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1、位置随动系统,第8章,第8章 位置随动系统,8.1 位置随动系统概述 8.2 位置随动系统的主要部件 8.3 位置随动系统的组成和工作原理 8.4 位置随动系统性能分析 8.5 位置随动系统实例读图分析,8.1 位置随动系统概述, 位置随动系统又称跟随系统或伺服系统。它主要解决有一定精度自动跟随问题，如数控机床的刀具进给和工作台的定位控制，工业机器人的工作动作等。 位置随动系统的组成 位置随动系统有位置环、速度环和电流环三个反 馈回路。 位置环为主环（外环），主要起消除位置偏差的作用。 速度环和电流环均为副环（内环）速度环为稳定 转速，电流环为稳定电流并起限制电流过大的作用。,图8-1典型位置
2、随动系统的组成框图,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： 1）输出量为位移，而不是转速。 2）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转速的影响。 3）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。 4）位置随动系统的主环为位置环。 5）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。,8.2 位置随动系统的主要部件,线位移检测元件(感应同步器) 鉴相测量方式是在滑尺A、B
3、两励磁绕组分别加上两个同频率、同幅值而相位差为90的交流电压 、 ，见图8-2b。其中 ， 。 根据迭加原理定尺上感应产生的电动势e为两者之和，即,角位移检测元件, 伺服电位器 较一般电位器精度高、摩擦转矩也较小。 通常为线绕电位器，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。 其输出电压U与角位移差成正比，即,图8-3 伺服电位器,圆盘式感应同步器, 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。,光电编码盘, 编码盘
4、是一种按一定编码形式，将圆盘分成若干等分。 并分成若干圈，各圈对应着编码的位数，称为码道。 对应码盘的每一个码道，有一个光电检测元件。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。 每一个代码，对应着唯一的一个位置，所以称为绝对编码盘。,a) 二进制编码盘 b) 编码器外形 图8-5 光电编码盘,图86 光电码盘角位移检测示意图, 光电码盘检测的优点、缺点和应用, 光电码盘检测的优点是非接触检测、允许高转速 和精度较高。单个码盘可做到18位，组合码盘可做到22位。 其缺点是结构复杂、价格较贵、安
5、装较困难。 高速、高精度的数控机床中，获得广泛的应用。, 伺服电动机与一般电动机的差别 电动机惯量小，电动机灵敏，空载始动电压低； 线性的机械特性和调节特性； 宽广的调速范围； 有很强的过载能力； 很强的刚性，不易产生振动。,直流伺服电动机的结构特点, 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)，永磁式(即其磁极为永久磁钢)(型号为SY)。,电磁式 b) 永磁式 图87 直流伺服电动机 1磁极 2电枢 3换向器 4电刷, 直流伺服电
6、动机的工作原理与工作特性 (1)直流伺服电动机的工作原理与他励直流电动机相 同。 (2)直流伺服电动机的机械特性和调节特性。 机械特性 本质上与他励直流电动机是相同的。 调节特性 指电动机的转速n与控制电压U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。,图88 直流伺服电动机的机械特性与调节特性 a) 机械特性 b) 调节特性,交流伺服电动机的基本结构特点,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
7、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，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。 交流伺服电动机的转子通常有笼型和空心杯式两种。 笼型(SL型)，它与普通笼型转子有两点不同：一是其形状细而长(为了减小转动惯量)，二是其转子导体采用高电阻率材料(如黄铜、青铜等)，这是为了获得近似线性的机械特性)。 空心杯转子(SK型)，它是用铝合金等非导磁材料制成的薄壁杯形转子，杯内置有固定的铁芯。这种转子的优点是惯量小，动作迅速灵敏，缺点是气隙大，因而效率低。,图89 交流伺服电动机的电路图,图810
8、交流伺服电动机结构示意图 a) 笼型转子 b) 空心杯转子,交流伺服电动机的工作原理, 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。,图811 交流伺
9、服电动机的机械特性与调节特性 a) 机械特性 b) 调节特性,图811 交流伺服电动机的机械特性与调节特性 a) 机械特性 b) 调节特性,系统的组成 1. 交流伺服电动机 被控对象是交流伺服电动机SM。A为励磁绕组，为使励磁电流与控制电流互差90电角度，励磁回路中串接了电容C1，它通过变压器T1由交流电源供电；B为控制绕组，它通过变压器T2经交流调压电路接于同一交流电源。供电的电源为115V、400HZ交流电源。 2. 主电路 系统的主电路为单相双向晶闸管交流调压电路。 3. 触发电路 与主电路VTF与VTR相对应，触发器电路也有正、反两组，它们由同步变压器T3提供同步电压。 由于在主电路中
10、，VTF与VTR不允许同时导通，因此在正、反两组触发器电路中，要增设互锁环节，以保证在正、反两组触发器电路中，只能有一组发出触发脉冲。,8.3 位置随动系统的组成和工作原理,8.3 位置随动系统的组成和工作原理,4. 控制电路 （1）给定信号 设位置给定量为i，它通过伺服电位器RPS 转换成电压信号Ui Ui=Ki 。 （2）位置负反馈环节 此位置随动系统的输出量为角位移o.其主反馈应为角位移负反馈。 （3）调节器与电压放大器 A1为比例积分微分(PID)调节器，为改善随动系统的动、静态性能而设置 的串联校正环节。A2为电压放大器，A3为反相器。 （4）转速负反馈和转速微分负反馈环节 有时为了
11、改善系统的动态性能，减小位置超调量，还设置转速负反馈环节。 Ufn一路经电容C和电阻R后，反馈到输入端，这就是微分负反馈环节。 （5)控制信号的综合 如今有一个输入量和三个反馈量，若在同一个输入端处进行综合，几个参数互相影响，调整也比较困难，因此可将它们分成两个闭环，使位置反馈构成外环，信号在PID调节器输入端进行综合，而把转速负反馈和转速微分负反馈环节构成内环，信号在电压放大器输入端进行综合。,图812 小功率交流位置随动系统原理图,图813 位置随动系统组成框图,系统的工作原理 在稳态，o = i ,U=0,Uc1=Uc2=0，VTF与VTR均关断，Us0，电动机停转。 位置随动系统的自动
12、调节过程如下图 ： 若输入量在不断地变化着，则上述调节过程将不断地进行着；这些调节过程一方面使偏差缩小，但也可能造成调节过度而出现超调甚至振荡。,图85 位置随动系统框图,系统框图 执行环节是交流伺服电动机，它的传递函数 将转速N(s)转换成角位移(s)，并计及变速箱的传动比i(1/10) PID调节器的传递函数,8.4 位置随动系统性能分析 系统稳态性能分析 首先分析该系统属于几阶几型系统。 未被反馈包围时的传递函数为 当G1(s)被 包围后，则等效传递函数,此为型三阶系统。此系统对位置阶跃信号(相当给出一个恒定的位移指令)，将是无静差的(ess=0)；对单位斜坡输入信号(相当一个匀速的信号
13、)它的稳态误差ess=1/KK0。对加速信号，ess。,系统稳定性分析 此系统的相位稳定裕量为 若要求3045，则可适当降低1(即减小R2)，再增大T0(R0C0)，减小T(转速反馈)，是可以做到成为一个相位裕量较大的稳定系统的。 由于位置随动系统较调速系统多含一个积分环节，所以稳定性相对较差，因此多采用PID调节器。,系统动态性能分析 由以上分析可知，降低K1，可使(及N)，但c减小，快速性会变差。增大T0及T1，可使。 位置随动系统若增设转速负反馈环节，将显著地改善系统的动态性能(位置最大超调量减小，调整时间减小)，增设转速微分负反馈环节，将限制加速度过大，有利系统平稳运行。,),图8-1
14、6为一直流位置随动系统原理图,8.5 位置随动系统实例读图分析(阅读材料),专用集成控制芯片的工作原理 L290转速/电压转换器 L290芯片为16脚双列直插式塑料封装、单片大规模集成电路，内部功能结构及外接电路如图8-17左上方的芯片所示。它的功能有三个： (1) F/V变换器产生测速电压TACHO从直流伺服电动机所加装的增量式光电编码器的三路输出信号(0、A、B)，FTA和FTB是两路正交的正弦信号，其频率表示旋转速度，相位关系表示旋转方向。此信号经芯片内部电路处理后，转化成反映转速大小与方向的电压信号，作为转速反馈信号，经4脚送往L291芯片。 (2) 产生位置反馈信号 经15脚输出的信
15、号作为系统的位置反馈信号送至L291，再经L291芯片处理后，送往微机，作位置跟踪用。 (3) 产生基准(参考)电压 L290为L291提供了一个基准电压，在3脚送至L291。,L291内部结构主要是由三部分组成： （1）5位的D/A转换器 该转换器接受的数字信号是由微机发出的5位速度指令信号，由2脚6脚输入。 （2）误差调节放大器 D/A转换器的输出信号与从12脚输入的测速信号在该调节器比较放大， 产生电动机驱动信号ERRV，经1脚送给L292，调节器的参数由外接电阻进行整定。 （3）位置放大器 该放大器将15脚引入的的位置反馈信号放大后，经16脚输出，通过外接电阻R12在误差调节放大器输入端进行比较。 位置放大器的增益也由外接电阻单独调整，8脚的STROBE信号决定系统的工作方式： 作位置随动控制作调速系统的速度闭环控制。,L292 芯片的主要功能为： （1）形成脉宽调制方波（PWM） L292内部的振荡器产生一定频率的三角波，通过外接R20将频率调整到2030KHZ。 芯片有两个逻辑使能端，对这组信号具有封锁功能，12脚 非低电平有效，13脚CE1高电平有效。 (2) H形功放 最大驱动能力2A，36V。 为了避免桥臂出现上下两管同时导通，造成电源短路、损坏芯片的危险，实际上末级有两个比较器，使输出的PWM控制信号有一定延时。 （3）
