位置隨動系統(tǒng)

1、位置隨動系統(tǒng)第1頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日目錄位置隨動系統(tǒng)的應用位置隨動系統(tǒng)的主要組成部件及其工作原理；位置隨動系統(tǒng)的分類；位置隨動系統(tǒng)與調速系統(tǒng)的比較；自整角機位置隨動系統(tǒng)。第2頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 位置隨動系統(tǒng)就是實現(xiàn)執(zhí)行機構對位置指令（給定量）的準確跟蹤，被控制量（輸出量）一般是負截的空間位移，當給定量隨機變化時，系統(tǒng)能使被控制量準確無誤地跟隨并復現(xiàn)給定量。 位置隨機系統(tǒng)中的位置指令（給定量）和被控制量一樣也是位移（或代表位移的電量），當然可以是角位移，也可以是直線位移，所以位置隨動系統(tǒng)必定是一個位置反饋控制系統(tǒng)。1.

2、 位置隨動系統(tǒng)的應用 位置隨動系統(tǒng)的概念第3頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日例如1:軋鋼機壓下裝置的控制，在軋制鋼材的過程中，必須使上下兩根軋輥之間的距離能按工藝要求進行自動調整；例如2:數(shù)控機床的加工軌跡控制和仿形機床的跟蹤控制；例如3:輪船上的自動操舵裝置能使位于船體尾部的舵葉的偏轉角模仿復制位于駕駛室的操舵手輪偏轉角，以便按照航行要求來操縱船舶的航向；例如4:火炮群跟蹤雷達天線或電子望遠鏡以瞄準目標的控制。位置隨動系統(tǒng)的具體應用第4頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日2. 位置隨動系統(tǒng)的主要組成部件 位置隨動系統(tǒng)的基本組成，其原理圖如圖2-

3、1所示。這是一個電位器式位置隨動系統(tǒng)，用來實現(xiàn)雷達天線的跟蹤控制。這個系統(tǒng)由以下幾個部分組成：（1）位置檢測器 （2）電壓比較放大器 （3）可逆功率放大器 （4）執(zhí)行機構 圖2-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖第5頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日圖2-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖(1) 位置檢測器 由電位器RP1和RP2組成，其中RP1轉軸與手輪相連。第6頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日（1）位置檢測器 由電位器RP1和RP2組成位置（角度）檢測器，其中電位器RP1的轉軸與手輪相連，作為轉角給定，電位器RP2的轉軸通過機械機構與負載部件相連接

4、，作為轉角反饋，兩個電位器均由同一個直流電源供電，這樣可將位置直接轉換成電量輸出。第7頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日圖2-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖（2）電壓比較放大器 輸出信號為下一級控制信號。第8頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日（2）電壓比較放大器 由放大器1A、2A組成，其中放大器1A僅起倒相作用，2A則起電壓比較和放大作用，其輸出信號作為下一級功率放大器的控制信號，并具備鑒別電壓極性（正反相位）的能力。 第9頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日圖2-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖3) 可逆功率放大器 輸出驅

5、動電動機的電壓。第10頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日（3）可逆功率放大器 為了推動隨動系統(tǒng)的執(zhí)行電動機，只有電壓放大是不夠的，還必須有功率放大，功率放大由晶閘管或大功率晶體管組成整流電路，由它輸出一個足以驅動電動機SM的電壓。 第11頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日圖2-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖(4)執(zhí)行機構 永磁式直流伺服電動機SM作為帶動負載運動的執(zhí)行機構。(5)減速器 一般情況下負載的轉速時很低的，在點擊和負載之間需要設置減速器。第12頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日（4）執(zhí)行機構永磁式直流伺服電動機S

6、M作為帶動負載運動的執(zhí)行機構，這個系統(tǒng)中的雷達天線即為負載，電動機到負載之間還得通過減速器來匹配。 第13頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 位置隨動系統(tǒng)的工作原理，仍以電位器式位置隨動系統(tǒng)為例來進行分析。在圖2-1中可以看出，如果兩個電位器RPl和RP2的轉軸位置相同，那么給定角 與反饋角 也相等，此時角差 兩個電位器的輸出電壓U*=U，所以電壓比較放大器的輸出電壓Uct=0，可逆功率放大器的輸出電壓Ud=0，SM電動機的轉速n=0，系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)。2. 位置隨動系統(tǒng)的工作原理第14頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 若轉動手輪，當給定角 增

7、大， ，則U*U，Uct0，Udo，電動機轉速 n 0，經(jīng)減速器帶動雷達天線轉動，雷達天線通過機械機構帶動電位器RP2的轉軸，使 相應增大。只要 ，SM電動機就一直帶動雷達天線朝著縮小偏差的方向運動，當達到 ，偏差角 ，Uct=0，Ud=0時，系統(tǒng)才會停止運動，在新的狀態(tài)重新穩(wěn)定下來。當給定角 減小，則系統(tǒng)運動方向將和上述情況相反。顯而易見，這個系統(tǒng)完全能夠實現(xiàn)被控制量 準確跟蹤給定量 的要求。第15頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日3. 位置隨動系統(tǒng)的分類由于位置隨機系統(tǒng)的基本特征體現(xiàn)在位置上，體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個綜合比較方面，因此可根據(jù)這個特征將它

8、劃分兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，另一類是數(shù)字式隨機系統(tǒng)。模擬式角位移隨動系統(tǒng)的各種參量都是連續(xù)變化的模擬量，其位置檢測器可用電位器，自整角機，旋轉變壓器，感應同步器等。一般是在調速系統(tǒng)的基礎上外加一個位置環(huán)組成。采用數(shù)學式檢測裝置來組成數(shù)字式隨動系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，一般仍可采用模擬的電流環(huán)和速度環(huán)以保證系統(tǒng)的快速響應，但位置環(huán)是數(shù)字式的。第16頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日圖2-2典型的模擬式位置隨動系統(tǒng)原理圖 模擬式檢測裝置的精度由于受到制造上的限制不可能做得很高，因而影響到整個模擬式位置隨動系統(tǒng)的精度。如果需要進一步提高生產(chǎn)機械的控制精度，就必須使用數(shù)字式檢

9、測裝置來組成數(shù)字式位置隨動系統(tǒng)。在數(shù)字式位置隨動系統(tǒng)中，一般情況下仍采用模擬式電流環(huán)和速度環(huán)，以保證系統(tǒng)的響應速度，但位置環(huán)是數(shù)字式的。第17頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng) 數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng)，如圖2-3所示。這是數(shù)控機床上廣泛采用的一種隨動系統(tǒng)，實質上是一個相位閉環(huán)（又稱鎖相環(huán)）的反饋控制系統(tǒng)。其位置環(huán)由數(shù)字相位給定、數(shù)字相位反饋和數(shù)字相位比較三個部分組成，圖2-3中的數(shù)字給定、位置檢測和鑒相器三個部件。 數(shù)字給定裝置的任務是將數(shù)字指令變換成脈沖的個數(shù)，然后再經(jīng)脈沖相位數(shù)模變換（D/A），即一個指令脈沖的出現(xiàn)將使春輸出方波電壓的給定相位

10、 前移或后移一個脈沖當量，這個脈沖當量可以做得很小，以保證系統(tǒng)有很高的給定精度。 第18頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng) 一系列令指脈沖的出現(xiàn)將使方波電壓的給定相位以一定速度前移或后移，其速度取決于指令脈沖的頻率。位置檢測部件產(chǎn)生相位反饋，其功能是將工作臺的機械位移轉換成與給定方波同頻率的方波電壓的相位 ，可以用感應同步器來實現(xiàn)這樣的位移相位交換，其精度達 所以其相位能精確反映機械的實際位置。 圖2-3 數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng)原理圖第19頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日鑒相器的主要功能是進行給定相位 和反饋相位 的比較

11、，將它們的偏差量 轉變成模擬量電壓，此模擬量電壓的極性應能反映相位差的極性。鑒相器的輸出經(jīng)變換處理后作為速度控制器的給定經(jīng)過功率放大，控制電機和機床工作臺向消除偏差的方向移動，因而使 不斷地跟蹤 ，也就可以使工作臺精確地按指令要求運動。 數(shù)字式相位控制隨動系統(tǒng)第20頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng) 第二種為數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)，其原理框圖如圖2-4所示。 在數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng)中，數(shù)字給定信號是指令脈沖數(shù)D*，作為位置檢測用的光柵則發(fā)出位置反饋脈沖數(shù)D，它們分別進入可逆計數(shù)器的加法端和減法端。 圖2-4 數(shù)字式脈沖位置隨動系統(tǒng)原理圖第21頁

12、，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 數(shù)字式脈沖控制隨動系統(tǒng) 經(jīng)運算后得到脈沖的誤差量 其中D0 是為了克服后級模擬放大器零漂影響而在計數(shù)器中預置的常數(shù)值。此誤差信號經(jīng)數(shù)模轉換后，作為速度控制器的給定信號，再經(jīng)功率放大，便使電機和機床工作臺向消除偏差的方向運動。由于數(shù)字光柵的精度可以做得很高，從而能保證這種系統(tǒng)獲得很高的控制精度。 第22頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng) 在這種系統(tǒng)中，給定往往是二進制數(shù)字碼信號。檢測元件一般是光電編碼盤或其它數(shù)字反饋發(fā)送器借助于轉換電路得到二進制碼信號，二者聯(lián)合構成“角度數(shù)碼”轉換器或“線位

13、移數(shù)碼”轉換器。它的輸出信號與數(shù)碼信號同時送入計算機進行比較并確定誤差，按一定控制規(guī)律運算后（如PID運算），構成數(shù)字形式的校正信號，再經(jīng)數(shù)模轉變成電壓信號，作為速度控制器的給定。 第23頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng) 圖2-5 數(shù)字式編碼控制隨動系統(tǒng)原理圖第24頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 位置信號檢測裝置 位置隨動系統(tǒng)與調速系統(tǒng)的區(qū)別在于信號的檢測。 位置隨動系統(tǒng)要控制的量一般是直線位移或角位移, 組成位置環(huán)時必須通過檢測裝置將它們轉換成一定形式的電量，這就需要位移檢測裝置。 位置隨動系統(tǒng)中常用的位移檢測裝置

14、有自整角機、旋轉變壓器、感應同步器、光電編碼盤等。第25頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日5.2.1 自整角機（BS) 由合成磁動勢在接收機鐵心中產(chǎn)生合成磁通2，然后在接收機轉子繞組中感應出電壓ubs, 這個電壓在時間上領先磁通2 90，于是 第26頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 感應同步器(BIS)具有兩種結構形式： 用來測角位移-圓形感應同步器； 測直線位移-直線式感應同步器。第27頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日直線式感應同步器的結構第28頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 光電編碼盤（

15、增量式） 結構及工作原理 第29頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 光電碼盤隨被測軸一起轉動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路： 其中， 是 的取反信號。第30頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 輸出信號的作用及其處理 A、B兩相的作用 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移； 根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉速； 根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關系可判斷被測軸旋轉方向。 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進行細分處理（四倍頻電路實現(xiàn)）。第

16、31頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 Z相的作用 被測軸的轉向定位基準信號； 被測軸的旋轉圈數(shù)記數(shù)信號。 的作用 后續(xù)電路可利用A、 兩相實現(xiàn)差分輸入，以消除遠距離傳輸?shù)墓材８蓴_。共模干擾：一般指在兩根信號線上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲。差模干擾：則是幅度相等，相位相反的的噪聲。常用的差分線對共模干擾的抗干擾能力就非常強。 第32頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 光電編碼盤（絕對值式） 光電編碼器可直接將角位移信號轉換成數(shù)字信號，它是一種直接編碼裝置。二進制編碼盤循環(huán)編碼盤絕對式光電編碼盤第33頁，共51頁，2022年，5月20日，22點

17、26分，星期日 二進制碼盤 在二進制碼盤中，碼道從外到里按二進制刻制，外層為最低位，里層為最高依，上圖a所示，軸位置與數(shù)碼的對照表見表5.2.1。第34頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 二進制碼盤 二進制碼在轉動時，可能出現(xiàn)兩位以上的數(shù)字同時改變，導致“粗大誤差”的產(chǎn)生。例如，當數(shù)碼由0111(即十進制7)變到1000(即十進制8)時，內(nèi)于光電管排列不齊或特性不一致，有可能產(chǎn)生高位偏移，本來是1000的數(shù)，讀成了0000，誤差達到8，這就是“粗大誤差： 為了克服這一缺點，可改用雙排光電管組成雙讀出端，對進位和不進位的情況實行“選讀”。這樣雖可消除“粗大誤差”，但結構和

18、電路卻要復雜得多。第35頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 為了從根本上消除“粗大誤差”，可用循環(huán)碼碼盤，又稱格雷碼盤。其特點是在相鄰的兩個碼道之間只有一個碼發(fā)生變化，因而當讀數(shù)改變時，只可能有一個光電管處于交界上，如圖所示。 循環(huán)碼碼盤見絕對式光碼盤第36頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日光電編碼器的特點非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；允許測量轉速高，精度較高；。光電轉換，抗干擾能力強；體積小，便于安裝，適合于機床運行環(huán)境；結構復雜，價格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。第37頁，共51頁，2022年，5月

19、20日，22點26分，星期日 磁尺 磁尺位置檢測裝置是由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成。 利用錄磁的原理將一定周期變化的方波、正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，作為測量的基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉換成電信號，經(jīng)過檢測電路處理后，用以計量磁頭相對磁尺之間的位移量。特點：對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍磁場的抗干擾能力較強，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。第38頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 磁尺工作原理圖第39頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 磁性標尺是在非導磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材

20、料的基體上，用涂敷、化學沉積或電鍍的一層1020um的導磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號。磁信號的節(jié)距一般為0.05、0.1、0.2、1mm。為了防止磁頭對磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層厚12mm的耐磨塑料保護層。磁頭是進行磁電轉換的變換器，它把反映空間位置的磁信號輸送到檢測電路中去。 普通錄音機上的磁頭輸出電壓幅值與磁通變化率成比例，屬于速度響應型磁頭。根據(jù)數(shù)控機床的要求，為了在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，必須采用磁通響應型磁頭。磁尺測量裝置的組成和工作原理第40頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日位置隨動系統(tǒng)的主

21、要特征如下：位置隨動系統(tǒng)的主要功能是使輸出位移快速而準確 地復現(xiàn)給定位移； 必須有具備一定精度的位置傳感器，能準確地給出反映位移誤差的電信號；電壓和功率放大器以及拖動系統(tǒng)都必須是可逆的；控制系統(tǒng)應能滿足穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)快速響應的要求。4. 位置隨動系統(tǒng)與調速系統(tǒng)的比較第41頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日4. 位置隨動系統(tǒng)與調速系統(tǒng)的比較 隨動系統(tǒng)和調速系統(tǒng)一樣都是反饋控制系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的輸出量和給定量進行比較，組成閉環(huán)控制。 調速系統(tǒng)的給定量是恒值，受外界擾動時，希望輸出量能夠穩(wěn)定，系統(tǒng)的抗擾性能很重要。 位置隨動系統(tǒng)中的位置指令是經(jīng)常變化的，是一個隨機變量，要求輸

22、出量準確跟隨給定量的變化，輸出響應的快速性、靈活性、準確性是位置隨動系統(tǒng)的主要特證（系統(tǒng)的跟隨性能）是主要指標。 總起來看，穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)穩(wěn)定性是兩種系統(tǒng)都必須具備的，但在動態(tài)性能中，調速系統(tǒng)多強調抗擾性，而位置隨動系統(tǒng)則更強調快速跟隨性能。 第42頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日自整角機位置隨動系統(tǒng)的組成和數(shù)學模型自整角機位置隨動系統(tǒng)原理圖如圖2-6所示。5. 自整角機位置隨動系統(tǒng)及其設計 圖2-6 自整角機位置隨動系統(tǒng)原理圖第43頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日式中 自整角接收機輸出正弦電壓的最大值； 發(fā)送機機械轉角； 接收機機械轉角。當

23、 時， 為正值；當 時， 為負值。 第44頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 為了根據(jù) 的正負值來控制執(zhí)行電機朝著消除角差的方向運動，自整角機輸出電壓首先要經(jīng)過相敏整流放大器鑒別角差的極性，再經(jīng)過功率放大環(huán)節(jié)將信號功率增強，以推動執(zhí)行電機運轉。 為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，在相敏放大器與功率放大器之間還應增設串并聯(lián)校正裝置。 在執(zhí)行電機與負載之間應有減速器，組成較完整的自整角機位置隨動系統(tǒng)。第45頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 自整角機 自整角機用于發(fā)送信號和接收信號,現(xiàn)分析其傳遞函數(shù)。由式 自整角機輸出電壓的幅值說明輸出電壓的幅值與角差 成正弦函數(shù)關系。 當 時， ，所以其電壓幅值可近似寫成 ，即輸出電壓的幅值 近似與角差 成正比，見圖。 第46頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 在 的區(qū)間里， 可認為是一個恒值，常用的自整角 值約為0.61.2V/(o)。第47頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日 相敏整流器的工作原理及傳遞函數(shù) 相敏整流器的功能是將交流電壓轉換為與之成正比的直流電壓，并使它的極性與輸入的交流電壓相位相適應。 可逆功率放大器對大功率隨動系統(tǒng)，功率放大器多采用可逆的晶閘管可控整流器。第48頁，共51頁，2022年，5月20日，22點26分，星期日