令m(s)L[m(t)]，Ud(s)L[ud(t)]，则得s的代数方程为

(Tms1)m(s)K1Ud(s)

由传递函数的定义，于是有

G(s)m(s)K1 Ud(s)Tms1G(s)便是电枢电压ud(t)到m(t)的传递函数，Tm是系统的机电常数。

这可以用图2-4所示的方框图来表示

图2-4 直流伺服电动机方框图

其中G(s)K1。Tms12.2.5减速器

设减速器的速比为i，减速器的输入转速为n，而输出转速为n'，则减速器的传递函数为

G(s)N'(s)Kg N(s)其中Kg1/i。

2.3系统的原理结构图

在不考虑干扰力矩的条件下，并适当的变换，就会得到雷达天线伺服控制控制系统的结构图，如图3-2所示

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图3-2 雷达天线伺服控制系统结构图

*其中R(s)就是m(s)，C(s)就是m(s)，Kg1/i。

将方框图进行化简处理，可得系统的开环传递函数

G(s)C(s)m(s)K *R(s)m(s)s(Tms1)其中KK0KctKdK1Kg。简化后的系统方框图如图3-3所示

图3-3 系统简化方框图

从实际考虑，我们知道雷达天线伺服控制系统的性能应该是响应速度尽可能快，即调节时间尽可能小，超调量尽可能小。

3.系统传递函数

本系统的设计要求是系统通过校正设计后的单位阶跃响应无超调，且调节时间ts0.5s。因系统的开环传递函数为

G(s)K

s(Tms1)其中K为开环增益，Tm为直流伺服电动机的时间常数。选取Tm0.1s的直流伺服电动机作为执行机构。由开环传递函数求得系统的闭环传递函数

(s)K/TmG(s)1G(s)s21sKTmTm由上式可以得到闭环特征方程为

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s21Ks0 TmTm这是一个二阶系统，在没有校正设计前，取系统的阻尼比为0.5，代入Tm0.1，由二阶系统的标准形式有

2n110 Tmn2K10K Tm计算得到n10rad/s。系统的开环增益为

K10(rad/s)2

系统的开环传递函数为

G(s)K10 s(Tms1)s(0.1s1)这可以用系统的参数方框图表示，如图3-4所示

图3-4 系统参数方框图 系统性能分析

4.1系统稳态性能分析

可以看出1，是一型系统。静态位置误差系数

KplimG(s)H(s)

s0得到系统在阶跃输入作用下的稳态误差

ess4.2系统动态性能分析

110

1limG(s)H(s)1Kps0对本系统而言，在没有校正设计时，0.5，可知系统是欠阻尼二阶系统。动态分析

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具体而言就是确定系统的动态性能指标。因cos，于是求得阻尼角为

arccosarccos0.5/3

而阻尼振荡频率为

dn128.66(rad/s)

对欠阻尼二阶系统各性能指标进行近似计算，可得

1、延迟时间td：

td10.710.70.50.135

10n2、上升时间tr：

tr/30.24(s)d8.663、调节时间ts：

ts3.53.50.7(s)

0.510n4、超调量%：

%e/12100%16.3%

由这些计算出的动态性能指标可以知道，系统并没有达到设计要求，超调量%16.3%0，调节时间ts0.70.5。系统此时的单位阶跃响应曲线如图4-1所示

图4-1 系统校正前单位阶跃响应曲线

从对系统的动态分析和图4-1可以看出，如果该系统没有校正设计，则达不到设计要求，所以为了满足设计要求，必须进行校正设计。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 校正设计

所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。目前，在工程实践中常用的有三种校正方法，分别是串联校正、反馈校正和复合校正。

本系统的校正设计采用反馈校正。反馈校正是目前广泛应用的一种校正方式，反馈校正的基本原理是：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路（内回路），在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关；适当选择校正装置的形式和参数，可以使系统的性能满足给定指标的要求。

本系统采用直流测速发电机作为校正装置，即采用测速反馈控制来实现校正。直流测速发电机的传递函数为

G(s)U(s)Kt (s)或

G(s)U(s)Kts (s)将该校正环节加到原系统中，可以得到校正后的系统方框图，如图5-1所示

图5-1 校正后雷达天线伺服控制系统方框图

画简后得到图5-2

图5-2 校正后系统方框图

由图5-2得到校正后的开环传递函数

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G(s)K10 s(Tms1KKt)s(0.1s110Kt)进一步得到校正后的系统的闭环特征方程

s2(10100Kt)s1000

其中Kt为与测速发电机输出斜率有关的测速反馈系数，校正设计的主要目的就是确定反馈系数，以达到整个系统的设计要求。

前面已经提到系统的设计要求是通过校正设计后系统的单位阶跃响应无超调，且调节时间ts0.5s。我们知道对于二阶系统要想无超调量，则校正后阻尼比t1。而且本系统要求尽可能快的响应，所以取阻尼比t1。进而有2tn10100Kt，n2100，于是可以计算出

Kt0.1

由于

2s22nn(s1/T1)(s1/T2)

当阻尼比为1时，T1T2，所以得

2T1T21/n0.1(s)

根据过阻尼二阶系统动态性能指标的近似计算，可得校正后系统的动态性能指标为

td10.6t0.2t2n11.5tt210.60.20.18(s)

10trn11.510.35(s)10ts4.75T10.475(s)

调节时间ts0.4750.5，无超调量，达到了设计要求。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 结

论

本设计是雷达天线伺服控制系统的设计，伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是雷达天线伺服控制系统。主要讨论的是雷达天线的跟踪问题。虽然系统达到了设计要求，但这只是理论上的设计，好多环节都采用了理想化的处理，与实际条件还有一定的区别。要是进行物理设计，还有很多方面的问题需要注意和解决。从本质上说就的一个位置随动系统。在设计中，通过对系统工作原理的分析，进行了方案和主要元部件的选择。对系统的开环增益和静态误差进行了计算，对系统进行了动态分析，了解了系统在没有进行校正设计时的动态性能，最后进行了校正设计并再次进行动态分析，使系统最终达到了在单位阶跃信号作用下，响应无超调，调节时间ts0.5s的设计要求。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 体

会

通过本次的课程设计也使我们学到了很多知识，不仅使我们对自动控制原理的了解和理解更加深刻了，而且也让我们学会了分析问题、解决问题的方法，我了解了雷达天线伺服控制系统的工作原理，并进一步学习了控制系统的数学模型，系统的时域分析法，系统的校正等方面的知识。让我们学会了分析问题、解决问题的方法巩固了所学的知识，学会了如何利用图书馆的资源。学会了团队合作的精神以及刻苦钻研的精神，学会一些在课本中根本没有提及到的东西。加强了理论知识与实践统一的能力，加强了自己的动手操作能力。同时，也让我接触了很多书本之外的知识，大大地丰富了我们的见闻，拓宽了我们的视野。由于，自动控制原理适用于很多领域、应用于各行各业，在做本次设计的同时，也让我们接触、学习了许多其他专业领域的知识，丰富了我们的知识储备。但由于本人的所学和水平有限，难免出现一些问题和错误，还望老师予以批评指正。

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参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].第4版.北京：科学出版社，2001.[2] 姚樵耕、俞文根.电气自动控制[M].第1版.北京：机械工业出版社，2005.[3] 梅晓榕、兰朴森.自动控制元件及线路[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1993.[4] 陈夕松、汪木兰.过程控制系统[M].北京：科学出版社，2005.[5] 孟浩、王芳.自动控制原理（第四版）全程辅导[M].大连：辽宁师范大学出版社，2004.

第三篇：DSP原理与运动控制系统课程教学研究(精)

DSP原理与运动控制系统课程教学研究

茅靖峰，吴爱华，吴

晓

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226007)摘要：“DSP原理与运动控制系统”课程具有知识面宽、综合性和实践性强的特点，是一门较为难教难学的课程。为了切实培养学生的DSP技术应用能力，取得良好的教学效果，本文从课程的教学目的，教学内容、教学方法和课程考核方式等方面进行了一些有益的教学研究和探讨，对电气控制类DSP技术的教学有一定的参考意义。

关键词：DSP原理；运动控制；教学研究；任务驱动法

中图分类号: G642.3；TM301.2

文献标识码：A

文章编号：1008－0686（2007）01－0008－03 Teaching Research of “DSP Principle and Motion Control Systems”

MAO Jing-feng , WU Ai-hua , WU Xiao(Institute of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226007, China)

Abstract：“DSP Principles and Motion Control Systems” is a course with characteristics of wide knowledge, extremely strong integration and practicality.The course is generally difficult for teaching and learning.In order to train student to good DSP technology practical application ability, and to achieve satisfying teaching effect, this paper introduces some helpful course teaching research experiences in teaching goals, teaching contents, teaching methods and examination method.These experiences may have some reference value for DSP technology education of electrical engineering major.Keywords：DSP principles;motion control;teaching research;task-driving method

DSP课程的专业知识背景深、综合性和实践性强，如何在有限的学时内，高质量地完成教学任务是一个值得研究的问题。笔者根据本校电气控制类专业的实际培养需要，开设了“DSP原理与运动控制系统”课程，经过几轮的教学，总结了一些经验。以下介绍对这门新课程的实践和探索情况。

一、课程特点分析

已经出版发行的多数DSP教材较适用在通信与信号处理领域的应用，而适合于电气控制类专业的DSP运动控制类教材和教学资源相对较少，我院开设的“DSP原理与运动控制系统”课程具有如下特点：

（1）知识面宽：DSP在体系结构、硬件接口设计和软件编程思想等方面较之前续微处理器（MPU）课程，有着一定的继承性和相似性；运动控制是电气控制类专业的主干必修课程。由这两部分组成的“DSP原理与运动控制系统”课程，涉及知识面较为广泛，学习起点较高。在课程的教学上，不仅需要学生必备一定的基础知识，例如：微机原理、单片机技术、运动控制、特种电机、自动控制原理、计算机控制技术，电子技术、C语言编程等。而且在课堂上也需要教师经常对这些内容进行简要的穿插回顾。因此，需要在整定课程教学内容和应用先进教学手段上下功夫。（2）综合性强：基于DSP的应用控制系统是集器件原理、专业知识、算法软件与硬件设计为一身的紧密结合体。“DSP原理与运动控制系统”课程的两大组成部分应该是有机地联系在一起的。这些DSP在运动控制中的典型应用不仅培养了学生对DSP控制器的整体理解能力，还进一步帮助学生加深了对电子技术、计算机控制技术、自动控制、调速系统、检测技术等诸多专业领域知识的再认识，增强学生的“系统”感念，有效培养了学生的系统综合能力和创新能力。

（3）实践性强：本课程的目标是培养电气控制类学生的DSP器件应用能力，使学生具有独立分析、设计和调试DSP系统的工程应用能力。但是，在目前专业课普遍缺少课时的情况下，本门课程的实验环节课时规划和实验内容选材也是课程教学研究的关键。

二、课程教学的研究与探讨

针对电气控制类DSP课程的以上几方面特点，我们在进行“DSP原理与运动控制系统”课程的教学中明确：以培养DSP技术的实际应用能力为中心，把学习器件的理论知识与控制背景的实际应用紧密结合起来的教学思路。

1、合理选择教学内容和授课方式

我们考虑到市场占有率和器件生命周期，选择了TI公司C2000系列的TMS320LF240x DSP作为教学的目标芯片。

开设的这门课程由TMS320LF240x控制器原理与基于DSP的交、直流电机和开关磁阻电机控制系统设计两大部分组成，前者是基础，后者是实例。

在具体的DSP原理教学内容上，我们突出总体结构、事件管理器、中断管理系统和指令系统的讲解。这一部分宜采用“比较法”进行教学，即将LF240x的相关内容与学生们熟悉的MCS-51内容相穿插，进行比较对照，以帮助学生更好地理解和接受新知识。例如，在讲授LF240x存储器结构时，我们可首先回顾MCS-51的存储器结构，即程序与数据总线合一的冯诺曼结构，它在寻址过程中，总线使用ALE信号实现分时复用，显然工作效率不高；然后我们引出DSP处理速度快的一个原因就是，芯片广泛采用了程序与数据空间分立的哈佛结构，指出这种结构不仅较MCS-51增大了存储器空间，使DSP芯片具有了独立的16位程序、数据与I/O空间，而且配合多总线技术和并行工作机制，大大提高了数据的处理速度。此处还可以为DSP汇编指令所具有的多步操作能力埋下伏笔。接下来我们再进一步说明，由于LF240x存储器结构的改进（多空间的分立），导致了DSP存储器接口的复杂度增高，使芯片具有与MCS-51不同的数据线、地址线及片选信号线（DS、PS、IS、BR、STRB等），因此要在DSP存储器扩展时多加注意。显然，采用“比较法”教学方式可将复杂的内容逐步分解，陌生的概念被已知的内容类比（替代），如此循序渐进、逐步深入，提高了学生的学习兴趣，易于新知识点的理解和掌握。

在具体的运动控制系统实例教学内容上，我们突出两个方面：一是硬件接口，二是软件框架。前者需要结合DSP原理部分讲解在具体的电机控制应用案例中各引脚资源的合理使用方法；后者应就具体案例讲解DSP应用控制程序的整体结构、各功能寄存器的配置顺序、算法编写技巧等。这一部分宜采用“任务驱动法”进行教学，即将一个典型DSP应用案例，按所学的DSP知识要点细化分解为多个控制任务，通过教师逐步引导，激励学生主动思考并找出解决方案，以提高学生学习和应用DSP知识的能力。以开关磁阻电机调速系统为例，当电机原理讲述完毕后，我们可以依次向同学提出如下问题：对于电机的位置闭环问题，我们需要使用那些DSP片内外设？若使用捕获引脚进行转速测量，应采用什么捕获触发方式？与捕获相匹配的定时器采用什么计数模式？分频系数如何设定？转子定位的计算式如何推导？对于转矩闭环，DSP需采集什么反馈量？电流反馈信号如何调理？ADC模块如何合理配置？

在实验内容的安排上，重点突出基本应用技能的掌握。我们采用内容由简单到复杂的实验方式，如从必选的仿真器使用、数据运算及传送、定时器及I/O使用等，到选做的频率计、可控正弦波发生器、数字PID算法等。让学生真正学会一些基本的DSP开发调试方法，为将来的毕业设计和工作打下基础。

此外，在课堂理论教学上，非常有必要花一定的精力对课程第一章的概述部分进行较生动充实的讲解。向同学们讲明诸如：DSP的定义、特征、历程、分类及主流芯片等问题。并应用实例法，给出DSP三种典型应用：图像处理、语音处理和电机控制的整体系统功能图、实物照片以及样品PCB板，力争勾勒出一幅DSP器件应用、发展和前景的全貌，以使在本课程的起始阶段就能激发学生的学习热情、快速地进入角色。

2、应用多媒体教学手段

制作的多媒体课件不仅能够简单明了地概括出各章节的知识要点，还大量运用网络资源，将DSP的新技术、新应用以及具有代表性的表格、图形、图像和动画搬进课堂，创造出一个图文井茂、有声有色、生动逼真的教学环境。

例如，在DSP器件原理介绍时，我们把总线结构、中央处理单元、程序/数据存储器配置、各模块内部结构以及控制寄存器功能等重要的图和表，用多媒体课件的形式来很好的展示；把复杂的汇编指令执行时序和影响状态位的变化过程等，不易单纯用语言文字讲清楚的内容，用动画演绎的形式表示出来，以使教授内容有的放矢、重点突出、易于学生掌握；在DSP运动控制应用中，我们将直流电机的H桥逆变电路开关工作状态和电流响应时序、交流异步电机SVPWM控制的空间电压矢量合成原理、开关磁阻电机的转子位置与相电感变化趋势等抽象内容，用图形和彩色动画的形式表现出来，力争在有限的课堂时间内对这些已学知识有个快速回顾。

对于DSP汇编程序设计和开发环境使用这一章节，仅采用多媒体课件进行讲解是不够的，描述程序编写和调试流程不如在课堂进行现场演示。因此，针对这一章节，我们采用将实际DSP开发环境搬入课堂的办法进行讲授。首先，让同学们对DSP开发套件的三大部分（调试软件CCS、仿真器TDS和评估板EVM）进行实物接触，然后，教师以一个流水灯实验为例，通过直接操作CCS软件，讲授DSP工程的建立方法、三类文件：头文件（F2407REG.H）、配置文件（LED.CMD）和主文件（LED.ASM）的功能、结构和编写方法，以及具体调试方法等基本概念和操作。进一步通过更改诸如：头文件的宏指令定义、配置文件的“段”定位配置、主文件的延时常数等参数，使学生亲身感受到实验结果的变化。

3、加强师生互动交流

在授课过程中，加强了师生互动的交流环节。其具体措施不仅是在课堂上老师多提启发性问题引导学生主动思考（任务驱动），课间多请学生提问题，还将教学小组成员主持和完成了多项DSP控制系统课题的科研成果融入到教学环节中，通过参观和现场讲解DSP应用案例的成果实物[3,4]，如开关磁阻电机控制系统和磁悬浮数控系统等，以调动学生的学习积极性。

4、采用科学的考核方式

我们将“DSP原理与运动控制系统”课程的考核方式定为平时成绩＋期末笔试的综合方式。平时成绩来自于学生的课堂表现、师生问答、作业成绩和实验技能等方面的综合。期末笔试采用开卷考试的方式进行，要求学生在120分钟时间内独立完成诸如：功能寄存器的模式配置、中断服务程序框架的编制、算法软件的编写、硬件接口的设计和运动控制系统的分析等应用型考核试题。这一部分注重学生实际能力的体现。

三、结束语

“DSP原理与运动控制系统”课程是电气控制类一门涉及多类课程、知识背景深、实用性强、技术更新速度快的专业课程。在课程教学中我们需要明确树立学生的主体观，合理安排理论和实践教学内容，运用合理的教学方法和手段，以及科学的评价体系，努力提高教学效果，切实培养控制类学生的DSP工程实践能力、自主学习能力和创新能力。

参考文献：

[1] 邹彦.DSP原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2005 [2] 周云松.《DSP原理与应用》课程教学研究与实践[J].福建电脑,2005,12:159-160 [3] 茅靖峰,赵德安,刘羡飞.基于DSP的车用开关磁阻发电机控制系统研究[J].中小型电机, 2005,32(1):46-48 [4] 吴国庆,张钢,张建生,等.基于DSP的磁悬浮电主轴数字控制系统研究[J].电气自动化, 2005, 10(3):12-13

作者简介：茅靖峰（1976－），男，浙江宁波人，博士生，讲师，主要从事电气工程及其自动化专业的教学与科研工作。Email：mao.jf@126.com；TEL：*** 基金项目：江苏省教育教改课题，南通大学课程群建设课题，南通大学教育教学研究基金课题（05010）

此文刊登在《电气电子教学学报》2007年29卷第1期

第四篇：伺服控制总结

现代伺服运动控制系统综述 绪论

随着生产力的不断发展，要求交流伺服运动控制系统向数字化、高精度、高速度、高性能方向发展。要充分利用迅速发展的电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用危机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度飘雨等因素的影响，这可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用，寻求更优良的控制策略对交流伺服系统进行控制是提高其性能的有效途径之一。随着计算机性能的的日新月异，伺服系统的控制手段也向着模糊控制、神经网络等更加智能化的方向发展。在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其关键组成部分，也得到前所未有的大发展，国内外各个厂家相继推出运动控制的新技术、新产品。主要有全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程计算机控制器、国际开放式结构高性能DSP多轴运动控制系统技术、基于现场总线的运动控制技术和运动控制卡能几项具有代表性的新技术。伺服运动控制系统

2.1 伺服系统

伺服技术是以精确运动控制和力能输出为目的，综合运用机电能量变换与驱动控制技术、检测技术、自动控制技术、计算机控制技术等，实现精确驱动与系统控制的工程实用技术。伺服技术与系统是基础自动化系统的最重要的控制技术之一和底层自动化系统（装备）。是现代机电一体化和工业自动化领域的支撑技术之一。

以伺服技术为核心的伺服系统（servo – system）又称随动系统。伺服系统专指被控制量是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。

伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。2.2 伺服系统的组成及分类

2.2.1 伺服系统的组成

伺服系统是由被控对象、驱动器、控制器等几个基本部分组成。

被控对象系是指被控制的物体（如机械手臂或一个机械工作平台）；驱动器用来提供被控对象的动力，可能以气压、液压、或是电力驱动的方式呈现，目绝大多数伺服系统采用电力驱动方式，驱动器包含了电机与功率放大器；控制器提供整个伺服系统的闭环控制，如转矩控制、速度控制和位置控制等。

2.2.2 伺服系统的分类

电气伺服系统按驱动（执行）机构分类为步进式伺服系统、直流电机伺服系统、交流电机伺服电机；按控制方式分：开环伺服系统、闭环伺服系统、半闭环伺服系统。下图2-1和2-2分别为开环和闭环系统构成图。步进电机因其自身具有优良的位置定位精度和锁定能力，故对于步进电机为伺服机构的伺服系统一般可采用开环结构。

图2-1 开环系统构成图

图2-2 闭环系统构成图

2.3 伺服系统的基本要求和特点

2.3.1 伺服系统的基本要求

对伺服系统的基本要求有较好的稳定性、较高的精度、快速的响应性能。稳定性好要能在短暂的调节过程后达到新的或者回复到原有的平衡状态。伺服系统的精度是指输出量能跟对输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或者轮廓加工精度通常都是比较高。伺服系统要求跟踪质量信号的相应要快，方面要求过度过程时间短，另一方面，为了满足超调要求，要去过度过程的前沿陡，即上升速率要大。

2.3.2 伺服系统的特点

（1）精确的检测装置 ：以组成速度和位置闭环控制。

（2）丰富的反馈方式 ：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。（3）高性能伺服机构

（4）宽调速伺服技术

2.4 伺服系统的基本结构

伺服系统一般结构包括驱动执行（伺服）机构、功率驱动单元、控制单元、检测等。除电机外，系统主要包括功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。下图2-3为数字化交流伺服系统基本结构框图。

图2-3 数字化交流伺服系统基本结构框 伺服运动控制系统与运动控制系统的区别

3.1 运动控制系统

运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive），是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科。下图3-1为运动控制系统的基本构成图。

图3-1 运动控制系统的基本构成图

3.2伺服运动控制系统与运动控制系统的区别

运动控制系统是一种驱动系统，以速度和功率指标为重。即是说，在保证一定的功率驱动前提下，如何保证运动指标的最优化，比如：稳速指标、加减速指标、动态调整指标等等。

伺服系统是一种位置目标系统，以位置目标、运动指标为主要保证指标。即是说，强调的位置控制精度、实现目标的快速性等。现代伺服运动控制系统的发展趋势

现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，国外的一些公司也相继推出新产品，比如贝加莱工业自动化公司推出的AcoposMulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，艾尔默公司推出的一系列伺服驱动器与控制器，罗克韦尔自动化公司研发的PowerFlex驱动技术，施耐德电气推出的伺服控制器，从这些产品的研制中，我们看到国际大厂向专用化、大型化伺服发展的动向。但是在国内，甚至CAN这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。我国的交流伺服运动控制产品尚处于起步阶段，但是该系统风采日益展现，正广泛应用于机械各个行业，提升行业智能化控制水平，市场需求显著，在未来几年内上升的空间非常大。

在交流伺服运动控制产品的发展过程中，它始终是融合了先进的机电一体化技术和控制理论。随着微机电、电力电子、网络通讯技术的发展，各种形式的微型电机将可以通过有线的、无线的、电力线的网络通讯技术予以连接，伺服技术将进一步结合微电子与电力电子技术以柔性控制的方式呈现，伺服技术的发展也将朝向单芯片控制、智能控制、网络联机的方向发展。具有网络接口智能型伺服控制芯片是一个值得投入研发的领域。

总之，随着生产力的不断发展，要求伺服系统向高效率化、高速度、高性能化、大功率、集成一体化、智能化方向发展。我的一点认识

对于交流伺服运动控制系统我认识最深的是基于交流伺服运动控制系统的数控机床的控制。通过上课时老师播放的视频以及实习期间对于工业数字控制的接触，了解到交流伺服运动控制的实际应用。

机床是用来装备制造有关构件的加工，数控机床是一种现代化数控加工设备，它的交流伺服系统分为主轴伺服系统和给进伺服系统。数字控制是用规定好的代码和程序格式，把人的意图转变为数控机床能接受的信息，我们的控制系统对这些提前编写好的程序处理后，向机床各坐标的伺服系统发乎数字信息，从而机床上的相应运动部件，如刀架，工作台等，并控制它的动作来变速、换到、启动、停止等。这就是典型的交流伺服运动控制系统的应用，它具有加工精度高、柔性制造能力强、易于实现集成化加工等优点，广泛应用于现代加工行业，是构成现代机械加工和精密加工的主流加工机床。

伺服运动控制系统与以前学习的运动控制系统最大的区别就是在于它是像数控机床这种位置目标的控制，是以给定的位置目标、运动指标来控制，强调的是位置控制的精度以及实现目标的快速性等。基于CANbus现场总线的交流伺服运动控制系统也是我在进行研究的国家大学生项目中所接触到的，这种控制系统正在成为工业企业中控制网络的典型模式。速度跟随伺服系统指的是主伺服驱动器通过CAN总线控制，而从驱动器是通过主驱动器发出速度控制指令，实现其运动控制。位置跟随伺服系统指的是主伺服驱动器通过CAN总线控制，而从驱动器是通过主驱动器发出位置控制指令，实现其运动控制。

通过交流伺服运动控制系统这门课，我全面地大致了解了伺服运动的基本概念和一些典型伺服运动控制系统，并结合自己所做的科研项目对感兴趣的方面深入地学习，不仅收获到了理论知识，也将所学与科研实践相结合，收获了许多的实际经验。

第五篇：运动控制系统实习报告.

课程实验报告 课 程 名 称

所 在 学 院 控制工程学院 专 业

指 导 教 师 刘 鹏 实 验 小 组 第 六 组 小 组 成 员

总 评 成 绩 二零一三年四月

(空载 Z=0） n %  2*(Cmax n T 308  0.18 0.02666(  z *N  n  2  81.2% 1.1  Cb n Tm 0.196 1000 0.12  11.23%  10% 转速超调量的校验结果表明，上述设计不符合要求。因此需重新设计。查表，应取小一些的 h，选 h=3 进行设计。按 h=3，速度调节器参数确定如下：  n  hT n  0.07998s 2 2 2 K N (h  1 / 2h 2T n  4 /(2  9  0.02666  312.656 s K n (h  1  CeTm / 2h RT n  4  0.0236  0.196  0.12 /(2  3  0.01 0.18  0.02666  7.6 校验等效条件： 可见，cn  KN / 1 KN  n  312.656  0.07998  25s1 a1/ 3(K I / T满足近似等效条件。转速超调量的校 i 验： 1/2  1/ 3(85.76 / 0.005831/2  40.43s 1  cn b1/ 3(K I / Ton 1/2  1/ 3(85.76 / 0.0151/2  25.2 s 1  cn 转速超调量的校验结  n  2  72.2% 1.1(308  0.18 / 0.196 1000 (0.02666 / 0.12  9.97%  10%，果表明，上述设计符合要求。速度调节器的实现：选 R0  40K ,则 Rn  Kn  R0  7.6  40  304K , 取 310K。Cn   n / Rn  0.07998 / 310 103  0.258  F Con  4Ton / R0  4  0.015 / 40  103  1.5 （F 2）、仿真模型及图形如下：（3）、仿真结果如下（分别对应电流环中 KT 所取值）：

（4）、分析与结果： 由转速环的仿真曲线，如上诉第一个图所示，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无 静差，而是 Id 略低于 Idm，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。在转速环的系统 仿真中，可以观察到系统在启动过程中主要分为三个阶段，电流上升阶段、恒流升速阶段和转速 调节阶段，通俗点讲就是不饱和，饱和，退饱和三个阶段。通过观察仿真曲线，我们不难得到，双闭环直流调速系统的启动过程的主要有三个特点，他们分别是饱和非线性控制，转速超调，准 时间最优控制。