PID控制小功率伺服系统的建模与控制(3)
进给伺服系统是数控装置和机床机械传动部件间的联系环节，是数控机床的重要组成部分。它包含机械、电子、电动机等各种部件，并涉及强电与弱电的控制，是一个复杂的控制系统。而伺服系统的动态和静态性能决定了数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标。数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。所以，提高伺服系统的技术性能和可靠性，对于数控机床具有重大意义，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一[1]。
1.2 伺服系统的发展
1.3 伺服系统的发展趋势
1.4 伺服系统及其基本构成
伺服系统亦称随动系统，属于自动控制系统的一种，它用来控制被控对象的转交(或位移)，使其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。
伺服系统的组成状况多种多样[11]，它有检测装置：用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行机构：使各部件之间有效的组配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换电路和补偿装置。这里仅指信息在系统中传递所必经的各个部分。此外，以上各个部分都离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其他辅助设备。
从系统组成元器件的性质看，有电气伺服系统，它的全部元、器件由电气元件组成；有全部由液压元件组成的液压伺服系统；有两者相结合的电气一液压伺服系统、电气一气动伺服系统[12]。
现代伺服设备技术先进、功能强大、涉及面广、结构复杂，且灵敏度较高[13]。因此，整机与整机之间、分机与分机之间容易产生干扰。它们之间往往也互为干扰源。
在伺服系统中，形成电磁干扰必须具备三个基本条件[14]：①存在干扰源；②对干扰源的电磁能敏感的接收单元，即感受器；③有耦合通道，也就是把能量从干扰源耦合到敏感接收器上，并使系统性能明显恶化的媒质。
在伺服控制系统中，常用的抗干扰措施主要有两类：一类是在设备和系统设计时注意选用相互干扰作用最小的元器件、零部件和电路，在结构上注意合理布局，保证元器件、零部件等级上的兼容性；另一类是采用接地、屏蔽、滤波等技术，降低产生的干扰电平，增加干扰在传播中的衰减。
1.5 本论文的主要工作以及预期达到的目的
本课题就是为培养全面分析伺服系统组成结构和系统性能的综合能力而设计提出的。通过该课题的锻炼，使学生能了解并学会使用直流伺服电机，熟悉电机的控制方式和伺服电路的构成；同时对自动控制原理和数字控制系统在工程中的应用有深刻认识。本文的主要工作有：
⑴ 设计了直流伺服电机的数学模型，对PWM驱动电路原理和构成进行了分析研究；
⑵ 设计了伺服系统的电流环、速度环和位置环，从而完成了伺服系统的多环路设计；
⑶ 设计了PID控制调节器，分析了比例、积分和微分各个环节的作用；
⑷ 对伺服系统进行了建模和仿真并对其曲线分析。
2 系统的数学模型
2.1 直流伺服电动机
直流伺服电动机是系统的关键部件之一，有永磁式和电磁式两种结构形式。伺服控制系统中使用的直流伺服电动机和一般动力用的直流电动机在工作原理上是完全相同的，但由于各自的功能和作用不同，它们的工作状态和工作性能差别很大。在伺服系统中，电动机的转速和工作状态要根据指令信号而改变，因此使用在伺服系统中的电动机叫做直流伺服电动机。根据伺服电动机在系统中的作用和特点，系统对它的性能提出以下要求：
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