位置随动系统课程设计

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1、第一章位置随动系统的概述之南宫帮珍创作1.1 位置随动系统的概念位置随动系统也称伺服系统，是输出量对于给定输入量的跟 踪系统，它实现的是执行机构对于位置指令的准确跟踪。位置随 动系统的被控量 （输出量 ）是负载机械空间位置的线位移和角位 移，当位置给定量（输入量）作任意变更时，该系统的主要任务是 使输出量快速而准确地复现给定量的变更，所以位置随动系统肯 定是一个反馈控制系统。位置随动系统是应用非常广泛的一类工程控制系统。它属于 自动控制系统中的一类反馈闭环控制系统。随着科学技术的发 展，在实际中位置随动系统的应用领域非常广泛。例如，数控机 床的定位控制和加工轨迹控制，船舵的自动把持，火炮方位的

2、自 动跟踪，宇航设备的自动驾驶，机器人的动作控制等等。随着机 电一体化技术的发展，位置随动系统已成为现代工业、国防和高 科技领域中不成缺少的设备，是电力拖动自动控制系统的一个重 要分支。位置随动系统与拖动控制系统相比都是闭环反馈控制系统， 即通过对输出量和给定量的比较，组成闭环控制，这两个系统的 控制原理是相同的。对于拖动调速系统而言，给定量是恒值，要 求系统维持输出量恒定，所以抗扰动性能成为主要技术指标。对 于随动系统而言，给定量即位置指令是经常变更的，是一个随机 变量，要求输出量准确跟随给定量的变更，因而跟随性能指标即 系统输出响应的快速性、灵敏性与准确性成为它的主要性能指 标。位置随动系

3、统需要实现位置反馈，所以系统结构上肯定要有 位置环。位置环是随动系统重要的组成部分，位置随动系统的基 本特征体现在位置环上。根据给定信号与位置检测反馈信号综合 比较的分歧原理，位置随动系统分为模拟与数字式两类。总结后 可得位置随动系统的主要特征如下：1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。2必须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。3电压和功率放大器以及拖动系统都必须是可逆的。 4控制系统应能满足稳态精度和动态快速响应的要求，其中 快速响应中，更强调快速跟随性能。1.3.1 电位器式位置随动系统的组成 下面通过一个简单的例子说明位置随动系统的基本

4、组成，其 原理图如图1-1所示。这是一个电位器式的小功率位置随动系统， 有以下五个部分组成：图1-1电位器式位置随动系统原理图1位置传感器 由电位器RP和RP组成位置传感器。RP是1 2 1 给定位置传感器，其转轴与把持轮连接，发出转角给定信号e * ;mRP 是反馈位置传感器，其转轴通过传动机构与负载的转轴相连，2 得到转角反馈信号 e 。两个电位器由同一个直流电源 U 供电，使 ms电位器输出电压U*和u，直接将位置信号转换成电压量。误差电 压au二u*-u反映了给定与反馈的转角误差Ae=e* -e，通过放大mm 器等环节拖动负载，最终消灭误差。2电压比较放大器（A） 两个电位器输出的电压

5、信号u*和 U在放大器A中进行比较与放大，发出控制信号U。由于au是可c正可负的，放大器必须具有鉴别电压极性的能力。输出的控制电 压 u 也是可逆的。c3 电力电子变换器（UPE）它主要起功率放大的作用（同时 也放大了电压），而且必须是可逆的。在小功率直流随动系统中 多用P-MOSFET或IGBT桥式PWM变换器。对于大功率位置随动系统， 会用到可逆的脉宽调制式PWM变换器。4伺服电机（SM）在小功率直流随动系统中多用永磁式直 流伺服电机，在分歧情况下也可采取其它直流或交流伺服电机。 大功率随动系统中也可采取永磁式直流伺服电机，由伺服电机和 电力电子变换器构成可逆拖动系统是位置随动系统的执行机

6、构。5减速器与负载 在一般情况下负载的转速是很低的，在电 机与负载之间必须设有传动比为i的减速器。在现代机器人、汽车 电子机械等大功率设备中，为了减少机械装置，倾向于采取低速 电机直接传动，可以取消减速器。以上五个部分是各种位置随动系统都有的，在分歧情况下， 由于具体条件和性能要求的分歧，所采取的具体元件、装置和控 制方案可能有较大的差别。精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的位置是位 置随动系统工作良好的基本特征。位置传感器将具体的直线或角 位移转换成模拟的或数字的电量，再通过信号处理电路或算法， 形成与控制器输入量相匹配的位置误差信号。位置传感器的分类 很多，经常使用的有以下几种：1

7、电位器电位器是最简单的位移电压传感器，可以直接给出电压信 号，价格廉价、使用方便，但滑臂与电阻间有滑动接触，容易磨 损或接触不良，可靠性较差。2基于电磁感应原理的位置传感器 属于这一类的位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同 步器等，是应用比较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都 较好。3光电编码器光电编码器由光源、光栅码盘和光敏元件三部分组成，直接 输出数字式电脉冲信号，是现代数字式随动系统主要采取的位置 传感器。码盘一般为圆形，由电动机带动旋转，也有用直线形 的，由电动机构传动。依照输出脉冲与对应位置关系的分歧，光 电编码器有增量式和绝对值式两种，也有将两者结合为一体的混 合式编码器。

8、 1）增量式编码器。脉冲数值直接与位移的增量成正 比时称作增量式编码器，经常使用的圆形增量式码盘每转发出 N 500 5000 个脉冲，高精度码盘可达数万个脉冲。通过信号处理 电路和可逆计数器可以输出位置增量信号，再经过测速算法，可 以给出转速信号；2）绝对值式编码器。绝对值式编码器码盘的图 案由若干个同心圆环组成，称作码道。码道的道数与二进制的位 数相同，有固定的零点，每个位置对应着距零点分歧位置的绝对 值。绝对值式码盘一周的总计数为N二2n，其中n为码盘的位数， 一般n二420，粗精结合的码盘可达n二20。绝对值式编码器的码 盘又分为二进制码盘和循环码码盘两种。这里就不做介绍。4磁性编码器

9、和光电编码器一样，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，近年来发展相当迅速，已有磁敏电阻式、 励磁磁环式、霍耳元件式等多种类型。与光电编码器相比，磁性 编码器的突出优点是：适应环境能力强，不怕灰尘、油污和水 露，结构简单，坚固耐用，响应速度快，寿命长；缺乏之处是制 成高分辨率有一定困难。磁性编码器也可以做成增量式或绝对值 式，在数字随动系统中有很好的应用前景。随着科学技术的发展出现了各类随动系统由于位置随动系统 的特征体现在位置上，体现在位置给定信号和位置反馈信号及两 个信号综合比较方面，因此可根据这个特征将它划分为两个类 型，一类是模拟式随动系统，一类是数字式随动系统。数字

10、式随 动系统又可分为数字相位随动系统和数字脉冲随动系统。由于本 次设计研究的是模拟随动系统，数字随动系统就不做介绍。对于 模拟随动系统可按闭环系统分为三类。1多环位置随动系统 这里只详细介绍经典的位置、转速、电流三环控制系统转 速，这类系统适用广泛。多环系统还包含只有位置环、电流环， 没有转速环；或是只有位置环、转速环，没有电流环，其实同三 环系统大同小异，分析和设计方法相同。位置、转速、电流三环系统在电流环、转速环双闭环调速系 统的基础上，外边再加一个位置控制环，便形成一个三环控制系 统，如图1-2所示。三环的调节器分别称为位置调节器（ APR）、 转速调节器（ASR）、电流调节器（ACR）

11、。其中位置环属外环， 是最主要的环，转速环即是位置环的内环，又是电流环的外环， 电流环是系统内环。在设计调节器时，转速调节器和电流调节器 可按原双闭环系统的设计和整定方法来解决。其中位置调节器APR 就是位置环校正装置，它的类型和参数决定了位置随动系统的系 统误差和动态跟随性能，其输出限幅值决定了电机的最高转速。 位置、转速、电流三个闭环都画成单位反馈，反馈系数都已计入 各调节器的比例系数中去。和双闭环控制系统一样，多环控制系统调节器的设计方法也 是从内环到外环，逐个设计各环节的调节器。按此规律，对于如 图1-2所示的三环位置随动系统，应首先设计电流调节器ACR，然 后将电流环简化成转速环中的

12、一个环节，和其它环节一起构成转 速调节器ASR的控制对象，再设计ASR。最后，再把整个转速环简 化为位置环中的一个环节，从而设计位置调节器APR。逐环设计可 以使每个控制环都是稳定的，从而包管整个控制系统的稳定性。 当电流环和转速环内的对象参数变更或扰动时，电流反馈和转速 反馈都能够起到及时的抑制作用，使之对位置环的工作影响很 小。同时每个环节都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。 但这样的逐环设计的多环控制系统也有明显的缺乏，即对外环的 控制作用的响应不会很快。这是因为设计每个环节时，都要将内 环等效成其中的一个环节，而这种等效环节传递函数之所以能够 成立，是以外环的截止频率远远低于内环为

13、前提的。在一般模拟 控制的随动系统中，电流环的截图1-2 位置、转速、电流三环位置随动系统的原理图BQ-光电位置传感器DSP-数字转速信号形成环节止频率约o二100150Hz，转速环的截止频率o约在2030 Hz之ci cn 间，最高不超出50 Hz ，照此推算，位置环的截止频率只有 o二10 Hz左右。位置环的截止频率被限制的太低，会影响系统的 C0 快速性，因为这类三环控制的位置随动系统只适用于对快速跟随 性能要求不高的场合，例如点位控制的机床随动系统。在近代数 字控制的随动系统中，控制对象的快速响应性能已经大大提高，各控制环的采样周期也可以大大缩短，其转速环的截止频率达O 二 100 2

14、00Hz， 因而位置环的截止频率也可以提高，在要求高动 cn 态性能的数控机床轨迹控制和机器人控制中都取得了很好的应用 效果。在位置、转速 、电流三环系统中，位置调节器的输出是转速 调节器的输入，速度调节器是电流调节器的输入，电流调节器的 输出直接控制功率变换单元，也就是脉宽调制系统。这三个环的 反馈信号都是负反馈，三个环都是反相放大器。三环相制约，使 控制达到极其完美的地步。第二章三环随动系统的数学模型的建立和参数计算2,1 三环随动系统的基本组成及其数学模型的建立2.1.1 三环随动系统的基本组成系统可分为以下八个部分：1位置环 我们只分析它的数学模型，不会把它作具体介绍。可以近似 为一阶

15、惯性环节，传递函数为KW (s)二j Ts +1j(2-1)2位置传感器 模拟随动系统的位置传感器如前所述，大体可以分为两种， 电位器和基于电磁感应原理的位置传感器。基于电磁感应原理的 位置传感器有自整角机、旋转变压器、感应同步器等，是应用比 较广泛的模拟式位置传感器，可靠性和精度都比较高。本次设计 采取的位置传感器是自整角机。自整角机是角位移传感器，在随 动系统中总是成对应用的。与指令轴相联的自整角机称为发送 机，与执行轴相联的称作接收机。按用途分歧，自整角机可分为 力矩式自整角机和控制式自整角机两类。力矩式自整角机可以不 经中间放大环节，直接传递转角信息，一般用于微功率同步旋转 系统。对功

16、率较大的负载，力矩式自整角机带动不了，可采取控 制式自整角机，将自整角接收机接成变压器状态，其输出电压通 过中间放大环节带动负载，组成自整角机随动系统。下面简单分 析本次设计使用的控制式自整角机的工作原理和使用。先看单相自整角机的结构和工作原理。它具有个单相励磁 绕组和一个三相整步绕组，单相励磁绕组安顿在转子上，通过两 个滑环引入交流励磁电流，励磁磁极通常做成隐极式。这样可使 输入阻抗不随转子位置而变更。整步绕组是三相绕组，一般为分 布绕组，安顿在定子上，它们被此在空间相隔120 o，并接成丫形。 BST为自整角发送机，BSR为自整角接收机。本次模型中采取的自 整角机的放大系数K二1.25 V（o）。自整角机自己的检测误差 bse二0.5o。传递函数为式（4-2），是简单的线性函数在数学模型d 将不会出现