《伺服控制系统课程设计》指导书⾃动化与电⼦⼯程学院⼆零⼀⼋年⼗⽉⼀、伺服控制系统课程设计的意义、⽬标和程序 (3)⼆、伺服控制系统课程设计内容及要求 (5)三、考核⽅式和报告要求 (11)⼀、伺服控制系统课程设计的意义、⽬标和程序（⼀）伺服控制系统程设计的意义伺服控制系统课程设计是⾃动化专业⼈才培养计划的重要组成部分，是实现培养⽬标的重要教学环节，是⼈才培养质量的重要体现。

通过伺服控制系统课程设计，可以培养考⽣⽤所学基础课及专业课知识和相关技能，解决具体的⼯程问题的综合能⼒。

本次课程设计要求考⽣在指导教师的指导下，独⽴地完成伺服控制系统的设计和仿真，解决与之相关的问题，熟悉伺服控制系统中控制器设计与整定、电机建模和仿真和其他检测装置的选型以及⼯程实践中常⽤的设计⽅法，具有实践性、综合性强的显著特点。

因⽽对培养考⽣的综合素质、增强⼯程意识和创新能⼒具有⾮常重要的作⽤。

伺服控制系统课程设计是考⽣在课程学习结束后的实践性教学环节；是学习、深化、拓宽、综合所学知识的重要过程；是考⽣学习、研究与实践成果的全⾯总结；是考⽣综合素质与⼯程实践能⼒培养效果的全⾯检验；也是⾯向⼯程教育认证⼯作的重要评价内容。

（⼆）课程设计的⽬标课程设计基本教学⽬标是培养考⽣综合运⽤所学知识和技能，分析与解决⼯程实际问题，在实践中实现知识与能⼒的深化与升华，同时培养考⽣严肃认真的科学态度和严谨求实的⼯作作风。

使考⽣通过综合课程设计在具备⼯程师素质⽅⾯更快地得到提⾼。

对本次课程设计有以下⼏⽅⾯的要求:1.主要任务本次任务在教师指导下，独⽴完成给定的设计任务，考⽣在完成任务后应编写提交课程设计报告。

2.专业知识考⽣应在课程设计⼯作中，综合运⽤各种学科的理论知识与技能，分析和解决⼯程实际问题。

通过学习、研究和实践，使理论深化、知识拓宽、专业技能提⾼。

3.⼯作能⼒考⽣应学会依据课程设计课题任务进⾏资料搜集、调查研究、⽅案论证、掌握有关⼯程设计程序、⽅法和技术规范。

提⾼理论分析、⾔语表达、撰写技术⽂件以及独⽴解决专题问题等能⼒。

4.综合素质树⽴正确的学习⽬的和设计思想，培养考⽣诚信的科学态度和作风，善于与他⼈合作的团队精神。

（三）综合课程设计程序综合课程设计过程包括设计准备、正式设计、综合课程设计答辩三个阶段。

设计准备阶段主要任务是根据设计任务书要求，明确⼯程特点和设计要求，收集包括⼯程设计图纸在内的有关资料，拟定设计计划。

这⼀阶段要求考⽣要积极主动，多⽅⾯、全⽅位收集有关资料，尽可能深⼊了解项⽬特点，做到对即将开始的综合课程设计⼯作有⼀个宏观的认识，并制订总的时间计划。

⼀般指导教师会提出明确的要求，及时给予具体的指导。

考⽣在此阶段需完成所有具体的计算和设计。

综合课程设计答辩阶段根据学校安排统⼀进⾏，综合课程设计答辩是对综合课程设计成果的汇报。

⼆、伺服控制系统课程设计内容及要求1.步进电机伺服控制系统设计与仿真步进电机最早是在1920年代由英国⼈所开发。

1950年代后期晶体管的发明也逐渐应⽤在步进电机上，对于数字化的控制变得更为容易。

往后经过不断改良，使得今⽇步进电机已⼴泛运⽤在需要⾼定位精度、⾼分解能、⾼响应性、信赖性等灵活控制性⾼的机械系统中。

步进电机是将电脉冲信号转变为⾓位移或线位移的开环控制元件。

在⾮超载的情况下，电机的转速、停⽌的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，⽽不受负载变化的影响，即给电机加⼀个脉冲信号，电机则转过⼀个步距⾓。

这⼀线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差⽽⽆累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域⽤步进电机来控制变的⾮常的简单。

1.1设计⽬标和任务本次设计的控制对象是两个直流伺服电机，⽬的是设计为每个伺服电机设计⼀个调速性能好、起制动性能好、定位准确且定位过程⽆超调的直流伺服系统，实现以下⽬标： 1．了解步进电机的结构。

2．利⽤Simulink中的物理建模平台--Simcape实现步进电机伺服系统的搭建3．实现两个步进电机的联动运⾏。

1.2设计内容本次课程设计的被控对象为混合式步进电机（HB）。

混合式步进电机是综合了永磁式和反应式的优点⽽设计的步进电机。

它又分为两相、三相和五相，两相步进⾓⼀般为1.8度，三相步进⾓⼀般为1.2度，⽽五相步进⾓⼀般为0.72度。

混合式步进电机在⼒矩、速度、分辨率等⽅⾯性能优异。

步进电机选择上海鸣志电器股份有限公司的标准式混合步进电机，其型号为MS08HY1P4050。

其参数请查阅产品使⽤⼿册。

结构如图所⽰。

图1 步进电机结构图步进电机驱动器根据外来的控制脉冲和⽅向信号，通过其内部的逻辑电路，控制步进电机的绕组以⼀定的时序正向或反向通电，使得电机正向/ 反向旋转，或者锁定。

以1.8 度两相步进电机为例：当两相绕组都通电励磁时，电机输出轴将静⽌并锁定位置。

在额定电流下使电机保持锁定的最⼤⼒矩为保持⼒矩。

如果其中⼀相绕组的电流发⽣了变向，则电机将顺着⼀个既定⽅向旋转⼀步（1.8 度）。

同理，如果是另外⼀项绕组的电流发⽣了变向，则电机将顺着与前者相反的⽅向旋转⼀步（1.8 度）。

当通过线圈绕组的电流按顺序依次变向励磁时，则电机会顺着既定的⽅向实现连续旋转步进，运⾏精度⾮常⾼。

对于1.8 度两相步进电机旋转⼀周需200 步。

两相步进电机有两种绕组形式：双极性和单极性。

双极性电机每相上只有⼀个绕组线圈，电机连续旋转时电流要在同⼀线圈内依次变向励磁，驱动电路设计上需要⼋个电⼦开关进⾏顺序切换。

单极性电机每相上有两个极性相反的绕组线圈，电机连续旋转时只要交替对同⼀相上的两个绕组线圈进⾏通电励磁。

驱动电路设计上只需要四个电⼦开关。

在双极性驱动模式下，因为每相的绕组线圈为100% 励磁，所以双极性驱动模式下电机的输出⼒矩⽐单极性驱动模式下提⾼了约40% 。

图2 步进电机驱动电路图步进电机的最显著的优势是不需要位置反馈信号，就能进⾏精确的位置控制，这种开环控制形式省去了昂贵的位置传感器，只需对输⼊指令脉冲信号计数，就能知道电机的位置。

图3是⼀个步进电机开环控制的基本组成原理图。

图3 开环控制结构图在开环控制系统中，电机响应⾛步指令后的实际运⾏情况，控制系统是⽆法预测和监控的。

在⼀些运⾏速度范围宽、负载⼤⼩变化频繁的场合，步进电机容易失步，⽽使整个系统趋于失控;开环控制还有⼀个缺陷就是电机的输出转矩和速度在很⼤程度上取决于驱动电源的控制⽅式。

对于不同的电机或者同⼀种电机不同的负载，很难找到通⽤的加减速规律，因此使提⾼步进电机的性能指标受到限制。

当两个步进电机协同⼯作⽤于轨迹跟踪时，需要插补算法（逐点⽐较法）逐点地计算和判别运动轨迹与给定轨迹的偏差,并根据偏差控制进给轴向给定轮廓靠扰,缩⼩偏差,使加⼯轮廓逼近给定轮廓，如图所⽰。

图 4 逐点插值原理图本次课程设计需要跟踪轨迹如下图所⽰。

图 5 x-y 跟踪轨迹2. 直流伺服控制系统设计与仿真直流伺服电动机是近⼏⼗年来随着电⼒电⼦技术的迅速发展⽽发展起来的⼀种电动机。

近些年来，直流伺服控制系统被⼴泛应⽤于⼯业⽣产，尤其在机械制造⾏业中占据着重要位置。

直流伺服系统的主要优点是控制特性优良，能在很宽的范围内平滑调速，调速⽐⼤，起制动性能好，定位精度⾼。

直流伺服电动机既有交流电动机的结构简单、运⾏可靠、维护⽅0123456789100510152025303540便等⼀系列优点，又具有直流电动机的运⾏效率⾼、调速性能好的特点，故在当今国民经济中直流伺服系统⼴泛应⽤于轧钢机及其辅助机械、造纸机、⾦属切割机床等众多⾃动控制中的各个领域。

2.1设计⽬标和任务本次设计的控制对象是两个直流伺服电机，⽬的是设计为每个伺服电机设计⼀个调速性能好、起制动性能好、定位准确且定位过程⽆超调的直流伺服系统，实现以下⽬标： 4．了解直流伺服系统的结构。

5．理解直流伺服系统三闭环结构的基本原理。

6．利⽤Simulink中的物理建模平台--Simcape实现直流伺服系统的搭建（选做）。

7．利⽤Matlab的可视化⼯具---Simulink实现直流伺服系统的仿真。

8．掌握电流环控制器、速度环控制器、位置环控制器的整定⽅法。

9．实现两个伺服控制系统的联动运⾏。

2.2设计内容：本次课程设计选择的直流伺服电机参数如下:额定电压：Un=220V，额定电流：In=136A，额定转速：Nn=1460r/min，反电动势常数：Ce=0.132V*min/，允许过载倍数: λ=1.5电枢电阻：Ra=0.5Ω电流时间常数：Tl=0.03s机械时间常数：Tm=0.18s；励磁电压：Uf=220V励磁电流：If=1.5A伺服系统由⼤功率晶体管脉宽调制放⼤器给电动机供电，其中晶闸管装置放⼤系数： ks=40；三相整流桥平均失控时间：Ts=0.0017s。

伺服控制系统的控制⽅式为三环全数字式即电流环控制器运算、速度环控制器运算、位置环控制器运算，结构如图所⽰：图6三闭环位置伺服控制系统（APR：位置调节器； ASR：转速调节器；ACR：电流调节器；BQ：光电位置传感器； UPE：通⽤信号转换器； DSP：数字转速信号转换器；） 在上述的直流伺服系统中，要求：1、电流超调：δ%≤5%；2、空载起动到额定转速时的转速超调量：δ%≤10%；3、电流反馈系数：β=0.05 V*min/r；3、转速反馈系数：α= 0.00667V*min/r ；4、电流反馈滤波时间常数：Toi=0.002s；5、转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s；6、位置反馈滤波时间常数：Top=0.01s；分别为两台电机设计两套伺服系统，利⽤两套伺服联动控制，实现在下图所⽰⼆维平⾯上曲线的实时跟踪控制。

图7 x-y跟踪轨迹三、考核⽅式和报告要求课程设计通过提交课程设计报告的⽅式来进⾏考核，课程设计报告应该包含以下⼏个⽅⾯的内容：1.课程设计任务和要求2. 伺服控制系统概述3.伺服控制系统的设计4.软件设计与实现5. 总结6. 参考⽂献。