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1、第二十一讲,要求：1.了解光电编码器种类及其工作原理 2.了解位置随动系统误差种类，掌握不同 类型系统在给定输入信号下误差； 3.了解三闭环系统的构成及其调节器设计 原则； 4.理解位置调节和转速计算中断服务子程 序；,光电编码器 由光源、光栅码盘和光敏元件组成，直接输出数字式电脉冲信号，是主要使用的数字式位置传感器，结构见图310 按照脉冲与对应位置关系的不同可以分为增量式和绝对值式两种，也可以是混和体,A增量式编码器 脉冲数直接与位移的增量成正比； 常用的圆形码盘每转发出N=5005000个脉冲； 精度高者可达数万个脉冲 计算速度：见前33的测速算法,B 绝对值式编码器 基本结构：一个圆盘
2、，上有n个同心圆，称为码道； 同心圆被径向分割为2n个部分，每个部分对应着一个二进制编码，读取其值，就可知道对应的位置；,根据二进制编码与实际位置的关系，可以分为二进制码盘和循环码码盘。,a.二进制码盘 特点是码道从外到里按二进制刻制，外层为最低位，里层为最高位，如图415a 轴位置与数码的对应关系如表42。,表42 绝对值式码盘轴位置与数码对照表,优点是清晰明了； 缺点是码盘在转动时有可能有可能出现两位以上的数字同时改变，产生粗大误差，如“0111”变为“1000”时，可能应光电管排列不齐或特性不一致，致使高位产生偏移。,b.循环码码盘 为了从根本上消除“粗大误差”，采用了循环码码盘。又称格
3、雷码盘 其特点是码盘在旋转过程中，相邻码道每次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,优点：克服了粗大误差。 缺点：读出数必须要经过转换才能反映真正的位置。,磁性编码器 也是由位移量变换成数字式电脉冲信号的传感器，已有磁敏电阻式、励磁磁环式、霍尔元件式等多种类型,4.2.4 位置随动系统的稳态误差分 析和参数计算 对于位置随动系统来说，系统要求稳态位置误差越小越好，但各种因素将造成稳态误差。,1、检测误差ed 包括给定位置和反馈位置传感器的误差，它取决于传感器的工作原理和制造精度，是传感器本身固有的，控制系统无法克服的。 表43为不同类型传感器误差量级。,表43 位
4、置传感器的误差范围,2、系统误差es 包括系统造成的给定误差和扰动误差，与系统的结构、参数、给定和扰动输入量的类型、大小与作用点有关。 实际系统的扰动有负载变化、电源电压变化、参数变化、放大器零飘、噪声干扰等。,A.随动系统的动态结构框图 图中 和m是给定输入和实际输出，F代表扰动，W1(s)和W2(s) 分别是扰动点前后的传递函数，且系统的传递函数满足W(s) W1(s) W2(s) 。,图416 线性位置随动系统一般动态结构框图,B.误差象函数表达式 其中 为给定误差的象函数 为扰动误差的象函数,(4-9),由式（49）也可看出，系统误差由给定误差和扰动误差组成，分别取决于给定输入和扰动输
5、入信号，也和系统本身的结构及参数有关,C.误差大小计算 根据拉氏变换的终值定理，可得给定误差和扰动误差的稳态值,将传递函数的分母和分子写成积分环节和s的多项式，那么,从而,(4-10),(4-11),式（4-10）和式（4-11）表明给定误差与系统的开环增益K和前向通道中所有积分环节的总数pq有关； 扰动误差则只与扰动作用点前的增益K1及其积分环节数目p有关,D.给定误差与型次的关系 由于位移或转角是转速或角速度对时间的积分，因此控制对象至少有一个积分环节，由此可得典型给定输入下的误差。,a. 位置输入： ，这样 对于I型系统，pq1， 对于II型系统，pq2，,b. 速度输入： 对于I型系统
6、，pq1， 对于II型系统，pq2，,c. 加速度输入时， 对于I型系统，pq1， 对于II型系统，pq2，,例题41 采用自整角机的直流位置随动系统原理图418所示，原始数据如下： 直流伺服电机：S661型，230W，110V，2.9A，2400r/min，Ra3.4，电枢回路总电阻Ra5.1，减速器速比i60。图中，BST为自整角发送机，BSR为自整角接收机，自整角机放大系数Kbs 1.25V/()，BSR输出交流电压Ubs是角差的正弦函数，当角差很小时，近似与角差成正比，即Ubs Kbsm （当 ）。,将Ubs整流成直流电压时须反映m的极性。因此采用相敏整流器URP，URP、电压放大器A
7、、电力电子变换器UPE的总增益KrpKaKs=200，自整角机本身的检测误差ed=0.5，当输入轴以最高转速 旋转，负载转矩为20Nm，求该系统的稳态误差。,解：计算伺服电动机的电动势系数和转矩系数： Vmin/r， Nm/A,折算到电机轴上的负载转矩： Nm,对应的负载电流： A,系统的静态结构框图：,图419 位置随动系统的静态结构框图（未考虑校正装置）,速度输入时的给定误差：,负载引起的扰动误差：,误差之和：,4.2.5 位置随动系统的动态校正与 控制 当系统开环放大系数足够大时可以保证所需的稳态精度，但放大系数过大又可能影响系统的动态稳定性，增加动态校正就成为必须。,1、位置、转速、电
8、流三环控制系统 系统结构框图 在转速、电流双闭环调速系统的基础上再增设一个位置控制环，便形成一个三环控制系统，如图420示,图420 位置、转速、电流三环控制的位置随动系统,位置环校正装置 图429中位置调节器ARP就是位置环的校正装置，它的类型和参数决定了系统误差和动态跟随性能，其输出限幅决定电机的最高转速,三环设计原则 同双环控制系统一样，在设计三环控制系统调节器时也是按照先内环后外环的原则来设计的。在设计位置环时，如同设计转速环处理电流环一样，将转速环简化作为位置环的一个环节。,特点 A.优点 逐个设计环，可以保证每个环都是稳定的，从而整个系统是稳定的；同时每个环节都有自己的控制对象，分
9、工明确，易于调整。,B.缺点 对最外环控制作用的响应不会很快但随着微机控制技术的提高，快速响应性能已经得到很大提高。,系统软件 包括主程序、初始化子程序、电流调节中断服务子程序、故障保护中断服务子程序，他们的功能与前面双闭环调速系统的功能类似。,A.位置调节中断服务子程序 除此以外，增加了位置调节中断服务子程序，其框图如图421示。,图421 位置调节中断服务子程序框图,程序首先根据定时器给定的位置环采样周期Tsam定时申请中断； 从而进入位置中断服务子程序； 在子程序中，先读入位置给定； 再读入位置反馈； 最后完成位置调节功能；,B.转速调节中断服务子程序 采用绝对值式光电编码器时，角转速可
10、以根据位置变化率来计算，其计算公式为： 由此得到的角速度经过换算就可以得到n 转速调节中断服务子程序如图422所示,图422 转速调节中断服务子程序,2、单位置环随动系统 舍去多环结构的单位置环随动系统可以提高位置随动系统的快速跟随性能，为了避免过渡过程中电流冲击过大，可以采用电流截止负反馈或选用允许过载倍数比较高的伺服电机。 位置调节器可以选用PD或PID调节器。,3、复合控制的随动系统 无论是单环还是多环系统，都是通过位置调节器ARP实现反馈控制的，在设计ARP时，为了保证稳定性，就不能完全照顾快速跟随性能。 为了进一步加强跟随性能，可以将前馈控制和反馈控制复合在一起，构成复合控制系统，如
11、图423示。,图423 复合控制位置环随动系统的结构原理图,由图423可得复合控制下系统的传递函数： 当满足 （414），那么就有,由式（415）可知，当选择恰当，那么复合控制随动系统的输出量就可以完全复现给定输入 实际上要完全实现不变性是很困难的,（415）,一般情况下，位置随动系统控制对象W1(s)中至少含有一个积分环节，那么按照式（414），前馈补偿器的传递函数为 G(s)=a1s+a2s2+ +ansn （416）， 由式（416）可知，要实现完全不变性，需要引入输入信号的各阶倒数作为补偿信号。但想要实现高阶倒数非常困难，因此只能近似实现完全不变性。,另外，在图423中，若无前馈补偿，
12、那么闭环传递函数变为 比较（413）和（416），可知增加前馈补偿不会影响系统的稳定性。,（417）,扰动补偿的复合控制系统 在扰动信号可测时，那么可以从扰动作用点上引出前馈补偿信号，从而减少或消除扰动误差，形成按扰动补偿的复合控制系统，如图424,图424 按扰动补偿的复合控制位置随动系统,在图424中，同图423一样，要实现完全不变性，其补偿条件为：,交流调速系统概述,1、发展史 直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生，但交流电力拖动性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。,直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，
13、一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。,这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，从而交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。,2、交流拖动控制系统的应用领域 一般性能的节能调速 对风机、水泵等通用机械的所谓“不变速交流拖动”，由于实际不是不需要调速，因此如果换成交流调速系统，每台风机、水泵平均都可以节约2030%以上的电能，效果是很可观的。 但风机、水泵的调速范围和对动态快速性的要求都不高，只需要一般的调速性能。,高性能的交流调速系统和伺服系统
14、 交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果将直流拖动改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。 但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩不能像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。,直到发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，才使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。 其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。,特大容量、极高转速的交流调速 直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过106 kW r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，都以采用交流调速为宜。,课后思考,1. 光电编码器有哪些种类？它们的工作原理是什么？ 2. 位置随动系统误差如何产生？如何分析不同类型系统在给定输入信号下的误差？ 3.如何设计三闭环系统？系统调节器的设计原则是什么？ 4.如何编制位置调节和转速计算中断服务子程序？,课后作业,习题45,
