第九章 位置随动系统

第九章位置随动系统引言——位置随动系统概述位置随动系统的组成与工作原理位置随动系统的主要部件位置随动系统的性能分析位置随动系统实例读图分析*9.1引言——位置随动系统概述位置随动系统的概念位置随动系统又称为随动系统或伺服系统。它主要解决有一定精度的位置跟随问题，如数控机床的刀具给进和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作，工来自动导引的运动，车防上的雷达跟踪、导弹制导、火炮瞄准等。在现代计算机集成制造系统（CIMC）、柔性制造系统（FMS）等领域，位置随动系统得到越来越广泛的应用。位置随动系统的组成位置随动系统有开环控制系统，如由单片机控制、步进电动机驱动的位置随动系统，以前开环控制精度较低，如今已有精度相当高(10000step/r以上)的步进随动系统。在跟随精度要求较高、而且驱动力矩又较大的场合，多采用闭环控制系统，它们多采用直流(或交流)伺服电动机驱动。典型的位置随动系统的组成如图9-1所示。图9-1典型的位置随动系统的组成位置随动系统的特点位置随动系统与调速系统比较，有下面一些特点：输入量是在不断变化着的(而不是恒量)，它主要是要求输出量能按一定精度跟随输入量的变化。而调速系统则主要是要求系统能抑制负载扰动对供电电路应是可逆电路，使伺服电动机可以正、反两个方向转动，以消正或负的位置偏差。而调位置随动系统的主环为位置环，调速系统的主环位置随动系统的技术指标，主要是对单位斜坡输入信号的跟随精度(稳态的和动态的)，其他还有最大跟踪速度、最大跟踪加速度等。9.2位置随动系统的主要部件位置随动系统的主要部件一般都有：线位移检测元件（同步感应器）角位移检测元件直流伺服电机或交流伺服电机线位移检测元件——同步感应器根据迭加原理，定尺上感应产生的电动势e为两者之和，即：)2sin()sin(sincoscossin)90cos(coscossintstkUtkUtkUtkUtkUtkUemmmmmm在上式中，通常均为恒值。sUkm电压与角位移差成正比，即：伺服电位器的原理图，伺服电位器较一般电位器精度高、摩擦转矩也较小。但由于通常为线绕电位器，因此它输出的信号不平滑，而且容易出现接触不良现象，因此一般应用于精度较低的系统中。其输出角位移检测元件——伺服电位器UKKUoi)(角位移检测元件——圆盘式感应同步器圆盘式感应同步器的结构如图9-4所示。其定子相当于直线式感应同步器的滑尺，转子相当于定尺。其节距也是2mm，而且定子中两个绕组相差也是1/4节距。工作原理和特点与直线性感应同步器基本上是一样的。其测量角位移的精度可达0.3″。角位移检测元件——光电编码盘光电编码盘(简称光电码盘)也是目前常用的角位移检测元件。编码盘是一种按一定编码形式(如二进制编码)，将圆盘分成若干等分(图9-5为16个等分)；并分成若干圈，各圈对应着编码的位数，称为码道。如图9－5所示的编码盘为四个码道。图9-5a即为一个4位二进制编码盘，其中透明(白色)的部分为“0”，不透明(黑色)的部分为“1”。由不同的黑、白区域的排列组合即构成与角位移位置相对应的数码，如“0000”对应“0”号位，“0011”对应“3”号位等等。应用编码盘进行角位移检测的示意图如图9－6所示。对应码盘的每一个码道，有一个光电检测元件(图9-6为4码道光电码盘)。当码盘处于不同的角度时，以透明与不透明区域组成的数码信号，由光电元件的受光与否，转换成电信号送往数码寄存器，由数码寄存器即可获得角位移的位置数值。直流伺服电动机电动机惯量小，电动机灵敏，空载始动电很强的刚性，不易产生振动。直流伺服电动机的结构特点由于上述的要求，因此直流伺服电动机与普通直流电动机相比，其电枢形状较细较长(惯量小)，磁极与电枢间的气隙较小，加工精度与机械配合要求高，铁心材料好。直流伺服电动机按照其励磁方式的不同，又可分为电磁式(即他励式)(型号为SZ)，(见图9-7a)和永磁式(即其磁极为永久磁钢)(型号为SY)(见图9－b)。电磁式(即他励式)(型号为SZ)永磁式(即其磁极为永久磁钢)(型号为SY)直流伺服电动机的工作原理与工作特性直流伺服电动机的工作原理与他励直流电动机相同。机械特性直流伺服电动机的机械特性，本质上与他励直流电动机是相同的，如图9－8a所示［由伺服电动机调速范围大，所以将横坐标压缩，画出了全貌。)(Tfn调节特性：电动机的调节特性通常是指电动机的转速与控制电压间的关系。对他励式电动机，控制电压，可以是电枢电压(用得较多)，也可以是励磁电压；对永磁式电动机，则只有电枢电压。直流伺服电动机通常以电枢电压作为控制电压。下面就分析以电枢电压作为控制电压时的调节特性，即分析与间的关系。由式(3－1)～式(3－4)有：nUnaUTKKRKUnTeaea2naU由式(9－1)可得与间的关系：当T=0时，则有：eaKUn当T≠0时，对应不同的T，它们是一簇上升的斜直线。如果T愈大，则横轴上起点愈远，亦即起动时所需的电枢电压愈高。启动时所需的电枢电压，就是调节特性曲线的死区。aoUaoU由以上分析可见，直流电动机的机械特性和调节特性均为直线(当然，这里未计及摩擦阻力等非线性因素，因此实际曲线还是略有弯曲的)，而且调节的范围也比较宽(可达6000以上)，加上，调速控制平滑，起动转矩大，运行效率高等优点，因此在高精度的自动控制系统中(如数控机床，机器人精密驱动，军用雷达天线驱动，天文望远镜驱动以及火炮、导弹发射架驱动等快速高精度伺服系统中)获得广泛的应用。直流伺服电动机的数学模型与他励直流电动机相同，如图3－21所示。交流伺服电动机的基本结构、工作原理和工作特性交流伺服电动机也是自动控制系统中一种常用的执行元件。它实质上是一个两相感应电动机。它的定子装有两个在空间上相差90°的绕组：励磁绕组A和控制绕组B。运行时，励磁绕组A始终加上一定的交流励磁电压(其频率通常有50Hz或400Hz等几种)；控制绕组B则接上交流控制电压。常用的一种控制方式是在励磁回路串接电容C(见图9－9)，这样控制电压在相位上(亦即在时间上)与励磁电压相差90°电角度。当定子的两个在空间上相差90°的绕组(励磁绕组和控制绕组)里，通以在时间上相差90°电角度的电流时，两个绕组产生的综合磁场是一个强度不均匀的旋转磁场。与三相异步电动机的工作原理一样，在此旋转磁场的作用下，转子导体相对地切割着磁力线，产生感应电动势，由于转子导体为闭合回路，因而形成感应电流。此电流在磁场作用下，产生电磁力，构成电磁转矩，使伺服电动机转动，其转动方向与旋转磁场的转向一致。分析表明，增大控制电压，将使伺服电动机的转速增加；改变控制电压极性，将使旋转磁场反向，从而导致伺服电机反转。机械特性如前所述，电动机的机械特性是控制电压不变时，转速与转矩间的关系。由于交流伺服电动机的转子电阻较大，因此它的机械特性为一略带弯曲的下垂斜线。即当电动机转矩增大时，其转速将下降。对于不同的控制电压，它为一簇略带弯曲的下垂斜线，见图9－11a。由图可见，在低速时，它们近似为一簇直线，而交流伺服电动机较少用于高速，因此有时近似作线性特性处理。这样，交流伺服电动机的传递函数也可近似以式(9－2)与式(9－3)调节特性如前所述，电动机的调节特性是电磁转矩(或负载转矩)不变时，电机的转速与控制电压间的关系。交流伺服电动机的调节特性，如图9－11b所示。对不同的转矩，它们是一簇弯曲上升的斜线，转矩愈大，则对应的曲线愈低，这意味着，负载转矩愈大，要求达到同样的转速，所需的电枢电压愈大。此外，由图可见，交流伺服电动机的调节特性是非线性的。9.2.4位置随动系统的组成和工作原理交流位置随动系统是以交流伺服电动机为执行元件的控制系统，由于近年来新型功率电子器件、新型的交流电机控制技术等的重要进展，这种类型的位置随动系统取得了突破性的进展。下面通过一个典型的由晶闸管交流调压供电的交流位置随动系统为例，来说明这类系统的组成、工作原理和控制特点。系统的组成框图系统框图)1)(1()1)(1(11)1)(1()('21002''2101sTsTssTsTKKsKsTKsTsTsTKsG