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位置随动系统 http:/第一页，讲稿共三十四页哦 http:/4-1 位置随动系统概述位置随动系统概述一、位置随动系统的应用一、位置随动系统的应用 它它的的根根本本任任务务就就是是实实现现执执行行机机构构对对位位置置指指令令（给给定定量量）的的准准确确跟跟踪踪，被被控控制制量量（输输出出量量）一一般般是是负负截截的的空空间间位位移移，当当给给定定量量随随机机变变化化时时，系系统统能能使使被被控控制制量准确无误地跟随并复现给定量。量准确无误地跟随并复现给定量。位位置置随随机机系系统统中中的的位位置置指指令令（给给定定量量）和和被被控控制制量量一一样样也也是是位位移移（或或代代表表位位移移的的电电量量），当当然然可可以以是是角角位位移移，也也可可以以是是直直线线位位移移，所所以以位位置置随随动动系系统统必必定定是是一一个个位位置置反反馈控制系统。馈控制系统。第二页，讲稿共三十四页哦 http:/ 位置随动系统的基本组成，其原理图如图位置随动系统的基本组成，其原理图如图5-1所示。所示。这是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的这是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制。这个系统由以下几个部分组成：跟踪控制。这个系统由以下几个部分组成：（1 1）位置检测器）位置检测器 （2 2）电压比较放大器）电压比较放大器 （3 3）可逆功率放大器）可逆功率放大器 （4 4）执行机构）执行机构 二、位置随动系统的组成及原理二、位置随动系统的组成及原理第三页，讲稿共三十四页哦 http:/（1）位置检测器）位置检测器 由电位器由电位器RP1和和RP2组成位置（角度）检测器，其中组成位置（角度）检测器，其中电位器电位器RP1的转轴与手轮相连，作为转角给定，电位器的转轴与手轮相连，作为转角给定，电位器RP2的转轴通过机械机构与负载部件相连接，作为转角反的转轴通过机械机构与负载部件相连接，作为转角反馈，两个电位器均由同一个直流电源供电，这样可将位置馈，两个电位器均由同一个直流电源供电，这样可将位置直接转换成电量输出。直接转换成电量输出。第四页，讲稿共三十四页哦 http:/ （2）电压比较放大器）电压比较放大器 由放大器由放大器1A、2A组成，其中放大器组成，其中放大器1A仅起倒相作用，仅起倒相作用，2A则起电压比较和放大作用，其输出信号作为下一级功则起电压比较和放大作用，其输出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性（正反相位）率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。的能力。第五页，讲稿共三十四页哦 http:/（3）可逆功率放大器）可逆功率放大器 为了推动随动系统的执行电动机，只有电压放大是不为了推动随动系统的执行电动机，只有电压放大是不够的，还必须有功率放大，功率放大由晶闸管或大功率晶够的，还必须有功率放大，功率放大由晶闸管或大功率晶体管组成整流电路，由它输出一个足以驱动电动机体管组成整流电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的的电压。电压。第六页，讲稿共三十四页哦 http:/（4）执行机构）执行机构 永磁式直流伺服电动机永磁式直流伺服电动机SM作为带动负载运动的执行作为带动负载运动的执行机构，这个系统中的雷达天线即为负载，电动机到负载之机构，这个系统中的雷达天线即为负载，电动机到负载之间还得通过减速器来匹配。间还得通过减速器来匹配。第七页，讲稿共三十四页哦 http:/三、位置随动系统与调速系统的比较三、位置随动系统与调速系统的比较随随动动系系统统和和调调速速系系统统一一样样都都是是反反馈馈控控制制系系统统，即即通通过过对对系系统统的的输输出出量量和和组组定定量量时时行行比比较较，组组成成闭闭环环控控制制，因因此此两者的控制原理是相同的。两者的控制原理是相同的。调调速速系系统统的的给给定定量量是是恒恒值值，不不管管外外界界扰扰动动情情况况如如何何，希希望望输输出出能能够够稳稳定定，因因此此系系统统的的抗抗性性能能往往往往显显得得十十分分重重要要。而而位位置置随随动动系系统统中中的的位位置置指指令令是是经经常常变变化化的的，是是一一个个随随机机变变量量，要要求求输输出出里里准准确确跟跟定定量量的的变变化化，输输出出响响应应的的快快速速性性、灵灵活活性性、准准确确性性成成了了位位置置随随动动系系统统的的主主要要特特征征。也也就就是说，系统的跟随性能成了主要指标。是说，系统的跟随性能成了主要指标。随随动动系系统统可可以以在在调调速速系系统统的的基基础础上上增增加加一一个个位位置置环环，位位置置环环是是位位置置随随动动系系统统的的主主要要结结构构物物征征。因因此此，随随动动系系统统在结构上往往要比调速系统复杂一些。在结构上往往要比调速系统复杂一些。第八页，讲稿共三十四页哦 http:/四、位置随动系统的分类四、位置随动系统的分类由由于于位位置置随随机机系系统统的的基基本本特特征征体体现现在在位位置置上上，体体现现在在位位置置给给定定信信号号和和位位置置反反馈馈信信号号及及两两个个综综合合比比较较方方面面，因因此此可可根根据据这这个个特特征征将将它它划划分分两两个个类类型型，一一类类是是模模拟拟式式随随动动系系统，另一类是数字式随机系统。统，另一类是数字式随机系统。模模拟拟式式角角位位移移随随动动系系统统的的各各种种参参量量都都是是连连续续变变化化的的模模拟拟量量，其其位位置置检检测测器器可可用用电电位位器器，自自整整角角机机，旋旋转转变变压压器器，感感应应同同步步器器等等。一一般般是是在在调调速速系系统统的的基基础础上上外外加加一一个个位位置环组成。置环组成。采采用用数数学学式式检检测测装装置置来来组组成成数数字字式式随随动动系系统统。在在这这类类系系统统中中，一一般般仍仍可可采采用用模模拟拟的的电电流流环环和和速速度度环环以以保保证证系系统统的快速响应，但位置环是数字式的。的快速响应，但位置环是数字式的。第九页，讲稿共三十四页哦 http:/数字式随动系统的类型数字式随动系统的类型 数字式相位控制随动数字式相位控制随动系统，如图系统，如图5-3所示。这所示。这是数控机床上广泛采用是数控机床上广泛采用的一种随动系统，实质的一种随动系统，实质上是一个相位闭环（又上是一个相位闭环（又称锁相环）的反馈控制称锁相环）的反馈控制系统。其位置环由数字系统。其位置环由数字相位给定、数字相位反相位给定、数字相位反馈和数字相位比较三个馈和数字相位比较三个部分组成，即图部分组成，即图5-3中的中的数字给定、位置检测和数字给定、位置检测和鉴相器三个部件。鉴相器三个部件。第十页，讲稿共三十四页哦 http:/ 数字给定装置的任务数字给定装置的任务是将数字指令变换成脉冲是将数字指令变换成脉冲的个数，然后再经脉冲相的个数，然后再经脉冲相位数模变换（位数模变换（D/A），即），即一个指令脉冲的出现将使一个指令脉冲的出现将使春输出方波电压的给定相春输出方波电压的给定相位位 前移或后移一个脉前移或后移一个脉冲当量，这个脉冲当量可冲当量，这个脉冲当量可以做得很小，以保证系统以做得很小，以保证系统有很高的给定精度。有很高的给定精度。第十一页，讲稿共三十四页哦 http:/ 一系列令指脉冲的一系列令指脉冲的出现将使方波电压的给出现将使方波电压的给定相位以一定速度前移定相位以一定速度前移或后移，其速度取决于或后移，其速度取决于指令脉冲的频率。位置指令脉冲的频率。位置检测部件产生相位反馈，检测部件产生相位反馈，其功能是将工作台的机其功能是将工作台的机械位移转换成与给定方械位移转换成与给定方波同频率的方波电压的波同频率的方波电压的相位相位 ，可以用感应同，可以用感应同步器来实现这样的位移步器来实现这样的位移相位交换，其精度可达相位交换，其精度可达 ，所以其相位能精确反，所以其相位能精确反映机械的实际位置。映机械的实际位置。第十二页，讲稿共三十四页哦 http:/ 鉴相器的主要功能鉴相器的主要功能是进行给定相位是进行给定相位 和和反馈相位反馈相位 的比较，的比较，将它们的偏差量将它们的偏差量 转变成模拟量电压，此转变成模拟量电压，此模拟量电压的极性应能模拟量电压的极性应能反映相位差的极性。鉴反映相位差的极性。鉴相器的输出经变换处理相器的输出经变换处理后作为速度控制器的给后作为速度控制器的给定经过功率放大，控制定经过功率放大，控制电机和机床工作台向消电机和机床工作台向消除偏差的方向移动，因除偏差的方向移动，因而使而使 不断地跟踪不断地跟踪 ，也就可以使工作台精，也就可以使工作台精确地按指令要求运动。确地按指令要求运动。第十三页，讲稿共三十四页哦 http:/数字式脉冲控制随动系统数字式脉冲控制随动系统 第第二二种种为为数数字字式式脉脉冲冲控控制制随随动动系系统统，其其原原理理框框图图如如图图5-4所所示。示。在数字式脉冲控制随动系统中，数字给定信号是指令在数字式脉冲控制随动系统中，数字给定信号是指令脉冲数脉冲数D*，作为位置检测用的光栅则发出位置反馈脉冲，作为位置检测用的光栅则发出位置反馈脉冲数数D，它们分别进入可逆计数器的加法端和减法端。，它们分别进入可逆计数器的加法端和减法端。第十四页，讲稿共三十四页哦 http:/ 经运算后得到脉冲的误差量经运算后得到脉冲的误差量 ，其中，其中 是为了克服后级模拟放大器零漂影响而在计数器中预置的是为了克服后级模拟放大器零漂影响而在计数器中预置的常数值。此误差信号经数模转换后，作为速度控制器的给常数值。此误差信号经数模转换后，作为速度控制器的给定信号，再经功率放大，便使电机和机床工作台向消除偏定信号，再经功率放大，便使电机和机床工作台向消除偏差的方向运动。由于数字光栅的精度可以做得很高，从而差的方向运动。由于数字光栅的精度可以做得很高，从而能保证这种系统获得很高的控制精度。能保证这种系统获得很高的控制精度。第十五页，讲稿共三十四页哦 http:/数字式编码控制随动系统数字式编码控制随动系统 数字式编码控制随动系统的原理图如图数字式编码控制随动系统的原理图如图5-5所示。所示。在这种系统中，给定往往是二进制数字码信号。检测在这种系统中，给定往往是二进制数字码信号。检测元件一般是光电编码盘或其它数字反馈发送器借助于转换元件一般是光电编码盘或其它数字反馈发送器借助于转换电路得到二进制码信号，二者联合构成电路得到二进制码信号，二者联合构成“角度角度数码数码”转换器或转换器或“线位移线位移数码数码”转换器。它的输出信号与转换器。它的输出信号与数码信号同时送入计算机进行比较并确定误差，按一定控数码信号同时送入计算机进行比较并确定误差，按一定控制规律运算后（如制规律运算后（如PID运算），构成数字形式的校正信号，运算），构成数字形式的校正信号，再经数模转变成电压信号，作为速度控制器的给定。再经数模转变成电压信号，作为速度控制器的给定。第十六页，讲稿共三十四页哦 http:/4-2位置信号的检测位置信号的检测位位置置随随机机系系统统的的区区别别首首先先在在于于信信号号的的检检测测。由由于于位位置置随随机机系系统统要要控控制制的的量量多多数数是是直直线线位位移移或或上上移移，组组成成位位置置环环时时必必须须通通过过检检测测装装置置将将它它们们转转换换成成一一定定形形式式的的电电量量，这这就就需需要要位位移移检检测测装装置置。位位置置随随动动系系统统中中常常用用的的位位移移检检测测装装置置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘等。有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘等。一、自整角机（一、自整角机（BS）自自整整角角机机是是角角位位移移传传感感器器，在在随随动动系系统统中中总总是是成成对对应应用用的的，与与指指令令轴轴相相联联的的自自整整角角机机称称为为发发送送机机，与与执执行行轴轴联联的称作接收机。的称作接收机。第十七页，讲稿共三十四页哦 http:/单相自整角机的结构和工作原理单相自整角机的结构和工作原理 它具有一个单相励磁绕组它具有一个单相励磁绕组及一个三相整步绕组，单相及一个三相整步绕组，单相励磁绕组安置在转子上，通励磁绕组安置在转子上，通过两个滑环引入交流励磁电过两个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极流，励磁磁极通常做成隐极式（图中为了表示方便画成式（图中为了表示方便画成磁极），这样可使输入阻抗磁极），这样可使输入阻抗不随转子位置而变化。整步不随转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般为分绕组是三相绕组，一般为分布绕组，安置在定子上，它布绕组，安置在定子上，它们彼此在空间相隔们彼此在空间相隔120o，并，并接成丫形。接成丫形。第十八页，讲稿共三十四页哦 http:/ 控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用三根导线联接起来，将两台自整角机的定子绕组出线端用三根导线联接起来，发送机发送机BST转子绕组接单相交流励磁电源，而接收机转子绕组接单相交流励磁电源，而接收机BSR转子绕组输出是反映角位移的信号电压转子绕组输出是反映角位移的信号电压 。第十九页，讲稿共三十四页哦 http:/旋旋转转变变压压器器实实际际上上是是一一种种特特制制的的两两相相旋旋电电机机，它它有有定定子子和和转转子子两两部部分分，在在定定子子和和转转子子上上各各有有两两套套在在空空间间上上完完全全正正交交的的绕绕组组。当当旋旋转转时时，定定、转转子子绕绕组组间间的的相相对对位位置置之之变变化化，使使输输出出电电压压与与转转子子角角呈呈一一定定的的函函数数关关系系。在在不不同同的的自自动动控控制制系系统统中中，旋旋转转变变压压器器有有多多种种类类型型和和用用途途，在在随随动动系系统统中中主主要要用用作作角度传感器。角度传感器。二、旋转变压器（二、旋转变压器（BR）第二十页，讲稿共三十四页哦 http:/ 图图5-9是是一一个个旋旋转转变变压压器器的的原原理理图图，两两个个定定子子绕绕组组S1和和S2分分别别由由两两个个幅幅值值相相等等、相相位位差差90o的的正正弦弦交交流流电电压压u1、u2、励磁，即、励磁，即 为为了了保保证证旋旋转转变变压压器器的的测测角角精精度度，要要求求两两相相励励磁磁电电流流严严格格平平衡衡，即即大大小小相相等等，相相位位差差90o，因因而而在在气气隙隙中中产产生生圆形旋转磁场。转子绕组中产生的感应电压为圆形旋转磁场。转子绕组中产生的感应电压为 式中式中:m转子绕组与定子绕转子绕组与定子绕组的有效匝数比，忽略阻抗压降。组的有效匝数比，忽略阻抗压降。转子绕组转子绕组R R2 2可以不用。可以不用。第二十一页，讲稿共三十四页哦 http:/ 从式从式 可以看出，旋转变压器输出电压的幅值不随转角可以看出，旋转变压器输出电压的幅值不随转角变化，而其相位却与变化，而其相位却与 相等，因此可以把它看作是一相等，因此可以把它看作是一个角度个角度相位变换器。把这个调相电压作为反馈信相位变换器。把这个调相电压作为反馈信号，可以构成相位控制随动系统。号，可以构成相位控制随动系统。第二十二页，讲稿共三十四页哦 http:/ 如果要检测给定轴和执行轴的角差，可以和自整角机如果要检测给定轴和执行轴的角差，可以和自整角机一样，采用一对旋转变压器，与给定轴相联的是旋转变压一样，采用一对旋转变压器，与给定轴相联的是旋转变压发送器发送器BRT，与执行轴相联的是旋转变压接收器，与执行轴相联的是旋转变压接收器BRR。接线方法如图接线方法如图5-10所示。所示。第二十三页，讲稿共三十四页哦 http:/三、感应同步器（三、感应同步器（BIS）感感应应同同步步器器的的工工作作原原理理与与旋旋转转变变压压器器一一样样。它它具具有有两两种种形形式式，一一种种用用来来测测角角位位移移，叫叫圆圆形形同同步步器器，另另一种来测直线位移，称为直线式感应同步器。一种来测直线位移，称为直线式感应同步器。第二十四页，讲稿共三十四页哦 http:/ 直线感应同步器由两个感应耦合元件组成。一次侧称直线感应同步器由两个感应耦合元件组成。一次侧称为滑尺，二次侧称为定尺，定尺和滑尺相当于旋转变压器为滑尺，二次侧称为定尺，定尺和滑尺相当于旋转变压器的定子和转子。不同的是它们是面对面地平行安装，在通的定子和转子。不同的是它们是面对面地平行安装，在通常情况下，定尺安装在机床床身或其它固定部件上，滑尺常情况下，定尺安装在机床床身或其它固定部件上，滑尺则安装在机床的工作台或其它运动部件上，它们之间只有则安装在机床的工作台或其它运动部件上，它们之间只有很小的空气隙（很小的空气隙（0.250.05m），可作相对移动。），可作相对移动。第二十五页，讲稿共三十四页哦 http:/ 定尺上用印刷电路的方法刻着一套绕组，相当于旋转定尺上用印刷电路的方法刻着一套绕组，相当于旋转变压器的输出绕组。滑尺上是刻有两套绕组，一套叫正弦变压器的输出绕组。滑尺上是刻有两套绕组，一套叫正弦绕组，另一套叫余弦绕组。当其中一个绕组与定尺绕组对绕组，另一套叫余弦绕组。当其中一个绕组与定尺绕组对正时，另一个就相差正时，另一个就相差1/4节距，即相差节距，即相差90o电角度，说明这电角度，说明这两个绕组在平面上是正交的，图两个绕组在平面上是正交的，图5-11所示。按工作状态，所示。按工作状态，感应同步器可分为鉴相型和鉴幅型两类。感应同步器可分为鉴相型和鉴幅型两类。第二十六页，讲稿共三十四页哦 http:/四、光电编码盘四、光电编码盘光光电电编编码码可可直直接接将将角角移移信信号号转转换换成成数数字字信信号号，它它是是一一种种直直接接编编码码装装置置。和和旋旋转转变变压压器器一一样样。它它常常用用于于数数控控机机床床中中装装在在旋旋轴轴上上构构成成半半闭闭环环系系统统，按按照照编编码码原原理理划划分分，有有增增量量式式和和编编对对两两种种光光电电编编码盘。码盘。第二十七页，讲稿共三十四页哦 http:/ 4-3 自整角机位置随动系统及其设计自整角机位置随动系统及其设计 一、自整角机位置随动系统的组成和数学模型一、自整角机位置随动系统的组成和数学模型自自整整角角机机位位置置随随动动系系统统原原理理图图如如图图5-14所所示示。由由式式（5-2）已知，自整角接收机输出的正弦交流电压幅值为已知，自整角接收机输出的正弦交流电压幅值为第二十八页，讲稿共三十四页哦 http:/式中式中 自整角接收机输出正弦电压的最大值；自整角接收机输出正弦电压的最大值；发送机机械转角；发送机机械转角；接收机机械转角。接收机机械转角。当当 时，时，为正值；当为正值；当 时，时，为负值。为负值。第二十九页，讲稿共三十四页哦 http:/ 为为了了根根据据 的的正正负负值值来来控控制制执执行行电电机机朝朝着着消消除除角角差差的的方方向向运运动动，自自整整角角机机输输出出电电压压首首先先要要经经过过相相敏敏整整流流放放大大器器鉴鉴别别角角差差的的极极性性，再再经经过过功功率率放放大大环环节节将将信信号号功功率率增增强强，以推动执行电机运转。以推动执行电机运转。为为了了使使系系统统稳稳定定，在在相相敏敏放放大大器器与与功功率率放放大大器器之之间间还还应增设串并联校正装置。应增设串并联校正装置。在在执执行行电电机机与与负负载载之之间间应应有有减减速速器器，组组成成较较完完整整的的自自整整角机位置随动系统。角机位置随动系统。第三十页，讲稿共三十四页哦 http:/1自整角机自整角机 自整角机用于发送信号和接收自整角机用于发送信号和接收信号信号,现分析其传递函数。现分析其传递函数。由式由式 自整角机输出电压的幅值自整角机输出电压的幅值 说明输出电压的幅值与角差说明输出电压的幅值与角差 成正弦函数关系。成正弦函数关系。当当 时，时，所以其电压幅值可近，所以其电压幅值可近似写成似写成 ，即输出电压的幅值，即输出电压的幅值 近似与角近似与角差差 成正比，见图成正比，见图5-15a5-15a。则其传递函数为比例环节。则其传递函数为比例环节（图（图5-15b5-15b），放大系数为），放大系数为 （5-85-8）第三十一页，讲稿共三十四页哦 http:/ 在在 的区间里，的区间里，可认为是一个恒值，可认为是一个恒值，常用的自整角常用的自整角 值约为值约为0.61.2V/(0.61.2V/(o o)。第三十二页，讲稿共三十四页哦 http:/2相敏整流器的工作原理及传递函数相敏整流器的工作原理及传递函数 相敏整流器的功能是将交流电压转换为与之成正比的相敏整流器的功能是将交流电压转换为与之成正比的直流电压，并使它的极性与输入的交流电压相位相适应。直流电压，并使它的极性与输入的交流电压相位相适应。二极管相敏整流器的电路图示于图二极管相敏整流器的电路图示于图5-16a。图中输入信号。图中输入信号 来自自整角机的输出，经变压器耦合，二次侧电压为来自自整角机的输出，经变压器耦合，二次侧电压为 、，辅助电源电压为，辅助电源电压为 ，一般选择，一般选择 大于大于 、的最大值。的最大值。第三十三页，讲稿共三十四页哦 http:/ Us与与Ubs同相位（或经同相位（或经RC移相后同相）。当角差移相后同相）。当角差 时时，Ubs为为正正值值，在在电电压压Us和和Ubs1的的正正半半波波，电电容容C1上上的的电电压为二者之和，即压为二者之和，即而电容而电容C2上的电压为上的电压为Us与与Ubs2之差，即之差，即则相敏整流器的总输出为则相敏整流器的总输出为 在电压的负半波，则靠在电压的负半波，则靠C1的放电来维持一定的的放电来维持一定的 Uph。所以输出电压的极。所以输出电压的极性上正下负，即为正值。性上正下负，即为正值。第三十四页，讲稿共三十四页哦