位置随动系统

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4-1位置随动系统概述

一、位置随动系统的应用它的根本任务就是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪，被控制量（输出量）一般是负截的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控制量准确无误地跟随并复现给定量。 位置随机系统中的位置指令（给定量）和被控制量一样也是位移（或代表位移的电量），当然可以是角位移，也可以是直线位移，所以位置随动系统必定是一个位置反馈控制系统。

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位置随动系统的基本组成，其原理图如图5-1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跟踪控制。这个系统由以下几个部分组成：（1）位置检测器（2）电压比较放大器（3）可逆功率放大器（4）执行机构

二、位置随动系统的组成及原理第3页，共34页，2023年，2月20日，星期三©（1）位置检测器

由电位器RP1和RP2组成位置（角度）检测器，其中电位器RP1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。

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（2）电压比较放大器

由放大器1A、2A组成，其中放大器1A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。

第5页，共34页，2023年，2月20日，星期三©（3）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SM的电压。

第6页，共34页，2023年，2月20日，星期三©（4）执行机构

永磁式直流伺服电动机SM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，电动机到负载之间还得通过减速器来匹配。

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三、位置随动系统与调速系统的比较 随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量和组定量时行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原理是相同的。 调速系统的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出能够稳定，因此系统的抗性能往往显得十分重要。而位置随动系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出里准确跟定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置随动系统的主要特征。也就是说，系统的跟随性能成了主要指标。 随动系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置随动系统的主要结构物征。因此，随动系统在结构上往往要比调速系统复杂一些。第8页，共34页，2023年，2月20日，星期三©

四、位置随动系统的分类 由于位置随机系统的基本特征体现在位置上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两个综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随机系统。 模拟式角位移随动系统的各种参量都是连续变化的模拟量，其位置检测器可用电位器，自整角机，旋转变压器，感应同步器等。一般是在调速系统的基础上外加一个位置环组成。 采用数学式检测装置来组成数字式随动系统。在这类系统中，一般仍可采用模拟的电流环和速度环以保证系统的快速响应，但位置环是数字式的。第9页，共34页，2023年，2月20日，星期三©数字式随动系统的类型

数字式相位控制随动系统，如图5-3所示。这是数控机床上广泛采用的一种随动系统，实质上是一个相位闭环（又称锁相环）的反馈控制系统。其位置环由数字相位给定、数字相位反馈和数字相位比较三个部分组成，即图5-3中的数字给定、位置检测和鉴相器三个部件。

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数字给定装置的任务是将数字指令变换成脉冲的个数，然后再经脉冲相位数模变换（D/A），即一个指令脉冲的出现将使春输出方波电压的给定相位前移或后移一个脉冲当量，这个脉冲当量可以做得很小，以保证系统有很高的给定精度。

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一系列令指脉冲的出现将使方波电压的给定相位以一定速度前移或后移，其速度取决于指令脉冲的频率。位置检测部件产生相位反馈，其功能是将工作台的机械位移转换成与给定方波同频率的方波电压的相位，可以用感应同步器来实现这样的位移相位交换，其精度可达，所以其相位能精确反映机械的实际位置。

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鉴相器的主要功能是进行给定相位和反馈相位的比较，将它们的偏差量转变成模拟量电压，此模拟量电压的极性应能反映相位差的极性。鉴相器的输出经变换处理后作为速度控制器的给定经过功率放大，控制电机和机床工作台向消除偏差的方向移动，因而使不断地跟踪，也就可以使工作台精确地按指令要求运动。

第13页，共34页，2023年，2月20日，星期三©数字式脉冲控制随动系统

第二种为数字式脉冲控制随动系统，其原理框图如图5-4所示。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D*，作为位置检测用的光栅则发出位置反馈脉冲数D，它们分别进入可逆计数器的加法端和减法端。

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经运算后得到脉冲的误差量，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。

第15页，共34页，2023年，2月20日，星期三©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5-5所示。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电路得到二进制码信号，二者联合构成“角度——数码”转换器或“线位移——数码”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，按一定控制规律运算后（如PID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。

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§4-2位置信号的检测 位置随机系统的区别首先在于信号的检测。由于位置随机系统要控制的量多数是直线位移或上移，组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。位置随动系统中常用的位移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘等。

一、自整角机（BS） 自整角机是角位移传感器，在随动系统中总是成对应用的，与指令轴相联的自整角机称为发送机，与执行轴联的称作接收机。第17页，共34页，2023年，2月20日，星期三©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及一个三相整步绕组，单相励磁绕组安置在转子上，通过两个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式（图中为了表示方便画成磁极），这样可使输入阻抗不随转子位置而变化。整步绕组是三相绕组，一般为分布绕组，安置在定子上，它们彼此在空间相隔120o，并接成丫形。

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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，发送机BST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。

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旋转变压器实际上是一种特制的两相旋电机，它有定子和转子两部分，在定子和转子上各有两套在空间上完全正交的绕组。当旋转时，定、转子绕组间的相对位置之变化，使输出电压与转子角呈一定的函数关系。在不同的自动控制系统中，旋转变压器有多种类型和用途，在随动系统中主要用作角度传感器。

二、旋转变压器（BR）第20页，共34页，2023年，2月20日，星期三©

图5-9是一个旋转变压器的原理图，两个定子绕组S1和S2分别由两个幅值相等、相位差90o的正弦交流电压u1、u2、励磁，即为了保证旋转变压器的测角精度，要求两相励磁电流严格平衡，即大小相等，相位差90o，因而在气隙中产生圆形旋转磁场。转子绕组中产生的感应电压为

式中:m——转子绕组与定子绕组的有效匝数比，忽略阻抗压降。转子绕组R2可以不用。

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从式

可以看出，旋转变压器输出电压的幅值不随转角变化，而其相位却与相等，因此可以把它看作是一个角度——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。

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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发送器BRT，与执行轴相联的是旋转变压接收器BRR。接线方法如图5-10所示。

第23页，共34页，2023年，2月20日，星期三©三、感应同步器（BIS）

感应同步器的工作原理与旋转变压器一样。它具有两种形式，一种用来测角位移，叫圆形同步器，另一种来测直线位移，称为直线式感应同步器。第24页，共34页，2023年，2月20日，星期三©

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（0.250.05m），可作相对移动。

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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1/4节距，即相差90o电角度，说明这两个绕组在平面上是正交的，图5-11所示。按工作状态，感应同步器可分为鉴相型和鉴幅型两类。

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四、光电编码盘 光电编码可直接将角移信号转换成数字信号，它是一种直接编码装置。和旋转变压器一样。它常用于数控机床中装在旋轴上构成半闭环系统，按照编码原理划分，有增量式和编对两种光电编码盘。第27页，共34页，2023年，2月20日，星期三©§4-3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自整角机位置随动系统原理图如图5-14所示。由式（5-2）已知，自整角接收机输出的正弦交流电压幅值为第28页，共34页，2023年，2月20日，星期三©式中——自整角接收机输出正弦电压的最大值；

——发送机机械转角；

——接收机机械转角。当时，为正值；当时，为负值。

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为了根据的正负值来控制执行电机朝着消除角差的方向运动，自整角机输出电压首先要经过相敏整流放大器鉴别角差的极性，再经过功率放大环节将信号功率增强，以推动执行电机运转。为了使系统稳定，在相敏放大器与功率放大器之间还应增设串并联校正装置。在执行电机与负载之间应有减速器，组成较完整的自整角机位置随动系统。第30页，共34页，2023年，2月20日，星期三©1．自整角机

自整角机用于发送信号和接收信号,现分析其传递函数。由式

自整角机输出电压的幅值说明输出电压的幅值与角差成正弦函数关系。当时，，所以其电压幅值可近似写成，即输出电压的幅值近似与角差成正比，见图5-15a。则其传递函数为比例环节（图5-15b），放大系数为