运动控制系统3(new1)

第七节位置随动系统(参考三版：P133-144；四版：P253-272)前面讨论的交、直流调速系统，解决了电动机的调速问题，被控量一般都是转速。但在实际生产中，电动机带动负载运动的结果不一定都是转速，也可能是使生产机械产生一定的位置移动，这时需要控制的量将是被控对象的角位移或直线位移，此时就必须采用位置随动系统才能满足控制要求。位置随动系统也称为位置伺服系统，应用领域十分广泛，例如，数控机床的定位控制，仿形机床的加工轨迹控制，火炮的方位自动跟踪控制，卫星以及宇航工具的自动驾驶系统等等。位置随动系统已成为现代工业，现代国防和高科技领域中不可缺少的关键技术之一，是电力拖动自动控制的重要分支。位置随动系统的根本目的是实现执行机构对位置指令（给定量）的准确跟踪，被控量（输出量）一般是负载的空间位移。一、位置随动系统的组成和特征下面以一个简单的例子说明位置随动系统的基本组成，其原理图如图示。这里一个双电位器的位置随动系统，系统主要由以下几个部分组成：M位置调节器可逆功率放大器工作台cpRPcpXEoXfpRPfpXUcUaUi双电位器随动系统工作原理图它将滑臂的位置指令Xcp转换成电压信号Ucp；被控制的工作台位置Xfp由反馈电位器RPfp检测，并转换成电压信号Ufp，两电位器接成桥式电路。电桥的输出电压（代表位置误差量）为式中k=E/X0()cpfpcpfpUUUkXX当工作台位置Xfp与指令位置Xcp相同时，电桥输出偏差电压（位置误差）△U=0，位置调节器输出Uc=0，电动机的转速为零，系统处于静止状态。当XcpXfp，则△U0,Uc0,Ua0,电动机转速大于零，经减速器带动工作台运动使Xfp增大，直至Xfp=Xcp，系统才会停止运动而处于新的稳定状态。当XcpXfp,则△U0,Uc0,Ua0,电动机转速小于零,经减速器带动工作台运动使Xfp减小,直至Xfp=Xcp,系统达到新的稳定状态。由此可见，该系统完全能够实现被控制量Xfp准确跟踪给定量Xcp的要求。()cpfpcpfpUUUkXX位置随动系统主要由以下几个部分组成：A位置传感器；B位置调节器；C可逆功率放大器；D伺服电机；D减速器与负载。二、位置随动系统与调速系统的比较A.随动系统和调速系统一样都是反馈控制系统，两者的控制原理相同。B.随动系统的输入信号不一定是恒值，而是一个随机量，要求输出量准确跟随输入量的变化，输出响应的快速性和准确性是位置随动系统的主要特征，即系统的跟随性能是其追求的主要性能指标。C.调速系统的给定量一般是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出量能够稳定，因此系统的抗扰性能往往显得十分重要。三、位置随动系统的结构形式及分类就多数情况来讲，位置随动系统是调速系统附加位置环构成的，位置环是位置随动系统的主要结构特征，随动系统的基本结构形式如图。其中调速系统可能是电流环和速度环组成的双闭环结构，也可能是仅有速度环的单闭环系统，还可能是开环结构。因此位置随动系统的闭环结构可能有不同的形式：▼位置、速度、电流三环结构；▼位置环、速度环两环结构；▼位置环单环结构。随动系统基本结构位置随动系统的类型可以从不同角度进行划分。从执行机构所采用的伺服电机种类不同可将随动系统分为两大类。(1)直流位置随动系统这类系统的执行机构采用直流伺服电动机。直流伺服电动机又有电磁式和永磁式两种，其中以永磁直流伺服电动机构成的随动系统使用得较普遍。(2)交流位置随动系统这类系统的执行机构采用交流伺服电动机。目前，投入实际应用的交流位置随动系统主要有两种，一是永磁同步电动机构成的随动系统，另一种是鼠笼型异步电动机构成的随动系统。根据系统信号处理方式的不同，又可将位置随动系统分为以下三种类型。（1）模拟式位置随动系统这类系统的各种参量都是连续变化的模拟量，系统控制电路全部采用模拟元件构成。（2)数字模拟混合式位置随动系统这类系统的控制电路的一部分采用数字电路实现，另一部分仍采用模拟电路实施。例如，位置环为数字式，速度环和电流环采用模拟电路构成。（3)全数字式位置随动系统系统控制电路全部采用数字式实现，目前，在这种系统中，指令、反馈、位置调节器、速度调节器、电流调节器的实现一般由计算机完成。四、位置信号的检测在位置随动系统中，一般必须对被控的位置（直线位移或角位移）进行检测以获取位置反馈信息，从而构成位置闭环控制。位置检测首先必须满足系统跟踪精度的要求，其次要求电路简单、工作可靠、抗干扰能力强，有的要求能在恶劣工业环境下工作。位置检测元件可分为转角检测元件和直线位移检测元件两类。常用的转角检测元件有自整角机、旋转变压器、光电脉冲发生器，等等。直线位移检测元件有感应同步器、光栅、差动变压器，等等。下面介绍几种在电力拖动系统中用得较多的位置检测元件。（1）自整角机自整角机是角位移传感器。它是一种特殊的精密微型交流电机，其定子绕组一般是三相对称绕组，与交流电机相似，通常接成Y型；转子绕组则是单相绕组，可以自由转动。在随动系统中，总是由一对相同的自整角机来检测指令轴（输入量）和执行轴（输出量）之间的角差，实现远距离传输、复现角度或者使机械上不固联的两根轴之间实现同步旋转即所谓角度跟踪。下图（自整角机测角线路）所示的是一对相同的自整角机组成的测角线路。图中与指令轴相连的发送机，与执行轴相连的称接受机。发送机定子三相绕组与接收机定子三相绕组对应相连。若发送机转子绕组加上交流励磁电压（w=2πf）f为励磁电源频率，一般为（50Hz~400Hz），则沿其转子轴线方向产生正弦分布规律的交变磁通，从而在定子绕组中产生感应电势。()UtUSintmm自整角机测角线路()UtUSintmm发送机接受机定子每相绕组中感应电势的大小与转子绕组和定子绕组的相对位置有关。假定发送机转子绕组与定子绕组相对位置如图示，则定子每相绕组感应电势的相位相同，幅值分别为：111EKUCossm0(1120)21EKUCossm0(120)311EKUCossm式中K1——自整角机转子绕组与定子绕组间的电磁耦合系数由图知，发送机定子感应电势在两机定子绕组构成的回路中产生电流，其相位相同，其幅值分别为：1111220(120)2112220(120)311322EKUCossmIZZEKUCossmIZZEKUCossmIZZ式中Z——发送机与接收机定子各相绕组阻抗。这些电流在接收机转子绕组中所产生的感应电势相位相同，幅值分别为：12120222203232(120)(120)RRREKICosEKICosEKICos式中K2——接收机定，转子绕组间的电磁耦合系数则接收机转子绕组输出电势的幅值为经整理可得：0123RRREEEE012()RmEECos式中，是接受机的转子绕组输出电势的最大值。式（3.4.6）表明，输出感应电势的幅值为角差的余弦函数。这种关系在实用时很不方便。首先，当角差时，输出电势幅值却最大，随着角差增加，输出电势幅值反而减小，而在控制系统的实际使用中，通常希望角度时，输出电势也应为零；其次，虽有正负之分，但1234mRmKKUEZ12()00()()CosCos即输出电势不能反映角差的极性。怎样解决？012()RmEECos在实际应用中总是这样假定自整角机的零位：以发送机定子绕组S1轴线作为发送机的零位，将接受机的转子绕组转过900，并以与定子绕组S1轴线垂直的位置作为接受机的零位，如下图所示。则接受机原来的，则'02290'012()RmRmEESinESin式中——失调角。这样，当失调角为零时，输出电势为零，并且输出电势的幅值与发送机或接受机的本身的绝对位置无关，只与其相对的失调角的正弦呈正比。当失调角很小时，，则式（3.4.7）可以近似写为Sin0RmEE即接受机的转子输出电势幅值不仅反映失调角大小而且能反映它的极性，换言之，能鉴别指令轴与执行轴之间的领先和落后的关系。自整角机角差检测电路输出电势是一交变电势，反映角差大小的是其幅值。因此，接收机转子绕组的输出电势一般需要经解调器使之转换成直流信号。相敏解调器是常用的解调器，它必须具有的基本功能是将交流信号电压转换为能反映角差大小及方向的直流电压信号，为了获得平滑的直流信号电压，一般相敏解调器输出端还需附加RC滤波网络。数字伺服系统位置检测采用自整角机时，需要对其检测信号进行数字化处理，将相敏整流后的信号经过A/D转换为数字量是一种方法。另一种方法是直接采用自整角机数字转换器(SDC)，它是一种用于角度或位移量的模/数转换器件，可以接收自整角机信号。（2）旋转变压器旋转变压器是一种能转动的变压器。从结构来看，它与一般电机一样，也是由定子与转子两个部分组成，其定子和转子分别布置有两个空间上完全正交的绕组，如下图所示。旋转变压器从工作原理上讲，与变压器相似，其区别仅在于“旋转”二字上。旋转变压器的转子相对于定子是可以转动的，其定子绕组与转子绕组之间的电磁耦合程度与它们的相对位置有关。设转子绕组和定子绕组轴线间夹角为，定子绕组分别施加同幅值、同频率但相位互差900的交流电压激磁：12()()mmUtUSintUtUCost那么，和在转子任一绕组中的感应电势分别为式中K——旋转变压器定、转子绕组之间的匝比。1()Ut2()Ut12()()()()csUtKUtCosUtKUtSin0()()()csUtUtUt12()()()mmoKUtCosKUtSinKUSintCosKUCostSinUSint式中omUKU显然，转子输出电势为和的合成：()sUt()cUt旋转变压器测角线路可见，旋转变压器转子输出电势的幅值是常数，而其相位移等于转子相对定子的角位移。显然如果旋转变压器的转子与执行轴相连，那么转子输出电势的相位就反映了机械角位移。上面说明了旋转变压器用于测量角位移的原理。与自整角机一样，用一对旋转变压器同样可以组成角差测量电路，如图所示。测量角差的原理，读者可参照自整角机测角电路自行分析。（3）感应同步器感应同步器是近20年发展起来的一种高精度位移传感器。有两种结构形式：直线式感应同步器用于测量直线位移，常安装在机床工作台上，直接测取工作台位移，构成所谓全闭环位置随动系统；圆盘式感应同步器，用于测量角位移，就其工作原理而言，它与旋转变压器没有本质区别，圆盘式感应同步器可以象旋转变压器一样安装在执行电动机轴上，构成所谓半闭环系统。下图是直线式感应同步器的结构示意.它由定尺与滑尺两部分组成。在定尺和滑尺上分别刻有印刷绕组。定尺为单相绕组，节距一般为2mm，以示之；滑尺上刻有两套平面正交绕组，分别称为正弦绕组S和余弦绕组C。定尺与滑尺绕组在空间位置上相差。定尺安装在固定部件上，滑尺安装在运动部件上，两者互相平行，间隙约为0.25mm。4假定在滑尺的正弦绕组和余弦绕组上分别加上相位差900的励磁电压，，当滑尺相对于定尺平移距离X时，则和在定尺绕组上的感应电势分别是()smutUSint()cmutUCost()sut()cut01()()2/sutKutCosX2/mKUSintCosX02()()2/cutKutSinX2/mKUCostSinX式中K—定尺与滑尺之间的电磁耦合系数。定尺输出电势为与的合成：01()ut02()ut00102()()()ututut2/2/mmKUSintCosXKUCostSinX(2/)mKUSintX上述分析可以看出，感应同步器定尺感应电势的幅值不随位移X而变，但其相位则与滑尺位移X成线性关系。即感应同步器输出电压相位与位移的关系。综上所述，上面三种位置检测元件的工作原理是相似的，其输出电势都是反映位移或转角的交变电势，通过检测输出电势的相位或幅值即可获得位移或