位置随动系统

位置随动系统第1页，共51页，2023年，2月20日，星期日 目录位置随动系统的应用位置随动系统的主要组成部件及其工作原理；位置随动系统的分类；位置随动系统与调速系统的比较；自整角机位置随动系统。第2页，共51页，2023年，2月20日，星期日

位置随动系统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。1.位置随动系统的应用

位置随动系统的概念第3页，共51页，2023年，2月20日，星期日例如1:轧钢机压下装置的控制，在轧制钢材的过程中，必须使上下两根轧辊之间的距离能按工艺要求进行自动调整；例如2:数控机床的加工轨迹控制和仿形机床的跟踪控制；例如3:轮船上的自动操舵装置能使位于船体尾部的舵叶的偏转角模仿复制位于驾驶室的操舵手轮偏转角，以便按照航行要求来操纵船舶的航向；例如4:火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜以瞄准目标的控制。位置随动系统的具体应用第4页，共51页，2023年，2月20日，星期日2.位置随动系统的主要组成部件

位置随动系统的基本组成，其原理图如图2-1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

图2-1电位器式位置随动系统原理图第5页，共51页，2023年，2月20日，星期日图2-1电位器式位置随动系统原理图(1)位置检测器由电位器RP1和RP2组成，其中RP1转轴与手轮相连。第6页，共51页，2023年，2月20日，星期日（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。第7页，共51页，2023年，2月20日，星期日图2-1电位器式位置随动系统原理图（2）电压比较放大器输出信号为下一级控制信号。第8页，共51页，2023年，2月20日，星期日（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9页，共51页，2023年，2月20日，星期日图2-1电位器式位置随动系统原理图〔3)可逆功率放大器输出驱动电动机的电压。第10页，共51页，2023年，2月20日，星期日（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11页，共51页，2023年，2月20日，星期日图2-1电位器式位置随动系统原理图(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。(5)减速器一般情况下负载的转速时很低的，在点击和负载之间需要设置减速器。……第12页，共51页，2023年，2月20日，星期日（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。第13页，共51页，2023年，2月20日，星期日 位置随动系统的工作原理，仍以电位器式位置随动系统为例来进行分析。在图2-1中可以看出，如果两个电位器RPl和RP2的转轴位置相同，那么给定角与反馈角也相等，此时角差两个电位器的输出电压U*=U，所以电压比较放大器的输出电压Uct=0，可逆功率放大器的输出电压Ud=0，SM电动机的转速n=0，系统处于静止状态。2.位置随动系统的工作原理第14页，共51页，2023年，2月20日，星期日若转动手轮，当给定角增大，，则U*>U，Uct>0，Ud>o，电动机转速n>0，经减速器带动雷达天线转动，雷达天线通过机械机构带动电位器RP2的转轴，使相应增大。只要，SM电动机就一直带动雷达天线朝着缩小偏差的方向运动，当达到，偏差角，Uct=0，Ud=0时，系统才会停止运动，在新的状态重新稳定下来。当给定角减小，则系统运动方向将和上述情况相反。显而易见，这个系统完全能够实现被控制量准确跟踪给定量的要求。第15页，共51页，2023年，2月20日，星期日3.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16页，共51页，2023年，2月20日，星期日图2-2典型的模拟式位置随动系统原理图模拟式检测装置的精度由于受到制造上的限制不可能做得很高，因而影响到整个模拟式位置随动系统的精度。如果需要进一步提高生产机械的控制精度，就必须使用数字式检测装置来组成数字式位置随动系统。在数字式位置随动系统中，一般情况下仍采用模拟式电流环和速度环，以保证系统的响应速度，但位置环是数字式的。第17页，共51页，2023年，2月20日，星期日①数字式相位控制随动系统数字式相位控制随动系统，如图2-3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，图2-3中的数字给定、位置检测和鉴相器三个部件。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。

第18页，共51页，2023年，2月20日，星期日①数字式相位控制随动系统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，其精度达所以其相位能精确反映机械的实际位置。

图2-3数字式相位控制随动系统原理图第19页，共51页，2023年，2月20日，星期日 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。

①数字式相位控制随动系统

第20页，共51页，2023年，2月20日，星期日②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2-4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。

图2-4数字式脉冲位置随动系统原理图第21页，共51页，2023年，2月20日，星期日②数字式脉冲控制随动系统

经运算后得到脉冲的误差量其中D0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22页，共51页，2023年，2月20日，星期日③数字式编码控制随动系统

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。

第23页，共51页，2023年，2月20日，星期日③数字式编码控制随动系统

图2-5数字式编码控制随动系统原理图第24页，共51页，2023年，2月20日，星期日位置信号检测装置位置随动系统与调速系统的区别在于信号的检测。位置随动系统要控制的量一般是直线位移或角位移,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。第25页，共51页，2023年，2月20日，星期日5.2.1自整角机（BS)由合成磁动势在接收机铁心中产生合成磁通Φ2，然后在接收机转子绕组中感应出电压ubs,这个电压在时间上领先磁通Φ290°，于是第26页，共51页，2023年，2月20日，星期日感应同步器(BIS)具有两种结构形式：

◆用来测角位移-圆形感应同步器；

◆测直线位移-直线式感应同步器。第27页，共51页，2023年，2月20日，星期日直线式感应同步器的结构第28页，共51页，2023年，2月20日，星期日光电编码盘（增量式）结构及工作原理第29页，共51页，2023年，2月20日，星期日光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：

其中，是的取反信号。第30页，共51页，2023年，2月20日，星期日输出信号的作用及其处理A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。第31页，共51页，2023年，2月20日，星期日Z相的作用被测轴的转向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号。的作用后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。共模干扰：一般指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声。

差模干扰：则是幅度相等，相位相反的的噪声。

常用的差分线对共模干扰的抗干扰能力就非常强。第32页，共51页，2023年，2月20日，星期日光电编码盘（绝对值式）光电编码器可直接将角位移信号转换成数字信号，它是一种直接编码装置。二进制编码盘循环编码盘绝对式光电编码盘第33页，共51页，2023年，2月20日，星期日①二进制码盘在二进制码盘中，码道从外到里按二进制刻制，外层为最低位，里层为最高依，上图a所示，轴位置与数码的对照表见表5.2.1。第34页，共51页，2023年，2月20日，星期日①二进制码盘二进制码在转动时，可能出现两位以上的数字同时改变，导致“粗大误差”的产生。例如，当数码由0111(即十进制7)变到1000(即十进制8)时，内于光电管排列不齐或特性不一致，有可能产生高位偏移，本来是1000的数，读成了0000，误差达到8，这就是“粗大误差’：为了克服这一缺点，可改用双排光电管组成双读出端，对进位和不进位的情况实行“选读”。这样虽可消除“粗大误差”，但结构和电路却要复杂得多。第35页，共51页，2023年，2月20日，星期日为了从根本上消除“粗大误差”，可用循环码码盘，又称格雷码盘。其特点是在相邻的两个码道之间只有一个码发生变化，因而当读数改变时，只可能有一个光电管处于交界上，如图所示。

②循环码码盘见绝对式光码盘第36页，共51页，2023年，2月20日，星期日光电编码器的特点非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；。光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。第37页，共51页，2023年，2月20日，星期日磁尺磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。

利用录磁的原理将一定周期变化的方波、正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。

特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。第38页，共51页，2023年，2月20日，星期日磁尺工作原理图第39页，共51页，2023年，2月20日，星期日磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层10～20um的导磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚1～2mm的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。

普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。

磁尺测量装置的组成和工作原理第40页，共51页，2023年，2月20日，星期日位置随动系统的主要特征如下：位置随动系统的主要功能是使输出位移快速而准确地复现给定位移；必须有具备一定精度的位置传感器，能准确地给出反映位移误差的电信号；电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的；控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求。4.位置随动系统与调速系统的比较第41页，共51页，2023年，2月20日，星期日4.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，通过对系统的输出量和给定量进行比较，组成闭环控制。调速系统的给定量是恒值，受外界扰动时，希望输出量能够稳定，系统的抗扰性能很重要。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，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准确性是位置随动系统的主要特证（系统的跟随性能）是主要指标。总起来看，稳态精度和动态稳定性是两种系统都必须具备的，但在动态性能中，调速系统多强调抗扰性，而位置随动系统则更强调快速跟随性能。第42页，共51页，2023年，2月20日，星期日 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2-6所示。5.自整角机位置随动系统及其设计

图2-6自整角机位置随动系统原理图第43页，共51页，2023年，2月20日，星期日式中——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。

第44页，共51页，2023年，2月20日，星期日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45页，共51页，2023年，2月20日，星期日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。

第46页，共51页，2023年，2月20日，星期日广师©在的区间里，可认为是一个恒值，常用的自整角值约为0.6~1.2V/(o)。第47页，共51页，2023年，2月20日，星期日②

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直流电压，并使它的极性与输入的交流电压相位相适应。

③可逆功率放大器 对大功率随动系统，功率放大器多采用可逆的晶闸管可控整流器。第48页，共51页，2023年，2月20日，星期日广师©④执行机构作为执行电机，可选用直流伺服电动机或交流两相异步电动机，在要求高性能时，可采用站惯量直流电动机或宽调速力矩电机。⑤减速器

减速器对随动系统的工作有重大影响，减速器速比的选择和分配将影响到系统的惯性矩，并影响到快速性。

第49页，共51页，2023年，2月20日，星期日位置随