MATLAB交流伺服系统ARM单片机制软件设计及仿真(2)
位置伺服系统主要用来实现机械执行机构对输入位置指令的精确跟踪，系统的输出量一般为负载的空间位移，当输入位置指令变化时，输出量应该准确无误地跟踪给定量的变化，并可以复现给定量。
位置系统广泛应用于物体的位置、方位、姿态作为控制量的地方，例如数控机床的道具进给和工作台的定位系统，工业机器人的控制系统，计算机集成制造系统等机电一体化系统领域。此外，一些工业过程自动化，飞机、船舶的自动舵机控制，雷达技术，导弹制导等，也用了位置系统。可见，位置系统的应用是很普遍而且很重要的。
伺服系统是现代数控机床、工业机器人等各种机械控制的关键技术之一。现代的数控机床要求伺服系统控制向高精度、高速度的方向发展，这必然要求提高伺服系统控制的移动速度、跟随精度和定位精度[1-3]。提高伺服系统的动态响应速度和稳态精度的途径主要有两方面：一是使用性能高的伺服电机，改善系统硬件性能；二是采用新的控制方法，改善系统的软件性能。在同等的硬件条件下，新的控制方法对于提高系统的控制精度，减小误差是十分重要的[4]。
现代数控技术的不断发展同时要求伺服控制向智能化发展，采用软件交流伺服控制是当前伺服控制的一个主要趋势。随着电子技术、数控理论、单片机技术的发展，特别是ARM的应用，软件运算处理能力大幅提高、伺服系统性能改善、可靠性加强、调试方便、柔性提高，极大推动了伺服系统的发展[5]。
针对交流伺服系统高速度、高精度的要求，本文设计了基于ARM单片机的位置交流伺服系统的传统PID控制算法，并对其进行适当的处理与改善。针对复杂的交流伺服系统，其控制模型无法准确获得并且其控制规律难以精确化的特点，本文设计了模糊自适应整定PID控制，以更好地满足实际系统的控制。
1.3 论文的主要研究内容
本文作者查阅了大量国内外有关控制系统的理论和方法，设计出了基于ARM的位置交流伺服系统控制算法，并设计了相关的控制软件。
本文的主要内容有以下几个方面：
（1）了解ARM单片机和被控的交流伺服系统的发展与应用；
（2）设计数字PID控制算法，并对其进行改进，对PID控制及其改进算法进行MATLAB仿真；
（3）对复杂系统设计模糊自适应整定PID控制，并进行MATLAB仿真；
（4）设计基于ARM单片机的交流伺服系统控制软件并对软件的各模块分别进行调试仿真，然后将各模块搭建起来，进行软件总体的调试仿真。
2 交流伺服系统与ARM单片
2.1 交流伺服系统概述
伺服系统是一种闭环的跟踪系统，输入通常为模拟或数字的电信号，输出是机械位置或机械位移[9-10]。其主要性能要求是输出尽量不失真地复现输入参考指令的变化。伺服系统主要用于受控机械系统的运动控制。
伺服系统和一般的反馈系统一样，由控制器、受控对象、反馈测量装置及比较器等部分构成。控制器按预定的控制要求调节系统输入，使系统产生预期的输出。受控对象一般指机器的运动部分，还包括功率放大器、执行机构、减速器及内反馈回路等。反馈装置是一种传感器测量单元，其测量输出变量，并将其转换为电信号反馈到输入端。输入信号与反馈信号之差值称为误差信号，误差信号传送给控制器以调节受控对象的输出，这样就构成了闭环控制回路。
伺服系统的发展历经由液压到电气的过程。根据所驱动的电机类型，电气伺服系统分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。70年代则是直流伺服电机的广泛应用时代。从70年代后期到80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性价比的日益提高，交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。