直流伺服电机的控制方式
伺服电机工作原理
伺服电机工作原理伺服电机是一种能够根据控制信号来精确控制位置、速度和加速度的电机。
它主要由电机本体、编码器、控制器和电源组成。
下面将详细介绍伺服电机的工作原理。
1. 电机本体：伺服电机通常采用直流电机或步进电机。
直流电机由电枢和永磁体组成，通过电枢中的电流和永磁体之间的相互作用产生转矩。
步进电机通过施加脉冲信号来控制转子的位置。
2. 编码器：编码器是伺服电机的反馈装置，用于测量电机的位置和速度。
它通常由光电传感器和编码盘组成。
编码盘上有许多等距离的刻线，当电机旋转时，光电传感器会感应到刻线的变化，并将这些变化转换成电信号。
3. 控制器：伺服电机的控制器是控制电机运动的核心部件。
它接收来自编码器的反馈信号，并根据设定的目标位置或速度，计算出电机应该施加的控制信号。
控制器可以采用PID控制算法或其他高级控制算法来实现精确的位置和速度控制。
4. 电源：伺服电机需要稳定的电源来提供工作所需的电能。
通常使用直流电源，电压大小根据电机的要求而定。
伺服电机的工作原理如下：1. 控制器接收到来自外部的控制信号，例如目标位置或目标速度。
2. 控制器根据当前位置和目标位置之间的差异，计算出电机应该施加的控制信号。
3. 控制器将控制信号发送给电机，电机根据信号的大小和方向来调整电流和转矩。
4. 电机开始运动，并通过编码器不断测量自身的位置和速度。
5. 编码器将测量结果反馈给控制器，控制器根据反馈信号进行修正，使电机逐渐接近目标位置或目标速度。
6. 当电机达到目标位置或目标速度时，控制器停止发送控制信号，电机停止运动。
伺服电机的工作原理可以简单概括为控制器接收控制信号，计算出控制信号，发送给电机，电机运动并通过编码器反馈位置和速度信息，控制器根据反馈信息进行修正，实现精确的位置和速度控制。
伺服电机广泛应用于各种需要精确控制位置和速度的领域，例如工业自动化、机器人、印刷设备、医疗器械等。
它的高精度和可靠性使得伺服电机成为现代自动化系统中不可或缺的一部分。
直流伺服电机控制系统设计
电子信息与电气工程系课程设计报告设计题目：直流伺服电机控制系统设计系别：电子信息与电气工程系年级专业：学号：学生姓名：2006级自动化专业《计算机控制技术》课程设计任务书摘要随着集成电路技术的飞速发展，微控制器在伺服控制系统普遍应用，这种数字伺服系统的性能可以大大超过模拟伺服系统。
数字伺服系统可以实现高精度的位置控制、速度跟踪，可以随意地改变控制方式。
单片机和DSP在伺服电机控制中得到了广泛地应用，用单片机作为控制器的数字伺服控制系统，有体积小、可靠性高、经济性好等明显优点。
本设计研究的直流伺服电机控制系统即以单片机作为核心部件,主要是单片机为控制核心通过软硬件结合的方式对直流伺服电机转速实现开环控制。
对于伺服电机的闭环控制，采用PID控制，利用MATLAB软件对单位阶跃输入响应的PID 校正动态模拟仿真，研究PID控制作用以及PID各参数值对控制系统的影响，通过试凑法得到最佳PID参数。
同时能更深度地掌握在自动控制领域应用极为广泛的MATLAB软件。
关键词：单片机直流伺服电机 PID MATLAB目录1.引言 ...................................................... 错误!未定义书签。
2．单片机控制系统硬件组成.................................... 错误!未定义书签。
微控制器................................................ 错误!未定义书签。
DAC0808转换器.......................................... 错误!未定义书签。
运算放大器............................................... 错误!未定义书签。
按键输入和显示模块....................................... 错误!未定义书签。
伺服电机及其控制原理
伺服电机及其控制原理伺服电机是一种能够根据外部控制信号来实现准确位置控制的电动机。
它通过搭配编码器或传感器，能够反馈运动信息，实现高精度的运动控制。
伺服电机广泛应用于机器人、自动化设备、工业生产线以及医疗仪器等领域。
伺服电机的工作原理可以简单描述为：通过控制器将目标位置和当前位置进行比较，计算出位置偏差，并通过电机驱动器控制电机旋转，使得位置偏差最小化，从而实现精确的位置控制。
通常情况下，伺服电机控制系统由以下几个主要组成部分构成：1.电机：伺服电机通常采用直流电机或交流电机，有时也会采用步进电机。
电机的类型和规格取决于具体的应用需求。
2.编码器或传感器：它们负责检测电机的位置或运动状态，并将这些信息反馈给控制器。
编码器可以采用不同的工作原理（如光电式、磁电式等），用于提供高精度的位置反馈。
3.控制器：控制器是伺服系统的核心部件，其功能是接收来自外部的指令信号，并输出给电机驱动器。
控制器通常采用微处理器或数字信号处理器（DSP）来实现控制算法，并与编码器/传感器配合使用，实现位置反馈和误差校正。
4.电机驱动器：电机驱动器负责将来自控制器的指令信号转化为电流或电压输出，控制电机的旋转。
电机驱动器通常包含功率放大器、保护电路和信号转换电路等部分。
伺服电机的控制原理基于闭环反馈控制的思想，主要包括位置控制和速度控制两个方面。
对于位置控制，控制器将目标位置与当前位置进行比较，并计算出位置误差。
根据误差大小和方向，控制器调整输出信号，通过电机驱动器控制电机的旋转，使得位置误差最小化。
位置反馈信号由编码器或传感器提供，控制器通过比较反馈信号和目标位置来实现闭环控制。
对于速度控制，控制器将目标速度与当前速度进行比较，并计算速度误差。
根据误差大小和方向，控制器调整输出信号，通过电机驱动器控制电机的转速，使得速度误差最小化。
速度反馈信号通常由编码器或传感器提供，控制器通过比较反馈信号和目标速度来实现闭环控制。
在实际应用中，伺服电机控制系统还需要考虑加速度、阻尼等因素，以实现更加精确的运动控制。
第一章-直流伺服电机
图1-1 电枢控制原理图
控制方式
2．磁场控制
电枢绕组电压保持不变，变化励磁回路旳电压。若电 动机旳负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流 增长，主磁通增长，电机转速就降低；反之，转速升 高。变化励磁电压旳极性，电机转向随之变化。 尽管磁场控制也可到达控制转速大小和旋转方向旳目 旳，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且伴随 励磁电压旳减小其机械特征变软，调整特征也是非线 性旳，故少用。
1.2.2 运营特征
（2）电枢电压对机械特征旳影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。 相应于不同旳电枢电压能够得到一组相互平行旳机械特征曲线。
直流伺服电动机由放大器供电时， 放大器能够等效为一种电动势源 与其内阻串联。内阻使直流伺服 电动机旳机械特征变软。
图 1-3 不同控制电压时旳机械特征
较小、 电枢电阻 Ra 较大、转动惯量 J 较大
时是这种情况。
图1-6 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
(2)
当
4 e
m
时，由
p1，.2
1 2 e
1
1 4 e m
， p1 和
p2
两根是共轭复数。
在过渡过程中，转速和电流随时间旳变化是周期性旳。
由e
La Ra
和m
2JRa 60CeCt
2
可知，电枢
电感 La 较大、 电枢电阻 Ra 较小、转动
惯量 J 较小时，就会出现这种振荡现象。
图1-7 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
⑶ 当4 e m 时（多数情况满足这一条件）， e 很小能够忽视不计。
于是式
m e
伺服电机的分类
伺服电机的分类伺服电机是一种能够根据控制信号来精确控制转速和位置的电机。
它广泛应用于工业自动化、机器人技术、航空航天等领域。
根据不同的分类标准，伺服电机可以分为多种类型，下面将详细介绍几种常见的伺服电机分类。
一、按控制方式分类1. 位置伺服电机：位置伺服电机是最常见的一种类型，它通过控制输入信号来实现精确的位置控制。
位置伺服电机通常由编码器、控制器和功率放大器组成，能够实现高精度的位置控制，并具有快速响应和较高的转矩。
2. 速度伺服电机：速度伺服电机是通过控制输入信号来实现精确的转速控制。
速度伺服电机通常与编码器配合使用，通过反馈信号实时调整电机的转速，使其保持在设定的目标速度上。
3. 力矩伺服电机：力矩伺服电机是一种能够输出精确力矩的电机。
它通常通过控制输入信号来实现对电机输出力矩的精确控制。
力矩伺服电机广泛应用于需要精确控制力矩的场合，如机械臂、航空航天等领域。
二、按结构类型分类1. 交流伺服电机：交流伺服电机是一种使用交流电作为驱动源的伺服电机。
它通常由交流电源、控制器和转子组成。
交流伺服电机具有结构简单、可靠性高、转矩平滑等特点，广泛应用于工业自动化控制系统中。
2. 直流伺服电机：直流伺服电机是一种使用直流电作为驱动源的伺服电机。
它通常由直流电源、控制器和转子组成。
直流伺服电机具有响应速度快、转矩大、控制精度高等特点，广泛应用于机器人、自动化设备等领域。
3. 步进伺服电机：步进伺服电机采用开环控制方式，通过控制输入信号来控制电机的步进角度。
步进伺服电机结构简单、成本低廉，但在控制精度和响应速度上相对较低，主要应用于一些要求不太高的场合。
三、按应用领域分类1. 工业伺服电机：工业伺服电机广泛应用于工业自动化领域，用于控制机械臂、传送带、数控机床等设备的位置、速度和力矩。
工业伺服电机具有高效率、高可靠性和较大输出功率等特点，能够满足工业生产对精确控制的需求。
2. 机器人伺服电机：机器人伺服电机是机器人技术中不可缺少的关键部件，用于控制机器人的关节运动。
直流伺服电机
毕业论文论文题目学院专业年级学号学生姓名指导教师完成时间年月肇庆学院教务处制摘要：随着科学技术的不断快速发展，人们对生活质量、生产效率及安全性等方面的要求越来越高，而自动化控制系统以其能将人类从复杂、繁琐危险、的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率等的众多优点被大家所接受并得到了广泛的推广应用，逐渐成为现在生活生产中必不可少的一种科技，因此该设计具有很深远的研究价值。
设计主要是一种基于A VR单片机控制，采用ATmega16的芯片，通过用H桥式控制PWM通过检测光脉冲数进行定位进行对减速电机的控制，从而实现对系统的位置控制。
设计的目的是通过一个位置控制系统来自动控制门得开关，比较手动的，自动控制更省时省力，更安全，而且增加了生活的乐趣。
设计的结果是：所设计的位置控制系统，能较为稳定地对电机进行控制，符合实验的要求。
关键词：AVR单片机H桥式控制减速电机Abstract:With the rapid development of science and technology, more and morepeople on the quality of life, production efficiency and safety aspects of the higher requirements, and the automatic control system for its many advantages canbe complex, tedious, dangerous from human labor environment to liberate and improve the control efficiency ofthe acceptedand popularized widely used, has gradually becomean essentialtechnology in the production of life now, so ithas very far-reachingresearch value of the design. Design is a A VR microcontroller based control, using ATmega16 chip, through the bridge control of PWM by detecting the pulsenumber of positioning control gear motor with H, in order toachieve position control system. The purpose of the design is througha position control system to automatic control door switches,compared with manual, automatic control more time-saving, more secure,and to increase the pleasures of life. The result of the design is: position control system design, can steadily control the motor, meets the test requirements.Keywords: A VR microcontroller H bridge control gear motor目录：第一章：绪论 (5)1.1、直流伺服电机的背景、原理及分类 (5)1.1.1：背景： (5)1.1.2：原理： (6)1.1.3：分类： (6)1.2、直流伺服电机的应用与意义 (7)1.2.1：应用： (7)1.2.2：意义： (7)1.3、国内外现状和发展趋势 (8)第二章：直流伺服电机（减速电机）的工作原理、结构及其基本特性 (10)2.1、直流伺服电机的工作原理、原理 (10)2.2、直流伺服电机的基本特性 (10)2.2.1、直流伺服电机的机械特性 (11)2.2.2、直流伺服电机的调节特性 (12)2.2.3、直流伺服电机的动态特性 (13)2.3、直流减速电机 (18)第三章：A VR单片机系统的结构概况 (19)3.1、单片机的基本组成结构 (19)3.2、A VR单片机的介绍 (21)3.3、ATmega16单片机的介绍 (23)第四章：A VR单片机实现位置控制 (27)4.1、设计的原理: (27)4.1.1、H桥电路 (27)4.2、设计的电路框图 (31)4.2.1、独立按键： (31)4.2.2、光电码盘： (31)4.2.3、A VR单片机最小系统 (32)4.2.4、H桥驱动 (32)4.2.5、直流电机 (33)第五章：总结 (33)参考文献： (34)致谢： (37)第一章：绪论1.1、直流伺服电机的背景、原理及分类1.1.1：背景：近半个世纪以来，随着科学技术的快速发展进步，关于直流伺服控制技术的各项研究已经慢慢地走向成熟，直流伺服控制系统也随之得到了很大的重视，在研究探讨中不断的进步，在系统性能要求较高以及市场的急切需求的情况下得到了更深层次的理解，得到了广大人们的广泛地应用。
控制电机 第一章 直流伺服电机 1 原理与运行特性
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
斜率k1：
k1 1 C e
是由电机本身参数决定的常数，与负载无关。
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
（2）总阻转矩对调节特性的影响
总阻转矩Ts变化时，Ua0∝Ts ，斜率k1保持不变。
因此对应于不同的总阻转矩Ts1 、 Ts2 、Ts3 、… ，可以 得到一组相互平行的调节特性。
n
Ua0 k1 –
–
始动电压 特性斜率
直流伺服电动机的调节特性
1.3 运行特性
（1） Ua0和k1的物理意义
始动电压Ua0 ：电动机处在待动而又未动临界状态时的电压。 Ua Ts Ra 由 n ，当n=0时，便可求得： 2 C e C e C t Ra U a U a0 Ts C t 由于Ua0∝Ts ，即负载转矩越大，Ua0越高。 控制电压从0到Ua0范围内，电机不转动，称为电动机的死区。
1.1 伺服电动机概述
自动控制系统对伺服电动机的基本要求： (1) 宽广的调速范围。伺服电动机的转速随着控制电 压的改变能在宽广的范围内连续调节。 (2) 机械特性和调节特性均为线性。线性的机械特性 和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。 机械特性：控制电压一定时，转速随转矩的变 化关系； 调节特性：电动机转矩一定时，转速随控制电 压的变化关系。 (3) 无“自转”现象。伺服电动机在控制电压为零时 能立自行停转。 (4) 快速响应。电动机的机电时间常数要小，相应地 伺服电动机要有较大的培转转矩和较小的转动惯量。 这样，电动机的转速便能随着控制电压的改变而迅 速变化。
第1章 直流伺服电动机
1.1 伺服电动机概述 1.2 直流伺服电动机的原理 1.3 直流伺服电动机运行特性 1.4 直流伺服电动机的控制方式 1.5 直流伺服电动机的动态特性与特种电机 1.6 直流伺服电动机的PWM控制 1.7 直流伺服电动机的应用
机电传动控制第五版课后答案--最全版
机电传动控制第五版课后答案--最全版机电传动控制第五版课后答案最全版机电传动控制是一门涉及电机、电气控制、自动化等多个领域的重要课程。
对于学习这门课程的同学来说，课后答案的准确性和完整性至关重要。
以下是为大家整理的机电传动控制第五版的课后答案，希望能对大家的学习有所帮助。
一、第一章绪论1、机电传动控制的目的是什么？答：机电传动控制的目的是将电能转换为机械能，实现生产机械的启动、停止、调速、反转和制动等动作，以满足生产工艺的要求，提高生产效率和产品质量。
2、机电传动系统的发展经历了哪几个阶段？答：机电传动系统的发展经历了成组拖动、单电机拖动和多电机拖动三个阶段。
3、机电传动系统的运动方程式中，各物理量的含义是什么？答：T 为电动机产生的电磁转矩，T L 为负载转矩，J 为转动惯量，ω 为角速度。
当 T＞T L 时，系统加速；当 T＜T L 时，系统减速；当T ＝ T L 时，系统匀速运转。
二、第二章机电传动系统的动力学基础1、转动惯量的物理意义是什么？它与哪些因素有关？答：转动惯量是物体转动时惯性的度量，反映了物体抵抗转动状态变化的能力。
其大小与物体的质量、质量分布以及转轴的位置有关。
2、飞轮转矩的概念是什么？它与转动惯量有何关系？答：飞轮转矩 G D 2 是指转动惯量 J 与角速度ω平方的乘积。
飞轮转矩越大，系统储存的动能越大，系统的稳定性越好。
3、如何根据机电传动系统的运动方程式判断系统的运行状态？答：当 T T L ＞ 0 时，系统加速；当 T T L ＜ 0 时，系统减速；当T T L ＝ 0 时，系统匀速运行。
三、第三章直流电机的工作原理及特性1、直流电机的工作原理是什么？答：直流电机是基于电磁感应定律和电磁力定律工作的。
通过电刷和换向器的作用，使电枢绕组中的电流方向交替变化，从而在磁场中产生持续的电磁转矩，驱动电机旋转。
2、直流电机的励磁方式有哪几种？答：直流电机的励磁方式有他励、并励、串励和复励四种。
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直流伺服电机的控制方式
直流伺服电机实质上就是他励直流电机。
由直流电机的电压方程U＝E a+I a R a及电枢电动势表达式E a＝C eΦn，可以得到直流伺服电机的转速表达式为
式中，U a为电枢电压；E a为电枢感应电动势；I a为电枢电流；R a为电枢回路总电阻；n为转速；Φ为每极主磁通；C e为电动势常数。
上式表明：改变电枢电压U a和改变励磁磁通Φ，都可以改变直流伺服电机的转速n。
因而直流伺服电机的控制方式有两种：一种方法是把控制信号作为电枢电压来控制电机的转速，这种方式称为电枢控制；另一种方法是把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通来控制电机的转速，这种控制方式称为磁场控制（又称为磁极控制）。
直流
伺服电机的工作原理图如图2-9所示。
图2-9 电枢控制时直流伺服电机的工作原理图
（1）电枢控制
由图2-9所示，在励磁回路上加恒定不变的励磁电压U f，以保证直流伺服电机的主磁通Φ不变。
在电枢绕组上加控制电压信号。
当负载转矩T L一定时，升高电枢电压U a，电机的转速n随之升高；反之，减小电枢电压U a，电机的转速n就降低；若电枢电压U a＝0时，电机则不转。
当电枢电压的极性改变后，电机的旋转方向也随之改变。
因此把电枢电压U a作为控制信号，就可以实现对直流伺服电机转速n的控制，其电枢绕组称为控制绕组。
对于电磁式直流伺服电机，采用电枢控制时，其励磁绕组由外施恒压的直流电源励磁；对于永磁式直流伺服电机则由永磁磁极励磁。
下面分析改变电枢电压U a时，电机转速n变化的物理过程。
直流伺服电机实质上就是他励直流电机。
由直流电机的转速表
达式及电磁转矩表达式T e＝C TΦI a，可以得到保持电机的每极磁通为额定磁通ΦN时，直流电机的机械特性方程为
式中，U a为电枢电压；R a为电枢回路总电阻；n为转速；ΦN 为每极额定主磁通；C e为电动势常数；C T为转矩常数；T e为电
磁转矩。
根据直流电机的机械特性方程，可以绘制出直流电机降压调速时的机械特性曲线，如图2-10所示，图中，曲线1、2、3分
别为对应于不同电枢电压时，直流电机的机械特性曲线；曲线4
为负载的机械特性曲线。
从图中可以看出，改变电枢电压后，直
流电机的理想空载转速n0随电压的降低而下降，电机的转速n
也随电压的降低而下降。
但是，电机的机械特性的斜率不变，即电机机械特性的硬度不变。
设电枢电压U a为额定电压U N（即U a＝U N）时，直流电机拖动恒转矩负载T L运行于固有特性曲线（即图2-10中的曲线1）上的A点。
运行转速为n N。
若电枢电压由U N下调为U1，则电机的机械特性变为人为机械特性（即图2-10中的曲线2）。
在降压瞬间，由于惯性，转速n不能突变，工作点由原来的A点平
移到A'点；在A'点，<T L，转速n开始减小；随着n的
减小，E a减小，电枢电流增大，电磁转矩T e增大，工作点由A'点向B点移动；到达B点时，T e ＝T L，n＝n1，电机以较低的转速稳速运行。
由图2-10可以看出，在一定负载下，电机的转速会随电枢电压的降低而降低，因此这种调速方法最高转速n m a x＝n N，调速方向是由n N向下调。
图2-10 直流电机降压调速的机械特性
直流伺服电机普遍采用电枢控制。
电枢控制的直流伺服电机的电枢电压常称为控制电压，而电枢绕组也常称为控制绕组。
现代大、中容量可控直流电源主要采用晶闸管可控整流电源，小容量时常采用电力晶体管PWM控制电源，如图2-11和图
2-12所示。
图2-11 晶闸管可控整流电源
图2-12 电力晶体管PWM控制电源
采用晶闸管可控整流电源时，可根据电机容量和控制性能的不同要求，选用三相或单相、全控桥式或半控桥式整流电路。
电机要求正反转控制时，可采用电枢极性切换方式或励磁极性切换方式，也可采用两组桥式电路反并联接法的无触点切换方式。
采用晶闸管可控整流电源的优点是控制的快速性好、效率高，设备的占地面积小、噪声低。
缺点是晶闸管电路注入交流电网的电流中，含有一系列高次谐波，将对交流电网造成一定的谐波污染。
电力晶体管PWM控制电源的三角波调制频率远大于交流电源频率，可以进行近似正弦波的PWM电流控制。
这种控制方式的
可贵之处在于，电力晶体管电路从电网输入电流的谐波含量小，其波形近似为正弦波。
因此小容量可控整流电源大多采用电力晶
体管PWM可控电源。
（2）磁场控制
磁场控制就是以励磁电压U f作为输入量，以直流伺服电机的
转子位置、转速等作为输出量，当改变励磁电压的大小和极性时，电机的转子位置、转速和转向也将随之变化。
当降低励磁回路的电压U f时，则励磁电流I f将减小，磁通Φ也将减小，直流伺服电机的转速n便升高。
反之，若升高励磁回
路的电压U f时，则励磁电流I f将增大，磁通Φ也将增大，直流伺服电机的转速n便降低。
显然，引起转速变化的直接原因是磁通Φ的变化。
在直流伺服电机中，并不是采用改变励磁回路调节电阻的方法来改变磁通Φ，而是采用改变励磁电压U f的方法来改变磁通Φ。
因此，可以把励磁电压U f作为控制信号，来实现对直
流伺服电机转速的控制。
由于励磁回路所需的功率小于电枢回路，所以磁场控制时的控制功率小。
但是，磁场控制有严重的缺点，例如在磁场控制时，励磁电压的调节范围很小，过分弱磁会导致电机运行不稳定以及换向恶化；由于励磁绕组电感较大，使磁场控制时的相应速度较慢等。
所以，在自动控制系统中，磁场控制很少被采用，或只用于小功率电机中。