3658 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計

3658 小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路設(shè)計,功率,直流,伺服系統(tǒng),控制電路,設(shè)計 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁目 錄1 引言 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展簡況 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11.2 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22 伺服系統(tǒng)的組成原理及基本特征 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????32.1 伺服系統(tǒng)的組成原理 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32.2 伺服系統(tǒng)的分類 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32.3 對伺服控制系統(tǒng)的基本要求 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????63 電路設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????73.1 控制電路設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83.2 信號發(fā)生器的設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????83.3 比例放大器的設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????93.4 調(diào)零電路的設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????123.5 比較器電路的設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????133.6 功率放大器電路的設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????154 實驗部分 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????174.1 信號發(fā)生器和比例放大器 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????174.2 信號的調(diào)零 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????184.3 比較器 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194.4 功率放大電路 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????194.5 驗證正信號工作情況 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????214.6 驗證負信號工作情況 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????23結(jié)束語 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25參考文獻 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27圖 A：總電路圖 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 30 頁1 引言本畢業(yè)設(shè)計是小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計。根據(jù)任務書的要求，設(shè)計的控制電路要能控制系統(tǒng)工作，使伺服系統(tǒng)能驅(qū)動電機在正反兩個方向的正常運行，滿足自動位置跟隨的性能要求。1.1 伺服系統(tǒng)的發(fā)展簡況伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)中的一類。它是伴隨著電的應用而發(fā)展起來的，最早出現(xiàn)于本世紀初。1934 年第一次提出了伺服機構(gòu)這個詞，隨著自動控制理論的發(fā)展，到本世紀中期，伺服系統(tǒng)的理論與實踐均趨于成熟，并得到廣泛應用。近幾十年來在新技術(shù)革命的推動下，特別是伴隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速進步，伺服系統(tǒng)更是如虎添翼突飛猛進，它的應用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域，下面簡單地列舉幾個例子。伺服系統(tǒng)在機械制造行業(yè)中用得最多最廣，各種機床運動部分的速度控制、運動軌跡控制、位置控制等，都是依靠各種伺服系統(tǒng)控制的。它們不僅能完成轉(zhuǎn)動控制、直線運動控制，而且能依靠多套伺服系統(tǒng)的配合，完成復雜的空間曲線運動的控制，如仿型機床的控制、機器人手臂關(guān)節(jié)的運動控制等。它們可以完成的運動控制精度高，速度快，遠非一般人工操作所能達到 [1]。在冶金工業(yè)中，電弧煉鋼爐、粉末冶金爐等的電極位置控制，水平連鑄機的拉坯運動控制，軋鋼機軋輥壓下運動的位置控制等，都是依靠伺服系統(tǒng)來實現(xiàn)的，這些更是無法用人工操作來代替。在運輸行業(yè)中，電氣機車的自動調(diào)速、高層建筑中電梯的升降控制、船舶的自動操舵、飛機的自動駕駛等，都有各種伺服系統(tǒng)為之效力，從而減緩操作人員的疲勞，同時也大大提高了工作效率。在軍事上，伺服系統(tǒng)用得更為普遍，如雷達天線的自動瞄準跟蹤控制，高射炮、戰(zhàn)術(shù)導彈發(fā)射架的瞄準運動控制，坦克炮塔的防搖穩(wěn)定控制，防空導彈的制導控制，魚雷的自動控制等。在計算機外圍設(shè)備中，也采用了不少伺服系統(tǒng)，如自動繪圖儀的畫筆控制系統(tǒng)、磁盤驅(qū)動系統(tǒng)等。如今，我國已成為世界上少有的幾個能產(chǎn)生激光電視放像系統(tǒng)的國家，用激光 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 30 頁將信息錄制在光盤上。許多信息在電視機上構(gòu)成一幅畫面，放像過程是用很細的激光束沿信息道讀取信息，各種信息道之間的間隔已達微米級，因此控制激光束的位置伺服系統(tǒng)也具有相應的控制精度，以保證獲取清晰穩(wěn)定的畫面。這種具有高精度伺服系統(tǒng)的激光電視放像機，已開始進入我國人民的家庭生活。伺服系統(tǒng)的應用越來越廣泛，大至控制上噸重的巨型雷達天線，可及時準確地跟蹤人造衛(wèi)星的發(fā)射，小至用音圈電機來控制電視放像機的激光頭，從國防、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸?shù)郊彝ド?，而且必將發(fā)展應用到更新的領(lǐng)域。1.2 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢進入 20 世紀 80 年代后，因為微電子技術(shù)的快速發(fā)展，電路的集成度越來越高，對伺服系統(tǒng)產(chǎn)生了很重要的影響。新的伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)劃分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成化、多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變其性能，既可以使用電機本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)的安裝與調(diào)試工作都得到了簡化。同時，伺服系統(tǒng)的控制方式迅速向微機控制方向發(fā)展，并由硬件伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)向軟件伺服系統(tǒng)，智能化的軟件伺服系統(tǒng)將成為伺服控制的一個發(fā)展趨勢。就目前而言，伺服系統(tǒng)將向兩個方向發(fā)展。一個是滿足一般工業(yè)應用要求，對性能指標要求不高的應用場合，追求低成本、少維護、使用簡單等特點的驅(qū)動產(chǎn)品，如變頻電機、變頻器等。另一個就是代表著伺服系統(tǒng)發(fā)展水平的主導產(chǎn)品—伺服電機、伺服控制器，追求高性能、高速度、數(shù)字化、智能型、網(wǎng)絡(luò)化的驅(qū)動控制，以滿足用戶較高的應用要求。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 30 頁2 伺服系統(tǒng)的組成原理及基本特征2.1 伺服系統(tǒng)的組成原理伺服系統(tǒng)亦稱隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)中的一種，它用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角(或位移)，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件(或稱執(zhí)行元件)組成，高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。它通常是具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場合也可以用開環(huán)控制來實現(xiàn)其功能。伺服系統(tǒng)的種類很多，構(gòu)成狀況和工作狀況也是多種多樣的，可簡單的用圖 2-1的方塊圖來表示它的組成。它有檢測裝置，用來檢測輸入信號和系統(tǒng)的輸出，有放大裝置和執(zhí)行部件，為使各部件之間有效地組配和使系統(tǒng)具有良好的工作品質(zhì)，一般還有信號轉(zhuǎn)換電路和補償裝置。此外，以上各部分都離不開相應的能源設(shè)備、相應的保護裝置、控制設(shè)備和其它輔助設(shè)備。圖 2-1 伺服系統(tǒng)方塊圖2.2 伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動元件劃分，有步進式伺服系統(tǒng)、直流電動機(簡稱直流電機)伺服系統(tǒng)，交流電動機(簡稱交流電機)伺服系統(tǒng)……。按控制方式劃分，主要分為 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 30 頁開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng) [2]。2.2.1 開環(huán)系統(tǒng)圖 2-2 是開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖。它主要是由驅(qū)動電路、執(zhí)行元件和負載三大部分組成。如果執(zhí)行元件是步進電機，通常稱以步進電機作為執(zhí)行元件的開環(huán)系統(tǒng)為步進式開環(huán)系統(tǒng)；在開環(huán)系統(tǒng)中如果需要大功率驅(qū)動時，可以用電液脈沖馬達作為執(zhí)行元件。驅(qū)動電路的主要任務是將指令信號放大，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需的信號。圖 2-2 開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖2.2.2 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)主要是由執(zhí)行元件、檢測單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動電路和負載五部分組成。其構(gòu)成框圖如圖 2-3 所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測元件將負載移動部件的實際位置檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號反饋給比較環(huán)節(jié)。常見的檢測元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。在一臺機床上，通常把安裝在絲杠上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺上的檢測元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng) [3]。由于絲杠和工作臺之間傳動誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 30 頁圖 2-3 閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成圖比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號和反饋信號進行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的誤差，誤差被放大后經(jīng)驅(qū)動電路，控制執(zhí)行元件帶動工作臺繼續(xù)移動，直到誤差為零。由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號非常微弱，不足以驅(qū)動執(zhí)行元件，故需對其進行放大，驅(qū)動電路正是為此而設(shè)置的。執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號，即來自比較環(huán)節(jié)的跟隨信號誤差，將表示位移量的電信號轉(zhuǎn)化為機械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動機、交流電動機等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。2.2.3 開環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)缺點和區(qū)別開環(huán)系統(tǒng)是沒有輸出反饋的一類控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入直接供給控制器，并通過控制器對受控對象產(chǎn)生控制作用。開環(huán)系統(tǒng)的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、容易維修，它的主要缺點是精度低，容易受環(huán)境變化的干擾(例如電源波動、溫度變化等)影響。在工業(yè)與國防等要求較高的應用領(lǐng)域，絕大多數(shù)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)方案都是采用反饋原理，其輸出的全部或部分被反饋到輸入端。輸入與反饋信號比較后的差值(即偏差信號)加給控制器，然后再調(diào)節(jié)受控對象的輸出，從而形成閉環(huán)控制電路。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為反饋控制系統(tǒng)，這種反饋必須為負反饋。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 30 頁閉環(huán)控制系統(tǒng)比開環(huán)控制系統(tǒng)，具有一系列的優(yōu)點，精度高、動態(tài)性能好、抗干擾能力強等，其中突出的優(yōu)點是精度高，閉環(huán)控制可及時減小干擾引起的偏差。缺點是結(jié)構(gòu)比較復雜、價格比較貴、維修人員要求文化素質(zhì)高。另外，從穩(wěn)定性的角度看，開環(huán)系統(tǒng)比較容易建造，結(jié)構(gòu)也比較簡單，因為開環(huán)系統(tǒng)不存在引入反饋產(chǎn)生的穩(wěn)定性問題。而閉環(huán)系統(tǒng)是靠偏差進行控制，對于反饋控制系統(tǒng)，由于元件的慣性或負載的慣性，調(diào)節(jié)不好容易引起振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此精度和穩(wěn)定性之間的矛盾始終是閉環(huán)系統(tǒng)存在的主要矛盾。2.3 對伺服控制系統(tǒng)的基本要求自動控制系統(tǒng)用于不同的地方，要求也往往不一樣。但自動控制技術(shù)是研究各類控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門技術(shù)，對控制系統(tǒng)有一個共同的需求，一般可歸結(jié)為穩(wěn)定、準確、快速 [4]。(1) 穩(wěn)定性 由于系統(tǒng)往往存在著慣性，當系統(tǒng)的各個參數(shù)設(shè)置不當時，將會引起系統(tǒng)的振蕩而失去工作能力。穩(wěn)定性就是指動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)能夠恢復平衡狀態(tài)的能力。輸出量偏離平衡狀態(tài)后應該隨著時間收斂并且最終回到初始的平衡狀態(tài)。穩(wěn)定性的要求是系統(tǒng)工作的首要條件。(2) 快速性 這是在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提出的?？焖傩允侵府斚到y(tǒng)輸出量與給定的輸入量之間產(chǎn)生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。(3) 準確性 是指在調(diào)整過程結(jié)束后輸出量與給定的輸入量之間的偏差，或稱為靜態(tài)精度，這也是衡量系統(tǒng)工作性能的重要指標。例如數(shù)控機床精度越高，則加工精度也越高。由于受控對象的具體情況不同，各種系統(tǒng)對穩(wěn)、準、快的要求各有側(cè)重，例如，隨動系統(tǒng)對快速性要求較高，而調(diào)速系統(tǒng)對穩(wěn)定性提出較嚴格的要求。同一系統(tǒng)穩(wěn)、準、快有時是相互制約的?？焖傩院?，可能會有強烈振蕩；改善穩(wěn)定性，控制過程又可能過于遲緩，精度也可能變差。這就要求我們必須通過分析和解決這些矛盾。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 30 頁3 電路設(shè)計根據(jù)任務書的要求，我的畢業(yè)設(shè)計是利用大學期間學過的理論知識，設(shè)計小功率直流伺服系統(tǒng)的控制電路，控制電機工作。小功率直流伺服系統(tǒng)應由以下幾個部分組成，如圖 3-1 所示：計算機數(shù)模轉(zhuǎn)換比較器功率放大器執(zhí)行電機測速發(fā)電機光電編碼器速度反饋位置反饋信號放大器— —圖 3-1 小功率直流伺服系統(tǒng)組成圖其中，計算機輸出的信號是一個數(shù)字信號，是根據(jù)系統(tǒng)要完成的任務編制的程序來控制。根據(jù)系統(tǒng)要完成的任務，實現(xiàn)編好一個控制程序來控制系統(tǒng)工作。計算機就是執(zhí)行這個控制程序的工具，它輸出一個數(shù)字信號。系統(tǒng)的位置反饋元件選用了光電編碼器，因為光電編碼器隨時測量執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)角聞之，它輸出一個數(shù)字信號 [5]。在系統(tǒng)中，我選用測速發(fā)電機輸出的速度信號為系統(tǒng)的速度校正信號。測速發(fā)電機通常情況下與電機同軸聯(lián)接(也可以通過減速器聯(lián)接)，它隨時測量電動機的轉(zhuǎn)速，輸出一個電壓信號，在系統(tǒng)中起速度負反饋的作用。在整個小功率直流伺服系統(tǒng)中，計算機輸出一個數(shù)字信號，和光電編碼器所產(chǎn)生的位置負反饋相比較產(chǎn)生誤差，誤差信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為模擬信號，然后 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 30 頁由信號放大器將信號放大 [6]。接著放大的信號和測速發(fā)電機產(chǎn)生的速度負反饋相比較產(chǎn)生誤差，誤差信號經(jīng)過功率放大器將信號放大來驅(qū)使電機的正常運行。3.1 控制電路設(shè)計在這個畢業(yè)設(shè)計中，我要完成的是信號發(fā)生器、信號放大器、比較器和功率放大器的設(shè)計。我的畢業(yè)設(shè)計不包括計算機控制程序的設(shè)計和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。因此為了檢驗我所設(shè)計的控制電路是否可以達到預期的目的，所以我又設(shè)計了一個信號發(fā)生器，代替數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號。在設(shè)計中，要應用到模擬電路、控制理論的知識，還要根據(jù)執(zhí)行電機的功率估計放大器各級所選的元件參數(shù)，控制電路要能保證電機在正、反兩個方向運動。這個控制電路實際上是由信號發(fā)生器、比例放大器、調(diào)零電路、比較器和功率放大器構(gòu)成，控制電路如圖 3-2 所示：信號發(fā)生器 比例放大器調(diào)零電路比較器 功率放大器圖 3-2 電路的總體設(shè)計方案速度負反饋——其中，信號發(fā)生器是提供一個可調(diào)的正負變化的直流信號，經(jīng)比例放大器將信號放大；調(diào)零電路是為了糾正運算放大器自身的誤差而設(shè)計的，是防止當輸入信號為零的時候，輸出信號不為零，這時我們可以充分利用調(diào)零電路調(diào)節(jié)電位器提供一個反向的信號使得輸出信號為零，從而保證運算放大器沒有輸入時也沒有輸出；比較器除了接收速度負反饋的信號，還要保證只有一個信號進入后面的電路；最后的功率放大器是通過將比較器輸出的信號放大，使輸出端擁有一個可以使得電機正常工作的電壓信號。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 30 頁3.2 信號發(fā)生器的設(shè)計信號發(fā)生器的電路如圖 3-3 所示，由 、 、 和+12V、-12V 的電源共同組1R21W成。在實驗過程中，可以通過調(diào)節(jié)電位計 的阻值大小，來使輸出端獲得-3V～+3V 的直流電壓信號，以此作為實驗中的輸入信號。圖 3-3 信號發(fā)生器3.3 比例放大器的設(shè)計集成運算放大器(簡稱運放)是具有高增益、高輸入電子、輸出電阻低、集成化的多級直接耦合放大器 [7]。通常，集成運放由 4 個部分組成，如圖 3-4 所示：差動輸入級 中間放大級 功率輸出級恒流源偏置電路oUiU圖 3-4 集成運放的基本組成輸入級的主要作用是抑制電路的零點漂移，要求輸入級的失調(diào)電壓、失調(diào)電流小，共模抑制比大。此外，還要求輸入級具有較高的輸入電阻和一定的增益。輸入級一般采用改進的差動放大電路。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 30 頁中間級的作用是放大信號，要求有盡可能高的電壓增益。中間級一般采用直接耦合共射放大電路或差動放大電路。輸出級直接與負載相連，需要帶動負載做功，所以要求輸出級必須提供足夠大的功率，而且輸出電阻要小，以便提高其帶動負載的能力。為了安全工作，還要對輸出級設(shè)置過載保護電路。輸出級多采用直耦式功率放大電路，例如 OCL 功放或準OCL 功放。偏置電路要為各級提供合適的靜態(tài)工作電流，并要求所提供的電流穩(wěn)定。為此，偏置電路均為各種形式的電流源電路。比例放大器是將信號發(fā)生器所產(chǎn)生的信號按比例進行放大，按照輸入信號加入不同的輸入端，比例放大器有反相比例放大器、同相比例放大器、差動比例放大器三種主要形式，在本次電路的實驗中所使用的都是反相比例放大器。反相比例放大器如圖 3-5 所示，電阻 引入電壓并聯(lián)負反饋，輸入信號經(jīng)電阻fR接到運放的反相輸入端，同相輸入端經(jīng)過電阻 接地。對于理想運算放大器，1R '是否接入不影響分析結(jié)果。但是在實際電路中，由于運放的輸入級為差放電路，'為了保證差放電路兩個輸入端的參數(shù)對稱，以免產(chǎn)生附加的偏差電壓，一般選擇。'1/f?圖 3-5 反相比例運算電路根據(jù)虛斷 0???i 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 30 頁故 ， 0??vfi1根據(jù)虛短 ??i所以 11Rvii于是 fifoiv1??電壓增益 1RvAfiof由上述關(guān)系式可知，該電路實現(xiàn)了反相比例運算，即輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，但相位相反。電路增益取決于電阻 和 之比，而與運放的內(nèi)部參數(shù)無1f關(guān)。如果 ，則 。此時輸出電壓與輸入電壓的幅值相等，相位相反，fR?11??vfA稱為“單位增益倒相器” ，也稱為“反相器” 。在這次畢業(yè)設(shè)計電路中要多次使用到反相器，實驗中選用線性放大器 F741 做反相器的輸入。F741 的引腳圖如圖 3-6 所示：圖 3-6 F741 的引腳圖由于 F741 在線路中是反相器，輸出信號的相位與輸入信號的相位相反，故在這 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 30 頁部分電路的設(shè)計中，要使用 2 個 F741，第一級是將由信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號按比例放大，第二級是將第一級輸出的信號反相，以此來獲得和信號發(fā)生器相同相位的信號 [8]。比例放大器的電路圖如圖 3-7 所示：圖 3-7 比例放大電路3.4 調(diào)零電路的設(shè)計調(diào)零電路的作用是為了抑制運算放大器自身的零點漂移 [9]。零點漂移(簡稱零漂)，是指運算放大器輸入端短路時，輸出端還有緩慢變化的電壓產(chǎn)生，即輸出電壓偏離原來的起始點而上下飄動。零點漂移產(chǎn)生的原因很多，例如電源電壓變化、電路參數(shù)變化、器件更換及老化等，但最主要的原因是由三極管的溫度敏感特性造成的。在多級直接耦合放大電路中，由于某種原因使輸入級放大電路的工作點不穩(wěn)定時，其輸出電壓將發(fā)生變化。對于直接耦合放大電路來說，前級電路輸出電壓的微小變化會逐級被放大，這樣放大電路的輸出端就會產(chǎn)生較大的偏移電壓。有時漂移電壓的大小可以和有效信號電壓相比，甚至會把有效信號電壓淹沒，使放大器無法正常工作。因此在本電路的設(shè)計和實驗中，抑制零點漂移是一個非常重要的問題。調(diào)零電路的電路圖如圖 3-8 所示，如果在實驗中當輸入信號為零，而輸出信號卻不為零時， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 30 頁我們可以通過調(diào)節(jié)電位計 阻值的大小，給輸入端加一個反相的輸入信號，使得2RW輸出信號為零，保證電路的正常工作。圖 3-8 調(diào)零電路3.5 比較器電路的設(shè)計電壓比較器是常用的模擬信號處理電路，它將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較，并將比較結(jié)果輸出。電壓比較器的輸入信號是模擬量，輸出只可能是兩種狀態(tài)：高電平或低電平，也即輸出信號是數(shù)字量，所以電壓比較器可以用于模/數(shù)轉(zhuǎn)換。除此之外，電壓比較器還常常用于非正弦波的產(chǎn)生和變換等。電壓比較器是集成運放工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)的情況，由于開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)，輸出和輸入不成線性關(guān)系。此時集成運放處于非線性狀態(tài)，具有開關(guān)特性 [10]。比較器電路的電路圖如圖 3-9 所示。圖中二極管 D5、D6 是為了保護運算放大器 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 30 頁而設(shè)置的。二極管 D5、D6 橫跨在比較器的正反輸入端，將集成運放反相輸入端電壓鉗位在± ， 為二極管的正向壓降，二極管最高反向工作電壓應大于電源電壓。fUf速度負反饋信號在這里加入，它與信號放大器的輸出信號同時進入 的反相端，3A比較后的信號進入 。4A圖 3-9 比較器電路在實驗中，二極管選用 IN4001，其參數(shù)表如表 3-1 所示：表 3-1 二極管的參數(shù)額定整流電路 1A正向壓降 0.5V反相電流 5μA最大反相耐壓 1000V根據(jù)畢業(yè)設(shè)計的要求，控制電路要保證電機在正、反兩個方向運動。本次設(shè)計 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 30 頁很巧妙的利用了二極管的單向?qū)ㄐ?，設(shè)計了兩條支路，一條支路允許正信號通過，另一條則允許負信號通過。以進入 的負信號為例進行分析，如若輸入信號為正信4A號，經(jīng)過反相器 F741 后，輸出信號相位和輸入相反，為負信號，而在輸出端有二極管 D8 的存在，使得輸出信號無法轉(zhuǎn)輸?shù)胶竺娴碾娐?，從而抑制了正信號的正常通過；反之，如果輸入端是負信號，經(jīng)反相器 741 反相后在輸出端輸入信號為正信號，可以成功通過二極管 D8，保證信號繼續(xù)傳遞到后面的電路上去，維持電路的正常工作。3.6 功率放大器電路的設(shè)計一般地，多級放大電路的最后一級總是要提供一定的功率，用以驅(qū)動負載工作。例如，收音機中的揚聲器的音圈、顯示儀表的指針、電動機的控制繞組、計算機顯示器或電視機的掃描偏轉(zhuǎn)線圈等。所以多級放大電路中除了有電壓放大級外，還要有一個能輸出一定功率的輸出級。工程上把這種主要用于向負載提供較大功率輸出的放大電路稱為功率放大電路 [11]。功率放大電路與前邊述說的電壓放大電路在本質(zhì)上是相同的，都是能量控制器件，即利用晶體管的電流控制作用，將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為一定形式的交流信號的能量進行輸出。但是功率放大電路與電壓放大電路又有一定的區(qū)別，二者工作的目的是不同的。電壓放大電路主要用來不失真地放大較小的輸入信號(小信號)的幅值，一般用于多級電路的前級和中間級；而功率放大電路通常在大信號條件下工作，主要作用是獲得不失真的或較小失真的功率輸出。因此，功率放大電路必然有一些與電壓放大電路不同之處，功率電路要求輸出功率盡可能高，效率盡可能高，非線性失真小，并且需要考慮 BJT 的散熱問題(功率管的損壞與保護)，等等。功率放大電路是一種以輸出較高功率為目的的放大電路。為了獲得高的輸出功率，必須使得輸出信號有高的電壓輸出和大的電流輸出。就放大器而言，按工作狀態(tài)不同可分為甲類、乙類、甲乙類和丙類。甲類放大器的工作點建立在線性放大區(qū)，在輸入信號作用的一個周期內(nèi)，管子始終有電流通過，導通角 ，其特點是不失真放大，但管耗大、效率低，理想?360??效率不超過 50%，是小信號電壓放大所采用的狀態(tài)。乙類放大器僅放大信號的半周， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 16 頁 共 30 頁導通角 ，雖然減少了靜態(tài)功耗，理想效率可達 78.5%，但出現(xiàn)了嚴重的波形?180??失真。為此，乙類放大采用推挽式，采用兩支三極管，均工作于甲乙類，每只管子分別放大信號的正負半周，最后合成完整的波形，因此乙類是功放的理想工作點，而不是實際工作點。這是由于工作點建立在乙類，會因為管子的非線性而出現(xiàn)交越失真，為此，將工作點建立在甲類和乙類之間，即甲乙類，其導通角略大于 ?180，這時推挽式功放的實際工作點。丙類功放用于高頻電路，工作點建立在小于開啟電壓的點上，即放大器零偏置或反偏置，在大信號時信號才進入放大區(qū)，其導通角，這時放大器放大的是余弦脈沖，需要利用諧振賄賂取出其基波分量，因此?180??丙類放大器用于高頻信號的功率放大 [12]。起先，我根據(jù)多級放大電路的原理設(shè)計了功率放大電路如下圖 3-10 所示。3 個三極管將輸入的信號 b1 進行多級放大，然后在 輸出一個可以驅(qū)動電機正常工作outU的信號。但是后來在進行實驗的時候發(fā)現(xiàn)這個電路存在著問題，詳細情況將在第四章實驗部分中加以詳細說明。圖 3-10 功率放大電路 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 共 30 頁4 實驗部分我在對電路進行設(shè)計完成之后，就開始了實驗。通過實驗對電路設(shè)計的合理性和可行性做進一步的論證，以下是我的實驗調(diào)試的步驟和一些數(shù)據(jù)。4.1 信號發(fā)生器和比例放大器在畢業(yè)設(shè)計的電路圖中，第一部分是信號發(fā)生器和比例放大器電路，信號發(fā)生器提供一個±3V 的電壓信號，經(jīng)比例放大電路將信號放大 1.8 倍。本部分調(diào)試是為了驗證比例放大電路的放大倍數(shù)是否與理論值相一致。在調(diào)試過程中，只需要將電阻 R9 接地即可，實驗電路圖如圖 4-1 所示： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 共 30 頁圖 4-1 信號發(fā)生器和比例放大器的調(diào)試電路在實驗中，通過調(diào)節(jié)電位計 RW1 的大小，使 a 點獲得一個電壓，通過測量 b 點的電壓來驗證比例放大器電路是否正確，放大倍數(shù)是否與理論值相一致。以下表 4-1 是實驗中測得的一些數(shù)據(jù)。表 4-1 比例放大電路實驗數(shù)據(jù)a b’(理論值) b(實驗值)1V 1.80V 1.78V0.5V 0.90V 0.89V0 0 0-0.5V -0.90V -0.92V-1V -1.80V -1.83V理論計算，比例放大器的放大倍數(shù)為 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 19 頁 共 30 頁 8.1527)(3568?????RA由上述測量數(shù)據(jù)表格可知，實際的測量數(shù)據(jù)與理論的計算相差很小，在誤差允許的范圍內(nèi)，實驗結(jié)果與理論值相一致。4.2 信號的調(diào)零信號的調(diào)零作用是為了抑制運算放大器的零點漂移。為了說明這個問題，我把運算放大器畫在了調(diào)零電路中。電路圖如圖 4-2 所示：3A圖 4-2 信號的調(diào)零電路實驗時，首先，將 R9 左邊和 R15 的右邊接地，這樣做是看當輸入為零時，輸出是否也為零。然后測量 c 點的電壓，通過調(diào)節(jié)電位計 RW2 的大小，使得 c 點的電壓信號為 0。調(diào)零完成后，保證 RW2 的電阻值不變，接著進行下面的實驗。4.3 比較器比較器的電路除了接收速度負反饋的信號，還要保證只允許一個負信號進入 。4A調(diào)零電路保證了 在沒有輸入信號時，輸出也為零。那么當有信號和反饋信號3A經(jīng)過 時，就會有一個信號輸出；當 輸出為負信號時， 導通有一個正信號輸3A3A4A出。、 的作用就是只允許負信號進入。詳細圖如圖 3-9 所示。7D8 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 20 頁 共 30 頁4.4 功率放大電路在完成了比較器電路的接線后，我按照圖 3-10 所示的多級放大電路作為整個電路的功率放大環(huán)節(jié)。在接完線路后，我測得一組數(shù)據(jù)如下表 4-2 所示：表 4-2 功率放大電路數(shù)據(jù)a 1b2eoutU-1.50V 1.76V 19.40V 18.89V-1.00V 1.23V 20.3V 19.80V-0.50V 0.73V 21.2V 20.6V0 0 21.4V 20.9V注：a 點電壓為信號發(fā)生器輸出端的電壓。根據(jù)以上數(shù)據(jù)我發(fā)現(xiàn)當輸入為零的時候，輸出不為零， 。經(jīng)過與老師討論，發(fā)現(xiàn)功率放大器電路有問題。因此對電路進行了改造。見下圖 4-3 所示。這個功率放大器電路是由運算放大器 LM358、三極管 3DG182H 和 3DD102C 及一些電阻、二極管等元件組成的 [13]。有一點需要加以說明，二極管 D11 是起了一個保護的作用，在這個設(shè)計中，輸出端的負載接的是直流電機，在驅(qū)動電機工作的時候，會產(chǎn)生一個反向電動勢，因此為了防止反向電動勢對整個系統(tǒng)造成影響，需要在系統(tǒng)的輸出端并聯(lián)一個二極管。這樣，當產(chǎn)生反向電動勢時，電機與二極管組成一個回路，從而保護了大功率管和系統(tǒng)的安全性?？烧{(diào)電位計 在線路中起負反饋的作用。 3RW 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 共 30 頁圖 4-3 功率放大器電路電路中要用到的三極管參數(shù)如表 4-3 所示：表 4-3 三極管參數(shù)型號參數(shù)號3DG6C 3DG182H 3DD102CCMP100mW 700mW 30WI200mA 300mA 3ACBOV20V V140?200VE4V 5V 4V注： 和 是直流參數(shù)，分別為受基極擊穿電壓和發(fā)射極擊穿電壓； 和CBO CMP是極限參數(shù) [14]。MI 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 22 頁 共 30 頁LM358 的管腳圖如圖 4-4 所示：圖 4-4 LM358 的管腳圖這時，經(jīng)測量，當輸入為零的時候，輸出也為零。這時因為在功率放大器電路中引入了負反饋 [15]。4.5 驗證正信號工作情況在完成以上各部分的調(diào)試之后，我按圖 4-5 所示的電路進行了調(diào)試。實驗中，調(diào)節(jié) RW1 的大小獲得一個輸入信號，接著調(diào)節(jié)反饋電路上電位計 RW3的大小，使得 端獲得一個較大的電壓信號，接著就保持 RW3 的大小不變。通過outU調(diào)節(jié) RW1 的大小測量圖中各個點的電壓值得到一組數(shù)據(jù)如下表 4-4 所示：表 4-4 正信號工作實驗數(shù)據(jù)a b c d e outU0 0 0 0 0 00.20V 0.35V -0.35V 0.36V 5.56V 4.93V0.40V 0.72V -0.72V 0.74V 11.05V 10.55V0.60V 1.07V -1.07V 1.10V 17.09V 16.66V0.80V 1.43V -1.42V 1.45V 19.94V 19.50V1.00V 1.78V -1.78V 1.82V 19.87V 19.50V1.50V 2.68V -2.69V 2.73V 19.87V 19.49V通過以上表格，首先我們可以看出，在輸入信號為 0 的時候，輸出信號也為 0， 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 23 頁 共 30 頁這就說明，在沒有輸入信號的時候，負載是不工作的。隨著輸入信號的逐步加大，負載漸漸開始工作，當輸入達到某一個特定的值的時候，輸出信號幾乎不變，這就說明，此時三極管已經(jīng)接近飽和，所以輸出信號將不會像剛開始那樣隨著輸入信號的增大而大幅度提升。在本任務書中，要求驅(qū)動的電機的額定電壓為 24V，而這個電路中，輸出端電壓的信號完全滿足電機的要求，成功帶動了負載的正常工作。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 24 頁 共 30 頁圖 4-5 正信號完整電路圖4.6 驗證負信號工作情況在完成了正信號的電路調(diào)試后，只需將二極管 D7 和 D8 反相，然后在功率放大 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 共 30 頁電路前面加上一個反相電路，將負信號轉(zhuǎn)化為正信號，其他地方的原理與正信號的工作原理相一致。詳細的負信號工作電路圖如圖 4-6 所示。實驗中測得的數(shù)據(jù)如下表 4-5 所示：a b c d e outU0 0 0 0 0 0-0.20V -0.36V 0.36V 0.37V 6.44V 5.22V-0.40V -0.73V 0.73V 0.79V 11.25V 10.83V-0.60V -1.08V 1.09V 1.15V 16.04V 15.59V-0.80V -1.43V 1.45V 1.53V 21.2V 20.1V-1.00V -1.80V 1.80V 1.86V 21.9V 21.5V-1.50V -2.69V 2.70V 2.80V 21.9V 21.3V有關(guān)實驗中負信號工作時測得數(shù)據(jù)的兩點說明：（1）有效數(shù)字問題。在上表中有些數(shù)據(jù)到小數(shù)點后面 1 位，有些則精確到后面2 位。這個是由于在實驗中萬能表的量程決定的，由于在實驗中起初設(shè)定的量程是20V，而在負信號達到-0.80V 的時候，e 點和 點的輸出電壓超過 20V 了，因此在outU測量那些電壓的時候量程設(shè)為 200V，測得的數(shù)據(jù)也因此只精確到小數(shù)點后面 1 位了。（2）正負信號相同輸入大小，輸出信號有較大的偏差。這個問題是由于我在做完正信號電路實驗，接下去做負信號實驗的時候不慎將三極管 3DG182H 燒壞，而我卻并不知道這一現(xiàn)象的發(fā)生。在負信號實驗不成功的時候反復檢查電路，當然，也曾經(jīng)調(diào)節(jié)過反饋回路的電位計 RW4，后經(jīng)我和王老師的共同檢查發(fā)現(xiàn)是三極管3DG182H 燒壞，換了三極管后反饋回路的電阻和正信號的時候的阻值不相等了，所以負信號時輸出端 的電壓與正信號時有少量偏差。 outU表 4-5 負信號工作實驗數(shù)據(jù) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 26 頁 共 30 頁圖 4-6 負信號完整電路圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 27 頁 共 30 頁結(jié)束語本畢業(yè)設(shè)計按照畢業(yè)論文的題目，通過查閱有關(guān)資料，設(shè)計出了小功率直流伺服系統(tǒng)控制電路，并且按照任務書的要求,完成了電路的實驗，從而進一步驗證了所設(shè)計電路是合理的。本設(shè)計在王榮林老師的悉心指導和嚴格要求下業(yè)已完成，從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計和調(diào)試，無不凝聚著王老師的心血和汗水，在四年的本科學習和生活期間，也始終感受著導師的精心指導和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向王老師表示深深的感謝和崇高的敬意。雖然我的論文作品不是很成熟，還有很多不足之處，但這次做論文的經(jīng)歷也會使我終身受益，我感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己學習的過程和研究的過程，沒有學習就不可能有研究的能力，沒有自己的研究，就不會有所突破，那也就不叫論文了。希望這次的經(jīng)歷能讓我在以后學習中激勵我繼續(xù)進步。不積跬步何以至千里，本設(shè)計能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設(shè)計中得以體現(xiàn)。正是有了他們的悉心幫助和支持，才使我的畢業(yè)論文工作順利完成，在此向南京理工大學泰州科技學院，機械工程系的全體老師表示由衷的謝意，感謝他們四年來的辛勤栽培。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 28 頁 共 30 頁致 謝再次感謝我的導師王榮林老師，他嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。感謝王老師，這片論文的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開你的細心指導。而你開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很快的融入我的這次畢業(yè)設(shè)計。感謝我的室友們，從遙遠的家來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。四年了，仿佛就在昨天。四年里，我們沒有紅過臉，沒有吵過嘴，沒有發(fā)生上大學前所擔心的任何不開心的事情。我們在一起的日子，我會記一輩子的。 感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！ 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 29 頁 共 30 頁參 考 文 獻[1] 馮國楠.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)分析與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版出版社，1990.[2] 劉勝.現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：哈爾濱工程大學出版社，2001.[3] 高鐘毓.機電控制工程[M].北京：清華大學出版社，2002.[4] 李清新.伺服系統(tǒng)與機床電器控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.[5] 王松武.常用電路模塊分析與設(shè)計指導[M].北京：清華大學出版社，2007.[6] 陳林.電子電路測試與實驗[M].北京：清華大學出版社，2004.[7] 董在望.高等模擬集成電路[M].北京：清華大學出版社，2006.[8] 鄒炳強.通用電子電路應用 400 例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.[9] 路勇.電子電路實驗及仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.[10] 林捷.模擬電路與數(shù)字電路[M].北京：人民郵電出版社，2007.[11] 姚伯威.控制工程基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.[12] 龐學民.模擬電子技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2005.[13] 楊興瑤.新編實用電子電路 500 例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2007.[14] 王耀德.交直流電力拖動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.[15] 付家才.電氣控制工程實踐技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004. 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 30 頁 共 30 頁附 A：總電路圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 第 31 頁 共 30 頁